Перспективы развития высокоскоростных соединений между датчиками и бортовыми дисплеями автомобиля

Раньше автомобиль был просто средством передвижения из пункта А в пункт Б. Сейчас мы можем с уверенностью сказать, что это не относится к современным машинам и уж точно – к автомобилям завтрашнего дня. Практически каждый новый автомобиль на рынке оснащён камерой заднего вида, системой помощи при парковке и системой мониторинга слепых зон. Некоторые предлагают обзор на 360°. Другие функции обеспечивают обновления данных о дорожной обстановке в режиме реального времени, сотовую связь с потенциальными источниками опасности, другими участниками дорожного движения, транспортными средствами или пешеходами. Есть функции, которые могут определить, что водитель отвлекается или устал. А между тем люди в машине часто не задумываются о том, насколько сложное оборудование помогает им в вождении, и оценивают по достоинству лишь возможности информационно­развлекательных систем. Эти функции реализуются с помощью различных датчиков, камер и сетей.

По мере роста требований передовые системы помощи водителю (ADAS) нового поколения требуют применения камер и радаров всё более высокого разрешения. Это означает увеличение скорости передачи и пропускной способности сетей, коммутаторов и интерфейсов, по которым передаются данные. Инновации в автомобильной электронике стремительно ускоряются. Они, в частности, нацелены на то, чтобы обеспечить передачу данных для этих продвинутых функций со скоростью более 1 Гбит/с по существующим кабельным соединениям. Сети с более высокой пропускной способностью и меньшей задержкой будут играть решающую роль в решении проблем, связанных с реализацией будущих сложных, чувствительных ко времени автомобильных технологий.

Многие из этих требований могут быть удовлетворены автомобильным Ethernet со скоростью передачи до 10 Гбит/с. Если учесть, что некоторые камеры требуют до 3500 Мбит/с, мы должны рассмотреть и другую технологию для передачи этих данных. 

Требования к пропускной способности

Чтобы лучше понять требования к пропускной способности, запомните, что приблизительную скорость передачи видеопотока можно рассчитать по следующим формулам:

Таким образом, для камеры передовой системы помощи водителю (ADAS), снимающей изображение 1080p с глубиной цвета 24 бита и частотой кадров 30 кадров в секунду, поддерживаемая скорость передачи данных равна:

Размер кадра = 1920 × 1080 × 24 = 49 766 400 бит.

Скорость передачи данных равна 49 766 400 × 30 = 1493 Мбит/с.

В табл. 1 приведены типичные объёмы данных от различных датчиков, задействованных в беспилотном вождении. 

Отраслевые требования

Автомобильный рынок развивается под влиянием множества факторов, среди которых наиболее важными являются следующие:

Авторами установлена необходимость применения технологий, обеспечивающих повышение пропускной способности и снижение веса проводных соединений для достижения максимальной эффективности использования топлива (или батарей). Рост спроса на камеры заднего вида, датчики парктроников и систем помощи при смене полосы движения, не говоря уже об отображении приборной панели на ветровом стекле и навигаторах, а также любых дополнительных информационно­развлекательных системах, вызван развитием систем помощи водителю и технологий беспилотного вождения.

Кроме того, разработчикам сетей нужно понимать, каким образом будут масштабироваться системы автомобиля по мере развития технологий. Сегодня ожидается, что срок владения машиной составит 10–15 лет. В целях повышения экономической эффективности уже сегодня следует рассмотреть возможность проектирования сетевых решений, позволяющих увеличить пропускную способность для поддержки дополнительных ресурсоёмких функций помощи водителю и беспилотного вождения, которые клиенты захотят получить в течение срока службы автомобиля. И конечно, обеспечение безопасности – это ещё одна важнейшая задача при проектировании автомобиля. Поскольку всё больше функций помощи водителю и беспилотного вождения автоматизируется, очень большое внимание уделяется безопасности пассажиров. 

Зональная архитектура

Инженеры всегда пытаются уменьшить сложность конструкции, и это также относится к бортовым сетям.

На рис. 1 схематически показан автомобиль, в котором через объединительную плату передаются потоки данных с разными скоростями. Это грубое упрощение, но в рамках данного обсуждения оно помогает нам представить, как некоторые из этих технологий и стандартов работают вместе.

Зональная архитектура объединяет множество входов и, в конечном счёте, уменьшает сложность системы, стоимость и вес проводов, переходя от архитектуры «звезда» к архитектуре «шлейф» или «точка­точка». Это пример архитектуры на основе зон. Также существует архитектура на основе доменов. Обе архитектуры будут агрегировать данные с камер и датчиков, а Ethernet будет служить связующим звеном между каждой зоной или доменом. Поскольку центральный вычислительный комплекс связан с датчиками и устройствами через зональные сетевые шлюзы, зональный подход может обеспечить лучшую масштабируемость, а также повышенную надёжность и функциональность. 

