IEEE 100BASE-TX 車載自動診斷系統 Ethernet 乙太網路 乙太網 電磁干擾 ADAS OBD EMI CAN 匯流排

技術/產品高度標準化 乙太網路實現低成本汽車網路

2013-04-01
汽車網路是通用電子產品市場成長最顯著的領域之一。汽車資訊、娛樂和通訊功能逐漸成為消費者購車時考慮的重要因素。車內網路在高階車款市場取得一席之地後,已得到廣泛推廣,甚至也延伸至某些中低階汽車上。車內網路功能的不斷擴展和市場的大規模採用,讓製造商得以用可接受的合理價格優化元件和系統性能,這同時也代表要遵守一個被普遍認可和可擴展的標準。
目前為止,與車內網路相關的主要問題是標準變異性,某些製造商可能會採用或推薦某些特定通訊協定,而其他製造商則會考慮其他不同的方法。自2008年起,乙太網路已成為汽車網路的首選,這有益於提升頻寬和制定開放的標準。真正的標準化可提供多個可相互協作的供應商解決方案,迅速降低系統成本,這和目前流行的資訊娛樂網路技術形成鮮明對比。

乙太網路汽車應用普及度攀升

過去5年間,乙太網路已逐漸成為車載自動診斷系統(OBD)的首選介面,且有多種車型均採用此介面。乙太網路提供超越傳統汽車匯流排的頻寬速度,讓軟體下載時間從以小時為計算單位提升至以分鐘為單位,遠低於傳統方法。隨著標準化IP診斷介面使用範圍的擴大,乙太網路的使用範圍也將繼續擴大,如ISO 13400標準所指定的,使用乙太網路做為實體層(PHY Layer)。

汽車市場中發展最快的應用之一--先進駕駛輔助系統(ADAS),在美國國內市場已由政府立法推廣,而強化車內安全的需求也推動攝影機感應器網路的快速普及。IMS Research資料顯示,預計到2017年,攝影機模組的出貨總量將達到三千四百萬套,遠遠超出2010年的六百一十萬套。這要歸因於美國國家公路交通安全管理局(NHTSA)的新規定,亦即自2014年起,所有在美國銷售的汽車都必須安裝至少一個獨立後視攝影機或感應器。如表1所示,大量新型汽車應用乙太網路相繼出現,滿足系統頻寬需求的成長,並持續呈上升趨勢。

EMI為車用乙太網路技術挑戰

新一代資訊娛樂和ADAS為乙太網路在汽車市場的發展提供重要機會。例如即時乙太網路AV橋接(AVB)可實現高性能資訊娛樂網路解決方案,但仍有技術等諸多方面的挑戰。OBD應用具有車輛毋須發動即可運作的優勢,但是,對更多基於乙太網路的最新應用的需求與目前應用仍存在兩大差異。

首先,這些新興應用只能在汽車開動時運作,因此乙太網路系統須符合汽車製造商的電磁干擾(EMI)規範;其次,它們只能即時運作。無論在什麼情況下,當新應用在汽車開動的情況下即時運作時,乙太網路系統必須完全符合汽車製造商嚴格的EMI要求,並解決可能對安全操控造成不利影響的任何潛在干擾或訊號中斷,而這正是當今日益增多的智慧型汽車的重要考慮因素。

標準乙太網路可有效防止EMI

仔細考慮EMI問題時,可發現使用遮蔽纜線可減少車內的輻射。但是,在這個極為重視成本控制的汽車產業內,遮蔽纜線不但會影響接地策略,對耐用性造成負面影響,還會增加生產成本,且遮蔽纜線必須經過預先製造和採購,無法使用線束在原工廠製造。因此,工程師只能在非遮蔽纜線上操作標準乙太網路,同時仍滿足汽車OEM EMI規範。業界傳統觀念認為,標準乙太網路100BASE-TX PHY根本不可能使用,工程師仍需要更多的專用方法。觀察圖1所示乙太網路PHY的典型輻射特性時,可容易理解圍繞非遮蔽纜線產生的受限觀念。受MLT3編碼的65M?80MHz頻寬限制,低頻段上的高能容量通常為10~15dB,超出汽車OEM規範。

圖1 100Mbit/s乙太網卡輻射示例

麥瑞(Micrel)近期的研究證明,上述傳統觀念實際上是錯誤的。在對100BASE-TX PHY電路的EMI行為進行持續調查後,透過簡單的技術即可充分減少輻射並滿足汽車製造商的要求。2012年9月初,在東京舉辦的Nikkei Automotive技術大會上,麥瑞和邁威爾(Marvell)不僅展示非遮蔽纜線可用於制定解決方案、成功解決EMI問題,還證實兩家公司系統間存在完全的互操作性,以及任何IEEE 802.3標準乙太網路PHY的可用性。

