汽车以太网络应用POF骨干和摄像镜头链路

1 介绍

车内信息娱乐系统设备的快速增长以及先进驾驶辅助系统ADAS(Advanced Driver Assistance Systems)的兴起创造了汽车内部设备间更高效率的互连需求，通过优于其他技术的优势，以太网是汽车网络的理想选择。

塑料光纤(POF, Plastic Optical Fiber)，汽车产业大家所熟知的传送媒介，现在已经可以提供千兆位的传输能力，使得它成为未来汽车以太网络以及如摄像镜头点对点链路应用需求的完美解决方案。

2 汽车以太网络

汽车已经快速成为家庭的延伸，信息娱乐系统越来越成为新推出汽车中连接邻近设备和其它车辆的基本设备，上网和汽车基础设施也逐渐成为汽车配备的未来产业标准。

同样地，驾驶辅助也是提供汽车安全视线无死角，避免交通意外伤亡的主要途径，因为汽车和基础设施在设计上可以达到这个目标而不会受到驾驶的错误或蓄意影响，ADAS将加入其他的被动和主动系统成为标准的汽车配备。

这些功能丰富的信息娱乐和驾驶辅助系统将大幅度提高通信带宽的要求，并且增加汽车网络的复杂度，由于更复杂的汽车网络会影响可靠性和可维护性，信息娱乐系统和驾驶辅助系统的增加就创造了新网络解决方案的需求，超越目前无法提供汽车间通信的点对点链路或环形拓墣结构。

2.1 以太网提供可扩展性和高灵活性

控制器局域网(CAN, Controller Area Network)总线是一个在过去30年雄霸车用电子架构的通信协议，目前已经无法满足未来汽车架构的需求，另一方面，以太网则可以提供新一代车内网络架构需要的可扩展性和灵活性。

对于大多数汽车OEM厂商，可扩展性是一项关键的功能，可以藉由平台方式使用于多个汽车生产线，这个可扩展性通过使用可以允许每部汽车分别进行订制的网络技术加以支持。

高灵活性同样也是允许汽车OEM厂商提供用户多个车款订制而不需更改网络的关键功能，网络配置将自动适配到车内配备的特定设备，汽车制造商不需特别为每个车型进行网络配置。

2.2 上下通信层的以太网应用

以太网可以做为标准化IP诊断接口的下通信层，由ISO 13400互联网协议诊断通信(DoIP, Diagnostic Communication over Internet Protocol)制订，预料将由全球大多数汽车OEM厂商采用。这个基于和互联网使用相同IP协议的接口可以简化汽车内系统的诊断，作为下层技术，以太网可以平顺地和IP介接，这也是为何它目前普遍应用于互联网连接网络的原因之一。

以太网同时也带来和其它上层协议的无缝连接，举例来说，它可以协助影音同步或及时信息的安全传输，而对于信息娱乐网络非常重要的影音同步(AVB协议栈、IEEE 802.1 Qav、802.1 AS、1722)则可以确保汽车内不同屏幕和扬声器间影音的同步。

同样地，由精确时间协议栈(IEEE 1588v2和1722)成提供的及时信息非常重要，特别是对ADAS，可以确保信息可以到达目的地而没有延迟，以满足安全应用的要求。

2.3 分层架构的以太网骨干

所有主要汽车制造商都同意将汽车内分割成不同功能方块的好处，在这个新的结构上，汽车将由数个不同领域的设备共同工作并分享信息，相关的例子如动力系统、车体控制、传输和安全系统等。

在每个领域中，使用的连接形式将基于所需执行的功能以及各领域的需求，典型的跨领域网络将基于FlexRay、MOST、以太网(第一代基于BroadR-Reach)、CAN或LIN等。

为了满足分层架构带来的新需求，将需要一个宽带网络进行所有领域间的可靠通信，目前以太网看来可能是最好的选择，然而，千兆位速度的最佳物理层尚在讨论之中，基于POF的光学物理层可以提供1Gbps的带宽需求，满足目前和新一代系统的要求，同时带来更低成本和更轻重量的优势。

图1为目前使用的集中式架构，在这个架构中，单一中央闸道器(CGW, Central GateWay)提供了CAN连线、LIN连线、FlexRay连线以及MOST连线。

在分布式骨干架构中，汽车次系统被区分为可以拥有单一网络技术，如CAN或以太网的区域群组，也可混合使用各种技术。

图1：集中式架构。

图2：具有可选冗余路径的菊花链骨干。

通过新基于领域的架构，创造了连接所有领域控制单元(DCU, Domain Control Unit)和每个领域间交换的骨干需求，虽然有数种骨干结构可以选择，但看起来最有竞争性的是提供可选冗余路径的菊花链骨干。

由于通过单一骨干连接所有领域，它的规模必须依照领域间数据移动量的大小自动调适，对于未来的预估显示，ADAS和信息娱乐系统加上汽车内原有的每个领域，将需要1Gbps速度的骨干。

3 汽车应用环境的独特挑战

汽车网络使用的网络技术物理层必须符合汽车环境的独特挑战，并且不能大幅度提高成本，系统的最终成本不仅由性能本身决定，也受到汽车环境条件的影响，而这在大多数的案例中则会提高最终成本。

