CAN總線、以太網(wǎng)還是FPD鏈路：哪一種最適合車載通信？

引言

1915 年，福特汽車公司把電燈和電子喇叭用于其T -型汽車。自那時(shí)起，汽車對(duì)于電氣和電子系統(tǒng)的依賴便不斷增加。初始系統(tǒng)往往都是局部和獨(dú)立的，例如，一個(gè)控制車頭燈的開關(guān)直接連接至電池。但在今天-，這些系統(tǒng)都相互連接在一起。當(dāng)車頭燈開啟時(shí)，儀表盤照明、后視鏡和其他系統(tǒng)可能都會(huì)轉(zhuǎn)入新的工作狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，各種系統(tǒng)必須彼此相互通信。隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，汽車擁有了許多網(wǎng)絡(luò)，讓這種通信成為可能。由于自動(dòng)駕駛汽車的不斷發(fā)展，對(duì)于汽車內(nèi)部和汽車之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笕找嬖鲩L。本文為您介紹三種汽車通信標(biāo)準(zhǔn)—控制器局域網(wǎng)(CAN) 、以太網(wǎng)和平板顯示鏈路 (FPD-Link) ，并探討每種接口最適合的系統(tǒng)。

CAN總線

CAN總線最初于20世紀(jì)80年代由Robert Bosch GmbH 制訂。今天，它得到許多集成電路和子系統(tǒng)制造廠商的支持，并應(yīng)用于所有現(xiàn)代汽車中。CAN總線允許通過總線上傳輸?shù)南?，讓總線上的不同控制器或者處理器進(jìn)行相互通信。它使用一種優(yōu)先次-序方法，這樣低優(yōu)先級(jí)的消息便不會(huì)干擾高優(yōu)先級(jí)的消息。CAN總線的傳輸速率小于1 Mbps，消息長度(CAN幀)通常為50到100 比特。

由于許多不同控制器可以共用一條CAN總線，因此它一般不太適合發(fā)送要求每秒進(jìn)行約100 次以上更新的消息。理想情況下，它適合于轉(zhuǎn)播更緩慢的狀態(tài)更新，從傳感器到引擎控制單元。它所包括的應(yīng)用為與其他機(jī)械系統(tǒng)相關(guān)的通信(變速器、制動(dòng)、巡航定速控制、動(dòng)力轉(zhuǎn)向、車窗、門鎖等等)，其數(shù)據(jù)量有限，并且涉及帶寬往往相對(duì)較低。

由于越來越多的傳感器和處理器不斷被加入到這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，總傳輸速度進(jìn)一步降低，汽車系統(tǒng)變得更加復(fù)雜。圖1顯示了用于實(shí)現(xiàn)車門和溫度控制功能的CAN 總線。由于所有這些都是低帶寬應(yīng)用，因此相互干擾并不是一個(gè)大問題。但是，如果同一條總線還要處理更高的帶寬，如引擎控制等更重要的功能，則需要把車門和溫度控制的優(yōu)先級(jí)設(shè)為足夠的低，以使這些功能不干擾引擎控制。

最終結(jié)果是，CAN總線同樣適合于作為汽車機(jī)械傳感器和系統(tǒng)之間的一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)，但它很難達(dá)到如娛樂系統(tǒng)或者攝像頭或雷達(dá)傳感器等應(yīng)用的高帶寬要求。

以太網(wǎng)

以太網(wǎng)是我們家里和辦公室最為常見的高速接口之一，一些汽車通過以太網(wǎng)來傳輸各種高速數(shù)據(jù)。與CAN總線一樣，以太網(wǎng)是一種打包分組系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)各-部分上節(jié)點(diǎn)之間的信息以包的形式傳輸。同CAN總線一樣，以太網(wǎng)為雙向網(wǎng)絡(luò)，隨著系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，所有單條鏈路的傳輸速度隨之下降。但是，以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的鏈路速度是CAN總線的100 倍。

以太網(wǎng)適合于應(yīng)用中中等帶寬通信，例如：導(dǎo)航系統(tǒng)與控制等。它能夠以相同的方法用作CAN總線，并同時(shí)提供更多的帶寬。以太網(wǎng)是代替CAN總線的一個(gè)理-想選擇，但是由于以太網(wǎng)的每節(jié)點(diǎn)成本較高，因此它可能不會(huì)取代CAN總線，而會(huì)作為CAN總線的補(bǔ)充。

今天，一些汽車正在將以太網(wǎng)用于滿足大數(shù)據(jù)傳輸要求，例如：車尾攝像頭和娛樂系統(tǒng)等。汽車應(yīng)用中特別需要提及的是德州儀器公司(TI)的DP83848Q-Q1 。它是一種以太網(wǎng)PHY (歸為AEC-Q100 2 級(jí))，包括一個(gè)輔助系統(tǒng)診斷的回路測(cè)試。

