現(xiàn)代 ADAS 架構(gòu)通信協(xié)議

引言

1915 年，福特汽車公司首次推出了汽車中的電子元件，當(dāng)時(shí)福特汽車公司向其 T 型汽車引入了電燈和電喇叭。從那時(shí)起，汽車對(duì)電氣和電子系統(tǒng)的依賴一直在穩(wěn)步增加。初始系統(tǒng)往往是本地且獨(dú)立的 – 控制直接連接到電池的前照燈的開關(guān)，或控制單個(gè)揚(yáng)聲器的繼電器。

隨著架構(gòu)的演變，汽車內(nèi)各種子系統(tǒng)進(jìn)行通信的機(jī)制也在不斷演變。例如，當(dāng)汽車檢測到車外環(huán)境光線減弱時(shí)，它可能會(huì)自動(dòng)啟用前照燈，但這并不是全部。它可能會(huì)調(diào)整所有顯示屏的亮度水平，調(diào)整所有攝像頭的白平衡，增加與前方車輛保持的距離，并更加強(qiáng)調(diào)制動(dòng)模塊，從而打造更安全的駕駛體驗(yàn)。

隨著自動(dòng)駕駛汽車的不斷發(fā)展，通信的安全性和實(shí)時(shí)性也變得越來越重要。這一挑戰(zhàn)只因傳輸和接收的數(shù)據(jù)數(shù)量不再是數(shù)百千位/秒，而是幾十千兆位/秒。

本文介紹了四種汽車通信協(xié)議：以太網(wǎng)、FPD-Link? 技術(shù) （專有汽車串行器/解串器 (SerDes) 協(xié)議）、CAN 總線和 PCIe 總線，突出了每種技術(shù)的核心細(xì)微差別，并提供了這些技術(shù)支持現(xiàn)代汽車駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) 架構(gòu)的示例和功能，如圖 1 所示。

圖 1. 汽車中突出顯示的通信協(xié)議技術(shù)。

以太網(wǎng)

以太網(wǎng)是家庭和辦公室中常見的高速接口之一，并且正在成為車輛的主要通信協(xié)議。一些車輛使用以太網(wǎng)來傳輸各種高速數(shù)據(jù)；雷達(dá)和激光雷達(dá)模塊等汽車應(yīng)用使用單線對(duì)以太網(wǎng)技術(shù)。單線對(duì)以太網(wǎng)使用以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，但數(shù)據(jù)通過單根雙絞線進(jìn)行傳輸，從而降低了車輛中的電纜重量和成本。

以太網(wǎng)是一種封包化系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)各部分節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)包會(huì)傳輸信息。與 CAN 總線一樣，以太網(wǎng)是雙向的，并且任何單獨(dú)鏈路上的速度都隨著系統(tǒng)上的節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而降低。對(duì)于單線對(duì)以太網(wǎng)，任何單獨(dú)鏈路上的速度都限制為一個(gè)特定的速度（10Mbps、100Mbps、1Gbps），并且鏈路上不會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)速度變化。不過，單線對(duì)以太網(wǎng)可以通過鏈路傳輸數(shù)據(jù)，速度比 CAN 總線快 1,000 倍。改為單線對(duì)以太網(wǎng)將優(yōu)化 CAN 總線上的數(shù)據(jù)傳輸速度，但由于以太網(wǎng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的成本較高，因此它可能不會(huì)取代（而是增加）CAN 總線。

如今，有些汽車使用單線對(duì)以太網(wǎng)來滿足備用攝像頭和雷達(dá)等數(shù)據(jù)密集型要求。例如，德州儀器 (TI) 的 DP83TC812S-Q1

和 DP83TG720S-Q1 是單線對(duì)以太網(wǎng)物理層 (PHY)，根據(jù)汽車電子委員會(huì)-Q100 1 級(jí)和 2 級(jí)進(jìn)行篩選，并包含環(huán)回測試模式，有助于實(shí)現(xiàn)符合電氣電子工程師協(xié)會(huì) (IEEE) 802.3bw 和 802.3bp 汽車標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)診斷。要通過以太網(wǎng)傳輸視頻，即使只有一個(gè)視頻通道被傳輸，視頻也必須在源端進(jìn)行壓縮，然后在目標(biāo)端進(jìn)行解壓縮，避免超過以太網(wǎng)帶寬限制，這與 FPD-Link? 技術(shù)不同，該技術(shù)允許傳輸未壓縮的視頻數(shù)據(jù)。對(duì)于備用攝像頭等應(yīng)用，攝像頭中需要有一個(gè)相對(duì)較高的功率處理器來充分壓縮圖像，使其進(jìn)入以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。

