概述

未來(lái)的汽車(chē)架構(gòu)以集中式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)為核心，這些系統(tǒng)用作高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)、動(dòng)力總成、信息娛樂(lè)以及車(chē)身或舒適性等各種子系統(tǒng)的通信和控制點(diǎn)。這些系統(tǒng)通過(guò)將多種功能整合到一個(gè)平臺(tái)中，提供了靈活性、可擴(kuò)展性和高效性，從而降低了成本、提升了可靠性并提高了汽車(chē)系統(tǒng)的性能。

這些集中式架構(gòu)會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要依靠 TDA4 Jacinto? 處理器系列等功能強(qiáng)大的處理器來(lái)進(jìn)行處理，并通過(guò)汽車(chē)以太網(wǎng)或低電壓差分信號(hào) (LVDS) 串行器/解串器 FPD-Link? 等高速接口進(jìn)行安全傳輸。汽車(chē)以太網(wǎng)是一種高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，專為在車(chē)輛環(huán)境中傳輸大量數(shù)據(jù)而開(kāi)發(fā)。汽車(chē)以太網(wǎng)基于成熟的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn) (IEEE802.3)，并支持通過(guò)單根雙絞線 (STP) 電纜傳輸數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)線供電 (PoDL) 是一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，能夠在單線對(duì)以太網(wǎng) (SPE) 系統(tǒng)中通過(guò)數(shù)據(jù)電纜傳輸電力。這樣一來(lái)，不再需要單獨(dú)的電源線，從而簡(jiǎn)化布線，同時(shí)減輕重量并降低成本。PoDL 在車(chē)輛中的電子元件和傳感器集成方面發(fā)揮著重要作用，并支持高效且可擴(kuò)展的集中式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

用例

PoDL 在汽車(chē)行業(yè)有許多可能的應(yīng)用。從技術(shù)角度來(lái)看，它可以通過(guò)穩(wěn)定的 12V 電壓高效傳輸高達(dá) 15W 的功率，或通過(guò) 24V 電壓高效傳輸高達(dá) 30W 的功率。這使得 PoDL 尤其適合集成遠(yuǎn)程傳感器，例如攝像頭、雷達(dá)或激光雷達(dá)系統(tǒng)，另外還適用于具有高帶寬要求的顯示器。隨著汽車(chē)行業(yè)引入 10Base-T1S (10Mbit/s)，PoDL 的應(yīng)用范圍現(xiàn)在進(jìn)一步擴(kuò)大，包括車(chē)門(mén)模塊、執(zhí)行器等領(lǐng)域應(yīng)用以及車(chē)身電子裝置和照明領(lǐng)域的各類傳感器技術(shù)。

PoDL 設(shè)備的設(shè)置

在 SPE 電纜上傳輸電力時(shí)，確保數(shù)據(jù)完整性不會(huì)受到影響至關(guān)重要。為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，系統(tǒng)使用了耦合網(wǎng)絡(luò)，能在電纜兩端將電力與數(shù)據(jù)進(jìn)行合并或分離。此外，傳統(tǒng)熔斷型保險(xiǎn)絲將逐步被淘汰，這意味著需要替代設(shè)計(jì)來(lái)保護(hù)電纜和設(shè)備。德州儀器 (TI) 提供了高側(cè)開(kāi)關(guān)或所謂的電子保險(xiǎn)絲，這些器件便主要用于此處。這些器件還支持額外的診斷功能，例如功率測(cè)量。

實(shí)施狀態(tài)

汽車(chē)制造商 (OEM) 和供應(yīng)商（一級(jí)）都對(duì)這項(xiàng)技術(shù)表現(xiàn)出濃厚的興趣。目前已有多家無(wú)源器件制造商推出了耦合網(wǎng)絡(luò)。該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)施和開(kāi)發(fā)工作正在深入推進(jìn)。評(píng)估結(jié)果表明，TI 汽車(chē)以太網(wǎng) PHY 支持這項(xiàng)技術(shù)，并已準(zhǔn)備好應(yīng)用于下一代汽車(chē)。

汽車(chē)總線架構(gòu)的發(fā)展

車(chē)輛總線系統(tǒng)的持續(xù)演變?cè)谕苿?dòng)汽車(chē)技術(shù)與功能的逐步發(fā)展中起著關(guān)鍵作用。提高車(chē)輛安全性和增加駕駛舒適度這一總體目標(biāo)仍然是這一發(fā)展的關(guān)鍵推動(dòng)因素。以下各節(jié)介紹了汽車(chē)總線架構(gòu)的發(fā)展，該架構(gòu)為有效實(shí)現(xiàn) PoDL 技術(shù)奠定了重要基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)架構(gòu)

