客戶需要能夠自動化或增強(qiáng)操作任務(wù)的功能，以提高駕駛員的生產(chǎn)力、安全性，并在許多情況下降低總擁有成本和運(yùn)營成本?，F(xiàn)在，客戶對車輛的基本要求包括自動制動、自適應(yīng)轉(zhuǎn)向、車載診斷、車對車 (V2V) 和車對基礎(chǔ)設(shè)施 (V2I) 通信，以及為駕駛員提供 360 度全方位視野的攝像頭。

　　這些功能需要以高速和低延遲傳輸大量數(shù)據(jù)。隨著工程師設(shè)計(jì)新模型以滿足這些客戶需求，挑戰(zhàn)在于確保信號完整性和正確的數(shù)據(jù)傳輸。

　　設(shè)計(jì)具有以太網(wǎng)和 CAN 總線的混合架構(gòu)

　　控制器局域網(wǎng) (CAN) 總線是一種堅(jiān)固的車輛連接架構(gòu)，使控制器和電子設(shè)備能夠相互通信。該協(xié)議支持多路復(fù)用等功能，以減少系統(tǒng)中電線的數(shù)量和成本。該協(xié)議通?？梢詫?shí)現(xiàn)高達(dá) 500 Kbps 的速度，并且?guī)资陙硪恢笔谴蠖鄶?shù)乘用車和重型車輛的可靠骨干連接架構(gòu)。

　　然而，高級車輛功能和安全性和生產(chǎn)力的自動化功能所需的數(shù)據(jù)帶寬太大，無法單獨(dú)由 CAN 提供服務(wù)。為了處理增加的數(shù)據(jù)需求并提供高速連接，需要復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。

　　使用汽車以太網(wǎng)升級為有線車輛通信

　　以太網(wǎng)是汽車制造商的自然首選，因?yàn)樵摷夹g(shù)經(jīng)受住了時間的考驗(yàn)。然而，以太網(wǎng)本身是不夠的，它缺乏汽車應(yīng)用所需的穩(wěn)健性和響應(yīng)能力。

　　因此，業(yè)界對以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，并開發(fā)了特殊版本以適應(yīng)特定應(yīng)用。汽車以太網(wǎng)也是以汽車應(yīng)用場景為中心而發(fā)展起來的，與家庭以太網(wǎng)有很大不同。根據(jù) IEEE 802.3 的規(guī)定，汽車以太網(wǎng)是以太網(wǎng)的一個子類別，包括單平衡雙絞線以太網(wǎng)協(xié)議，如 100BASE-T1 或 1000BASE-T1，可提供 100 Mbps 的點(diǎn)對點(diǎn) (P2P) 全雙工數(shù)據(jù)傳輸和分別為 1 Gbps。

　　以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和連接器允許原始設(shè)備制造商 (OEM) 設(shè)計(jì)人員將更多設(shè)備無縫集成到網(wǎng)絡(luò)中，并加速車輛中的數(shù)據(jù)連接。作為一種 P2P 拓?fù)洌蕴W(wǎng)改變了車輛的電氣和電子架構(gòu)。隨著原始設(shè)備制造商 (OEM) 決定添加更多功能和設(shè)備，設(shè)計(jì)人員還需要考慮以太網(wǎng)交換機(jī)來引導(dǎo)信號和網(wǎng)關(guān)，以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)和 CAN 之間的通信。

　　優(yōu)化通信鏈路的選擇和放置

　　為了在惡劣條件下優(yōu)化空間、重量和性能，設(shè)計(jì)人員必須考慮如何在設(shè)計(jì)的初始階段將以太網(wǎng)集成到需要的地方。

　　這涉及做出決策，例如在車內(nèi)放置多少根電纜、放置它們的位置、放置以太網(wǎng)開關(guān)的位置，以及開關(guān)應(yīng)該在現(xiàn)有的電子控制單元 (ECU) 中還是必須制作新的專用 ECU對于需要以太網(wǎng)的每個功能。這些決定對于避免或減輕電磁干擾 (EMI) 和其他機(jī)械干擾至關(guān)重要。

　　例如，重型車輛上的 360 度攝像頭將車外的高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰噧?nèi)顯示器，以便駕駛員了解他/她的周圍環(huán)境。四個攝像頭(車輛兩側(cè)各一個)向 ECU 發(fā)送信號。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要規(guī)劃開關(guān)的放置位置，以組合來自四個攝像頭的數(shù)據(jù)并將其以單個信號的形式發(fā)送到 ECU。開關(guān)可以在車輛中，也可以在其中一個攝像頭中，該攝像頭有四個端口，用于輸入來自其他三個攝像頭的數(shù)據(jù)，然后發(fā)送數(shù)據(jù)。另一種選擇是將開關(guān)集成到視頻顯示監(jiān)視器中。

　　建立面向未來的車輛連接網(wǎng)絡(luò)

　　主動自動化功能(例如自動制動和其他包含多傳感器陣列的 ADAS)在早期設(shè)計(jì)階段需要更多思考。每個傳感器都有一個到 ECU 的專用通信鏈路。車輛擁有的傳感器越多，需要的電纜和連接就越多。

　　未來的自動駕駛重型車輛可能需要大約 16 個無線電探測和測距 (RADAR)、10 個光探測和測距 (LIDAR)以及車輛周圍的 10 個攝像頭的廣泛傳感器陣列。這是 30 多根電纜和鏈路，需要抗 EMI 和智能布線，同時考慮空間、重量和 EMI，以保持機(jī)箱內(nèi)外的信號完整性，因?yàn)殒溌愤M(jìn)入一個 ECU。

