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车载应用中的音频总线和以太网技术有何异同?

发布时间:2020-03-09 来源:ADI 责任编辑:wenwei

【导读】近年来,随着汽车采用新的信息娱乐技术和先进的驾驶员辅助系统(摄像头、雷达、激光雷达等),以及采用多种传感器测量不同数据(稳定性、速度、加速度等),汽车内部的电子系统数量增加,复杂性也达到了新高度。
 
我们可以用高带宽和低带宽类技术来简单分类。通常,传感器需要低带宽。汽车上最常用的加速度计的输出数据速率(ODR)只有几千赫兹。至于信息娱乐系统,普通音频和视频数据要求的速率一般为几Mbps以上。
 
然而,高清多摄像头系统的采用才真正令标准得到提高,这种系统适用于停车辅助系统、360°视觉系统(也称为鸟瞰系统或环视系统)、雷达(基于RF微波)和激光雷达(基于红外激光),能够帮助增强驾驶员辅助系统(ADAS)。这些系统能够共存是推动自动驾驶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。
 
汽车中使用的传统总线包括:
 
● 局域互连网络(LIN):速度最高20kbps,主要用于要求低成本、速度/带宽比不太重要的子系统中。
● 控制器局域网(CAN):传输速度最高1Mbps,比如用于在电子控制单元(ECU)和启停系统、驻车辅助系统和电子驻车制动器的传感器之间通信。
● FlexRay:速度比CAN快(最高10 Mbps),价格更高昂。最开始被用于线控(线控驾驶、线控转向)系统,能用于适配多种网络拓扑。
● 面向媒体的系统传输(MOST):速度最高150 Mbps,专用于传输音频、视频、语音和数据信号。定义ISO/OSI模型的全部7个层,从物理层直到应用层。是一个专有的解决方案。
 
随着网络技术不断发展,另一方面变得越加重要。许多不同子系统使用的各种总线都包含非常复杂(且昂贵)的电缆。对于汽车应用,尺寸和重量是新的挑战,因为要满足新的环境法规就意味着需要开发能够(例如)降低CO2排放量的新系统。在这种情况下,就不太容易满足高带宽、低延迟,确定性、耐用且便宜的通信总线的需求了。
 
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)和路噪降噪(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。图1非常详细地展示了传统汽车音频系统的实际布线。
 
http://www.physiqueorama.com/art/artinfo/id/80037808
图1. 传统的车内音频系统线缆。
 
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。
 
http://www.physiqueorama.com/art/artinfo/id/80037808
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。
 
http://www.physiqueorama.com/art/artinfo/id/80037808
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。
 
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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电缆传输电源和数据,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)的复杂性会提高。
 
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。

本文转载ADI.
 
 
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