A2B汽車應(yīng)用中的B和以太網(wǎng)：什么、何時(shí)以及如何

近年來，汽車電子系統(tǒng)的數(shù)量有所增加，隨著信息娛樂和高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（攝像頭、雷達(dá)、激光雷達(dá)等）新技術(shù)的采用，以及用于許多不同目的（穩(wěn)定性、速度、加速度等）的多個(gè)傳感器的采用，汽車電子系統(tǒng)的數(shù)量達(dá)到了更高的復(fù)雜性。

我們可以區(qū)分高帶寬和低帶寬技術(shù)。通常，傳感器需要低帶寬。汽車中最常用的加速度計(jì)的輸出數(shù)據(jù)速率（ODR）為幾kHz。在信息娛樂方面，音頻和視頻數(shù)據(jù)需要幾Mbps范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)速率。

然而，真正提高標(biāo)準(zhǔn)的是采用高清多攝像頭系統(tǒng)進(jìn)行停車輔助、360°視覺系統(tǒng)（也稱為鳥瞰或環(huán)視監(jiān)控系統(tǒng)）、雷達(dá)（射頻微波）和激光雷達(dá)（光學(xué)）以增強(qiáng)高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) （ADAS）。所有這些系統(tǒng)的共存是自動(dòng)駕駛汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素，但它對(duì)任何通信總線來說都是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

汽車中使用的傳統(tǒng)客車有：

本地互連網(wǎng)絡(luò)（LIN）：速度高達(dá)20 kbps，主要用于低成本至關(guān)重要且速度/帶寬比不重要的子系統(tǒng)。

受控區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（CAN）：傳輸速率高達(dá)1 Mbps，主要用于啟動(dòng)/停止系統(tǒng)、駐車輔助系統(tǒng)和電動(dòng)駐車制動(dòng)器中的電子控制單元（ECU）與傳感器之間的通信。

FlexRay：比CAN更快（高達(dá)10 Mbps），它更貴。它最初用于線控（線控驅(qū)動(dòng)、線控轉(zhuǎn)向）系統(tǒng)，旨在適應(yīng)多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

面向媒體的系統(tǒng)傳輸 （MOST）：最高速度為 150 Mbps，旨在傳輸音頻、視頻、語音和數(shù)據(jù)信號(hào)。它定義了ISO/OSI模型的所有七層，從物理層到應(yīng)用層。這是一個(gè)專有的解決方案。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的這種發(fā)展，另一個(gè)方面變得很重要。用于不同子系統(tǒng)的許多不同的總線包括非常復(fù)雜（且昂貴）的布線。尺寸和重量是汽車應(yīng)用中的新挑戰(zhàn)，因?yàn)闈M足新的環(huán)境法規(guī)意味著開發(fā)新的系統(tǒng)，例如可以減少一氧化碳2排放。在這樣的環(huán)境中，對(duì)于高帶寬、低延遲、確定性、穩(wěn)健且廉價(jià)的通信總線的需求，沒有簡(jiǎn)單的答案。

汽車音頻總線 （A2B)

對(duì)總布線重量的主要貢獻(xiàn)之一來自汽車音響系統(tǒng)，因?yàn)?a href="http://ttokpm.com/analog/" target="_blank">模擬布線需要為每個(gè)音頻源/接收器（揚(yáng)聲器）使用昂貴的屏蔽電纜。此外，主動(dòng)降噪 （ANC） 和道路降噪 （RNC） 系統(tǒng)需要在車內(nèi)安裝多個(gè)麥克風(fēng)，從而為音頻網(wǎng)絡(luò)添加許多其他輸入。

