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車載應(yīng)用中的音頻總線和以太網(wǎng)技術(shù)有何異同?
發(fā)布時間:2020-03-09 來源:ADI 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】近年來,隨著汽車采用新的信息娛樂技術(shù)和先進的駕駛員輔助系統(tǒng)(攝像頭、雷達、激光雷達等),以及采用多種傳感器測量不同數(shù)據(jù)(穩(wěn)定性、速度、加速度等),汽車內(nèi)部的電子系統(tǒng)數(shù)量增加,復(fù)雜性也達到了新高度。
我們可以用高帶寬和低帶寬類技術(shù)來簡單分類。通常,傳感器需要低帶寬。汽車上最常用的加速度計的輸出數(shù)據(jù)速率(ODR)只有幾千赫茲。至于信息娛樂系統(tǒng),普通音頻和視頻數(shù)據(jù)要求的速率一般為幾Mbps以上。
然而,高清多攝像頭系統(tǒng)的采用才真正令標準得到提高,這種系統(tǒng)適用于停車輔助系統(tǒng)、360°視覺系統(tǒng)(也稱為鳥瞰系統(tǒng)或環(huán)視系統(tǒng))、雷達(基于RF微波)和激光雷達(基于紅外激光),能夠幫助增強駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)。這些系統(tǒng)能夠共存是推動自動駕駛汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素,但對任何通信總線來說都是一個巨大的挑戰(zhàn)。
汽車中使用的傳統(tǒng)總線包括:
● 局域互連網(wǎng)絡(luò)(LIN):速度最高20kbps,主要用于要求低成本、速度/帶寬比不太重要的子系統(tǒng)中。
● 控制器局域網(wǎng)(CAN):傳輸速度最高1Mbps,比如用于在電子控制單元(ECU)和啟停系統(tǒng)、駐車輔助系統(tǒng)和電子駐車制動器的傳感器之間通信。
● FlexRay:速度比CAN快(最高10 Mbps),價格更高昂。最開始被用于線控(線控駕駛、線控轉(zhuǎn)向)系統(tǒng),能用于適配多種網(wǎng)絡(luò)拓撲。
● 面向媒體的系統(tǒng)傳輸(MOST):速度最高150 Mbps,專用于傳輸音頻、視頻、語音和數(shù)據(jù)信號。定義ISO/OSI模型的全部7個層,從物理層直到應(yīng)用層。是一個專有的解決方案。
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷發(fā)展,另一方面變得越加重要。許多不同子系統(tǒng)使用的各種總線都包含非常復(fù)雜(且昂貴)的電纜。對于汽車應(yīng)用,尺寸和重量是新的挑戰(zhàn),因為要滿足新的環(huán)境法規(guī)就意味著需要開發(fā)能夠(例如)降低CO2排放量的新系統(tǒng)。在這種情況下,就不太容易滿足高帶寬、低延遲,確定性、耐用且便宜的通信總線的需求了。
汽車音頻總線(A2B)
汽車音頻系統(tǒng)的電纜在總電纜重量中占了很大比重,這是因為模擬線路要求從音頻源到端(揚聲器)都采用價格高昂的屏蔽電纜。此外,主動降噪(ANC)和路噪降噪(RNC)系統(tǒng)需要在車內(nèi)安裝多個麥克風(fēng),這為音頻網(wǎng)絡(luò)增加了許多輸入節(jié)點。圖1非常詳細地展示了傳統(tǒng)汽車音頻系統(tǒng)的實際布線。
圖1. 傳統(tǒng)的車內(nèi)音頻系統(tǒng)線纜。
汽車音頻總線(A2B)是ADI推出的一項創(chuàng)新技術(shù),支持串聯(lián)拓撲,即單個主機最多連接10個菊花鏈形式的從機。A2B針對音頻應(yīng)用進行優(yōu)化,速度為50Mbps。通過使用非屏蔽雙絞線(UTP),大幅簡化連接,線束的總重量減少高達75%。節(jié)點之間的距離可達15米,最大網(wǎng)絡(luò)長度為40米。同樣的UTP傳輸電源(幻象供電)最高可達300mA,非常適合數(shù)字麥克風(fēng)。
若在主節(jié)點提供的供電功率分配不足時,可以由本地電源為從機節(jié)點供電。總線支持雙向通信,主機至從機、從機至主機,最多可32個通道下行和上行(12、16、24位)。最重要的是,可以保證延時最多2個時鐘周期,為ANC/RNC這樣的延時敏感型應(yīng)用提供確定性。A2B總線可以傳輸I2C消息,支持在從機節(jié)點上遠距離配置ADC/DAC等外設(shè)。
簡化A2B網(wǎng)絡(luò)配置的工具是SigmaStudio,這是一種圖形化設(shè)計環(huán)境,支持SigmaDSP和SHARC DSP等系列。A2B收發(fā)器(AD2428, AD2427, and AD2426)提供I2S和PDM接口。I2S接口通常用于連接ADC和DAC,數(shù)字麥克風(fēng)則通常使用PDM。