根據Micrel調查的結果增強乙太網路做為不同供應商汽車應用賴以發展、具成本效益的開放來源平台價值。由於這PHY是基於IEEE標準,因此其他任何IEEE 802.3乙太網路PHY也可能包含其中。

低通道濾波器解決EMI難題

在乙太網路傳輸前端增加一個低通道濾波器,同時提供一個仍可相互協作的標準乙太網路解決方案。圖2顯示100BASE-TX利用業者最新已內建低通道濾波器的標準乙太網路PHY技術產生輻射結果。

圖2 100Mbit/s乙太網路PHY滿足車廠輻射限制。

車內乙太網路所面臨的EMI挑戰不僅是輻射性能,如果汽車製造商要使用乙太網路,則須同時滿足車內和車外的其他抗電磁干擾要求。

值得注意的是,標準100BASE-TX乙太網路PHY十分穩定,其在充分滿足汽車抗干擾規範要求的情況下,還能以較低的輻射配置運作。這一點可在圖3相同PHY配置的IEC 62132-1/4直接功率注入(DPI)中得到證明。在圖中,在39dBm的注入限制,等同於106dBuA/200mA(5級)大電流抗干擾(ISO 11452-4帶線)等級下,所有頻率中均未發生任何網路錯誤。

圖3 100Mbit/s乙太網路PHY直接功率注入抗干擾性

車用乙太網路應用即時性受矚目

近期和新興的車內網路應用即時性是第二大重要因素。藉由乙太網路實現即時性非常簡單,且能透過AVB規範確保必要的服務品質(QoS),這些規範包括IEEE 802.1as時間同步、IEEE 802.1Qat串流保留與IEEE 802.1Qav AV橋接的佇列與轉發。

時間同步對於確保乙太網路內的音訊和視訊串流品質非常重要。IEEE 802.1as利用特定的精準時間通訊協定(PTP)封包在整個網路內為常見系統時鐘源提供同步。網路中的節點,即時間感知橋接,將根據一系列與主時鐘源及其鄰近時鐘源交換的PTP同步訊息,從網路中提取時間點。

IEEE 802.1Qat串流保留允許使用串流保留通訊協定(SRP)為特定流量方案保留網路頻寬和緩衝區資源。IEEE 802.1Qav佇列與轉發方法建立在將流量分為同步(臨界時間)和非同步(非臨界時間),並利用IEEE 802.1p所定義的優先等級,為其劃分優先順序的基礎之上。出口埠緩衝區隨後將被分為兩個或更多佇列,每個佇列均配有一個特定的優先順序。同步封包的優先順序最高,非同步封包最低。基於信用的流量整形器將被用於緩和視訊資料的「猝發」性。

業者最近推出全新高度整合的乙太網路元件--EtherSynch家族,支援IEEE 1588v2和IEEE 802.1。時鐘同步精度可達到低於100奈秒(ns)的水準,超越基於IEEE的標準1微秒(μs),並適用於控制應用和音訊/視訊串流。

在汽車的多攝影機感應器網路中使用乙太網路連接可大幅降低系統成本。傳統的專用方案也為開放式標準乙太網路開闢道路。ISO 17215攝影機視訊通訊介面(VCIC)規範也實現這一點,該標準定義汽車攝影機和/或感應器應用中使用的乙太網路連接。

乙太網路具備低成本優勢

無論在何處使用,乙太網路均是成本最低的網路解決方案。起初,乙太網路被視為替代媒體導向系統傳輸(MOST),和用於資訊娛樂的專用網路與攝影機的低電壓指令(LVD)技術,尤其是在多攝影機網路中的可行選擇。對於關鍵任務的應用,乙太網路AVB標準中最新增加的內容將為此類控制應用提供經過保證的更低延遲和冗餘,以及超過現有技術的更高頻寬支援。

控制區域網路(CAN)則略有不同,因為該技術主要針對低頻寬、最低成本的應用,如電機控制。未來,當汽車包含連接所有汽車領域的單獨乙太網路骨幹(透過閘道代替多個相連的不同匯流排/域)時,系統成本將使其能取代CAN,正如乙太網路透過在單個乙太網路節點上連接若干感應器/驅動器進入產業設備層領域匯流排。