汽车网络面对的挑战包括：

●震动

使用的网络技术必须可以承受汽车在持续行进环境中既有的震动，震动会影响所有的机构配件，特别容易对电连接器造成伤害，因此对电缆和连接器带来了严格的限制。

●温度

汽车中不同领域的温度范围会因网络位置而有所不同，大多数汽车领域的最高温度约为105℃。

●重量

使用作为网络媒介物质的重量非常重要，因为它直接影响到油耗和成本，以及相关的碳排放。

●成本的可预测性

基于铜的物理层因铜价的不可预测性而受到影响，过去10年铜价大幅度上扬，无法稳定地预估成本就成为影响基于铜电缆解决方案的负面因素。

●电磁兼容性(EMC, ElectroMagnetic Compatibility)

电磁幅射和干扰是汽车网络面临的一个重大挑战，基于电气的通信，如使用铜作为物理层特别容易受到电磁干扰(EMI, ElectroMagnetic Interference)。

●长度

汽车网络的典型长度大约为5米，部分网络可能延伸到15米，汽车网络中使用的任何通信技术必须能够在涵盖这些长度范围的同时提供足够的信噪比(SNR, Signal-toNoise Ratio)裕度。

3.1 汽车网络的POF骨干

POF为汽车网路的理想骨干，作为光学媒介，POF不会有基于电气实体层如EMI、重量和成本可预测性的典型限制，相较于其它采用硬包层光纤，因MOST和FlexRay协议而着名于汽车市场的POF更加容易处理并且安装和维护成本更低，最后，由于KDPOF技术，由VDE和ETSI制订，POF可以克服现有的光电限制，达到严格汽车标准要求的1Gbps性能。

为了满足汽车环境的独特挑战，POF提供了相较于铜缆解决方案甚至硬包层光纤更好的几个优势。

●震动

由于POF为光学技术，不会使用电气接点，因此可以避免因震动引起的电气噪声，而POF的较大核心直径(1mm)也使它足够稳固，可以不受震动产生噪声的影响。

●温度

POF是一种相较于铜电缆或硬包层光纤更容易受到温度影响的聚合物材料，然而，应用于最常见汽车环境高温范围的POF解决方案使得POF可以使用于所有目标汽车领域中，另外，虽然光收发器目前的温度上限为95℃，最新的Avago千兆位级POF收发器已经把目标订在达到105℃。

●重量

POF要比铜电缆轻上许多，只有UTP Class 5铜电缆的六分之一，POF较轻的重量扩展到汽车中的所有通信连线后，可以带来比铜电缆大幅度的重量优势。

●价格的可预测性

聚合物是一种不会受到市场价格波动影响的材料，相反的，铜则会有大幅度的价格波动，过去10年来上下浮动超过4倍，如图3，2002年铜价为每磅USD$1.00，2012年则接近每磅USD$4.00。

图3：1989年到2012年铜价变化趋势图。(来源：InfoMine)

●电磁兼容性(EMC)

系统设计工程师较为喜欢如POF等不受电气噪声影响的光学解决方案，这就转化成为更好的噪声裕度和更为简单的系统方案，系统测试可以通过更低的开发成本和更短的上市时程而简化。

●长度

千兆位POF技术可以延伸典型的汽车15米目标长度达到40米，加上所有线上的连接器，因此可以为巴士和卡车提供新的应用，并在同时符合较短车辆目标的严格噪声裕度。

3.2 低速链路用POF

虽然POF技术可以达到1Gbps的带宽，但也可以应用在现有的100Mbps系统上，这代表了POF不仅可以符合未来汽车网络应用需要千兆位骨干的需求，也适合现有车内较低速度的通信总线应用。

POF应用于较低速应用的两个关键范例包括混合动力或电动火车以及巴士和卡车，对于EMC有非常高的抗扰度要求，混合动力或电动火车为如POF等可抵抗电气噪声解决方案的理想环境，由于在这些环境中使用了相当大的电池，因此重量就成为重要的关键，POF较轻的重量提供相较于其他技术的明显优势。

对于较大规模的巴士和卡车，基于POF的较低速解决方案可以将网络延伸到超过40米，甚至超过100米，为巴士和卡车提供新的应用可能。

4 以太网摄像镜头应用

汽车市场目前的趋势是在车上装载更多的摄像镜头，因为安全相关的影像应用已经逐渐成为现今汽车的标准，依谘询公司TSR预估，集成CMOS传感器汽车摄像镜头的车辆比例已经由2008年的20%大幅度提高到2013超过70%。

车载电子视觉系统的开发对于汽车市场是一个逐渐发展的领域，特别是对驾驶和其它道路使用者，包括弱势道路使用者如行人安全要求的提升上，汽车摄像系统在设计上可以显示汽车周围区域，通常会涵盖汽车的盲点。

