【導讀】如今，以太網(wǎng)已能夠正式進(jìn)入諸如CAN、LIN、FlexRay和MOST這樣的汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )行列。簡(jiǎn)易性和經(jīng)過(guò)現場(chǎng)驗證的開(kāi)放標準，大大降低了以太網(wǎng)在每一種應用情況下的擁有成本，這也是以太網(wǎng)最近深受工廠(chǎng)和家庭技術(shù)用戶(hù)青睞的部分原因。在眾多以太網(wǎng)供應商的支持下，龐大的辦公市場(chǎng)和急劇膨脹的消費市場(chǎng)使以太網(wǎng)的定價(jià)水平能夠遠低于任何“定制”協(xié)議的定價(jià)。
汽車(chē)以太網(wǎng)的最初應用通常包括車(chē)載診斷系統(OBD)，它大大縮短了軟件的下載時(shí)間。似乎有一種普遍的共識：OBD將轉向基于IP的接口(即以太網(wǎng)的物理層)，而非速度較慢的傳統CAN。展望未來(lái)，“實(shí)時(shí)”以太網(wǎng)AVB(音頻視頻橋接)將能夠提供高性能的資訊娛樂(lè )網(wǎng)絡(luò )解決方案，但是其所面臨的挑戰，不僅僅是單純的技術(shù)問(wèn)題。即使當汽車(chē)停在服務(wù)站(即并未行駛)時(shí)，OBD應用同樣可以正常運行。當汽車(chē)行駛時(shí)，汽車(chē)制造商需要更加嚴格的EMI要求。以太網(wǎng)從未針對此類(lèi)應用進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設計。那么，這項技術(shù)是否能夠應對挑戰?
耐熱和 EMC 性能
工業(yè)控制市場(chǎng)已經(jīng)證明，以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )能夠在極端條件下實(shí)現強勁的性能。大部分此類(lèi)應用通常會(huì )面對較大的溫度變化范圍、劇烈震動(dòng)、高EMC輻射以及灰塵或潮濕環(huán)境。以太網(wǎng)設備采用低功耗和封裝設計，固此在將發(fā)動(dòng)機環(huán)境溫度升高到+85°C(正常溫度)以上時(shí)，不會(huì )出現散熱問(wèn)題。例如，麥瑞半導體的 KSZ8041NL AM單端口快速以太網(wǎng)PHY解決方案(符合AECQ-100 標準)，在耐熱增強的5mmx5mm MLF? 封裝內，僅消耗175mW。KSZ8041NL 系列還提供軍用規格變體，支持高達125°C的環(huán)境溫度。
由于工業(yè)和汽車(chē)市場(chǎng)的需求，許多新一代以太網(wǎng)設備都具備顯著(zhù)改善的ESD(靜電放電)性能。這是一個(gè)重大的觀(guān)念轉變，以前的辦公應用并不十分重視 ESD 額定值。例如，麥瑞半導體KSZ8041 PHY和KSZ8851控制器系列的HBM(人體模型)ESD 額定值都大于 6KV。評估板也顯示能夠提供大于9kV的接觸ESD和大于16.5kV的空氣ESD 額定值，而不需要任何外部過(guò)電壓保護設備。這超越了一般汽車(chē)廠(chǎng)商的電磁兼容性(EMC)要求，例如由寶馬集團標準GS 95002的要求。
電磁輻射
目前行業(yè)對電磁干擾(EMI)性能的嚴格要求，是所有汽車(chē)電氣設備都要面臨的其中一項最嚴峻挑戰。隨著(zhù)數據速度的增長(cháng)，信號傳輸速度也越來(lái)越快，這會(huì )導致更高的能量排放。行業(yè)面臨的第一個(gè)挑戰是要設定以太網(wǎng)技術(shù)的排放限值和所需帶寬。
就視頻和相機成像傳輸來(lái)說(shuō)，有關(guān)100Mbps快速以太網(wǎng)是否真正夠用，或是否需要推進(jìn)千兆以太網(wǎng)數據傳輸速度，仍然存有爭議。這種選擇很可能取決于相機應用程序是否支持視頻壓縮。
圖1顯示以太網(wǎng)電路板的典型輻射特性，使用的是麥瑞半導體的KSZ9021千兆PHY。毫不奇怪，峰輻射位于參考時(shí)鐘的125Mbps諧波位置，超過(guò)了典型的OEM限值(此處以FlexRay為例)。