反過來，對(duì)大功率處理器的需求意味著攝像頭的物理尺寸更大且更昂貴。與不需要大量圖像處理的方法相比，攝像頭的功率損耗更高。該解決方案的另一個(gè)缺點(diǎn)是視頻壓縮和解壓縮會(huì)增加鏈路的延遲。如果多個(gè)攝像頭或其他視頻源共享同一個(gè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，則需要在壓縮量（和相應(yīng)的視頻質(zhì)量）與支持的視頻通道數(shù)量之間進(jìn)行權(quán)衡。通過在汽車內(nèi)以分層配置設(shè)置多個(gè)網(wǎng)絡(luò)，可以減輕這種限制?？赡苡幸粋€(gè)網(wǎng)絡(luò)只處理發(fā)動(dòng)機(jī)控制和診斷，另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)處理后座娛樂系統(tǒng)和音頻系統(tǒng)，還有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)處理駕駛員輔助功能，例如視覺增強(qiáng)攝像頭。最后，單線對(duì)以太網(wǎng)提供比 CAN 總線更高的容量來傳輸雷達(dá)和激光雷達(dá)等數(shù)據(jù)，但代 價(jià)是復(fù)雜性更高，但仍然難以處理視頻等高帶寬應(yīng)用。

FPD-Link 技術(shù)

FPD-Link 是專有的汽車串行器/解串器技術(shù)，專為實(shí)時(shí)無壓縮傳輸高帶寬數(shù)據(jù)而開發(fā)。具體而言，F(xiàn)PD-Link 是為在車內(nèi)傳輸視頻數(shù)據(jù)而開發(fā)的，從而在駕駛輔助應(yīng)用中增強(qiáng)了數(shù)據(jù)分析和處理能力。例如，它可用于向顯示屏發(fā)送未壓縮的視頻，而反向通道可將來自外置攝像頭的信息發(fā)送到處理器，該處理器使用圖像處理和算法將命令信號(hào)發(fā)送回汽車或駕駛員，例如用于自動(dòng)制動(dòng)。FPD-Link 的物理層是雙絞線或同軸電纜。布線是專用的，因此在將 FPD-Link 用于備用攝像頭時(shí)，一根電纜從攝像頭連接到處理器，另一根電纜從處理器連接到座艙中的顯示屏。在該應(yīng)用中使用 FPD-Link 的主要優(yōu)勢是，攝像頭和顯示屏都可以是更簡單的電路，因?yàn)椴恍枰獕嚎s和解壓縮。

此外，由于鏈路是專用的，因此一個(gè)視頻系統(tǒng)的圖像質(zhì)量與車輛中的其他元素?zé)o關(guān)。FPD-Link 具有 25Gpbs+ 的正向通道帶寬和同步低速反向通道。反向通道可用于以 400kbps 的速率傳輸 I2C 總線，也可用于以高達(dá) 1Mbps 的速率控制 GPIO 線路?？梢允褂梅聪蛲ǖ琅渲脭z像頭、操作變焦鏡頭或?qū)⒂|摸屏信息發(fā)送回控制器，而不會(huì)中斷正向通道上的視頻流。對(duì)于自主駕駛車輛，另一個(gè)重要因素是鏈路延遲量。壓縮和解壓縮圖像所需的處理會(huì)增加此延遲。對(duì)于后座娛樂系統(tǒng)等應(yīng)用，從 DVD 讀取數(shù)據(jù)與其在屏幕上顯示數(shù)據(jù)之間的延遲并不重要。但是，如果傳輸?shù)膱D像來自在車輛路徑中尋找行人的攝像頭，則延遲可能會(huì)帶來災(zāi)難性的后果。FPD-Link 非常適合需要高帶寬和低延遲的鏈路。此外，通過單根雙絞線或同軸電纜連接支持反向通道和電源的功能可簡化布線，并有助于降低整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

