汽車電子革命要求介面更快且更智慧

作者 : Raj Kumar Nagpal、Edo Cohen,Embedded.com特約作者

MIPI汽車SerDes解決方案(MASS)是一個端到端框架,用於具有內建功能安全性(以及正在開發的安全性)的可靠、高性能連結…

在汽車產業,先進駕駛輔助系統(ADAS)、車用娛樂系統(IVI)和新興的自動駕駛系統(ADS)等功能比以往任何時候都更加重要,它們使車輛更安全並改善了駕駛體驗。然而,它們也在帶來新需求,這些需求不僅增加了複雜性,還使產品開發變得成本更高,且週期更長。

汽車製造商面臨著壓力,不僅要導入最新功能,同時還要控制成本、最大限度地降低功耗、並確保電子系統在車輛壽命週期內可靠及安全。滿足這些期望需要新的車內連接方案,尤其是連接感測器和顯示器與其相關電子控制單元(ECU)之間的物理介面。

更多攝影機、更多顯示器、更多資料

研究公司Canalys估計,2021年在美國、歐洲、日本和中國等主要市場銷售的新車中,約有三分之一具有ADAS功能。該單位並預測,到2030年道路上的所有汽車中有一半將啟用ADAS。

 

圖1:配備ADAS或ADS的車輛裝有大量的攝影機和感測器,可實現360度可視性,從而對車內連接提出了新需求。

(來源:MIPI聯盟)

 

高階ADAS可以使用多達12個或更多的攝影機,以及雷達、光達(LiDAR)和超聲波感測器,以實現360度能見度、車道保持輔助、交通標誌辨識和自動緊急剎車等安全功能。許多車輛還配備內部攝影機來監控駕駛的機敏度。自動駕駛車則配備了更多的感測器,對解析度和性能的要求也在成長。

新的電子功能還需要更多、尺寸更大和解析度更高的顯示器。如今,帶有各類電子儀錶、平視顯示器和使用車外攝影機虛擬鏡的數位駕駛艙已經很普遍。中央區、乘客側和後座顯示器正在不斷改進,以利用不斷成長的基於雲端的娛樂、導航和本地資訊資源。

市調公司IHS Markit預測,到2026年,34.1%的新乘用車將配備各類數位儀錶,41%的中央區顯示器將達到9吋或更大。IVI顯示器的尺寸通常超過12吋,解析度高達3,840 × 2,160畫素。

需求隨技術進步不斷增加

這些零件的激增引發了網路性能、複雜性和安全性等方面的諸多問題。將更多零件連接到處理器——透過可能跨越整個車輛的連結——增加了網路的複雜性。傳統上,每個感測器或顯示單元都有自己的專用接線連接到相關的ECU,從而增加了線束的重量和製造成本。同時,影像擷取和顯示器的解析度和畫面播放速率的提高也對OEM提出了挑戰,這也意味著在不增加佈線的情況下,要在每條鏈路上提供更高的頻寬。

隨著安全關鍵用例的成長,汽車介面需要滿足產業要求的功能安全特性(例如符合ISO 26262標準),以達到汽車安全完整性等級(ASIL)中的B~D級。車載感測器和ECU之間的連接,需要在車輛的整個生命週期內的所有條件下都受到保護,以防止錯誤或丟失的資料導致駕駛或車輛出錯。從ECU到應用程式中使用的顯示器的連結也是如此,例如來自備用和停車輔助攝影機的視訊饋送。

標準化的威力

感測器和顯示器連接的標準化解決方案,可以幫助製造商滿足這些要求。它可以免除昂貴、耗時的、並可能導致新功能導入延遲的專有解決方案的整合和測試。基於標準介面的互通性,也允許更多的新玩家進入市場,讓OEM有更多選擇。

MIPI聯盟透過MIPI汽車SerDes解決方案(MASS)提供了這類方法,這是一個端到端框架,用於具有內建功能安全性(以及正在開發的安全性)的可靠、高性能連結。MASS透過允許OEM利用A-PHY (首個標準化的非對稱長距離SerDes實體層介面)在車輛上實施通用汽車介面協定,使複雜性大為降低。

作為MASS框架的基礎,A-PHY提供了更高的性能和靈活性,以及安全關鍵型應用所需的可靠性和彈性。其最大下行鏈路數據速率已從A-PHY v1.0中的16Gbps,增加到今年早些時候推出的A-PHY v1.1中的每鏈路32Gbps,而未來發展藍圖則為64Gbps甚至更高。在v1.1中,最大上行鏈路數據速率也增加了一倍,從100Mbps提高到200Mbps。基於其超低資料封包錯誤率和高抗噪性能,可在車輛的整個生命週期內提供可靠的通訊保證。

諸如A-PHY之類的標準化介面,距離可達15m,各類架構的整合都可以得到簡化,網路成本和複雜性也得以降低。它支援位於車輛任何地方的邊緣元件和ECU之間的連結,從而無需在短距離介面(例如MIPI C-PHY或MIPI D-PHY)和專有的長距離介面之間使用「橋接」處理器。A-PHY還允許製造商透過一根電纜將多套設備以菊鏈方式連接到一個ECU。

具有更大的靈活性的A-PHY v1.1

A-PHY利用適配層支援多種現有介面協定,並且可以在各種拓撲和配置中實現,A-PHY v1.1增加了這種靈活性以支援更多類型的實現。

 

圖2:A-PHY v1.1增加了A-PHY的靈活性,支援Star Quad (STQ)電纜的使用。透過三個新的配置選項,OEM可以利用更多方式滿足連接需求。

(來源:MIPI聯盟)

 

在A-PHY v1.1中,增加了對Star Quad電纜的支援,這是一種具有兩個差分對的遮罩電纜,如圖3所示。

 

圖3:Star Quad電纜橫截面示意圖。

(來源:MIPI聯盟)

 

支援如下三種新配置:

  • 雙下行鏈路配置:使用STQ電纜中的兩對導線來實現32Gbps的下行鏈路速率;
  • 非對稱選項:具有16Gbps下行鏈路,4Gbps反向鏈路,可實現雙向高速資料傳輸。因此一根電纜可以用於一對設備,例如共置攝影機和顯示器;
  • 對稱配置:透過一根STQ電纜提供16Gbps下行鏈路和16Gbps反向鏈路。

利用PAM4編碼,A-PHY v1.1還允許製造商使用現有平台上的傳統電纜或新平台上的低成本電纜遷移到A-PHY,從而支援可用於低速齒輪的窄頻寬、低於1GHz的應用。

A-PHY具有多種內建功能安全特性,包括迴圈冗餘校驗(CRC)、用於檢測資料封包丟失的8位元消息計數器,以及用於檢測通訊丟失的超時監視器。此外,其獨特的重傳方案(RTS),可恢復損壞的資料包,以實現穩定的連接,從而提高抗噪能力,並最大限度地減少資料包錯誤。另外,MASS框架還包括協議堆疊上層功能安全的附加功能。

繼續向更高的頻寬和更大的靈活性方面演進的MIPI A-PHY這類標準介面,將使製造商能夠在滿足未來互連、自主、共用和電動車新要求的同時,享用更多的可能性。

本文作者:

Raj Kumar Nagpal為Synopsys資深工程師、MIPI A-PHY工作小組聯合主席、D-PHY工作小組主席和MIPI PHY指導小組主席

Edo Cohen為Valens Semiconductor生態系統開發副總裁暨MIPI A-PHY工作小組聯合主席

(參考原文:Automotive electronics revolution requires faster, smarter interfaces,by Raj Kumar Nagpal、Edo Cohen)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年8月號

 

 

 

 

 

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