A2B 與乙太網路在汽車的應用 : 何物、何時、何法

作者: ADI 資深現場應用工程師Matteo Crosio

介紹

近幾年來,汽車內所搭載的電子系統數量正不斷持續增加,隨著資訊娛樂以及先進駕駛輔助系統採用許多如攝影機、雷達、光達等新技術,以及針對不同目的採用各種感測器(穩定度、速度、加速度等),使其相關的複雜度也跟著攀升。

近幾年來,汽車內所搭載的電子系統數量正不斷持續增加,隨著資訊娛樂以及先進駕駛輔助系統採用許多如攝影機、雷達、光達等新技術,以及針對不同目的採用各種感測器(穩定度、速度、加速度等),使其相關的複雜度也跟著攀升。

然而,真正拉高性能標竿的則是採用高畫質多重攝影機系統,相關應用為停車輔助、360度環景系統(亦即鳥瞰視野或環景監視系統)、雷達(射頻微波)、以及光達(光學)等系統,主要是用來強化先進駕駛輔助系統(ADAS)的功能。上述這些系統的並存運行,不僅對於自駕車的開發構成一項關鍵因素,同時也對通訊匯流排形成一項重大挑戰。

汽車採用的傳統匯流排:

  • 區域互連網路(LIN): 傳輸速度達20 kbps,主要用在各子系統,這類產品要求低成本,但並不重視速度/頻寬比。
  • 受控區域網路 (CAN): 傳輸率可達1 Mbps,主要用在電子控制單元(ECU),以及啟動/停止系統、停車輔助系統、以及電子手煞車等附帶感測器之間的通訊。
  • FlexRay: 高速高於CAN (最高達10 Mbps),成本較為昂貴。最初設計用在 x-by-wire (線控操縱 drive-by-wire 、線傳轉向steer-by-wire) 等系統,能容納多種網路拓撲。
  • 媒體導向系統傳輸(MOST): 擁有150 Mbps的最高速度,設計用來傳送音效、視訊、語音、以及數據訊號。它定義了ISO/OSI模型中的所有7個子層,從實體層一路涵蓋到應用層,為一種專利型解決方案。

隨著網路技術出現上述的演進,另一個層面的重要性隨之升高。不同子系統採用不同的匯流排,涉及到相當複雜(且昂貴)的佈線。各種汽車應用的尺吋與重量也形成新的挑戰,因為必須符合各種環保法規,意謂業者開發的新系統必須能減少二氧化碳排放。在這樣的情境下,使得業界必須費心盡力去滿足對於高頻寬、低延遲、確定性、強固性、以及廉價通訊匯流排的需求。

汽車音訊匯流排 (A2B)

整體佈線重量有很大的比例是來自車載音效系統,這是因為類比線路需要昂貴的遮蔽式纜線來連接每個音響訊源主機(source)/裝置端(sink)(喇叭)。此外,主動降噪(ANC)與路面噪音消除(RNC)系統需要在車內設置多個麥克風,音效網路也須增設其他輸入端。

圖1顯示傳統音效系統在車內的實際佈線

圖1. 影音系統的傳統車內佈線狀況

汽車音訊匯流排(A2B®)是Analog Devices所開發出的一項創新技術,其可用來建置直列式(in-line)拓撲,單一主控端連結最多可10個從屬端,並以菊鍊模式串接。速度可達50 Mbps的A2B匯流排針對各種音效應用進行最佳化。由於採用無遮蔽雙絞線(UTP)線路使接線工作大幅簡化,配線的總重量可減少達75%。各節點之間的距離最長可達15公尺,整個網路最高長度為40公尺。UTP的供電(幻象供電組態)可達300 mA – 適合為數位麥克風供電。

另外當主控端的供電預算不足時,這種匯流排也能運用局部電源為從屬端節點供電。匯流排允許雙向式主控至從屬端以及從屬對從屬端的通訊,最多提供32個通道的下行(downstream)與上行(upstream)(12、16、24位元)傳輸機制。最重要的是,它可保證延遲維持在2個週期,因此能夠為包括ANC/RNC這類對延遲敏感的應用提供確定性的支援。此外,這種匯流排能傳輸I2C訊號,故能在從屬端節點對遠端的ADC/ DAC進行設定。

真正簡化A2B網路組態的,則是SigmaStudio®,這種圖形化開發環境支援SigmaDSP® 以及SHARC® DSP系列元件。 A2B 收發器 (AD2428, AD2427、以及AD2426) 提供包括I2S 以及PDM 介面。一般而言,I2S 介面用來連結 ADC與DAC,而數位麥克風則採用PDM。

對於汽車應用而言,其中一項重要考量就是電磁相容性(EMC)。A2B僅使用一種雙線式無遮蔽雙絞線便可通過許多最嚴苛的EMC與電磁干擾(EMI)相容性測試。在許多RNC應用中,加速計與麥克風設置在車身週遭與車內各處。在這類情境中,使用類比元件往往因成本昂貴而變得不可行,因為其需要額外的電路(類比至數位轉換器)、佈線、以及連結器。而A2B匯流排即能簡化此種架構,為音效訊源端與感測器提供一種新穎的方法。