在傳統(tǒng)的汽車(chē)架構(gòu)中，電子控制單元 (ECU) 分布在車(chē)輛各處，用于管理發(fā)動(dòng)機(jī)控制、制動(dòng)系統(tǒng)和信息娛樂(lè)等功能。不同通信接口組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)使得 ECU 和傳感器之間能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，但也帶來(lái)了大量的布線和成本?？刂破骶钟蚓W(wǎng) (CAN) 和本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) (LIN) 的數(shù)據(jù)速率在 0.01Mbit/s 和 10Mbit/s 之間。相比之下，FlexRay? 的星型拓?fù)涓`活，但其成本高于 CAN 和 LIN。

域架構(gòu)

現(xiàn)代車(chē)輛中 ECU 的數(shù)量不斷增加，中檔車(chē)輛平均約有 100 個(gè)，而豪華車(chē)輛則超過(guò) 150 個(gè)。連接這些 ECU 對(duì)汽車(chē)制造商來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，這也促使了域架構(gòu)的發(fā)展。在這種架構(gòu)下，功能相似的 ECU 被組合到域控制器中，從而降低了復(fù)雜性和成本。這些域包括信息娛樂(lè)系統(tǒng)、動(dòng)力總成、車(chē)身或舒適度以及 ADAS，各域通過(guò)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行連接。每個(gè)域使用不同的總線系統(tǒng)，通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，確保在各域之間提供安全可靠的連接。

區(qū)域架構(gòu)

為了應(yīng)對(duì)自動(dòng)駕駛帶來(lái)的復(fù)雜性和要求增加，汽車(chē)架構(gòu)已經(jīng)從基于域的架構(gòu)轉(zhuǎn)向基于區(qū)域的架構(gòu)。在這種新架構(gòu)中，車(chē)輛中的傳感器或執(zhí)行器連接到物理上最近的區(qū)域控制器，該控制器還提供局部配電和更高的網(wǎng)絡(luò)帶寬等額外功能，以實(shí)現(xiàn)車(chē)載通信。一個(gè)中央控制器通過(guò)高速數(shù)據(jù)總線連接到每個(gè)區(qū)域控制器，負(fù)責(zé)管理傳感器融合和更高級(jí)別的決策。由于 ECU 之間需要交換大量數(shù)據(jù)并需要連接外部高速網(wǎng)絡(luò)，因此該架構(gòu)對(duì)總線系統(tǒng)的速度和吞吐量提出了更高的要求。更高的帶寬是必需的，以便支持區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)聚合、與中央計(jì)算單元的通信，以及使用更多數(shù)據(jù)速率和分辨率更高的傳感器，因?yàn)槲磥?lái)的車(chē)輛預(yù)計(jì)將配備 10 至 14 個(gè)攝像頭，而目前車(chē)輛只有 1 至 5 個(gè)攝像頭。

隨著域或區(qū)域架構(gòu)的引入，不僅數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了變化，電力網(wǎng)絡(luò)也發(fā)生了變化，現(xiàn)在按域或區(qū)域形式進(jìn)行劃分。這一變化使得域控制器或區(qū)域控制器能夠提供大功率供電。電力從這些位置進(jìn)行分配，從而減少了電纜數(shù)量，進(jìn)而降低了總重量。這是通過(guò)使用現(xiàn)有的以太網(wǎng)電纜傳輸電力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。最終，這也會(huì)降低成本。

汽車(chē)以太網(wǎng)基礎(chǔ)知識(shí)

以太網(wǎng)于 20 世紀(jì) 80 年代開(kāi)發(fā)，是一種廣泛用于連接局域網(wǎng) (LAN) 中設(shè)備的通信系統(tǒng)。以太網(wǎng)基于 IEEE 制定的多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)指定了不同的傳輸介質(zhì)和速度。隨著時(shí)間的推移，以太網(wǎng)不斷發(fā)展，以滿足各種行業(yè)和應(yīng)用的不同要求。尤其是在汽車(chē)行業(yè)，行業(yè)中引入了新的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)滿足更高的電磁兼容性 (EMC)、電磁干擾 (EMI)、更短的電纜長(zhǎng)度和更低的功耗等特定要求。這些調(diào)整確保了以太網(wǎng)能夠在不同環(huán)境中有效使用，并應(yīng)對(duì)汽車(chē)行業(yè)的挑戰(zhàn)和進(jìn)步。

汽車(chē)行業(yè)采用了多種以太網(wǎng)技術(shù)，包括 IEEE802.3cg (10Base-T1S)、IEEE802.3bw (100Base-T1) 和 IEEE802.3bp (1000Base-T1)。其中，100Base-T1 和 1000Base-T1 是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，意味著兩個(gè)端點(diǎn)之間建立了直接連接，而 10Base-T1S 支持多點(diǎn)連接和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)?。這意味著多個(gè)器件可以通過(guò)同一根電纜連接，類似于 CAN 總線的傳統(tǒng)總線拓?fù)洹?/p>

