100BASE-TX MEMS振盪器 802.3az Ethernet 乙太網路 乙太網

精簡被動元件、線纜需求 乙太網兼顧車載鏡頭效能/成本

2015-04-13
乙太網路(Ethernet)除在工業控制自動化領域已非常普及外,也繼續擴大到更多的工廠設備、感應器和汽車應用。針對工業攝影機和感應器應用,全面採用基於乙太網路的連接而放棄類比或低電壓差動訊號(LVDS)等傳統方法還需時間發展,主因係乙太網路的攝影機和中央處理單元建置成本較高,然而,乙太網路帶來的許多關鍵優勢,已受到汽車業界矚目,相關廠商可望開發更低成本和更高性能的車載攝影機解決方案。
要了解乙太網路的真正價值,可透過簡單的材料清單看到更深的層次。如圖1所示,相較於傳統方案,乙太網路攝影機採用低成本非遮罩線纜,可顯著降低布線成本,此外,基於標準的100BASE-TX乙太網路也毋須再使用乙太網路供電(PoE)所需的額外電纜。一個連接辦公室、程序、控制和設備層的單一公用網路即可以遠端方式識別、監視和控制網路上的每一個設備,這不但可大幅提高管理效率、降低操作成本,更能顯著降低甚至消除機器故障的風險。

圖1 攝影機成本結構比較圖

乙太網路克服攝影機設計挑戰

對設計工程師而言,任何感應器或攝影機應用都具有一些共同的技術挑戰:

小尺寸
  工業、汽車應用攝影機和感應器對設計空間要求日益嚴格。
低功耗
  攝影機感應器產生的熱雜訊會直接影響影像品質。在缺乏所需空間限制的情況下,改善熱功耗和更低的功率對達到所需性能至關重要。
低雜訊
  和熱雜訊一樣,電雜訊也會降低感應器影像的品質。此外,還必須在最好不使用高成本線纜例如光纖電纜或遮罩線纜等的前提下,達到工業EMC的排放要求。
高可靠性
  在極端惡劣的環境下提供必要性能。

為驗證標準乙太網路能符合各種攝影機系統的開發需求,麥瑞半導體(Micrel)與汽車感應器專業廠商Silicon Micro Sensors GmbH共同針對要求最嚴格的應用,設計出一款小尺寸、符合商用量產要求的汽車和工業級乙太網路攝影機系統方案,主要規格包括720p高動態範圍(HDR)攝影、55o∼190o視野範圍,應用低成本的非遮罩雙絞線速度可超過100Mbit/s,且支援乙太網路音訊/視訊橋接(AVB)相容位元流(MJPEG或UDP)、乙太網路供電等通訊協定

如圖2所示,麥瑞/SMS解決方案基本功能方塊圖在所有標準乙太網攝影機設計中非常普遍,提供Omnivision OV10635或Aptina AR0132AT影像感應器等兩種選擇,並以飛思卡爾(Freescale)MPC5604處理器,根據輸入的YUV數位影像資料進行MJPEG壓縮,再透過媒體獨立介(MII)連接到麥瑞KSZ8061 Quiet-WIRE 100BASE-TX乙太網路實體層(PHY)晶片、麥瑞DS1001微機電系統(MEMS)振盪器則提供系統定時,電源管理由經過優化的乙太網路供電負責。

圖2 乙太網路攝影機功能方塊圖

乙太網路實現小尺寸/低成本攝影機

從上述的實作系統可發現,乙太網路實體層提供一系列可滿足車載或工業攝影機系統需求的優勢。首先是最精簡的材料清單和小尺寸系統體積,汽車乙太網路可提供應用獨立的最小標準材料清單,如圖3所示,這可實現超越任何汽車特定解決方案的規模經濟效益,並可形成多供應商模式,使選擇面更廣,成本更低。

圖3 標準乙太網路材料清單

與此同時,乙太網路實體層方案可由尺寸僅5毫米(mm)×5毫米的100BASE-TX 乙太網路收發器提供,只須確保最低限度的電源濾波,且PHY收發器和磁性元件之間的線路介面不需額外的被動元件,有助系統設計工程師在提高訊號完整性的同時,進一步降低成本和縮小印刷電路板(PCB)空間。

值得注意的是,工程師也可使用標準乙太網路磁性元件。近來,乙太網路磁性元件已大為普及,本文案例採用TDK最新推出的汽車和工業乙太網路磁性元件,可支援表面黏著技術,達成以繞線機繞製且尺寸更小的解決方案,最大高度僅有2.9毫米,非常適合空間有限的攝影機模組。繞線機繞製磁性元件不但可降低成本,準確性也更高(相對傳統手繞繞組而言),並可提供更強且穩定的性能。

乙太網路供電精省電源線纜成本

100BASE-TX磁性元件對達成性能和輸送電力同等重要。根據IEEE 802.3af/at「幻象供電法」,已不再需要目前採用的安裝額外線纜的方式,以為遠端感應器供電的作法,只須採用透過磁性元件中心抽頭(Tap)提供的直流電壓即可供電。此外,在汽車應用中使用時,這種方法也可以進一步獲得優化,並在無需任何額外系統成本的情況下提供所有優勢。

