TE Connectivity中國(guó)汽車事業(yè)部產(chǎn)品經(jīng)理 徐超
——高速數(shù)據(jù)連接產(chǎn)品線
萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代已經(jīng)悄然而至，物聯(lián)網(wǎng)正在深刻地影響著我們的生活。其中，智能網(wǎng)聯(lián)汽車是整個(gè)智能交通、乃至物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代中最具變革的產(chǎn)物。
智能網(wǎng)聯(lián)汽車從硬件層面由各個(gè)傳感器、運(yùn)算器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，這其中會(huì)存在巨大的計(jì)算量。原有的CAN總線系統(tǒng)架構(gòu)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法適應(yīng)新的數(shù)據(jù)傳輸需求，這時(shí)汽車以太網(wǎng)當(dāng)仁不讓，成為新一代汽車主干網(wǎng)絡(luò)。我們看到，百兆以太網(wǎng)架構(gòu)已經(jīng)被絕大部分整車廠所接受和應(yīng)用，而下一個(gè)目標(biāo)則是從百兆到千兆的升級(jí)，這才是汽車以太網(wǎng)真正發(fā)揮實(shí)力的戰(zhàn)場(chǎng)。
如果將智能網(wǎng)聯(lián)汽車比作一個(gè)人，那么汽車以太網(wǎng)將組成新一代的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，為各個(gè)臟器傳遞命令。本文將深度解析汽車以太網(wǎng)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中的具體應(yīng)用，以及泰科電子(TE Connectivity，以下簡(jiǎn)稱“TE”)的汽車以太網(wǎng)連接解決方案。
新一代主干網(wǎng)絡(luò)—為智能網(wǎng)聯(lián)汽車而生
這幾年，兩場(chǎng)汽車工業(yè)最大的變革正在同時(shí)進(jìn)行，其一是汽車電動(dòng)化，另一個(gè)就是汽車的智能化和網(wǎng)聯(lián)化。而后者，正是得益于物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)。這種互聯(lián)的意義，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了我們熟知的初始階段：如全球定位、汽車收音機(jī)、汽車藍(lán)牙和WiFi連接;而是拔高到了另一個(gè)維度，即：汽車本身正成為物聯(lián)網(wǎng)的一部分，成為一個(gè)超級(jí)移動(dòng)終端!
在萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代，智能網(wǎng)聯(lián)汽車將會(huì)成為一個(gè)馳騁在道路上的移動(dòng)辦公室、移動(dòng)信息娛樂(lè)中心，它會(huì)和其他的“人-車-路-云”緊密聯(lián)系在一起。幾乎所有的傳統(tǒng)汽車公司和新興科技公司都在為此不懈努力，如：特斯拉、谷歌、蔚來(lái)、百度乃至優(yōu)步、Facebook都置身其中。2018年1月，國(guó)家發(fā)改委頒布《智能汽車創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略(征求意見稿)》，更體現(xiàn)了來(lái)自國(guó)家層面對(duì)其的重視和信心。
我們先舉個(gè)例子：為了實(shí)現(xiàn)高級(jí)駕駛輔助功能，智能網(wǎng)聯(lián)汽車需要獲得遠(yuǎn)距離的汽車視野以及360度全車身的環(huán)境感知，如果僅僅獲得和汽車駕駛員相同的視野距離是不夠的。一般而言，人類駕駛員需要1-5秒的時(shí)間來(lái)計(jì)劃和應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的發(fā)生，如緊急剎車。而高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)的主要作用，就是提高駕駛安全性并且減輕駕駛員的負(fù)擔(dān)。由此，智能網(wǎng)聯(lián)汽車需要盡可能全面地獲得信息，以用于預(yù)測(cè)性判斷，這些信息包括：當(dāng)前交通狀況和路況、天氣、溫度、濕度以及交通管制、限速等因素，然后根據(jù)這些信息規(guī)劃出最佳路線、速度、行車軌跡以及能源使用分配。
智能網(wǎng)聯(lián)汽車需要進(jìn)行一系列車內(nèi)和車外的連接，從而達(dá)成上述目的。我們需要通過(guò)一系列傳感器，諸如：高清攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等，以及車外天線，如：全球定位天線、4G/5G天線、V2X天線等協(xié)同配合，將大量數(shù)據(jù)傳遞給域控制器等超高速運(yùn)算機(jī)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，然后通過(guò)中央網(wǎng)關(guān)，將各種決策傳遞給各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時(shí)也傳遞到云端和后臺(tái)，對(duì)整個(gè)區(qū)域內(nèi)的汽車和相關(guān)設(shè)施、甚至行人進(jìn)行智能管理。
這其中蘊(yùn)含著整車高速通信架構(gòu)的革命性變化，也意味著原來(lái)的CAN、LIN、MOST或者FlexRay總線架構(gòu)，已經(jīng)無(wú)法滿足這種巨量運(yùn)算的需求。
那么什么樣的汽車主干網(wǎng)絡(luò)會(huì)是智能網(wǎng)聯(lián)汽車的選擇呢?
