引言
1915 年，福特汽車公司首次推出了汽車中的電子元件，當時福特汽車公司向其 T 型汽車引入了電燈和電喇叭。從那時起，汽車對電氣和電子系統的依賴一直在穩步增加。初始系統往往是本地且獨立的 – 控制直接連接到電池的前照燈的開關，或控制單個揚聲器的繼電器。
隨著架構的演變，汽車內各種子系統進行通信的機制也在不斷演變。例如，當汽車檢測到車外環境光線減弱時，它可能會自動啟用前照燈，但這并不是全部。它可能會調整所有顯示屏的亮度水平，調整所有攝像頭的白平衡，增加與前方車輛保持的距離，并更加強調制動模塊，從而打造更安全的駕駛體驗。
隨著自動駕駛汽車的不斷發展，通信的安全性和實時性也變得越來越重要。這一挑戰只因傳輸和接收的數據數量不再是數百千位/秒，而是幾十千兆位/秒。
本文介紹了四種汽車通信協議：以太網、FPD-Link? 技術（專有汽車串行器/解串器 （SerDes） 協議）、CAN 總線和PCIe 總線，突出了每種技術的核心細微差別，并提供了這些技術支持現代汽車駕駛員輔助系統 （ADAS） 架構的示例和功能，如圖 1 所示。
圖 1. 汽車中突出顯示的通信協議技術。
以太網
以太網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議。一些車輛使用以太網來傳輸各種高速數據；雷達和激光雷達模塊等汽車應用使用單線對以太網技術。單線對以太網使用以太網標準，但數據通過單根雙絞線進行傳輸，從而降低了車輛中的電纜重量和成本。
以太網是一種封包化系統，在該系統中，網絡各部分節點之間的數據包會傳輸信息。與 CAN 總線一樣，以太網是雙向的，并且任何單獨鏈路上的速度都隨著系統上的節點數量的增加而降低。對于單線對以太網，任何單獨鏈路上的速度都限制為一個特定的速度（10Mbps、100Mbps、1Gbps），并且鏈路上不會發生動態速度變化。不過，單線對以太網可以通過鏈路傳輸數據，速度比 CAN 總線快1,000 倍。改為單線對以太網將優化 CAN 總線上的數據傳輸速度，但由于以太網每個節點的成本較高，因此它可能不會取代（而是增加）CAN 總線。
如今，有些汽車使用單線對以太網來滿足備用攝像頭和雷達等數據密集型要求。例如，德州儀器 （TI） 的DP83TC812S-Q1 和 DP83TG720S-Q1 是單線對以太網物理層 （PHY），根據汽車電子委員會-Q100 1 級和 2 級進行篩選，并包含環回測試模式，有助于實現符合電氣電子工程師協會 （IEEE） 802.3bw 和 802.3bp 汽車標準的系統診斷。要通過以太網傳輸視頻，即使只有一個視頻通道被傳輸，視頻也必須在源端進行壓縮，然后在目標端進行解壓縮，避免超過以太網帶寬限制，這與 FPD-Link? 技術不同，該技術允許傳輸未壓縮的視頻數據。對于備用攝像頭等應用，攝像頭中需要有一個相對較高的功率處理器來充分壓縮圖像，使其進入以太網網絡。
反過來，對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缺點是視頻壓縮和解壓縮會增加鏈路的延遲。如果多個攝像頭或其他視頻源共享同一個以太網網絡，則需要在壓縮量（和相應的視頻質量）與支持的視頻通道數量之間進行權衡。通過在汽車內以分層配置設置多個網絡，可以減輕這種限制。可能有一個網絡只處理發動機控制和診斷，另一個網絡處理后座娛樂系統和音頻系統，還有一個網絡處理駕駛員輔助功能，例如視覺增強攝像頭。最后，單線對以太網提供比CAN 總線更高的容量來傳輸雷達和激光雷達等數據，但代價是復雜性更高，但仍然難以處理視頻等高帶寬應用。
FPD-Link 技術
FPD-Link 是專有的汽車串行器/解串器技術，專為實時無壓縮傳輸高帶寬數據而開發。具體而言，FPD-Link 是為在車內傳輸視頻數據而開發的，從而在駕駛輔助應用中增強了數據分析和處理能力。例如，它可用于向顯示屏發送未壓縮的視頻，而反向通道可將來自外置攝像頭的信息發送到處理器，該處理器使用圖像處理和算法將命令信號發送回汽車或駕駛員，例如用于自動制動。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，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。在該應用中使用 FPD-Link 的主要優勢是，攝像頭和顯示屏都可以是更簡單的電路，因為不需要壓縮和解壓縮。
此外，由于鏈路是專用的，因此一個視頻系統的圖像質量與車輛中的其他元素無關。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 1Mbps的速率控制 GPIO 線路。可以使用反向通道配置攝像頭、操作變焦鏡頭或將觸摸屏信息發送回控制器，而不會中斷正向通道上的視頻流。對于自主駕駛車輛，另一個重要因素是鏈路延遲量。壓縮和解壓縮圖像所需的處理會增加此延遲。對于后座娛樂系統等應用，從 DVD 讀取數據與其在屏幕上顯示數據之間的延遲并不重要。但是，如果傳輸的圖像來自在車輛路徑中尋找行人的攝像頭，則延遲可能會帶來災難性的后果。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，并有助于降低整個系統