要想通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻，即使傳輸?shù)囊曨l通道只有一條，也必須在其源頭對(duì)視頻進(jìn)行壓縮，然后在目的地解壓縮，以避免超出以太網(wǎng)帶寬限制。就如車尾攝像頭等應(yīng)用而言，意味著攝像頭內(nèi)部需要有一顆相對(duì)高功耗的處理器，以對(duì)圖像進(jìn)行充分的壓縮，使其能夠通過以太網(wǎng)傳輸。也就是說，攝像頭的物理尺寸更大，成本更高，并且與不要求更多圖像壓縮工作的解決方案相比，它的功耗也更高。這種解決方案的-另一個(gè)缺點(diǎn)是，視頻壓縮和解壓縮增加了鏈路的延遲。如果同一條以太網(wǎng)被汽車內(nèi)數(shù)個(gè)攝像頭或者其他視頻-源共用，則需要在壓縮量(以及相應(yīng)的視頻質(zhì)量)和支持視頻通道數(shù)目之間做出折中與平衡。利用分層結(jié)構(gòu)，在汽車內(nèi)建立起多個(gè)網(wǎng)絡(luò)，可以緩解這個(gè)問題。-一個(gè)網(wǎng)絡(luò)僅處理引擎控制和診斷程序，第二個(gè)網(wǎng)絡(luò)處理汽車后排娛樂和音頻系統(tǒng)，而另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)則處理駕駛輔助功能，例如：視線增強(qiáng)攝像頭等。最后，以太網(wǎng)擁有比CAN總線更強(qiáng)的功能，代價(jià)是更高的復(fù)雜度，并且仍然很難應(yīng)對(duì)最高帶寬應(yīng)用(例如：視頻等)。-

FPD鏈路

FPD 鏈路是一種專為高帶寬數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸而開發(fā)的技術(shù)。它擁有一條速度非常高(每秒幾千兆比特)的正向通道，以及一條低速反向通道。反向通道用于以400 kbps 速率傳輸I2C，或者以1 Mbps 的最高速率控制GPIO。開發(fā)FPD鏈路的目的是在汽車內(nèi)部傳輸視-頻數(shù)據(jù)。例如，它可以用于把未經(jīng)壓縮的視頻傳輸至視頻顯示器，而反向通道則把顯示屏觸摸板的信息發(fā)回給產(chǎn)生該視頻的處理器。FPD 鏈路的物理層可以是一條雙絞線或者同軸線纜。布線為專用，所以，如果FPD 鏈路用于車尾攝像頭，則一條線纜從車尾攝像頭連接至處理器，另一條線纜從處理器連接至車載顯示-器。

本應(yīng)用中，使用FPD 鏈路的重要好處是，攝像頭和顯示器都可以是十分簡單的一些電路，因?yàn)椴灰笫褂脡嚎s和解壓縮。另外，由于該鏈路為專用，因此視頻系統(tǒng)的圖像質(zhì)量與汽車內(nèi)其他部分無關(guān)。反向通道可用于結(jié)構(gòu)攝像頭，操作變焦鏡頭，或者把觸摸屏信息發(fā)回控制器，無需中斷正向通道的視頻流。

就自動(dòng)駕駛汽車而言，另一個(gè)重要的因素是鏈路的延遲量。壓縮和解壓縮圖像所要求的處理工作，會(huì)增加這種延遲。對(duì)于如后排娛樂等應(yīng)用而言，從DVD 讀取數(shù)據(jù)和在屏幕上顯示其內(nèi)容之間的延遲并不是很重要。但是，如果所傳輸?shù)膱D像來自攝像頭，顯示的是公路上行人的情況，則這種延遲可能就會(huì)造成可怕的后果。

當(dāng)高帶寬和低延遲是最為重要的考慮因素時(shí)，應(yīng)首選FPD鏈路來實(shí)現(xiàn)一些重要的連接。另外，由于可以支持反向通道，并且能夠通過單條雙絞線對(duì)或者同軸線連接來供電，因此布線更加簡單。圖2顯示了一個(gè)OMAPTM視頻處理器，它連接兩個(gè)不同的攝像頭和顯示器，通過單條雙絞線對(duì)線纜連接外圍設(shè)備。這種雙絞線對(duì)線纜支持?jǐn)z像頭視頻數(shù)據(jù)和觸摸屏/攝像頭設(shè)置數(shù)據(jù)。它還為顯示器或者攝像頭供電。由于每條鏈路專用于一個(gè)外圍設(shè)備，因此兩個(gè)攝像頭的信號(hào)之間不會(huì)出現(xiàn)干擾。

結(jié)論

那么，哪種接口最適合于汽車通信呢?它們都適合，但需根據(jù)具體的用途來確定。CAN 總線在用于那些要求不斷降低成本的低速控制應(yīng)用中占據(jù)統(tǒng)治地位。當(dāng)帶寬要求提高時(shí)，以太網(wǎng)作為一種增強(qiáng)型接口，可滿足中等帶寬要求。當(dāng)要求最高帶寬和最低延遲鏈路時(shí)，例如：為自動(dòng)駕駛程序提供周圍環(huán)境情況的環(huán)視攝像頭系統(tǒng)，則FPD鏈路完全可以滿足要求。