車用乙太網路打破專用規範藩籬

有關晶片設計與製造的主要挑戰和實際設計製作流程無任何關聯。由於乙太網路在汽車以外的其他市場中被用作標準網路協定,因而對這些領域的漸進式改善仍在持續進行。但單就汽車市場而言,其中的一大障礙是鼓勵離開專用平台(這將從根本上抬高成本)、須要授權協議、限制開放來源的開發並改善封閉式市場條件。

隨著汽車網路日益成為許多汽車的標準配置,汽車產業並不希望且極力避免出現一個新的專用匯流排,這也是為什麼乙太網路會成為一個如此吸引人的可行模式。乙太網路提供許多關鍵優勢,如經過驗證的既定軟體生態系統、工具、規範、獨立互操作性和合規性、無許可成本、高容量和多個供應商,這些均有助於提高汽車市場的成本競爭力。

標準乙太網路和非遮蔽纜線的使用、電源、物料清單(BOM)和矽方面提供極具成本優勢的最低系統成本。汽車產業標準乙太網路解決方案開發的基本前提是促進汽車產業獲得乙太網路的所有優勢(生態系統、多個供應商、相互協作的解決方案、製造規模等),這也是汽車製造商希望過渡到乙太網路解決方案、離開專用解決方案的原因。

乙太網路的一大主要優勢在於,增加應用如攝影機、資訊娛樂和網路骨幹所需頻寬。該技術還為汽車製造商提供連接最新消費性技術的基礎設施,在該基礎設施內,產品週期遠快於汽車生產週期。

乙太網路是真正開放的國際標準(IEEE 802.3),衍生的好處還包括:

多個供應商≠競爭
  國際標準可提供業者優化產品整合度、耗電與成本等設計方向,且多個供應商可提供種類齊全與更相容的互操作性產品。

多個市場、大容量=低成本
  國際標準可讓業者產品每年達銷量上億的規模,並已具備既定的生態系統,無需業者多費力氣建立。

802.3 PHY符合其他IEEE標準
  802.3 PHY符合乙太網路供電(PoE)與節能乙太網路(EEE)兩項標準。

此外,國際標準乙太網路已經過實地驗證,且數年來產生了數十億個節點;傳輸速率已可達100M~1,000Mbit/s,甚至可達10Gbit/s或更高。

車用乙太網路發展日益蓬勃

若乙太網路做為真正的汽車網路匯流排進入市場,汽車製造商將需要一個開放並可免費使用的公認解決方案。據新型汽車IEEE 802.3千兆乙太網路研究小組透露,新一代汽車網路已進行研發。

乙太網路在工業網路領域內取得的成功證明其在極端環境下的可靠性和品質。 這一產業優勢和消費技術推動力的結合為汽車產業提供最佳實體層解決方案,成功彌補較長的汽車設計週期和當今迅速發展的IP世界的差距。今天,乙太網路已出現在車內,為消費者提供用於診斷和軟體下載的基於IP標準介面。此外,乙太網路的下一步是形成新一代汽車多媒體網路的骨幹,同時帶來即時流量。IEEE 802.3 AVB之類的新標準提供必要的即時性能,同時也有多家供應商已能夠提供可在彼此間乃至與任何其他IEEE 802.3乙太網路PHY之間實現相互協作,並已經驗證的低EMI輻射乙太網路產品。

使用標準IEEE 100BASE-TX乙太網路的PHY技術可實現對現有IEEE 802.3生態系統的利用。IEEE 802.3生態系統被廣泛應用於網路應用中,毋須創造任何新工具,亦毋須為包括標準化組織在內的基礎設施提供支援。最重要的結果可能就是多來源解決方案通訊協定(PHY、控制器、交換機等)的快速實現。在多個乙太網路應用(除汽車以外)中使用同樣的矽還可實現規模經濟效益,這在任何專用或特定應用的解決方案中都無法達到。

基於相互協作的標準乙太網路的解決方案為乙太網路半導體製造商提供一條簡便、低成本的途徑,以提供基於現有的100BASE-TX技術的低輻射解決方案。乙太網路提供增加的頻寬和靈活的拓撲,但最重要的就是降低成本,這得益於其在多個市場、可接受的供應鏈和多個供應商之間的大量部署。

總而言之,乙太網路技術並無複雜之處,相反,該技術簡單、可行、開放,這也是此技術之所以成功的原因。在任何市場上,成本都是關鍵要素,而乙太網路不斷展示著其在任何網路中的低成本優勢。

(本文作者為Micrel資深行銷經理)

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