2020年10月09日 | A2B和以太网在汽车中的应用前景

翻译自——eenewseurope

近年来，随着信息娱乐技术和ADAS的广泛采用，加上多种不同用途的传感器的应用，这让汽车电子系统的数量和复杂性达到了更高的水平。这将导致更多的数据在车辆中快速移动。因此，汽车制造商和电子产品开发商必须了解新的网络技术。

这里就要讲到高带宽和低带宽技术。通常，传感器需要一个低带宽。汽车中最常用的加速度计的输出数据率(ODR)为几kHz。当涉及到信息娱乐时，音频和视频数据需要在几Mbps范围内的数据速率。

然而，真正提高标准的是用于停车辅助的高清多摄像头系统、360度视觉系统(也被称为鸟瞰或环绕视图监控系统)、雷达(RF微波)和激光雷达(光学)的采用，以增强先进的ADAS。这些系统的共存是自主汽车发展的关键因素，但对任何通信总线来说都是一个巨大的挑战。

在自动驾驶中用在传统巴士上的技术：

本地互连网络(LIN):高达20kbps的速度，主要用于成本低且速度/带宽比不重要的子系统。

控制器区域网络(CAN): 一种开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。传输速率高达1mbps，主要用于ECU与启动/停止系统、停车辅助系统和电动停车刹车系统中的传感器之间的通信。

FlexRay:比CAN更快(高达10mbps)，但更贵。它最初被用于线控x(线控驱动、线控转向)系统，并被设想为适应多种网络拓扑。

面向媒体的系统传输(MOST):最大速度150mbps，用来传输音频、视频、声音和数据信号。它定义了ISO/OSI模型从物理层到应用层的所有七个层。这是一个专有的解决方案。

但我们还要考虑另一个因素。

随着网络技术的发展，许多非常复杂和昂贵的电缆等不同的总线被用于不同的子系统。尺寸和重量是汽车应用的新挑战，因为满足新环境法规意味着开发新系统，例如，减少二氧化碳排放。在这种情况下，对于需要高带宽、低延迟、确定性、稳定和廉价的通信总线，不那么容易。

此图表示了汽车内部传统音频系统的实际电缆

汽车音频总线(A2B)

汽车音频系统的电缆在总电缆重量中占了很大比重，这是因为模拟线路要求从音频源到端（扬声器）都采用价格高昂的屏蔽电缆。此外，主动降噪(ANC)和路噪消减(RNC)系统需要在车内安装多个麦克风，这为音频网络增加了许多输入节点。 

汽车音频总线(A2B)是一种创新技术，从模拟设备，允许实现与一个单一的主连接到多达10奴隶菊花链的联机拓扑。以50 Mbps的速度，A2B是优化的音频应用。通过使用未屏蔽的双绞线(UTP)，连接大大简化，线束的总重量减少了75%。节点间距离可达15米，网络最大长度为40米。同样的UTP提供电源(幻影电源配置)，最高可达300ma，是数字麦克风的理想选择。

汽车音频总线（A2B）是ADI推出的一项创新技术，支持串联拓扑，即单个主机最多连接10个菊花链形式的从机。A2B针对音频应用进行优化，速度为50Mbps。通过使用非屏蔽双绞线(UTP)，大幅简化连接，线束的总重量减少高达75%。节点之间的距离可达15米，最大网络长度为40米。同样的UTP传输电源（幻象供电）最高可达300mA，非常适合数字麦克风。

若在主节点提供的供电功率分配不足时，可以由本地电源为从机节点供电。总线支持双向通信，主机至从机、从机至主机，最多可32个通道下行和上行（12、16、24位）。最重要的是，可以保证延时最多2个时钟周期，为ANC/RNC这样的延时敏感型应用提供确定性。A2B总线可以传输I2C消息，支持在从机节点上远距离配置ADC/DAC等外设。

简化A2B网络配置的工具是SigmaStudio，这是一种图形化设计环境，支持SigmaDSP和SHARC DSP等系列。A2B收发器（AD2428，AD2427，and AD2426）提供I2S和PDM接口。I2S接口通常用于连接ADC和DAC，数字麦克风则通常使用PDM。

