采用通過 ISO 13400 在 IP 上診斷的作法，讓以太網在當今汽車領域實現廣泛應用，對比標準以太網的物理接口，這種 IP 診斷方式可更快速地完成重新編程。然而，由于汽車制造商將其選作為無處不在的車載網絡總線，故挑戰依舊存在。包括攝像頭系統在內的先進駕駛輔助系統 （ADAS） 是業內正尋求以太網優勢最大化的應用之一。

　　為何應該考慮基于以太網的連接而棄用模擬或 LVDS 方法？ 尤其是在攝像頭和中央單元的處理成本均更高的情況下（圖 1）。有許多超越這一衡量標準的關鍵因素最終都能提供更低的成本和更高的性能。

圖1? 以太網可降低攝像頭系統的成本

　　其中一個關鍵因素就是，支持采用低成本非屏蔽雙絞線可顯著降低線纜成本。此外，有源以太網 （PoE） 使用基于標準的 100BASE-TX 以太網，因此無需再使用額外的電纜。但是，以太網的真正價值絕非限是減少材料清單而已。以太網的最終目標是以無縫、跨域通信的方式提供無處不在的單一車載網絡——在整個汽車領域（包括底盤、動力系統、車身、信息娛樂系統和 ADAS）內應用共同的數據流和實體媒介（線纜）。現在，可以在單一網絡上支持域內和跨多域信息共享且無需橋接，這可以極大地降低成本和復雜性。簡而言之，以太網是一種網絡技術；無論對汽車領域、消費者、企業還是行業而言，這就是其最大價值，也是其在任何市場都能降低成本的原因。

　　車載連接是車內應用中最重大的挑戰，故 ADAS 攝像頭設計例證了其面臨的主要挑戰：

　　1. 圖像質量會受到攝像頭產生的熱噪聲的直接影響。在缺乏所需空間限制的情況下，改進的熱功耗和更低的功率等因素對達到所需性能至關重要。

　　2. 由于電噪聲也會降低傳感器圖像質量，因此必須做到低噪聲。嘗試使用所需的低成本非屏蔽線纜時，則帶來滿足汽車 EMC 排放要求的另一大挑戰。

　　3. 必須堅守對汽車市場的質量和可靠性的要求。汽車是一種要求嚴苛的環境，載客車輛、商用車輛和工業車輛的考量都不同。

　　4. 在整部車上部署傳感器的需求更勝以往，導致此類應用面臨著越來越多的空間限制。各類 ADAS 應用所帶來的對零致命事故的強勁需求更推升了此類需求。例如，防碰撞、交通信號燈、路標和行人識別等。

　　解決方案：基于以太網的 ADAS

　　麥瑞找來了汽車傳感器專業廠商 Silicon Micro Sensors （SMS） 共同針對要求最嚴格的汽車和工業應用設計了一個“生產就緒型”解決方案，其特點包括：百萬像素級 （720p） 的高動態范圍 （HDR） 攝像頭、視野范圍從 55° 到 190°、MJPEG 視頻壓縮、以太網 AVB 和有源以太網支持、低成本非屏蔽雙絞線、可達 IP68/IP6k9 標準，防水、防刮、防霧。攝像頭適用于載客車輛、商用車輛和工業車輛，應用范圍包括全景可視和后視、側視和后視鏡更換、交通標志、盲點、行人探測和車道偏離輔助等。

　　該解決方案清楚證明了標準以太網能滿足 ADAS 攝像頭的需求。該解決方案采用 Quiet-WIRE? 以太網和 Auto-PoE 技術，是 ADAS 一系列設計中的一種。（圖 2）

　　
圖2

　　共提供 Aptina AR0132AT 或 OmniVision OV10635 圖像傳感器等兩種選擇。飛思卡爾 MPC5604 處理器可根據輸入的 YUV 數字圖像數據提供 MJPEG 壓縮，并通過媒體獨立接口 （MII） 連接到麥瑞 KSZ8061 Quiet-WIRE? 100BASE-TX 以太網 PHY。麥瑞 DS1001 MEMS 振蕩器提供系統定時，并采用經優化過的汽車有源以太網 Auto-PoE 提供電源管理。

　　以太網直接面對挑戰

　　以太網物理層提供一系列可滿足 ADAS 攝像頭系統需求的好處。采用基于標準的汽車以太網解決方案的一大好處在于，可提供應用獨立的最小標準材料清單 （BoM）（圖 3）。這可實現超越任何汽車特定解決方案的規模經濟效益，并形成多供應商模式，讓選擇面更廣，成本更低。

