本白皮書將檢視四種汽車通訊協定,以及各協定如何共存,以提升車輛安全與自主性。
1 乙太網路 | 乙太網路可透過整個車輛進行高速資料傳輸 |
2 FPD-Link 技術 | 平板顯示器 (FPD)-Link 可透過即時且未壓縮的資料,簡化攝影機輸入的資料。 |
3 CAN 匯流排 | 控制器區域網路 (CAN) 會優先處理來自各種電子控制單元 (ECU)的資料。 |
4 PCIe 技術 | 快捷外設互聯標準 (PCIe) 符合高頻寬、超低延遲的效能需求。 |
車輛電氣元件在 1915 年首次問世,當時由福特汽車在其 Model T 車輛上引進電氣照明與電氣喇叭。自此之後,汽車對電力與電子系統的依賴程度便持續增加。初始系統通常採用本機和獨立設計:由開關控制直接連接至電池的車頭燈,或是由繼電器控制單音調喇叭。
隨著架構持續演進,車輛中各子系統進行通訊的機制也隨之演變。例如當汽車偵測到車外環境光線降低,可能會自動啟用車頭燈,但不只這樣。可能會調整所有顯示器的亮度、調整所有攝影機的白平衡、增加與前方車輛維持的距離,並對煞車模組更加強調,以創造更安全的駕駛體驗。
在不斷追求自動駕駛車輛的同時,我們也肩負更多責任,讓通訊盡可能安全、安心且即時。這項挑戰因傳輸與接收的資料量不再是每秒數百 kb,而是每秒數十 GB 而變得更加艱鉅。
本白皮書共探討四種汽車通訊協定:乙太網路、FPD-Link™ 技術 (汽車串聯器/解串器 (SerDes) 專用通訊協定)、CAN 匯流排與 PCIe 匯流排,其中強調各種技術的核心細節,並提供這些技術支援現代汽車駕駛輔助系統 (ADAS) 架構的範例與功能,如下所示 圖 1。
乙太網路是居家與辦公室中最常見的高速介面之一,同時也是車輛主流通訊協定。部分車輛使用乙太網路來傳輸各種高速資料;雷達和光達模組等汽車應用則採用單對乙太網路技術。單對乙太網路採用乙太網路標準,但資料會透過單一雙絞線傳輸,以降低車內纜線重量和成本。
乙太網路是一種封包系統,由網路不同部分節點間的封包傳送資訊。乙太網路跟 CAN 匯流排一樣為雙向,任何個別鏈路上的速度都會隨着系統上節點數量增加而降低。就單對乙太網路來說,任何個別鏈路上的速度都會受限於某特定速度 (10 Mbps、100 Mbps、1 Gbps),且鏈路上不會發生動態速度變化。但單對乙太網路仍可透過鏈路以比 CAN 匯流排快 1,000 倍的速度傳輸資料。改爲單對乙太網路可得到比 CAN 匯流排更佳的資料傳輸速度,但由於乙太網路每個節點的成本較高,因此可能無法取代 (且反而增加) CAN 匯流排的使用。
部分汽車目前使用單對乙太網路來滿足資料密集的需求,如倒車攝影機和雷達。舉例來說,德州儀器 (TI) 的 DP83TC812S-Q1 和 DP83TG720S-Q1 為單對乙太網路實體層 (PHY),被歸類為汽車電子協會 Q100 第 1 級和第 2 級,且含回送測試模式以協助符合電機電子工程師學會 (IEEE) 802.3bw 和 802.3bp 汽車標準的系統診斷。若要透過乙太網路傳送視訊,即使只傳送一個視訊頻道,視訊也必須在來源處壓縮和在目的地解壓縮,以避免超出乙太網路頻寬限制。這與允許未壓縮視訊資料傳輸的 FPD-Link™ 技術不同。就倒車攝影機等應用而言,攝影機中必須有功率相對較高的處理器將圖像充分壓縮,以使其進入乙太網路。
但對高功率處理器的需求也代表攝影機的實際尺寸必須更大,價格也更加昂貴。攝影機的功耗會比不需進行大量影像處理的方式來得高。此解決方案的另一個缺點,是視訊壓縮和解壓縮會增加鏈路的延遲。如果數個攝影機或其他視訊來源共同相同乙太網路,則需在壓縮量 (和對應的視訊品質) 與支援視訊通道數間取得平衡。您可在車內以階層式配置設定多個網路,以解決此限制。例如一個網路只負責引擎控制和診斷,另一個網路負責後座娛樂與音訊系統,再由另一個網路負責駕駛輔助功能 (如視覺增強攝影機)。總結來說,若犧牲較佳複雜性,單對乙太網路可提供比 CAN 匯流排更高的容量來傳送雷達和光達等資料,但在處理視訊等最高頻寬應用上仍需努力。