汽車應(yīng)用的一個重要問題是電磁兼容性(EMC/EMI)。A2B通過了最嚴格的汽車EMC和EMI測試(僅使用雙線UTP電纜)。RNC應(yīng)用要求加速度計和麥克風(fēng)分布在汽車內(nèi)部周圍。使用模擬鏈路的成本非常高昂,因為需要額外部署電路(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)、電纜和連接器。A2B技術(shù)采用新型音頻源和傳感器,簡化了這個架構(gòu)。
圖2. 被A2B技術(shù)簡化過的車內(nèi)音頻系統(tǒng)線纜。
車載以太網(wǎng)
以太網(wǎng)是非常流行的網(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)用非常有限,僅限于診斷、車載信息娛樂系統(tǒng)和高帶寬傳感器連接等。
雖然在雷達和激光雷達等新技術(shù)不斷涌現(xiàn)且對帶寬產(chǎn)生巨大需求時,以太網(wǎng)可能能夠滿足這些帶寬需求,但仍有幾個方面限制了它在汽車上的應(yīng)用。用于100-Base-TX的傳統(tǒng)以太網(wǎng)電纜都是基于兩個差分線對,通過變壓器進行隔離,對于汽車應(yīng)用而言太過昂貴。此外,5類電纜不能滿足汽車EMI標準,因此,100-Base-TX以太網(wǎng)除了進行診斷和固件更新,并不能用于車內(nèi)通信。
對于車對車(V2V)或車對萬物(V2X)通信,車內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸必須支持同步、流量控制和固定延遲。以太網(wǎng)無法提供這類支持,除非采用新協(xié)議棧。
我們先考慮一下物理層。為了滿足關(guān)于重量、EMI和成本的要求,電氣與電子工程師協(xié)會(IEEE)制定了一項新標準,即802.3bw,也被稱為100-Base-T1。IEEE802.3bw是基于雙向UTP電纜的100Mbps標準,滿足嚴格的汽車電磁輻射標準。它利用疊加、特定編碼和加擾等原理降低EMI。
使用非屏蔽雙線電纜代替?zhèn)鹘y(tǒng)的5類電纜時,成本和重量都更低。以太網(wǎng)供電(PoE)等技術(shù)在傳輸數(shù)據(jù)的同時供電,共用相同的電纜。但是,PoE提供電源至少要用到兩個線對,與減少電纜數(shù)量的要求背道而馳。
所以IEEE制定出802.3bu標準,也被稱為數(shù)據(jù)線供電(PoDL)。PoDL可以通過一個線對提供電源,這從一定程度上增加了收發(fā)器原理圖的復(fù)雜性。
圖3. 基本的PoDL架構(gòu):通過同樣的差分通道傳輸數(shù)據(jù)和提供電源。
如前所述,為了支持汽車應(yīng)用,以太網(wǎng)需要額外的軟件技術(shù)來支持時間確定性。這可以通過音頻視頻橋接協(xié)議(AVB)來實現(xiàn),AVB協(xié)議由IEEE 802.1開發(fā),該組織負責(zé)ISO/OSI模型的第二層。
AVB是一種提供時間同步和流量控制的軟件技術(shù)。利用這些基本概念,以太網(wǎng)可以可靠地提供音頻和視頻內(nèi)容。在AVB的推動下,IEEE定義了一系列協(xié)議,即時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN),它們主要關(guān)注工業(yè)和汽車市場,提供支持實時支持的以太網(wǎng)。
綜上所述,IEEE 802.3bw加上TSN可以取代傳統(tǒng)總線,成為合適的車內(nèi)確定性通信解決方案。此外,100-Base-T1正在演變成新的1000-Base-T1標準,速度可以達到1Gbps。但是,這樣的系統(tǒng)相當復(fù)雜,而且這些技術(shù)還不夠成熟,不適合在汽車市場中廣泛部署。
可能的場景
車載市場已開始采用A2B來進行音頻傳輸。涉及從不同總線子系統(tǒng)/節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的需求下,以太網(wǎng)還遠遠沒有達到批量實施的水平。
圖4. 多域架構(gòu)。
A2B技術(shù)對簡化ANC、免提系統(tǒng)、電動汽車(EV)警示音系統(tǒng)、緊急呼叫(eCall)系統(tǒng)等應(yīng)用都大有裨益。此外,未來可能能夠直接將數(shù)字傳感器提供的信息傳輸至A2B,以進一步簡化RNC系統(tǒng)的架構(gòu)。
自動駕駛推動著總線性能不斷提高,未來有望實現(xiàn)千兆網(wǎng)絡(luò)連接。那么,在接下來的幾年里,會出現(xiàn)什么樣的場景?
A2B是一種易于實現(xiàn)的技術(shù),通過同一對UTP電纜傳輸電源和數(shù)據(jù),并對延時提供確定性支持。采用現(xiàn)有的100-Base-T1(未來是1000-Base-T1)技術(shù)的以太網(wǎng)將會是一種融合技術(shù),可以聚合多條數(shù)據(jù)總線,但增加供電(PoDL)和軟件確定性(TSN)的復(fù)雜性會提高。
很可能,基于A2B的音頻傳輸和傳感器混合解決方案,以及依靠高速Gb以太網(wǎng)連接激光雷達和雷達等主干網(wǎng)絡(luò),能夠滿足汽車行業(yè)大部分的中期需求。
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