Введение SerDes

В современных информационно­развлекательных системах автомобильные камеры и дисплеи обычно подключаются к электронному блоку управления (ЭБУ), обрабатывающему изображение, через соединение SerDes (последовательно­параллельный интерфейс). Сегодня они поставляются разными производителями, использующими закрытые проприетарные стандарты.

Для расширения зоны действия многофункциональных каналов интерфейс SerDes может потребовать перехода на более низкие скорости передачи и использования модуляции более высокого порядка (например, PAM­4). Кроме того, в качестве первичных соединений между зонами потребуются каналы Ethernet с более высокой пропускной способностью, возможно, с использованием 802.3ch со скоростью передачи до 10 Гбит/с.

Многие производители микросхем реализуют новые стандарты интерфейса SerDes, такие как MIPI A­PHY (спецификация физического уровня процессорного интерфейса переносных устройств, предназначенная для датчиков контроля окружающей обстановки систем помощи водителю и беспилотного вождения, а также дисплеев бортовых информационно­развлекательных систем) и Automotive SerDes Alliance (ASA). Это создаёт конкурентный рынок, который будет стремиться к снижению стоимости при обеспечении необходимых функций. Также существует желание иметь стандартизированные методы тестирования во всей экосистеме, которые устанавливают требования к функциональной совместимости. Испытателям и поставщикам контрольно­измерительных приборов это позволит унифицировать требования к производителям микросхем, комплектного оборудования и их поставщикам первого уровня. Единые требования к испытаниям позволяют производителям микросхем, комплектного оборудования и их поставщикам первого уровня ускорить цикл разработки, снизить затраты и улучшить совместимость с другими серийно выпускаемыми устройствами.

На рис. 2 показан пример применения автомобильных дисплеев. Иллюстрация взята из документации MIPI Alliance и сопровождается ссылкой на вновь выпущенный стандарт A­PHY [1].

Некоторые функции SerDes следующего поколения поддерживают будущую сервис­ориентированную архитектуру с туннелированием и адаптацией протоколов, что позволит новым стандартам SerDes пересылать данные устаревших автомобильных протоколов по шлейфовым соединениям к соответствующему ЭБУ или межсетевому мосту. Дублирование потоков обеспечивает критически важным для безопасности системам возможность резервирования на случай отказа основного канала связи. Соединение шлейфом позволит подключить несколько портов SerDes друг к другу, агрегируя данные на линии связи, прежде чем они поступят в ЭБУ. И наконец, функциональная безопасность достигается путем обеспечения сквозных механизмов защиты, соответствующих стандарту ISO 26262.

Эти функции востребованы в следующем поколении автомобилей, разработанных с системами помощи водителю и беспилотного вождения. Но существует ряд проблем, которые следует преодолеть, включая наличие различных кабелей и разъёмов MDI (интерфейс, зависящий от передающей среды), обеспечение безопасности сети и совместимость с продукцией других производителей, технические проблемы тестирования передатчиков с целью обеспечения линейности и измерения спектральной плотности мощности (PSD) в сетях PAM­N. Также важно проверить устойчивость приёмников к электромагнитным помехам для обеспечения работы в жёстких условиях на борту автомобиля. Это сложное измерение, которое включает в себя подачу заранее определённых, калиброванных уровней шума на вывод RX устройства SerDes и контроль его способности синхронизировать символы в пределах допустимой погрешности. 

Тестирование на физическом уровне

Функциональная совместимость – это реальная проблема. Приёмопередатчики – это чувствительные устройства, которые должны работать в чрезвычайно жёстких условиях на борту автомобиля, включающих в себя тепло, вибрации, электростатические разряды и электромагнитные помехи.

Keysight разделяет три области тестирования. Первая – это передача. Вы должны быть уверены в том, что отправили то, что нужно было отправить. Вторая – это возможность приёма, то есть то, насколько надёжно ваше устройство (шлюз, модуль, коммутатор или другой компонент физического уровня) принимает полезные сигналы. И наконец, это характеристики пассивного соединения между приёмопередатчиками, известного как сегмент линии связи. Проверка на физическом уровне охватывает все три эти области.

Конечная цель этого тестирования – обеспечение совместимости устройств разных производителей. В одном автомобиле может использоваться продукция более 100 поставщиков, для которых организации по сертификации создают соответствующие спецификации. Проверка оборудования по известным мировым стандартам позволяет оценить его способность обеспечить целостность данных и надёжность его функционирования. 