從百兆到千兆--汽車以太網(wǎng)主干網(wǎng)絡(luò)
對(duì)于新一代的智能網(wǎng)聯(lián)汽車之主干網(wǎng)絡(luò)而言，需要滿足如下幾點(diǎn)要求：
高帶寬：目前CAN總線速率只能達(dá)到1Mbps，未來(lái)總線需要達(dá)到100Mbps，甚至1Gbps的速率，并有趨勢(shì)進(jìn)一步提升。從百兆到千兆，已成共識(shí)。
低延時(shí)：新的主干網(wǎng)絡(luò)需要滿足毫秒級(jí)的延時(shí)表現(xiàn)，保證時(shí)間敏感事件可以在最短的時(shí)間被傳送成功，從而不影響功能表現(xiàn)。
高安全、可靠性：新的總線需要承受汽車嚴(yán)苛的工況環(huán)境，在抗沖擊、震動(dòng)、高低溫環(huán)境中達(dá)到汽車級(jí)需求，同時(shí)對(duì)電磁干擾有很強(qiáng)的免疫力。
低成本：相對(duì)于CAN總線所使用的非屏蔽雙絞線和簡(jiǎn)單的連接器結(jié)構(gòu)，新主干網(wǎng)系統(tǒng)在成本上不能有明顯增加。
輕量化：盡量使用小型化、小線徑、輕量化設(shè)計(jì)，不能過(guò)于增加整車重量。此項(xiàng)對(duì)于電動(dòng)汽車而言，尤為關(guān)鍵。
汽車以太網(wǎng)技術(shù)能夠有效應(yīng)對(duì)上述需求，廣大整車廠、系統(tǒng)供應(yīng)商及芯片廠商都在不遺余力地推廣汽車以太網(wǎng)作為新一代汽車主干網(wǎng)絡(luò)。
汽車以太網(wǎng)是一種用以太網(wǎng)連接車內(nèi)電子單元的局域網(wǎng)技術(shù)。與傳統(tǒng)以太網(wǎng)使用2對(duì)或者4對(duì)非屏蔽雙絞線(UTP)來(lái)傳輸不同，汽車以太網(wǎng)的物理層采用了博通公司的BroadR-Reach技術(shù)，在物理層只需要一對(duì)非屏蔽雙絞線即可實(shí)現(xiàn)100Mbps甚至1Gbps的傳輸速率。該技術(shù)同時(shí)支持了15米的有效傳輸距離，通過(guò)回聲抵消技術(shù)(Echo Cancellation)實(shí)現(xiàn)全雙工通信，并且滿足了汽車EMC的要求。另外一個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)是，汽車以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了PoDL(Power Over Data Lines)技術(shù)，即單對(duì)數(shù)據(jù)線供電，其可在一對(duì)雙絞線上為設(shè)備提供12VDC/300mA的電源，這將幫助車企減少額外的電源傳輸線束，從而減輕重量、降低成本。
汽車以太網(wǎng)可以支持多種上層通信協(xié)議或應(yīng)用形式，如：TSN，AVB，TCP/IP，DOIP，SOME/IP等。尤其是TSN時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(Time Sensitive Networking)協(xié)議首次引入了時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)，能高效地實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵通信信息及時(shí)傳輸，極大提高了安全性和可靠性。相對(duì)于傳統(tǒng)以太網(wǎng)協(xié)議的事件觸發(fā)機(jī)制，其有極大可能造成關(guān)鍵通信延遲，TSN通過(guò)時(shí)間與同步(IEEE 802.1AS)、流量調(diào)度(802.1Qbv)、訊框優(yōu)先適用(802.3br)、流量控制()等協(xié)議，奠定了汽車以太網(wǎng)下一代汽車主干網(wǎng)絡(luò)的地位。
目前汽車以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化方面存在多個(gè)組織，其既相互競(jìng)賽，也多有合作，主要有：IEEE 802.1和802.3工作組，OPEN聯(lián)盟、AVnu聯(lián)盟以及汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)聯(lián)盟AUTOSAR。TE也積極參與各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，比如：在OPEN聯(lián)盟中，TE就是TC9工作組的主席，參與物理層標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。