主要汽车市场如欧洲、日本和北美目前已经开始进入立法以协助避免对弱势道路使用者的伤害，并特别强调视觉系统的使用，这个趋势目前也快速推动ADAS系统的采用，请参考图4，先前只在高端车辆中使用，这些新的安全系统会在生产成本大幅度降低后快速被加入较低端汽车上。

图4：ADAS系统物体检测。

产业预估，2017年车辆不仅可以在没有ADAS下达到目标五星级新车评价规程(NCAP, New Car Assessment Program)，因此，领先汽车制造商必须在其时加入至少一个ADAS系统作为标准配备，随着ADAS系统的大幅度成长，如图5，将创造能够连接车内所有摄像镜头、电子控制单元(ECU, Electronic Control Unit)和人机界面(HMI, Human Machine Interface)高效率技术的市场需求。

图5：车载视频系统的增幅预估。(来源：IMS、Strategy Analytics (SA)、Gartner、ABI Research div、半导体厂商)

作为例子，汽车通常最少会有5个盲区需要数个视觉摄像镜头提供区域安全扫描，如图6，包括左方驾驶座的5个盲区可由图中看出，盲区的大小则由车辆的设计和镜子的视角决定。

图6：大多数汽车的5个典型盲区。(来源：ISVCS 2008 July 22 - 24, 2008，爱尔兰都柏林)

部分汽车制造商已经推出或计划推出360度影像系统，采用最少4个摄像镜头提供车辆周围的整合影像，如图7。

图7：360度影像系统示例。

5 互连替代方案

汽车摄像镜头目前并没有单一标准接口，专用串行链路是目前最常见的摄像镜头接口。

摄像镜头和影像处理单元(IPU, Image Processing Unit)或显示屏间的接口决定了同一系统内不同摄像镜头互连的方式，例如LVDS就是一个仅允许镜头和IPU或显示屏点对点连接的接口。

如果系统由多个摄像镜头和一个影像处理单元组成，那幺只可以使用每个镜头与中央单元间直接连接的拓墣，当汽车具有多个ADAS并且每个ADAS都由数个互连摄像镜头组成时，那幺直接连接的方式就会造成无法接受的接线长度以及连接器和接口数量。

如果使用以太网作为摄像镜头接口取代LVDS专用链路，那幺就可简化网络，虽然使用如LVDS一样的点对点接口，以太网采用封包交换方式，可以在不需重新配置系统软件和硬件的条件下任意扩展或缩减，网络拓朴更为简化，图8为以太网较为简化布局与LVDS的比较。

图8：以太网和LVDS在连接4个摄像镜头到影像处理单元(IPU)时的比较。

专用直接连线可以带来可预测数据到达时间的好处，因为在连线上并没有封包交换，因此不会有非预期的延迟，以太网可以通过在上层使用如影音桥接(AVB, Audio Video Bridging)等协议达到相同的预测性，不过这需要更复杂的计算。

总的来说，在直接连线、简单连接和基于以太网连接间会有取舍，对于简单的单一摄像镜头系统，直接连线是最好的选择，然而当使用复杂的ADAS系统时，以太网接口和拓墣就成为最适合的技术。

5.1 POF作为物理层

在ADAS系统中连接摄像镜头和影像处理单元或显示屏的物理层可以使用KDPOF的1Gbps POF技术搭配Avago的光收发器，如图9，由Yazaki公司实现于小尺寸连接器系统中，如图10。

图9：Avago的光收发器对。

图10：Yazaki公司的小尺寸连接器系统。

KDPOF专用标准产品(ASSP, Application Specific Standard Product)可以直接连接专用数据链路如DVP或通过原生以太网连接端口如RGMII或SGMII进行介接，这代表不管是LVDS型式或基于以太网的ADAS系统都可以简单地以KDPOF产品架构完成。

5.2 POF相较于铜电缆系统的优势

图11显示了一个ADAS应用中KDPOF千兆位POF技术的实际范例，图中显示的原型机由2个通过POF连接到IPU的摄像镜头以立体模式组成，显示屏显示经过形状识别和深度计算的影像，作为如碰撞警告，行人检测或智能定速控制等驾驶支持的功能输入，摄像镜头以1280 x 800像素大小进行30fps帧采样，取得的二进串流为960Mbps。

图11：采用立体配置连接的2个车用摄像镜头，接口通过POF送出1Gbps数据到IPU。

摄像镜头的起始配置可由两个方式完成，第一个选择为基于双工POF，使用一条光纤作为上行链路，另一条作为下行链路，第二个选择则使用单工POF将影像数据传送到IPU，使用并行简化且低成本的LIN型铜电缆对作为送出启动配置到摄像镜头的通道，这个并行通道同时也可以用来远程提供摄像镜头电源，节省额外的电缆对，图12描述了这两种选择。

图12：以太网POF摄像镜头控制的不同作法。

结论

随着信息娱乐网路和ADAS系统日益增长的需求，转移到新骨干拓朴的趋势也越来越明显，以太网的优势，加上使用KDPOF 1Gbps塑料光纤ASSP、Avago光收发器和Yazaki公司小尺寸光连接器的组合，提供了一个可以满足汽车网络不断变化需求的高扩展性和灵活性解决方案。