　　更大的商用車帶來更多挑戰(zhàn)

　　工業(yè)和商用車輛的巨大尺寸在保持信號完整性和可靠傳輸數(shù)據(jù)方面提出了挑戰(zhàn)。對于通過汽車中的以太網(wǎng)鏈路發(fā)送信號，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最大距離為 15 米。但對于卡車、公共汽車和非公路車輛，信號完整性必須保持更長的長度，最長可達(dá) 40 米或更長，同時承受劇烈振動、極端溫度、沖擊、嚴(yán)重的灰塵條件和更多的。

　　以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)目前規(guī)定在 40 米范圍內(nèi)最多有四個串聯(lián)連接。設(shè)計(jì)人員需要評估每個段可以保持最佳信號完整性的時間。影響這一點(diǎn)的因素可能是暴露于外部元件、高溫、放置在天線附近或其他可能導(dǎo)致 EMI 的組件。路由是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素，整個物理層必須按預(yù)期進(jìn)行擴(kuò)展。

　　選擇正確的組件

　　在設(shè)計(jì)帶有 CAN 和以太網(wǎng)的混合架構(gòu)時，工程師需要預(yù)先考慮整個連接基礎(chǔ)設(shè)施，即他們將結(jié)合哪些先進(jìn)的、大量數(shù)據(jù)的功能。技術(shù)越先進(jìn)，原始設(shè)備制造商和供應(yīng)商之間的合作就越重要。

　　除了廣泛的組件，來自 TE Connectivity 等品牌的產(chǎn)品專家和設(shè)計(jì)工程師為合作伙伴提供產(chǎn)品開發(fā)解決方案和咨詢，以確保最大限度地優(yōu)化設(shè)計(jì)并延長設(shè)計(jì)壽命。

　　TE Connectivity 的數(shù)據(jù)連接工程經(jīng)理 Abas Alwishah 解釋說：“假設(shè)客戶告訴我他們需要一個延遲非常低的高清攝像頭或接近檢測系統(tǒng)。在這種情況下，我可以解釋實(shí)現(xiàn)該功能或系統(tǒng)所需的所有單個組件。通過分享有關(guān)傳感器的詳細(xì)信息，連接器、電纜組件、天線、處理器、顯示器等，可以提供有關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建議，以優(yōu)化性能、空間、重量和成本。”

　　選擇能夠承受惡劣條件的以太網(wǎng)兼容組件是在長壽命、重型車輛中實(shí)現(xiàn)可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵。汽車以太網(wǎng)連接器(最初是為乘用車設(shè)計(jì)的)可用于車廂或其他不受極端沖擊、溫度或其他因素影響的車輛區(qū)域，在這些區(qū)域不需要更堅(jiān)固的連接器和更長的電纜。高質(zhì)量的非屏蔽雙絞線適用于車輛大部分區(qū)域的以太網(wǎng)，僅在必要時才使用屏蔽雙絞線。設(shè)計(jì)師的選擇也將有助于控制成本并節(jié)省空間和重量。

　　例如，用于汽車以太網(wǎng)的模塊化和可擴(kuò)展小型化汽車以太網(wǎng) (MATEnet) 連接器可用于重型車輛，用于需要大中型數(shù)據(jù)量和低延遲的應(yīng)用，例如車載診斷、車聯(lián)網(wǎng)(Vehicle-to-Everything) ( V2X) 技術(shù)、遠(yuǎn)程信息處理、儀表板信息娛樂、ADAS 等。該連接器可以以 100 Mbps 到 1 Gbps 的速度傳輸數(shù)據(jù)(根據(jù) IEEE 100BASE-T1/1000BASE-T1 標(biāo)準(zhǔn))，并且可以與非屏蔽或屏蔽雙絞線電纜一起使用。

　　底盤上的組件需要的不僅僅是堅(jiān)固性。它們必須表現(xiàn)出機(jī)械可靠性、可維修性、能夠承受極端溫度，并在更長的通道長度下高效運(yùn)行。在處理更高頻率時，電纜/連接器的質(zhì)量和設(shè)計(jì)會顯著影響通道性能，最終影響應(yīng)用性能。特別是對于機(jī)箱上的組件，工程師需要選擇專為在惡劣環(huán)境中進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計(jì)的電纜和連接器。

　　TE Connectivity 數(shù)據(jù)連接產(chǎn)品經(jīng)理Mark Brubaker認(rèn)為，“在嘗試滿足機(jī)械彈性需求時，一些工程師可能會本能地考慮添加更大、更堅(jiān)固的外殼，但更厚的壁可能會對電氣性能產(chǎn)生負(fù)面影響。重要的是要了解歷史上的有效方法，但也需要進(jìn)一步了解新一代的高速數(shù)據(jù)傳輸電氣需求，并測試在所涉及的更高頻率下連接將如何執(zhí)行。”

　　結(jié)論

　　在設(shè)計(jì)需要高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呒壓妥詣踊δ軙r，產(chǎn)品選擇和放置不能是事后考慮。在將以太網(wǎng)添加到重型車輛架構(gòu)中時，設(shè)計(jì)人員必須比以往任何時候都更早、更深入地考慮和規(guī)劃所涉及的復(fù)雜性。這是成功平衡可靠性和機(jī)械彈性與高速數(shù)據(jù)、更長通道長度和可維護(hù)性需求的電氣要求的唯一方法。