為保持一致性，如今在汽車(chē)運行時(shí)，以太網(wǎng)可以使用雙絞線(xiàn)、同軸電纜或塑料光纖(POF)作為屏蔽電纜。標準以太網(wǎng)RJ45連接器和CAT5電纜具備非常強勁的性能，廣泛應用在多個(gè)領(lǐng)域中(包含工業(yè)領(lǐng)域)。
但是，汽車(chē)應用中可能仍會(huì )采用(至少在最初階段)現有的供應商特定連接器和接線(xiàn)器。以后將逐漸傾向于采用如ISO 13400中規定的標準化IP診斷接口。以太網(wǎng)PHY(收發(fā)器)可靈活使用此類(lèi)連接器和線(xiàn)纜，而不會(huì )使性能顯著(zhù)降低。下表1列出了CAT5電纜的典型特性。
標準CAN電纜具有與非屏蔽雙絞線(xiàn)CAT5電纜相似的特性。測試已證明了通過(guò)100m以上CAN電纜實(shí)現以太網(wǎng)長(cháng)期無(wú)差錯傳輸的可行性。這兩種電纜之間的主要區別是，CAN電纜僅部分指定，并且不提供受控的阻抗或絞紐率。這樣就無(wú)法保證EMC性能和信號完整性，所以CAN電纜一般不適用于高速數據傳輸。CAN電纜目前用于以太網(wǎng)車(chē)載診斷系統(OBD)和閃存更新。這些線(xiàn)纜在正常行駛中可能會(huì )被禁用，只有在維修店或生產(chǎn)工廠(chǎng)中才能被激活。
用于高速數據傳輸(例如汽車(chē)應用中的LVDS、USB和以太網(wǎng))的電纜示例包括“Leoni 電纜”。“Leoni 電纜”使用受控的100ohm阻抗進(jìn)行屏蔽，可勝任高達1Gbps的數據傳輸，性能指標類(lèi)似于CAT6，而非 CAT5。它實(shí)際并非雙絞線(xiàn)，而是一種名為Stern-Vierer(譯作星絞四線(xiàn))的四絞線(xiàn)。
第一款具有受控阻抗的汽車(chē)非屏蔽電纜是Kroschu 的FlexRay電纜，它能夠實(shí)現優(yōu)于CAN的EMC性能和信號完整性。雖然存在雙絞線(xiàn)對和Stern-Vierer等電纜類(lèi)型，標準的FlexRay電纜是指單獨一個(gè)雙絞線(xiàn)。CAT5提供四線(xiàn)雙絞線(xiàn)，其中的所有雙絞線(xiàn)都將用于千兆網(wǎng)絡(luò )，而100Mbps快速以太網(wǎng)則只需使用其中兩對。
為了提高可靠性，麥瑞半導體LinkMD等電纜診斷技術(shù)，提供了超越以太網(wǎng)定義標準的解決方案，以解決此類(lèi)問(wèn)題。LinkMD電纜診斷技術(shù)利用時(shí)域反射計(TDR)分析雙絞線(xiàn)電纜的常見(jiàn)問(wèn)題，例如開(kāi)路、短路和阻抗不匹配。
塑料光纖(POF)是傳統CAT5銅線(xiàn)電纜的一種替代選擇。這種物理介質(zhì)部署在MOST網(wǎng)絡(luò )中，早已為汽車(chē)制造商所熟知。來(lái)自MOST(包括新的MOST- 150)的相同1mm LED POF技術(shù)也可用于100米范圍的 100Mbps快速以太網(wǎng)傳輸。POF性能強大、質(zhì)量輕巧，并且像其他光纖一樣，完全不會(huì )產(chǎn)生電磁噪音(因沒(méi)有散發(fā)輻射)。
然而，使用屏蔽電纜或POF的缺點(diǎn)在于成本高昂。目前，研究工作仍在繼續開(kāi)展；我們期待著(zhù)開(kāi)發(fā)出使用非屏蔽電纜實(shí)現輻射水平要求(至少滿(mǎn)足快速以太網(wǎng))的方法。有些提議的方法需要使用其他調制技術(shù)，這樣會(huì )產(chǎn)生專(zhuān)有的不一致“以太網(wǎng)”。這并不符合以太網(wǎng)的獨特魅力和成功精髓：通過(guò)現場(chǎng)驗證、可互操作的開(kāi)放標準，以及低廉的成本。此類(lèi)方法不僅要實(shí)現開(kāi)放性和自由訪(fǎng)問(wèn)的要求，還涉及數量眾多的芯片供應商。這些方法能否順利成功，還有待觀(guān)察。
理想的解決方案需要能夠增強標準以太網(wǎng)PHY設備的性能以減少EMI輻射。這些改進(jìn)結合其他電路板和設備技術(shù)，為成功提供了現實(shí)機會(huì )，特別是快速以太網(wǎng)的成功。