圖2. A2B技術協助簡化車內音效系統的佈線

汽車產業的乙太網路

乙太網路是相當受歡迎的網路技術,目前並已經發展出龐大的產業體系。然而乙太網路至今在汽車領域的應用卻很有限,僅限於諸如診斷、車載資訊娛樂系統、以及連結各感測器等應用。針對如MOST這些車載應用的技術而言,乙太網路在速度方面具有可與其一較高下的競爭力。

雖然隨著許多最新技術(像是雷達與光達)的崛起,乙太網路具有潛力成為滿足龐大頻寬需求的標準,但目前仍因為存在許多因素,而限制其無法在車內的廣泛運用。

傳統乙太網路在100-Base-TX方面的線路採用兩個差動線路對,彼此之間透過變壓器加以隔離,這樣的線路規格對於汽車應用來說過於昂貴。此外,Cat-5規格的網路線並不符合相關的電磁干擾EMI標準,使得100-Base-TX乙太網路除了在診斷與韌體升級等用途外在車內通訊方面根本毫無用處。

在車對車(V2V) 或車對萬物 (V2X) 通訊方面,車內資料傳輸必須支援包括同步、流量塑型、以及固定延遲等特性。除非建置新的通訊協定堆疊,否則乙太網路並沒有這樣的支援能力。

我們先來看實體層。

為因應重量、電磁干擾、以及成本方面的要求,國際電機電子工程師協會(IEEE)制定名為802.3bw的新標準,亦稱為100-Base-T1。IEEE 802.3bw是一種100 Mbps標準,採用無遮蔽雙絞線,這種雙向傳輸線路符合汽車電磁幅射方面的相關規範。在降低電磁干擾方面,採用包括抑制、特定編碼、以及訊號擾碼加密(scrambling)等機制。

為因應重量、電磁干擾、以及成本方面的要求,國際電機電子工程師協會(IEEE)制定名為802.3bw的新標準,亦稱為100-Base-T1。IEEE 802.3bw是一種100 Mbps標準,採用無遮蔽雙絞線,這種雙向傳輸線路符合汽車電磁幅射方面的相關規範。在降低電磁干擾方面,採用包括抑制、特定編碼、以及訊號擾碼加密(scrambling)等機制。

因此,IEEE 進一步制定出802.3bu標準,亦稱為資料線供電(PoDL)。PoDL能透過一對線路輸送電力,但也因此增加收發器機制的複雜性。

圖3. 基本PoDL 架構: 資料與供電共用相同差動通道

如先前所述,為支援各種汽車應用,乙太網路需要額外的SW來提供確定傳輸機制。要達成這方面的目標,可運用IEEE 802.1規範的Audio Video Bridging (AVB) 音訊/影訊橋接協定,該組織也是負責制定ISO/OSI模型第二個分層的機構。

AVB 是提供時間同步以及流量塑型(traffic shaping)機制的SW技術。根據這些基礎概念,乙太網路能可靠傳遞音訊與視訊內容。AVB引領業界定義一系列時效性網路(TSN)協定,其瞄準工業與汽車市場,並提供附帶即時支援能力的乙太網路。

總結來說, IEEE 802.3bw 加上TSN針對車內確定性通訊協定建構出了一種合適的解決方案,而能取代各種傳統匯流排。此外,100-Base-T1逐漸演進至1000-Base-T1新標準,能達到1 Gbps的傳輸率。此外,這類系統相當複雜,但這些技術卻尚未成熟到足以在汽車市場部署。

可能情境

雖然汽車市場已開始採用A2B在車內傳輸音效訊號,但若是要從不同匯流排系統傳遞資料,乙太網路離大規模建置的目標還非常遠。

圖4. 多領域架構.

包括主動降噪(ANC)、免手操控(hands-free)系統、電動車產生仿引擎噪音、以及緊急救助電話(eCall),這些系統都能受益於A2B技術帶來的簡化效益。此外,未來資訊還能從各種數位感測器直接傳到A2B,從而簡化RNC系統的架構

此外,A2B在匯流排速度方面存在頻寬的限制。一旦1000-Base-T1成熟之後,乙太網路的速度就能達到1 Gbps; 擁有如此充裕的頻寬,系統就能輕易傳送從感測器傳送到影音串流各種不同類型的資料。

自主駕駛正進一步推升著效能極限,並邁向數gigabit等級的連網。那麼,在未來幾年,我們將可望看到什麼樣的情景?

A2B是一種容易實作的技術,除了透過相同的無遮蔽雙絞線傳送供電與資料,還支援確定性傳輸機制,使延遲維持固定不會波動。

目前發展至100-Base-T1 (未來朝1000-Base-T1邁進)的乙太網路,將成為一種複合媒介技術,其能匯整快取資料匯流排,並因應加入供電(PoDL)與SW確定性 (TSN)傳輸所衍生出的更高複雜度。

類似的狀況,採用A2B支援音效傳輸與各種感測器,搭配高速Gb乙太網路作為骨幹串連包括攝影機、光達、雷達等元件,能滿足汽車產業未來大多數的中期需求。


Author

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Matteo Crosio

Matteo Crosio began his career in Analog Devices in 2011 as Field Applications Engineer based in Italy, after 10 years covering different technical roles in the semiconductor industry. With a mixed-signal background in aerospace and telecom applications, Matteo brings a solid experience as hardware and FPGA designer, with a special focus on time synchronization. As part of the European Sales organization, he's now supporting the EMEA region on wired communication technologies.