汽车应用的一个重要问题是电磁兼容性（EMC/EMI）。A2B通过了最严格的汽车EMC和EMI测试（仅使用双线UTP电缆）。RNC应用要求加速度计和麦克风分布在汽车内部周围。使用模拟链路的成本非常高昂，因为需要额外部署电路（模数转换器）、电缆和连接器。A2B技术采用新型音频源和传感器，简化了这个架构。

图2：被A2B技术简化过的车内音频系统线缆

车载以太网

以太网是非常流行的网络技术，拥有庞大的生态系统。然而，到目前为止，它在汽车领域的应用非常有限，仅限于诊断、车载信息娱乐系统和高带宽传感器连接等。

虽然在雷达和激光雷达等新技术不断涌现且对带宽产生巨大需求时，以太网可能能够满足这些带宽需求，但仍有几个方面限制了它在汽车上的应用。用于100-Base-TX的传统以太网电缆都是基于两个差分线对，通过变压器进行隔离，对于汽车应用而言太过昂贵。此外，5类电缆不能满足汽车EMI标准，因此，100-Base-TX以太网除了进行诊断和固件更新，并不能用于车内通信。

对于车对车(V2V)或车对万物(V2X)通信，车内数据传输必须支持同步、流量控制和固定延迟。以太网无法提供这类支持，除非采用新协议栈。

我们先考虑一下物理层。为了满足关于重量、EMI和成本的要求，电气与电子工程师协会(IEEE)制定了一项新标准，即802.3bw，也被称为100-Base-T1。IEEE802.3bw是基于双向UTP电缆的100Mbps标准，满足严格的汽车电磁辐射标准。它利用叠加、特定编码和加扰等原理降低EMI。

使用非屏蔽双线电缆代替传统的5类电缆时，成本和重量都更低。以太网供电(PoE)等技术在传输数据的同时供电，共用相同的电缆。但是，PoE提供电源至少要用到两个线对，与减少电缆数量的要求背道而驰。

所以IEEE制定出802.3bu标准，也被称为数据线供电(PoDL)。PoDL可以通过一个线对提供电源，这从一定程度上增加了收发器原理图的复杂性。

图3：基本的PoDL架构：通过同样的差分通道传输数据和提供电源

如前所述，为了支持汽车应用，以太网需要额外的软件技术来支持时间确定性。这可以通过音频视频桥接协议(AVB)来实现，AVB协议由IEEE 802.1开发，该组织负责ISO/OSI模型的第二层。

AVB是一种提供时间同步和流量控制的软件技术。利用这些基本概念，以太网可以可靠地提供音频和视频内容。在AVB的推动下，IEEE定义了一系列协议，即时间敏感网络(TSN)，它们主要关注工业和汽车市场，提供支持实时支持的以太网。

综上所述，IEEE 802.3bw加上TSN可以取代传统总线，成为合适的车内确定性通信解决方案。此外，100-Base-T1正在演变成新的1000-Base-T1标准，速度可以达到1Gbps。但是，这样的系统相当复杂，而且这些技术还不够成熟，不适合在汽车市场中广泛部署。

  可能的场景 车载市场已开始采用A2B来进行音频传输。涉及从不同总线子系统/节点传输数据的需求下，以太网还远远没有达到批量实施的水平。  

图4：多域架构

A2B技术对简化ANC、免提系统、电动汽车(EV)警示音系统、紧急呼叫(eCall)系统等应用都大有裨益。此外，未来可能能够直接将数字传感器提供的信息传输至A2B，以进一步简化RNC系统的架构。 自动驾驶推动着总线性能不断提高，未来有望实现千兆网络连接。那么，在接下来的几年里，会出现什么样的场景？

A2B是一种易于实现的技术，通过同一对UTP电缆传输电能和数据，并对延时提供确定性支持。采用现有的100-Base-T1（未来是1000-Base-T1）技术的以太网将会是一种融合技术，可以聚合多条数据总线，但增加供电(PoDL)和软件确定性(TSN)的复杂度会提高。

很可能，基于A2B的音频传输和传感器混合解决方案，以及依靠高速Gb以太网连接激光雷达和雷达等主干网络，能够满足汽车行业大部分的中期需求。