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        汽車網(wǎng)絡(luò):車載以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通道

        2019-10-28 02:16:42張啟帆許喆寧
        汽車電器 2019年9期
        關(guān)鍵詞:汽車

        張啟帆,許喆寧

        (羅森伯格亞太電子有限公司,北京 101300)

        車載網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到今天,已有諸如CAN(FD),LIN,F(xiàn)lexRay,MOST等成熟的PHY層協(xié)議,也有基于LVDS/USB技術(shù)被廣泛應(yīng)用的鏈路傳輸型式。但是,隨著時間的遷移,相關(guān)的協(xié)議和技術(shù)已逐漸不能滿足當(dāng)前的傳輸需求。基于種種情況和現(xiàn)狀,汽車工程師們也在思考,是否可以引入一種廣泛用于各領(lǐng)域的協(xié)議,這種協(xié)議支持較高的速率傳輸,又對于鏈路連接形式有歸一性,使整車鏈接種類降低,成本降低,同時能將汽車輕松簡便扁平化地連接世界。最終,于20世紀(jì)70年代誕生的以太網(wǎng)以其各種相適應(yīng)的特性而入選。

        1 汽車以太網(wǎng)的發(fā)展

        汽車以太網(wǎng)相關(guān)的組織,首當(dāng)其沖的是IEEE802.3,該工作小組幾乎是伴隨著以太網(wǎng)一同誕生的,是以太網(wǎng)研究性指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)的主要發(fā)布機(jī)構(gòu)。

        對于汽車以太網(wǎng),IEEE802.3又細(xì)分為不同的小組:①百兆汽車以太網(wǎng)(100BASE-T1)——IEEE802.3bw;②千兆汽車以太網(wǎng)(1000BASE-T1)——IEEE802.3bp;③多G汽車以太網(wǎng)(Multi-Gig Automotive Ethernet)——IEEE802.3ch。近年提出的十兆汽車以太網(wǎng)(10BASE-T1S)——IEEE802.3cg,是作為代替CAN(FD)和LIN的一個選擇。

        汽車以太網(wǎng)應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)推動聯(lián)盟是2011年11月在OPEN SIG基礎(chǔ)上發(fā)展而來的OPEN聯(lián)盟。OPEN聯(lián)盟現(xiàn)已有將近400個成員單位,它主要發(fā)布眾多關(guān)于汽車以太網(wǎng)的實際應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。其中百兆汽車以太網(wǎng)完整方案OABR(BroadR-Reach)最早發(fā)布,芯片也已完全量產(chǎn)。

        因為以太網(wǎng)的實時響應(yīng)性相較于CAN(FD),LIN等網(wǎng)絡(luò)來說較差 (即便具備QoS機(jī)制),所以IEEE還成立了關(guān)于提高汽車以太網(wǎng)實時響應(yīng)性的工作小組,最初歸屬于IEEE802.3后轉(zhuǎn)至IEEE802.1,發(fā)展階段如圖1所示。

        2 汽車以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通道研究

        想要將以太網(wǎng)合理運用到車載網(wǎng)絡(luò)中,需要考慮許多因素。OPEN聯(lián)盟對于物理層的傳輸提出了一系列相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn),從適用于百兆汽車以太網(wǎng)的TC2 1.0正式版到適用于千兆汽車以太網(wǎng)的TC9(UTP非屏蔽絞線對)2.0正式版,以及在2019年7月已正式發(fā)布的TC9(STP屏蔽絞線對)版本。TC9相較于TC2的要求更為嚴(yán)苛。如圖2所示。

        針對信號傳輸(SCC——Standalone Communication Channel)本身,以下重要參數(shù)需要關(guān)注。

        圖1 汽車以太網(wǎng)發(fā)展階段

        2.1 特性阻抗 (CIDM)

        特性阻抗不是直流電阻,存在于長線傳輸中。特性阻抗的穩(wěn)定與否決定了傳輸效果的好壞,如果傳輸路徑上的特性阻抗發(fā)生變化,信號就會在阻抗不連續(xù)的結(jié)點產(chǎn)生反射。

        在差分系統(tǒng)中,特性阻抗可以通過以下公式計算:

        從公式中可以看出,影響線纜或其他組件特性阻抗的因素包含:①s:差分對之間的距離;②d:差分對的外徑;③εr:整體介電常數(shù)。汽車以太網(wǎng)PHY層鏈路的特性阻抗是100Ω。

        2.2 傳輸延遲 (Propagation Delay)

        傳輸延遲是指相位延遲,即差分系統(tǒng)中兩差分路徑由于不等長造成的信號延遲現(xiàn)象。是系統(tǒng)集成時進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)置的重要判斷參數(shù)。

        2.3 回波損耗 (Return Loss)

        圖2 TC2和TC9

        回波損耗 (S11)又稱為反射損耗,是鏈路由于阻抗不匹配所產(chǎn)生的反射,通常用-dB單位表示。如圖3所示,連接器內(nèi)部由于有不規(guī)則的鎖止結(jié)構(gòu),使得阻抗不匹配造成的反射更易發(fā)生在此處 (圖示紅色部分),回波損耗是評價連接器的重要參數(shù)。回波損耗的絕對值越大,信號傳輸效果越好。

        圖3 阻抗不匹配造成的反射更易發(fā)生在紅色塊部分

        2.4 插入損耗 (Insertion Loss)

        插入損耗 (S21)是指發(fā)射端和接收端之間,引入其他器件導(dǎo)致的信號衰減量,通常用dB表示。如圖4所示,發(fā)射端和接收端的主要引入器件是線纜 (整個鏈接中更長),因此插入損耗主要發(fā)生在整個線纜之間 (紅色部分),由長度和線纜自身材料特性影響,是評價線纜的重要參數(shù)。插入損耗的絕對值越小,信號傳輸效果越好。

        圖4 插入損耗主要發(fā)生在整個線纜之間 (紅色)

        2.5 縱向轉(zhuǎn)換損耗 (LCL)

        縱向轉(zhuǎn)換損耗 (Sdc11)指通訊線纜發(fā)射端或接收端的差模信號與共模信號的轉(zhuǎn)換能力 (圖5),用來衡量連接系統(tǒng)平衡性的好壞,通常用dB表示??v向轉(zhuǎn)換損耗的絕對值越大,連接器的平衡性越好,抑制差模與共模轉(zhuǎn)換的能力越強(qiáng)。

        圖5 縱向轉(zhuǎn)換損耗

        2.6 縱向轉(zhuǎn)換傳輸損耗 (LCTL)

        縱向轉(zhuǎn)換傳輸損耗 (Sdc21)指通訊線纜發(fā)射端與接收端之間的差模信號與共模信號的轉(zhuǎn)換能力,用來衡量連接系統(tǒng)平衡性的好壞,通常用dB表示??v向轉(zhuǎn)換傳輸損耗的絕對值越大,線纜的平衡性越好,抑制差模與共模轉(zhuǎn)換的能力越強(qiáng)。

        影響平衡性的主要因素:差分系統(tǒng)兩路徑的等長程度;路徑距離參考平面的等距程度。等長或等距的程度越高,則平衡性越好,平衡越穩(wěn)定。

        這些參數(shù)極大影響了以太網(wǎng)傳輸?shù)男阅堋?/p>

        針對EMC性能 (WCC--Whole Communication Channel,包含ES),TC9則給出了諸多不同種類串?dāng)_的約束值和測試設(shè)置方法。

        3 數(shù)據(jù)通道方案

        羅森伯格為汽車以太網(wǎng)所提供的連接方案,綜合考慮了電性能 (如射頻傳輸、EMC、電接觸等)、機(jī)械性能 (如拉拔力、coding效率、對配解鎖力、耐磨性等)和生產(chǎn)組裝(壓接技術(shù)、自動裝配等)的要求;所使用的雙絞線主要供應(yīng)商是Gebauer&Griller和Leoni,他們?yōu)檎麄€連接總成提供了良好的保障。

        羅森伯格針對汽車以太網(wǎng)開發(fā)了兩款數(shù)據(jù)連接器,分別為非屏蔽形式的MTDR連接器和屏蔽形式的H-MTD連接器(圖6),兩者都同時支持百兆汽車以太網(wǎng)和千兆汽車以太網(wǎng)。H-MTD甚至預(yù)計支持汽車行業(yè)所有基于差分結(jié)構(gòu)的傳輸協(xié)議。

