多元通訊攜手打造未來汽車　四大協定各司其職

車輛電氣元件在1915年首次問世，當時由福特汽車在其Model T車輛上引進電氣照明與電氣喇叭。自此之後，汽車對電力與電子系統的依賴程度持續增加。初始系統通常採用在地且獨立的設計：由交換器(Switch)控制直接連接至電池的車頭燈，或是由繼電器控制單音調喇叭。

隨著架構持續演進，車輛中各個子系統進行通訊的機制也隨之演變。例如，當汽車偵測到車外環境光線降低，可能會自動啟用車頭燈。此外，汽車也可能將調整所有顯示器的亮度、調整所有攝影機的白平衡、增加與前方車輛維持的距離，並且更加重視煞車模組，以創造更安全的駕駛體驗。

在不斷追求自動駕駛車輛的同時，也需要讓通訊盡可能安全、安心且即時。這項挑戰因傳輸與接收的資料量不再是每秒數百kb，而是每秒數十GB而變得更加艱鉅。

本文共探討四種汽車通訊協定：乙太網路、FPD-Link技術(汽車串聯器/解串器(SerDes)專用通訊協定)、CAN匯流排與PCIe匯流排，將強調各種技術的核心細節， 並提供這些技術支援現代汽車先進駕駛輔助系統(ADAS)架構的範例與功能。

乙太網路實現高速傳輸

乙太網路是居家與辦公室中最常見的高速介面之一，同時也是車輛主流通訊協定。部分車輛使用乙太網路來傳輸各種高速資料；雷達和光達模組等汽車應用則採用單對乙太網路技術。單對乙太網路採用乙太網路標準，資料透過單一雙絞線傳輸，以降低車內纜線的重量及成本。

乙太網路是一種封包系統，由網路不同部分節點間的封包傳送資訊。乙太網路跟CAN匯流排一樣為雙向，任何個別鏈路上的速度都會隨系統上節點數量的增加而降低。就單對乙太網路來說，任何個別鏈路都會受限於特定速度(10Mbps、100Mbps、1Gbps)，且鏈路上不會發生動態速度變化。不過，單對乙太網路仍可透過鏈路以比CAN匯流排快1,000倍的速度傳輸資料。改為單對乙太網路可得到比CAN匯流排更優秀的資料傳輸速度。然而，由於乙太網路每個節點的成本較高，因此可能無法取代(且反而增加)CAN匯流排的使用。

部分汽車目前使用單對乙太網路來滿足資料密集的需求，如倒車攝影機和雷達。舉例來說，德州儀器(TI)的DP83TC812S-Q1和DP83TG720S-Q1為單對乙太網路實體層(PHY)，被歸類為汽車電子協會Q100第1級和第2級，且包含回送測試模式以協助符合電機電子工程師學會(IEEE)802.3bw和802.3bp汽車標準的系統診斷。若要透過乙太網路傳送影像資料，即使只傳送一個影像頻道，影像也必須在來源處進行壓縮並在目的地解壓縮，以避免超出乙太網路的頻寬限制。就倒車攝影機等應用而言，攝影機中必須有功率相對較高的處理器將圖像充分壓縮，以便讓影像資料順利進入乙太網路。

對高功率處理器的需求也代表攝影機的實際尺寸必須更大，價格也更加昂貴。攝影機的功耗會比不需要進行大量影像處理的方式來得更高。此解決方案的另一項缺點，是影像壓縮和解壓縮將增加鏈路的延遲。如果數個攝影機或其他影像來源共用相同乙太網路，需要在壓縮量(和對應的影像品質)與支援影像通道數之間取得平衡，可於車內以階層式配置設定多個網路，以解決此限制。例如，一個網路只負責引擎控制和診斷，一個網路負責後座娛樂與音訊系統，再由另一個網路負責駕駛輔助功能(如視覺增強攝影機)。總結來說，單對乙太網路可提供比CAN匯流排更高的容量，但在處理影像等最高頻寬應用上仍須努力。

FPD-Link傳送無壓縮影像

FPD-Link是為即時、未壓縮傳輸高頻寬資料而發展的專屬汽車SerDes技術。FPD-Link專為車內傳輸影像資料而開發，可在駕駛輔助應用中強化資料分析與處理。舉例來說，此技術可在後通道(Back Channel)將資訊從朝外的攝影機送至處理器時，將未壓縮的影像傳送到顯示器，並藉由影像處理和演算法將指令訊號送回車輛或駕駛，例如自動煞車。FPDLink的實體層為雙絞線或同軸電纜，採用專用接線，因此在倒車攝影機使用FPD-Link時，將有一條纜線從攝影機連接至處理器，另一條纜線則從處理器連接至車艙內的顯示器。在此應用中使用FPD-Link最大的優點，便是因為不需要進行壓縮及解壓縮，攝影機及顯示器電路可變得更簡單。

此外，由於為專用鏈路，單一影像系統的影像品質不受車輛其他系統情況影響。FPD-Link的前向通道頻寬為25Gbps+，並配備低速後通道。後通道可用來以400kbps的速度傳輸I2C匯流排，也可以最高1Mbps的速率控制GPIO線路。使用者可在前向通道(Front Channel)上影像流不中斷的情況下，使用後通道配置攝影機、操作變焦鏡頭或將觸控螢幕資訊送回控制器。對自駕車而言，另一項重要因素為鏈路中的延遲時間量。壓縮和解壓縮影像所需的處理將造成此延遲增加。對後座娛樂等應用來說，DVD讀取資料和螢幕顯示間的延遲沒有那麼重要，但如果傳輸的影像是攝影機在車輛行駛路徑中尋找是否有行人存在，這樣的延遲情況就可能導致嚴重後果。FPD-Link適合以高頻寬與低延遲為重點要素的鏈路。此外，透過單一雙絞線或同軸連接支援後通道與電源的能力，可簡化布線並有助於降低整體系統設計的複雜性。

圖1說明連接到兩個不同攝影機的OMAP影像處理器，以及以單一雙絞纜線連接至各周邊設備的顯示器。此雙絞纜線支援攝影機影像資料和觸控螢幕或攝影機設定資料，纜線也可為顯示器或攝影機提供電源。由於每個鏈路皆為一個周邊設備專用，可消除兩部攝影機訊號干擾的風險，進而提升處理與分析的資料完整性，並使ADAS功能更加可靠且準確。由多個攝影機傳送資料的能力對自動停車等環景應用特別有幫助，360度的車輛周遭視野可提供駕駛重要資訊，以實現更安全的駕駛體驗。

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