圖 2 展示了一個(gè)連接到兩個(gè)不同攝像頭的 OMAP? 視頻處理器和一個(gè)帶有一根連接到每個(gè)外設(shè)的雙絞線電纜的顯示屏。此雙絞線電纜支持?jǐn)z像頭視頻數(shù)據(jù)和觸摸屏或攝像頭設(shè)置數(shù)據(jù)。電纜還可以為顯示器或攝像頭供電。由于每個(gè)鏈路都專用于一個(gè)外設(shè)，因此消除了兩個(gè)攝像頭信號(hào)之間的干擾風(fēng)險(xiǎn)，從而提高了處理和分析的數(shù)據(jù)完整性，使 ADAS 功能更可靠、更準(zhǔn)確。從多個(gè)攝像頭傳輸數(shù)據(jù)的能力對(duì)自動(dòng)泊車等環(huán)視應(yīng)用尤其有利，在這些應(yīng)用中，車輛周圍的 360 度全景可為駕駛員提供關(guān)鍵信息，從而實(shí)現(xiàn)更安全的駕駛體驗(yàn)。觀看什么是 FPD-Link？，了解有關(guān) FPD-Link 基礎(chǔ)的更多信息。

圖 2. 具有 FPD-Link 的多攝像頭系統(tǒng)。

CAN 總線

CAN 通信自 Robert Bosch GmbH 于 20 世紀(jì) 80 年代開發(fā)以來，已有了很大的發(fā)展。多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議顯著減少了車輛中所需的電纜布線，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了仲裁通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)可將總線訪問權(quán)限授予總線上的最高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)。CAN 協(xié)議和物理層最初是在二十世紀(jì)九十年代初標(biāo)準(zhǔn)化的，數(shù)據(jù)速率高達(dá) 1Mbps。如今，CAN 通信已發(fā)展到高達(dá) 10Mbps 的速度，彌補(bǔ)了 20 世紀(jì) 90 年代經(jīng)典 CAN 與 10Base-T 等低速汽車以太網(wǎng)之間的差距。

CAN 是一個(gè)多命令器串行總線；換句話說，當(dāng)單個(gè)節(jié)點(diǎn)可以讀取和寫入 CAN 總線時(shí)，沒有單個(gè)命令器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制。每個(gè)報(bào)文幀都包含一個(gè)標(biāo)識(shí)符，用于確定 CAN 報(bào)文的優(yōu)先級(jí)。如果多個(gè)節(jié)點(diǎn)嘗試同時(shí)發(fā)送到 CAN 總線，則具有最高優(yōu)先級(jí)（或最低仲裁 ID）的節(jié)點(diǎn)將控制總線。CAN 通信在惡劣環(huán)境中是可靠的，它允許 ECU 僅與一對(duì)電線進(jìn)行通信。

最初在 20 世紀(jì) 80 年代開發(fā) CAN 時(shí)，車輛中的 ECU 數(shù)量 相對(duì)較少。如今，乘用車可以包含 100 多個(gè) ECU，控制功能包括基本動(dòng)力轉(zhuǎn)向和豪華功能，如座椅按摩器和方向盤加熱器。隨著 ECU 的增加以及乘客車輛對(duì)更高級(jí)安全功能的需求，CAN 通信也在不斷發(fā)展。

表 1 列出了有關(guān) CAN 通信網(wǎng)絡(luò)的更多信息，包括 CAN FD 燈、CAN 信號(hào)改善功能 (SIC) 和 CAN 超長 (XL) 等新標(biāo)準(zhǔn)。閱讀控制器局域網(wǎng) (CAN) 簡介，了解更多有關(guān) CAN 的 信息。

表 1. CAN 的演變。

PCIe 技術(shù)