TE汽車以太網(wǎng)連接解決方案-MATEnet連接系統(tǒng)
為應(yīng)對(duì)市場(chǎng)對(duì)于汽車以太網(wǎng)的強(qiáng)烈需求，TE開發(fā)了一套專門應(yīng)對(duì)汽車以太網(wǎng)的連接解決方案——MATEnet連接系統(tǒng)。
MATEnet連接產(chǎn)品線是一套全面的以太網(wǎng)連接解決方案，其支持目前百兆乃至將來(lái)千兆級(jí)別的車內(nèi)主干網(wǎng)絡(luò)連接需求，是構(gòu)建具有中等規(guī)模數(shù)據(jù)吞吐量和低延時(shí)傳輸要求的下一代汽車主干網(wǎng)的最經(jīng)濟(jì)、最高效的解決方案。
MATEnet連接產(chǎn)品專為IEEE和OPEN聯(lián)盟汽車以太網(wǎng)協(xié)議要求開發(fā)，該產(chǎn)品線依靠汽車級(jí)、小型化、久經(jīng)驗(yàn)證的NanoMQS端子和TE優(yōu)秀的高頻產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力，為客戶提供了具備高帶寬、高EMC應(yīng)對(duì)靈活性、汽車級(jí)可靠性、高性價(jià)比、良好的可制造性的豐富解決方案。
1. 高帶寬
TE 的MATEnet連接系統(tǒng)符合IEEE(電子和電氣工程師協(xié)會(huì))802. 3工作組為汽車以太網(wǎng)制定的傳輸協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)。此外，在OPEN聯(lián)盟中，TE擔(dān)任TC9技術(shù)委員會(huì)主席參與制定標(biāo)準(zhǔn)。
根據(jù)IEEE802.3bw的100BASE-T1協(xié)議，MATEnet連接系統(tǒng)可以在66MHz頻率下提供100Mbps的傳輸速率;根據(jù)IEEE802.3bp的1000BASE-T1協(xié)議，MATEnet連接系統(tǒng)更可以在600MHz頻率下提供1Gpbs的傳輸速率。值得一提的是，這些速率完全可以通過(guò)非屏蔽雙絞線(UTP)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而非更加昂貴的屏蔽雙絞線(STP)。從百兆到千兆，TE已經(jīng)實(shí)現(xiàn)!
MATEnet連接系統(tǒng)還有潛力在芯片和線纜的協(xié)同進(jìn)步下達(dá)到6Gbps的速率。
同時(shí)，根據(jù)IEEE802.3bu協(xié)議，MATEnet連接系統(tǒng)可以滿足PoDL標(biāo)準(zhǔn)，采用一對(duì)非屏蔽雙絞線中的信號(hào)線，平行地對(duì)汽車以太網(wǎng)接口供電，實(shí)現(xiàn)降本和減重。
2. EMC靈活性
隨著汽車的電氣化程度越來(lái)越高，尤其是新能源汽車的發(fā)展和大量智能網(wǎng)聯(lián)汽車所需高頻天線的引入，車內(nèi)抗電磁干擾問(wèn)題變得越來(lái)越重要。汽車以太網(wǎng)的一大重要特性就是使用非屏蔽雙絞線(UTP)來(lái)傳輸中型數(shù)據(jù)，以節(jié)省成本和減重。但是，在一些強(qiáng)電磁干擾位置，如：動(dòng)力電池、點(diǎn)火線圈或者是鯊魚鰭天線附近，往往我們需要使用帶屏蔽的雙絞線(STP)來(lái)保證可靠的EMC表現(xiàn)。
TE 的MATEnet連接系統(tǒng)可在同一產(chǎn)品布局下兼容UTP和STP，這一特性為整車廠提供了最大的靈活性。理想情況下，整車廠可以使用簡(jiǎn)單而成本低廉的UTP電線完成絕大部分汽車以太網(wǎng)的部署聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)又可以為嚴(yán)苛工況環(huán)境下的連接提供更可靠的STP解決方案。