傳統(tǒng)音頻系統(tǒng)在車內(nèi)的實(shí)際布線如圖1所示。

圖1.用于音頻系統(tǒng)的傳統(tǒng)車載布線。

汽車音頻總線 （A2B）是ADI公司的一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，允許實(shí)現(xiàn)串聯(lián)拓?fù)?，單個(gè)主站連接到多達(dá)10個(gè)菊花鏈?zhǔn)綇臋C(jī)。速度為 50 Mbps，A?2B 針對(duì)音頻應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。通過使用非屏蔽雙絞線 （UTP） 電纜，連接大大簡(jiǎn)化，將線束的總重量減輕多達(dá) 75%。節(jié)點(diǎn)之間的距離可以長達(dá) 15 m，而最大網(wǎng)絡(luò)長度為 40 m。同一 UTP 提供高達(dá) 300 mA 的電源（幻象供電配置），非常適合數(shù)字麥克風(fēng)。

如果主節(jié)點(diǎn)提供的功率預(yù)算不足，始終可以為從節(jié)點(diǎn)提供本地電源。該總線允許雙向、主從和從從通信，提供多達(dá) 32 個(gè)下行和上行通道（12、16 和 24 位）。最重要的是，保證了 2 個(gè)周期的延遲，為 ANC/RNC 等延遲敏感型應(yīng)用提供了確定性支持。該巴士能夠運(yùn)送I2C按摩，允許在從節(jié)點(diǎn)上跨距離配置ADC/DAC。

什么真正簡(jiǎn)化了 A 的配置2B網(wǎng)絡(luò)是SigmaStudio，一個(gè)支持SigmaDSP和SHARC DSP系列的圖形設(shè)計(jì)環(huán)境。一個(gè)???2B收發(fā)器（AD2428、AD2427和AD2426）提供I 2砂型 PDM 接口。通常，I2S接口用于連接ADC和DAC，而數(shù)字麥克風(fēng)使用PDM。

汽車應(yīng)用中的主要問題之一與電磁兼容性（EMC）有關(guān)。一個(gè)2B 僅使用 2 線 UTP 電纜就通過了最嚴(yán)格的汽車 EMC 和電磁干擾 （EMI） 兼容性測(cè)試。RNC 應(yīng)用需要將加速度計(jì)和麥克風(fēng)分布在車輛周圍和內(nèi)部。使用模擬部件的成本過高，因?yàn)樗枰~外的電路（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）、布線和連接器。該 A2B 技術(shù)通過一種新穎的音頻源和傳感器方法簡(jiǎn)化了這種架構(gòu)。

圖2.音頻系統(tǒng)的車載布線簡(jiǎn)化為 A2B技術(shù)。

汽車以太網(wǎng)

以太網(wǎng)是一種非常流行的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，擁有龐大的生態(tài)系統(tǒng)。然而，到目前為止，它在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用僅限于少數(shù)應(yīng)用，如診斷、車載信息娛樂系統(tǒng)和傳感器連接。它在車載應(yīng)用中的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手可能是MOST，它可以在速度方面競(jìng)爭(zhēng)。

盡管以太網(wǎng)有可能成為最新技術(shù)（例如雷達(dá)和激光雷達(dá)）對(duì)帶寬的巨大需求的最終答案，但仍有幾個(gè)方面限制了其在汽車中的采用。

用于 100-Base-TX 的傳統(tǒng)以太網(wǎng)電纜基于兩對(duì)差分線并由變壓器隔離，對(duì)于汽車應(yīng)用來說過于昂貴。此外，Cat-5 電纜不符合汽車 EMI 標(biāo)準(zhǔn)，使得 100-Base-TX 以太網(wǎng)無法用于診斷和固件更新以外的車載通信。

對(duì)于車對(duì)車 （V2V） 或車對(duì)一切 （V2X） 通信，必須在同步、流量整形和固定延遲方面支持車內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸。以太網(wǎng)沒有這種支持，除非實(shí)施新的協(xié)議棧。

讓我們先考慮物理層。

為了滿足重量、EMI 和成本方面的要求，電氣和電子工程師協(xié)會(huì) （IEEE） 定義了一個(gè)名為 802.3bw 的新標(biāo)準(zhǔn)，也稱為 100-Base-T1。IEEE 802.3bw 是基于雙向 UTP 電纜的 100 Mbps 標(biāo)準(zhǔn)，可滿足嚴(yán)格的汽車排放要求。通過使用疊加、特定編碼和加擾方案的基本原理來降低 EMI。