設計的復雜性。
圖 2 展示了一個連接到兩個不同攝像頭的 OMAP? 視頻處理器和一個帶有一根連接到每個外設的雙絞線電纜的顯示屏。此雙絞線電纜支持攝像頭視頻數據和觸摸屏或攝像頭設置數據。電纜還可以為顯示器或攝像頭供電。由于每個鏈路都專用于一個外設，因此消除了兩個攝像頭信號之間的干擾風險，從而提高了處理和分析的數據完整性，使ADAS 功能更可靠、更準確。從多個攝像頭傳輸數據的能力對自動泊車等環視應用尤其有利，在這些應用中，車輛周圍的 360 度全景可為駕駛員提供關鍵信息，從而實現更安全的駕駛體驗。觀看什么是 FPD-Link？，了解有關FPD-Link 基礎的更多信息。
圖 2. 具有 FPD-Link 的多攝像頭系統。
CAN 總線
CAN 通信自 Robert Bosch GmbH 于 20 世紀 80 年代開發以來，已有了很大的發展。多點網絡協議顯著減少了車輛中所需的電纜布線，同時還實現了仲裁通信系統，該系統可將總線訪問權限授予總線上的最高優先級節點。CAN 協議和物理層最初是在二十世紀九十年代初標準化的，數據速率高達 1Mbps。如今，CAN 通信已發展到高達10Mbps 的速度，彌補了 20 世紀 90 年代經典 CAN 與10Base-T 等低速汽車以太網之間的差距。
CAN 是一個多命令器串行總線；換句話說，當單個節點可以讀取和寫入 CAN 總線時，沒有單個命令器節點進行控制。每個報文幀都包含一個標識符，用于確定 CAN 報文的優先級。如果多個節點嘗試同時發送到 CAN 總線，則具有最高優先級（或最低仲裁 ID）的節點將控制總線。CAN 通信在惡劣環境中是可靠的，它允許 ECU 僅與一對電線進行通信。
最初在 20 世紀 80 年代開發 CAN 時，車輛中的 ECU 數量相對較少。如今，乘用車可以包含 100 多個 ECU，控制功能包括基本動力轉向和豪華功能，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更高級安全功能的需求，CAN 通信也在不斷發展。
表 1 列出了有關 CAN 通信網絡的更多信息，包括 CAN FD 燈、CAN 信號改善功能 （SIC） 和 CAN 超長 （XL） 等新標準。閱讀控制器局域網 （CAN） 簡介，了解更多有關 CAN 的信息。
表 1. CAN 的演變。
PCIe 技術
PCIe 是雙向高速串行總線的通信標準，滿足高帶寬、超低延遲性能要求。PCIe 在工業應用中更為常用，隨著制造商開始重新思考數據主干架構，從而支持高帶寬和低延遲系統處理需要實時處理的傳感器數據和用戶信息呈指數級增長的情況，PCIe 現已在汽車應用中興起。
為了解決這一難題，集中式計算節點支持多種不同類型的域（ADAS、信息娛樂、動力總成）。這種集中式計算盒通常包含許多支持汽車不同功能的模塊，使汽車制造商可以現代 ADAS 架構通信協議 4 January 2023靈活地上下擴展和定制汽車功能，而無需重新設計整個域控制器。由于 PCIe 支持一個根復合體或中央處理單元（CPU） 連接到多個端點或接收器，因此采用 PCIe 進行集中式模塊化設計可顯著降低汽車所需的整體 ECU 和電纜數量。
當汽車行業開始在整個數據主干中要求協處理和冗余時，PCIe 變得越來越有吸引力，因為許多 CPU 內置有原生PCIe 接口，并且不需要在背板上進行額外的接口轉換。PCIe 有一個擁有開放軟件資源的巨大生態系統，并且憑借可擴展性非常強的帶寬，它的帶寬連續一代增加了一倍。因此，PCIe 協議可能會跟上汽車數據處理指數增長所需的帶寬。
在設計高速數據信號路徑時，信號衰減會成為一項巨大的挑戰。可能需要轉接驅動器或重定時器等信號調節器來恢復和補償印刷電路板材料、過孔、連接器或電纜上的插入損耗和噪聲。長期以來，轉接驅動器和重定時器在 PCIe生態系統中一直可靠，可提高通過 PCIe 協議傳輸數據時的整體信號完整性。表 2 列出了轉接驅動器和重定時器之間的差異。觀看視頻解決 PCIe 信號完整性難題，詳細了解構成 PCIe 信號路徑的元件。
表 2. PCIe 轉接驅動器和重定時器的比較。
結論
哪種接口更適合汽車通信？它們都適合，但每個都有自身的用途。當帶寬要求上升時，例如雷達和 LIDAR 數據傳輸，以太網支持必要的帶寬需求。當需要超高帶寬和超低延遲的鏈路時，例如對于為自動駕駛車輛提供輸入的環視攝像頭系統，FPD-Link 就可以應對這一挑戰。CAN 總線繼續為低速度控制應用提供 ADAS 支持，對于此類應用，成本是驅動因素，例如數據優先級劃分、安全氣囊部署等。PCIe 可滿足移動不斷增加的需要實時處理的傳感器數據和用戶信息的需求。這四種關鍵的汽車通信協議共同構建了集成的互聯車輛，可實時支持駕駛員安全并滿足ADAS 架構不斷增長的要求。請訪問傳感器融合，詳細了解我們先進的通信技術如何提高安全關鍵型駕駛輔助應用的可靠性。
參考文獻
1. 什么是 FPD-Link？
2. 德州儀器 （TI）：控制器局域網 （CAN） 簡介
3. 解決 PCIe 信號完整性難題
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