PCIe 是雙向高速串行總線的通信標(biāo)準(zhǔn)，滿足高帶寬、超低延遲性能要求。PCIe 在工業(yè)應(yīng)用中更為常用，隨著制造商開始重新思考數(shù)據(jù)主干架構(gòu)，從而支持高帶寬和低延遲系統(tǒng)處理需要實(shí)時(shí)處理的傳感器數(shù)據(jù)和用戶信息呈指數(shù)級(jí)增長的情況，PCIe 現(xiàn)已在汽車應(yīng)用中興起。

為了解決這一難題，集中式計(jì)算節(jié)點(diǎn)支持多種不同類型的域（ADAS、信息娛樂、動(dòng)力總成）。這種集中式計(jì)算盒通常包含許多支持汽車不同功能的模塊，使汽車制造商可以靈活地上下擴(kuò)展和定制汽車功能，而無需重新設(shè)計(jì)整個(gè)域控制器。由于 PCIe 支持一個(gè)根復(fù)合體或中央處理單元 (CPU) 連接到多個(gè)端點(diǎn)或接收器，因此采用 PCIe 進(jìn)行集中式模塊化設(shè)計(jì)可顯著降低汽車所需的整體 ECU 和電纜數(shù)量。

當(dāng)汽車行業(yè)開始在整個(gè)數(shù)據(jù)主干中要求協(xié)處理和冗余時(shí)，PCIe 變得越來越有吸引力，因?yàn)樵S多 CPU 內(nèi)置有原生 PCIe 接口，并且不需要在背板上進(jìn)行額外的接口轉(zhuǎn)換。PCIe 有一個(gè)擁有開放軟件資源的巨大生態(tài)系統(tǒng)，并且憑借 可擴(kuò)展性非常強(qiáng)的帶寬，它的帶寬連續(xù)一代增加了一倍。因此，PCIe 協(xié)議可能會(huì)跟上汽車數(shù)據(jù)處理指數(shù)增長所需的帶寬。

在設(shè)計(jì)高速數(shù)據(jù)信號(hào)路徑時(shí)，信號(hào)衰減會(huì)成為一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)?？赡苄枰D(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器或重定時(shí)器等信號(hào)調(diào)節(jié)器來恢復(fù)和補(bǔ)償印刷電路板材料、過孔、連接器或電纜上的插入損耗和噪聲。長期以來，轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器和重定時(shí)器在 PCIe 生態(tài)系統(tǒng)中一直可靠，可提高通過 PCIe 協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的整體信號(hào)完整性。表 2 列出了轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器和重定時(shí)器之間的差異。觀看視頻解決 PCIe 信號(hào)完整性難題，詳細(xì)了解構(gòu)成 PCIe 信號(hào)路徑的元件。

表 2. PCIe 轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器和重定時(shí)器的比較。

結(jié)論

種接口更適合汽車通信？它們都適合，但每個(gè)都有自身的用途。當(dāng)帶寬要求上升時(shí)，例如雷達(dá)和 LIDAR 數(shù)據(jù)傳輸，以太網(wǎng)支持必要的帶寬需求。當(dāng)需要超高帶寬和超低延遲的鏈路時(shí)，例如對(duì)于為自動(dòng)駕駛車輛提供輸入的環(huán)視攝像頭系統(tǒng)，F(xiàn)PD-Link 就可以應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。CAN 總線繼續(xù)為低速度控制應(yīng)用提供 ADAS 支持，對(duì)于此類應(yīng)用，成本是驅(qū)動(dòng)因素，例如數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)劃分、安全氣囊部署等。PCIe 可滿足移動(dòng)不斷增加的需要實(shí)時(shí)處理的傳感器數(shù)據(jù)和用戶信息的需求。這四種關(guān)鍵的汽車通信協(xié)議共同構(gòu)建了集成的互聯(lián)車輛，可實(shí)時(shí)支持駕駛員安全并滿足 ADAS 架構(gòu)不斷增長的要求。請?jiān)L問傳感器融合，詳細(xì)了解我們先進(jìn)的通信技術(shù)如何提高安全關(guān)鍵型駕駛輔助應(yīng)用的可靠性。

參考文獻(xiàn)

1. 什么是 FPD-Link？

2. 德州儀器 (TI)：控制器局域網(wǎng) (CAN) 簡介

3. 解決 PCIe 信號(hào)完整性難題