當(dāng)使用非屏蔽 2 芯電纜代替?zhèn)鹘y(tǒng)的 Cat-5 電纜時(shí)，重量和成本更低。以太網(wǎng)供電 （PoE） 等技術(shù)共享相同的電線，與數(shù)據(jù)一起提供電力。但是，PoE 至少需要兩對(duì)電線來供電，這與減少電線數(shù)量的需求形成鮮明對(duì)比。

這就是IEEE定義標(biāo)準(zhǔn)802.3bu的原因，也稱為數(shù)據(jù)線供電（PoDL）。PoDL可以通過一對(duì)電線供電，這增加了收發(fā)器原理圖的復(fù)雜性。

圖3.基本PoDL架構(gòu)：數(shù)據(jù)和電源共享相同的差分通道。

如前所述，為了支持汽車應(yīng)用，以太網(wǎng)需要額外的軟件來提供確定性。這可以通過在IEEE 802.1中開發(fā)的音頻視頻橋接（AVB）協(xié)議來實(shí)現(xiàn)，IEEE 802.1是負(fù)責(zé)ISO/OSI模型中第二層的組織。

AVB 是一種提供時(shí)間同步和流量整形的軟件技術(shù)。有了這些基本概念，以太網(wǎng)可以可靠地傳輸音頻和視頻內(nèi)容。AVB導(dǎo)致了一組稱為時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）的協(xié)議的定義，專注于工業(yè)和汽車市場(chǎng)，為以太網(wǎng)提供實(shí)時(shí)支持。

總而言之，IEEE 802.3bw加TSN可以成為汽車內(nèi)確定性通信的合適解決方案，取代傳統(tǒng)總線。此外，100-Base-T1正在發(fā)展為新的1000-Base-T1標(biāo)準(zhǔn)，可以達(dá)到1 Gbps。然而，這種系統(tǒng)很復(fù)雜，這些技術(shù)還不夠成熟，無法在汽車市場(chǎng)中廣泛部署。

可能的情況

雖然汽車市場(chǎng)開始采用2B 對(duì)于汽車中的音頻傳輸，以太網(wǎng)在傳輸來自不同總線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)時(shí)還遠(yuǎn)未大規(guī)模實(shí)施。

圖4.多域體系結(jié)構(gòu)。

主動(dòng)降噪、免提系統(tǒng)、電動(dòng)汽車 （EV） 噪聲生成和緊急呼叫 （eCall） 系統(tǒng)等應(yīng)用受益于2B技術(shù)。此外，在未來，可以將來自數(shù)字傳感器的信息直接帶到A2B、簡(jiǎn)化RNC系統(tǒng)的架構(gòu)。

然而，A2B具有與總線速度相關(guān)的帶寬限制。一旦 1000-Base-T1 成熟，以太網(wǎng)可以達(dá)到 1 Gbps 的速度;有了這個(gè)帶寬，它可以輕松地帶來不同類型的數(shù)據(jù)，從傳感器到音頻/視頻流。

自動(dòng)駕駛正在推動(dòng)進(jìn)一步的性能，朝著多千兆網(wǎng)絡(luò)連接的方向發(fā)展。那么，未來幾年我們應(yīng)該期待什么樣的情況呢？

A2B是一種易于實(shí)現(xiàn)的技術(shù)，通過同一 UTP 提供電源和數(shù)據(jù)，并具有對(duì)固定延遲的確定性支持。

以太網(wǎng)與現(xiàn)有的100-Base-T1（以及未來的1000-Base-T1）將是一種融合技術(shù)，允許聚合多個(gè)數(shù)據(jù)總線，但增加功率（PoDL）和軟件確定性（TSN）的復(fù)雜性增加。

可能，基于 A 的混合解決方案2B用于音頻傳輸和傳感器，以及用于攝像頭、激光雷達(dá)和雷達(dá)的高速Gb以太網(wǎng)的主干網(wǎng)，可以滿足汽車行業(yè)未來的大部分中期需求。

審核編輯：郭婷