        圖6 MTD連接器和H-MTD連接器

        MTDR連接器適配非屏蔽雙絞線 (UTP),傳輸頻率最高1GHz;H-MTD連接器同時支持非屏蔽雙絞線 (UTP)、屏蔽雙絞線 (STP)和屏蔽平行線 (SPP),設(shè)計傳輸頻率最高可達(dá)15GHz。MTDR連接器是目前市場上最小的汽車以太網(wǎng)專用連接器,PCB連接器優(yōu)化的接觸pin保證了高平衡低串?dāng)_的良好EMC性能。對于MTDR非屏蔽的先天要求,羅森伯格通過運用蜂窩狀的間置結(jié)構(gòu),最大程度實現(xiàn)了最小的近端串?dāng)_。同時,多孔MTDR連接器每個孔位都對應(yīng)了不同的coding,確保機(jī)械防錯和顏色防錯功能的同步實現(xiàn)。

        在線束端,典型的傳統(tǒng)連接器連接方式如圖7所示。

        圖7 典型的傳統(tǒng)連接器連接方式

        受絞合的影響,壓接端子后的絞合線纜,很難完成分別插入端子至塑殼中這個操作過程;即便2個平行端子克服困難插入塑殼中,端子也會因為尾端的絞合線纜,始終對塑殼有向外拖拽的應(yīng)力?;谝陨蟽牲c,大多數(shù)主機(jī)廠都會要求絞合線纜在端子末端放開一段長度不絞。這段不受控制的非絞合線纜對于汽車以太網(wǎng)的應(yīng)用來說是致命的。汽車行進(jìn)過程中的震動,致使這段非絞合線纜一同震動,由于兩個線纜之間的距離不斷變動 (上文提到過影響特性阻抗的其中一個因素就是差分對之間的距離),導(dǎo)致特性阻抗不斷變化,極易發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)的情形,也就極易造成較大的信號反射。

        羅森伯格深諳這一點,因此在設(shè)計過程中,未絞合的過度位置被設(shè)計得很短并被固定包裹在連接器子殼體中,線纜絕緣外皮被緊固在護(hù)套中,且縮短包裹尺寸并對端子前端有輕微緩沖。如圖8所示。

        圖8 羅森伯格設(shè)計的連接器連接方式

        H-MTD連接器 (圖9)是360°全屏蔽系統(tǒng),增加了集成類型,支持的線纜類型更多,適用汽車以太網(wǎng)需求及未來需要的更高傳輸速率,已成為新的世界多應(yīng)用連接器標(biāo)準(zhǔn)?,F(xiàn)有全球認(rèn)可的主機(jī)廠見圖10。

        圖9 H-MTD連接器

        圖10 全球認(rèn)可的主機(jī)廠

        4 結(jié)語

        隨著車載數(shù)字化應(yīng)用的再發(fā)展和多G以太網(wǎng)研究的深入,適用于更高頻率的車載硬件需要盡早提上日程,對于不同頻率,H-MTD連接器已適配不同型式、不同工作頻率的供應(yīng)商線纜。而汽車以太網(wǎng)自身也將向著是繼續(xù)提高PAM等級以及提高現(xiàn)有帶寬兩個方向討論發(fā)展。一味地提高PAM會造成傳輸鏈路更加脆弱,但提高帶寬依靠的是硬件的提升,也會催生出所有未做長遠(yuǎn)打算的廠商未來不得不面臨的問題--新的選型設(shè)計、新的成本考量。

        未來,羅森伯格將在新型高速網(wǎng)聯(lián)傳輸中增加更大的研發(fā)投入。同時嘗試與更多不同領(lǐng)域的汽車以太網(wǎng)產(chǎn)品廠商合作、交流,全力貢獻(xiàn)于汽車以太網(wǎng)在車載網(wǎng)絡(luò)中的高速發(fā)展,相信伴隨著車載以太網(wǎng)與自動駕駛、車載智能天線等領(lǐng)域的深度融合,車載高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展也會越來越好,越走越寬。

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