MATEnet連接系統(tǒng)的這一特性確保了整車廠無(wú)需改變板端連接器，而僅僅選擇合適的線端連接器塑殼和電線，即可在所需要的系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的屏蔽水平。
3. 汽車級(jí)可靠性
MATEnet連接系統(tǒng)使用了小型化NanoMQS車用端子作為核心連接端子。這是TE的明星產(chǎn)品，它在車輛實(shí)際應(yīng)用中久經(jīng)考驗(yàn)，是名副其實(shí)的汽車級(jí)連接端子。
NanoMQS端子作為小型化的典范，同時(shí)具有超高抗震可靠性，其被大量應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)艙、變速箱等嚴(yán)苛環(huán)境中。NanoMQS端子采用了雙觸點(diǎn)、單片壓接式設(shè)計(jì)，方形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能有效保護(hù)母端子彈片，同時(shí)帶有防止誤插結(jié)構(gòu)和二次鎖結(jié)構(gòu)，使用環(huán)境溫度更可達(dá)到-40°C到105°C。這種端子可壓接最小線徑0.13mm2的超細(xì)導(dǎo)線，為降低線束重量創(chuàng)造了條件;標(biāo)準(zhǔn)版本的NanoMQS連接產(chǎn)品可以滿足LV214 S2級(jí)抗震動(dòng)等級(jí)，密封型號(hào)更可以滿足S3級(jí)(接近傳動(dòng)系統(tǒng))和S4級(jí)(發(fā)動(dòng)機(jī)支架)震動(dòng)要求。
4. 高性價(jià)比
MATEnet連接系統(tǒng)使用了模塊化設(shè)計(jì)概念，每一路以太網(wǎng)鏈路均使用了相同的核心線束結(jié)構(gòu)，僅需疊加線端塑殼的位數(shù)，減少了設(shè)計(jì)和制造成本。
另一方面，MATEnet連接系統(tǒng)同時(shí)兼容UTP和STP線束的特征，可幫助客戶按照實(shí)際使用環(huán)境選擇最理想的線材，減少了連接整體成本。
TE中國(guó)團(tuán)隊(duì)和德國(guó)團(tuán)隊(duì)共同開發(fā)MATEnet產(chǎn)品線家族，且已經(jīng)在蘇州工廠推進(jìn)國(guó)產(chǎn)化，以應(yīng)對(duì)急速增長(zhǎng)的客戶需求。
5. 產(chǎn)品線豐富
TE根據(jù)整車廠實(shí)際的以太網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)規(guī)劃以及相關(guān)芯片供應(yīng)商汽車以太網(wǎng)鏈路交換芯片的開發(fā)進(jìn)度，及時(shí)提供了從1路到6路以太網(wǎng)鏈路的全系列產(chǎn)品，所有相對(duì)應(yīng)的線端產(chǎn)品均可選擇UTP和STP產(chǎn)品，這大大滿足了客戶在不同設(shè)備、不同應(yīng)用上各種需求。
6. 良好的可制造性
汽車以太網(wǎng)線束加工具有其工藝復(fù)雜型，為保證非屏蔽雙絞線能夠滿足百兆甚至千兆速率的穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸，端子和線纜的壓接工藝精度非常關(guān)鍵。TE 的MATEnet連接器嚴(yán)格驗(yàn)證和制定了以太網(wǎng)線束壓接規(guī)范，規(guī)定了如：導(dǎo)線開撥長(zhǎng)度、端子壓接后非絞距離、壓接后兩根線芯之間距離、扭轉(zhuǎn)角度等等一系列關(guān)鍵工藝參數(shù)。
同時(shí)，TE和相關(guān)線束組裝設(shè)備制造商進(jìn)行戰(zhàn)略合作，開發(fā)了用于生產(chǎn)MATEnet線束的自動(dòng)組裝設(shè)備，保證了產(chǎn)品的可制造性和良好的質(zhì)量。
汽車以太網(wǎng)正在深度影響智能網(wǎng)聯(lián)汽車的整車系統(tǒng)架構(gòu)。從百兆到千兆，正是來(lái)自TE的有力回應(yīng)，作為全球領(lǐng)先的汽車連接解決方案供應(yīng)商，TE為汽車以太網(wǎng)提供了高速、可靠的MATEnet數(shù)據(jù)連接系統(tǒng)，助力智能網(wǎng)聯(lián)汽車的快速發(fā)展。
（轉(zhuǎn)載）