圖3 標準以太網BoM

　　汽車行業最小的 PHY 由尺寸僅有 5mm x 5mm 的麥瑞 KSZ8061 Quiet-WIRE? 100BASE-TX 以太網收發器提供。必須確保維持最低限度的電源濾波，而獨特的是 PHY 收發器和磁性元件之間的線路接口不需要額外的無源器件。這可在提高信號完整性的同時降低成本并縮小印刷電路板板上空間。

　　近年來，合格的汽車以太網磁性元件已大為普及，也能夠使用標準的以太網磁性元件。在此，我們使用了 TDK 最新推出的以太網磁性元件，其 ALT4352 系列是一種支持表面黏著技術、以繞線機繞制且尺寸有所減少的解決方案，最大高度僅有 2.9mm，非常適合空間有限的攝像頭模塊。繞線機繞制磁性的元件不僅成本更低，準確性也更高（相對傳統手工繞組而言），并可提供功能更強且更加一致的性能。

　　有源以太網的使用

　　100BASE-TX 磁性元件對實現性能和輸送電力同等重要。根據 IEEE 802.3af/at的“幻象供電法”，已不再需要當前采用的安裝額外線纜為遠程傳感器供電的作法，只需通過磁性元件中心抽頭提供的直流電壓即可供電。這種方法在汽車應用中使用時也可以進一步優化，并在無需任何額外系統成本的前提下提供所有好處。

　　首先，由于汽車接線是固定的，因此不再需要使用橋接整流器。其次是采用冗余有源以太網控制器配置（可顯著降低成本）。由于受電端設備 （PD）——在本案例中指攝像頭是固定且功率預算已知，因此無需采用相對昂貴的控制器來和供電端設備 （PSE） 協調功率需求。只需提供標準的 DC-DC 穩壓器，即可實現攝像頭電源管理解決方案（圖 4）。采用 Hyper Light Load? 技術的麥瑞 MIC28511 60Vin 3A 同步降壓穩壓器可提供經降壓的一次電壓，在待機等低輸出功率工作的情況下可確保高效率的工作。

圖4 標準DC-DC穩壓器PoE

　　盡管可進行優化和提高成本效益，但標準汽車應用以太網 PoE 仍可提供由“幻象供電”法所帶來的額外好處。攝像頭（PD 端）提供共模噪聲抑制；PSE （ECU） 發出的噪聲或沿雙絞線電纜提取的噪聲將作為共模噪聲與差動以太網信號耦合，從而實現清除。此外，攝像頭 （PD） 和 ECU （PSE） 接地之間的電流隔離可防止因電位不同而形成的輻射接地回路；這個問題已經司空見慣。還可通過連接到任何其他 IEEE 802.3af/at PSE 實現互操作性。

　　在當今市場上，100BASE-TX 以太網提供的 PHY 技術的功率已是最低。與基于千兆比特的技術解決方案相較，其功率和成本均降低了三倍之多。IEEE 802.3az 節能以太網 （EEE） 的 KSZ8061 支持為攝像頭提供了另一項好處，即在閑置狀態下（例如，不傳送視頻流量時），PHY 可以轉換為低功耗睡眠模式。這可以減少功耗達 50% 以上。KSZ8061 以太網 PHY 還可以提供小于 1uA 的工業同類最佳超低待機電流，這是所有電池應用的理想之選。

　　此外，KSZ8061 PHY 還提供一個獨特的信號檢測輸出插口，可用于標示活動鏈路伙伴的存在（圖 5）。可由信號檢測電路自動激活和喚醒 PHY 待機模式。此外，也可通過該輸出插口關閉處理器和傳感器進行電源管理，并為攝像頭模塊提供小于 1uA 的遠程待機和喚醒電流。

　　該遠程關閉方案能提供各項重要的好處：

　　與任意以太網供應商鏈路伙伴實現完全互操作（在 ECU）待機功耗降低

　　使用特殊波形/序列的備選方法常常要求采用專有實施方案，這會限制其實際應用。在消費領域，由供應商驅動的網絡喚醒 （WoL） 方法就是一個很好的范例。事實上，該領域很少使用這種方法。從待機功耗角度而言，在物理層上實施檢測電路所需的信號處理較少，因而功耗也較少。在該備選范例中，WoL 仍需要 PHY 和部分 MAC 層始終保持通電狀態，導致待機功耗達到大約千倍以上。