為了使處理器或微控制器能夠通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，需要一個(gè)以太網(wǎng)物理層收發(fā)器 (PHY)。以太網(wǎng) PHY 作為收發(fā)器，通過(guò)傳輸介質(zhì)在媒體獨(dú)立接口 (MII) 和媒體相關(guān)接口 (MDI) 之間轉(zhuǎn)換以太網(wǎng)幀。以太網(wǎng) PHY 可以提供無(wú)差錯(cuò)通信。以太網(wǎng) PHY 通過(guò)串行管理接口 (SMI) 進(jìn)行配置，該接口也稱為管理數(shù)據(jù)輸入/輸出 (MDIO)，使用一個(gè)時(shí)鐘和一條信號(hào)線。寄存器訪問(wèn)用于配置和診斷以太網(wǎng) PHY。MDI 表示網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的物理傳輸介質(zhì)，而汽車(chē)以太網(wǎng)中使用單根雙絞線作為傳輸介質(zhì)。

圖 1 展示了以太網(wǎng) PHY 在系統(tǒng)中的位置。

圖 1 以太網(wǎng) PHY 在系統(tǒng)中的位置

數(shù)據(jù)線供電

雖然以太網(wǎng)供電 (PoE) 適用于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)（即電纜由四根雙絞線組成），但 PoDL 僅適用于 SPE。

圖 2 展示了一個(gè)典型的 PoDL 系統(tǒng)，其中包括電源設(shè)備 (PSE)、連接部分和用電設(shè)備 (PD)。在汽車(chē)行業(yè)，由于隔離要求較低，SPE 采用了電容數(shù)據(jù)耦合。PSE 通常是 ECU、域或區(qū)域控制器的一部分，負(fù)責(zé)為 PD 提供所需的電源。PSE 通過(guò)差模電感 (DMI) 將電力耦合到數(shù)據(jù)線路。由共模扼流圈 (CMC)、DMI 和直流阻斷電容器 (DC) 組成的網(wǎng)絡(luò)稱為耦合去耦網(wǎng)絡(luò) (CDN)。

圖 2 PoDL 系統(tǒng)的基本概述

PoDL 在 IEEE802.3bu 中進(jìn)行了定義，適用于100/1000Base-T1，能夠支持高達(dá) 50W 的功率。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一系列安全措施，旨在保護(hù)電源設(shè)備 (PSE) 和用電設(shè)備 (PD) 免受損壞。該標(biāo)準(zhǔn)描述了工業(yè)應(yīng)用要求的實(shí)現(xiàn)方式。但是，汽車(chē)行業(yè)的要求與工業(yè)應(yīng)用的要求有很大的不同。

數(shù)據(jù)線供電的汽車(chē)特定要求

汽車(chē)行業(yè)中的以太網(wǎng)與工業(yè)應(yīng)用中的以太網(wǎng)在本質(zhì)上存在顯著差異。IEEE802.3bu 中要求的設(shè)備互操作性方法在汽車(chē)行業(yè)并不適用，這是因?yàn)?OEM 決定了車(chē)輛中使用的設(shè)備。與工業(yè)應(yīng)用相比，車(chē)輛在整個(gè)生命周期內(nèi)不會(huì)添加或移除設(shè)備。因此，無(wú)需完全遵循 IEEE802.3bu 的實(shí)現(xiàn)方案。這大大降低了復(fù)雜性，并且與已針對(duì)其他物理傳輸介質(zhì)實(shí)施的電力傳輸 設(shè)計(jì)類似，能夠降低成本和重量。

數(shù)據(jù)線供電的汽車(chē)特定用例

PoDL 在汽車(chē)行業(yè)中的應(yīng)用范圍廣泛。具體而言，那些已通過(guò)汽車(chē)以太網(wǎng)連接的 ADAS 傳感器（如雷達(dá)、激光雷達(dá)和攝像頭）非常適合使用 PoDL。采用 12V 電壓工作且功率在 1W 至 10W 的傳感器可以通過(guò) PoDL 運(yùn)行，而不會(huì)出現(xiàn)任何問(wèn)題。對(duì)于 10W 以上的更高功率要求，建議使用至少 24V 的電壓。

PoDL 相較于電源線供電的優(yōu)勢(shì)

與通過(guò)獨(dú)立電纜進(jìn)行電力傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)方法相比，使用 PoDL 有多個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)。其中的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是可以通過(guò)高側(cè)開(kāi)關(guān) (HSS) 為整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)斷電，這可以顯著節(jié)省能源。

PoDL 的實(shí)施不僅可降低電力成本，而且還能減少線束的總成本。由于不再需要單獨(dú)的電纜、壓接觸點(diǎn)和保險(xiǎn)絲，因此線束的安裝變得更簡(jiǎn)單、更具成本效益。在某些情況下，由于如今已經(jīng)使用了電子保險(xiǎn)絲，因此實(shí)施不會(huì)產(chǎn)生額外成本。

PoDL 所需的基礎(chǔ)設(shè)施（包括兩個(gè) DMIS，可能還有一個(gè)高側(cè)開(kāi)關(guān)）比傳統(tǒng)布線組件更簡(jiǎn)單且成本更低。這使得汽車(chē)應(yīng)用中的電力傳輸實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)不僅高效，而且具備經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。