Тестирование передачи

В случае с передатчиком мы стремимся удостовериться в хороших характеристиках передаваемого сигнала. Поэтому мы используем прибор, действующий как приёмник – в данном случае осциллограф. Тестируемое устройство (ТУ) переключается в ряд известных состояний, а приёмник проверяет, остаётся ли сигнал в пределах допустимых значений.

На рис. 3 показано изображение с камеры заднего вида с горизонтальными полосами. Полосы соответствуют разрывам передачи, т.е. потерянным пакетам. Одна или две полосы ещё позволяют видеть изображение, но вам определённо не захочется, чтобы оно превратилось в сплошные чёрные полосы, когда в слепой зоне находится ребёнок.

Камера изготовлена одним производителем, кабель – другим. То же самое можно сказать о коммутаторе, передающем сигнал, центральном процессоре или ЭБУ, обрабатывающим данные, и затем о тормозах, которые в конечном итоге должны остановить автомобиль. Все они выпускаются разными производителями, но должны исправно работать вместе, что подчёркивает важность совместимости различных компонентов между собой.

Кроме того, требуемая скорость передачи данных возрастает в 100…1000 раз по сравнению с пропускной способностью шины CAN, а для обработки высокоскоростных сигналов требуются более сложные решения. Схемы модуляции становятся всё более сложными. Прежние стандарты, такие как CAN, использовали NRZ или PAM­2, в то время как для автомобильных интерфейсов Ethernet и SerDes используются уже PAM­3 и PAM­4. Таким образом, при тестировании передачи данных необходимо проверять их целостность, что требует:

В итоге нам нужно убедиться, что передача данных не вызывает паразитных излучений, отражений или затуханий, а также не создаёт помех для других схем. Если устройство не пройдёт хотя бы один из этих тестов, то это приведет к символьным или пакетным ошибкам, потерянным кадрам в приёмнике, то есть полосам на экране, как проиллюстрировано выше. 

Тестирование канала

Кабель, разъём, оснастка и жгут, соединяющий эти устройства, представляют собой канал или сегмент линии связи.

Для оценки влияния канала на сигнал и проверки целостности сигнала между передатчиком и приёмником можно воспользоваться векторным анализатором цепей. Учитывая длину кабеля, используемого в жёстких условиях автомобиля, очень важно рассмотреть зависимость импеданса от частоты, чтобы предсказать, как канал будет работать в автомобиле. Сегмент линии связи состоит из кабеля со штатными разъёмами и ответными разъёмами устройств на обоих концах. Различные кабели, отвечающие за передачу данных управления и полезной нагрузки, а также подачу питания постоянного тока на удалённые датчики, объединяются в жгут. Измерение характеристик для канала SerDes включает в себя анализ во временно¢й и частотной областях. Для этого необходимо изучить кабельную систему, MDI, а также требования к оснастке и схеме измерений.

Сам разъём MDI не является стандартизированным, но существуют некоторые жёсткие спецификации, позволяющие свести к минимуму взаимодействие между MDI и кабелем. На рис. 4 показан пример соединителя H­MTD, который используется в многогигабитных сетях автомобильного Ethernet, а также в линиях новых стандартов SerDes.

Тестирование канала нацелено на обнаружение таких ошибок, как:

Тестирование приемника

Приёмники выполняют первичную обработку данных, переданных по каналу связи, а затем пересылают их для дальнейшей обработки в ЭБУ или устройство отображения. Битовые ошибки в приёмнике приводят к потере или повреждению данных, поступающих от критически важных датчиков, таких как камеры, радары и лидары.

Обеспечение правильного функционирования приёмника становится всё более трудным для сложных типов модуляции, таких как PAM­4, особенно при передаче по длинным линиям, подверженным одновременному воздействию многих источников шума. Чтобы охарактеризовать возможности приёмника, необходимо измерить уровни ошибок в присутствии многочисленных источников шума, включая:

Схема измерений может включать источники шума, усилители и схемы связи, которые позволяют подавать точные уровни шума в активный канал интерфейса SerDes. Затем опрашиваются регистры качества сигнала ТУ, чтобы проверить, может ли приёмник правильно интерпретировать символы в присутствии шума. При тестировании приёмника особое внимание уделяется предельным показателям, чтобы убедиться, что он всё ещё может поддерживать приемлемый коэффициент битовых ошибок (BER).

Прогноз на будущее

Будет больше камер, больше соединений и больше датчиков при лучшей точности, меньшем весе и повышенной надёжности. Несомненно, при этом возникнет потребность в бортовой автомобильной сети, которая способна беспрепятственно решать задачи быстрой передачи данных. Такие автомобильные сети должны тщательно тестироваться, поскольку они должны быть совместимыми и безопасными. 

Литература