　　Quiet-WIRE? 技術采用 KSZ8061 以太網 PHY，此與非屏蔽雙絞線相較可減少 EMI 線路輻射，并符合汽車 OEM 標準。可以部署 CAN 或 FlexRay 等低成本線纜。線纜也可以采用手工制造，每個連接器均配備一段最長 5cm，無需使用護套的非絞線部分，從而提供最低成本。

　　有源以太網共模噪聲抑制和隔離攝像頭接地可降低電噪聲，從而優化攝像頭傳感器圖像質量。其中還包括因采用 KSZ8061 低功耗 100BASE-TX 技術而降低熱噪聲。降低熱耗散不僅可改善傳感器性能，還可實現更高的穩定性和燃料效率。

　　攝像頭解決方案所用的 Quiet-WIRE? 技術不僅能減少輻射，由于其卓越的電流注入性能，還能提供更出色的抗干擾性能。在 1MHz 到 400MHz 的整個頻率范圍內，當出現 200mA 噪聲電流注入時，PHY 收發器完全未出現任何錯誤，此超越了 OEM 極限。

　　即使有啟用 Quiet-WIRE 輻射過濾，KSZ8061 中增強的 PHY 收發器設計仍可提供最短 130 米的無誤差線纜范圍。這樣的性能對工業和商用車輛非常有益，因為抗干擾性能和線纜范圍通常長于 15 米的最大汽車接線長度。

　　為滿足后視攝像頭等安全關鍵 ADAS 應用的需求，KSZ8061 能夠在 20ms 內完成通電和鏈接，無需處理器干預。此外，KSZ8061 特有的收發器信號質量指示器 （SQI） 也可以實時持續監控線束質量。

　　攝像頭時鐘定時由麥瑞 DSC1001 MEMS 25MHz 振蕩器提供。MEMS 技術具有卓越的頻率溫度穩定度，與晶體振蕩器相較下可提供高達 20 倍的故障前平均時間和 500 倍以上的抗沖擊性，因此非常適合此類應用（圖 6）。攝像頭設計所用的所有設備都符合規定，或能夠完全滿足汽車 AEC-Q100 標準。

圖6?? DSC1001MEMS和石英晶體之間的輸出頻率溫度穩定度對比

　　總結

　　各國政府的立法一直致力于改善道路安全情況，此促成了車輛的 ADAS 呈增長的態勢。美國國家公路交通安全管理局 （NHTSA） 近期規定，從 2018 年 5 月 1 日開始，所有新造車輛均需達到新的后視范圍標準，這是為了防止出現每年導致 210 人死亡和 15，000 人受傷的平均現狀。歐洲也正籌劃推行類似的舉措，以實現道路零事故的偉大使命。

　　ADAS 的挑戰，特別是攝像頭傳感器的挑戰要求極其嚴格。必須兼具功率耗散更強、電噪聲最低并能裝配到有極大限制的空間內，同時還需滿足嚴苛的車輛安全、質量和可靠性要求。實踐證明，標準以太網不僅能夠克服這些挑戰，甚至還能帶來額外的好處。

　　從檢驗這些好處的角度看來，標準以太網顯然不僅能滿足 ADAS 的需求，還能解決成本挑戰。要在市場中實現成功部署，所有解決方案均需同時做到商業和技術均可行。這是助力以太網成功跨足多個市場的關鍵要素：它能以最低的總擁有成本提供網絡性能。

　　您可從 Silicon Micro Sensors 購買文中提及的攝像頭模塊，該模塊為演示套件（包括可通過以太網開關連接，以便在計算機或筆記本電腦上展示的四個攝像頭模塊）的一部分。同時還可購買視頻分析儀高級開發和分析框架軟件，除識別物體外，該軟件還可對多達 4 個攝像頭進行控制、數據流存儲、顯示、錄像和回放。

　　本文作者? Mike Jones（ 麥瑞公司局域網解決方案營銷總監）：

　　Mike Jones 從事半導體行業 25 年，擁有豐富的高科技設計經驗，他負責麥瑞局域網解決方案汽車和工業產品的營銷工作。Jones 先生擁有英國伯明翰市阿斯頓大學頒發的電子系統工程一級榮譽碩士學位。此外，他還撰寫了大量技術雜志文章，并在全球多個技術和工業刊物上進行發表。