首先,由於汽車接線是固定的,因此不須使用橋接整流器,其次,採用冗餘乙太網路供電控制器配置也可顯著降低成本。受電端設備(PD)(在本案例中指攝影機)是固定的且功率預算已知,因此無需相對昂貴的控制器來和供電端設備(PSE)協調功率需求。

如圖4所示,系統只須具備標準直流對直流(DC-DC)穩壓器,即可實現攝影機電源管理方案;若進一步採用同步降壓穩壓器,可提供已降壓的一次電壓,此可確保在待機等低輸出功率工作的情況下高效地工作。

圖4 乙太網路供電設計架構圖

儘管可進行優化和提高成本效益,但針對汽車應用的標準乙太網路供電仍具備由幻象供電法所帶來的額外優勢。攝影機(PD端)提供共模雜訊抑制;ECU(PSE)發出的雜訊或沿雙絞線電纜提取的雜訊,將做為共模雜訊與差動乙太網訊號耦合,藉此實現清除。

此外,攝影機(PD)和ECU(PSE)接地間的電流隔離可避免因電位不同而形成的輻射接地迴路;這個問題對汽車而言已經司空見慣。此外,設計人員還可利用晶片商提供的評估工具,連接到任何其他IEEE 802.3af/at供電端設備來實現互操作性。

降低雜訊與功耗 乙太網加速車載攝影機開發

在現今的市場上,100BASE-TX乙太網提供的PHY技術的功率已是最低,相較於Gigabit技術方案,功耗和成本均降低三倍之多。攝影機解決方案還能因可支援IEEE 802.3az節能乙太網(EEE)而受益,在閒置狀態下(即不傳送視訊流量時),PHY可轉換為低功率睡眠模式,該模式將減少功耗達50%以上。此外,乙太網PHY還可提供小於1微安培的超低待機電流,這幾乎已是所有電池備分應用的理想數值。

如圖5所示,乙太網路PHY晶片提供一個獨特的訊號偵測輸出插口,此可用於標示作用中鏈路夥伴的存在。PHY待機模式可由訊號偵測電路自動啟動及喚醒。此外,也可透過該輸出插口關閉處理器和感應器,為攝影機模組提供小於微安培的遠端待機和喚醒電流來進行電源管理。

圖5 遠端訊號偵測喚醒和待機

相較於使用特殊波形或模式序列的其他方法,這種遠端關閉方案具有以下重要優勢:

可與任何乙太網供應商鏈路夥伴實現完全交互操作
  ECU使用特殊波形/序列常要求採用專屬實施方案,此會限制實際應用。在供應商驅動的消費領域上,使用網路喚醒(WoL)方法就是一個很好的例子,但事實上,這個領域很少使用這種方法。
待機功耗降低
  在實體層上建置偵測電路所需的訊號處理較少,因而功耗也較低。在以上例子中,WoL仍需要PHY和部分媒體存取控制(MAC)層始終保持通電狀態,此導致待機功耗達到大約千倍以上。
低雜訊
  採用乙太網路PHY設計與非遮罩雙絞線相較下,可減少電磁干擾(EMI)、線路輻射,並符合汽車和工業標準。標準10/100BASE-TX PHY可提供獨一無二、完全可編程的整合雜訊過濾(可減少輻射)和更出色的抗干擾性能。

除因採用低功耗100BASE-TX技術而降低熱雜訊以外,乙太網路供電共模雜訊抑制和隔離攝影機接地亦可降低電雜訊,藉此優化攝影機感應器影像品質。降低熱耗散不僅能改善感應器的性能,還可實現更高的穩定性和燃料效率。

高可靠性
  由於乙太網路設計可減少輻射,且其卓越的電流注入(BCI)性能還能提供更出色的抗干擾性能。當系統出現200毫安培雜訊電流注入時,在1M∼400MHz的整個頻率範圍內,PHY收發器完全未出現任何錯誤。

為滿足安全關鍵應用和即時控制應用的需求,乙太網路PHY能夠在20毫秒內,且無需處理器介入的前提下完成通電和連結,透過訊號品質指示器(SQI)還可以即時持續監控線束品質。

本文提出的攝影機系統時鐘由25MHz的MEMS振盪器提供。MEMS技術具有卓越的頻率溫度穩定度,與晶體振盪器相較下可提供二十倍的故障前平均時間(MTBF)和五百倍以上的抗衝擊性。圖6顯示MEMS和石英晶體振盪器之間的輸出頻率溫度穩定度對比。

圖6 MEMS和石英振盪器的頻率溫度穩定度比較

本文提及的攝影機模組為展示套件(包括透過麥瑞乙太網開關連接,以便在電腦或筆記型電腦上展示的四個攝影機模組)的一部分。同時還可搭配視訊分析儀進階開發和分析框架(ADAF)軟體,除識別物體外,該軟體還可控制最多四個攝影機,進行資料流儲存、顯示、錄影和重播,有助汽車和工業攝影機系統開發。

(本文作者任職於麥瑞半導體)

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