严苛环境中的互联车辆

如今，客户需要能自动执行或增强操作任务的功能来提高驾驶员的效率和安全性， 并且在许多情况下，还能降低总体拥有成本。自动化自适应制动和转向、车载自动诊断系统、车对车 (V2V) 和车对基础设施 (V2I) 通讯以及使驾驶员能够以 360 度全方位视角来观察周围环境的摄像头等功能正在成为客户的基本需求。
这些功能需要高速传输大量的数据。随着工程师们不断设计新的模型来满足这些客户需求，所带来的挑战则是要确保在卡车与非公路车辆行业的严苛环境中信号的完整性和数据的传输。

为了应对不断增长的数据需求和高速连接，需要复杂的网络基础设施。 通常管理速度高达 500 Kbps 的 CAN 总线架构几十年来一直是大多数重型车辆通信网络的中坚支柱。然而，提高安全性和工作效率的高级车辆功能和自动化动能所需的数据带宽过大，单凭 CAN 无法提供相应的服务。

单对以太网协议（100 Mbps - 100BASE-T1 或 1 Gbps - 1000BASE-T1）可以提供高速传输数据的能力。通过使用以太网网络和连接器，OEM 设计人员可以将更多设备无缝集成到网络上并加快他们车辆中数据连接的速度。然而，作为点对点拓扑，以太网改变了车辆的电气和电子 (E/E) 架构。随着 OEM 决定添加更多功能和设备，设计人员还需要考虑用于引导信号的以太网交换机以及用于在以太网和 CAN 之间进行通讯的网关。

为了优化空间、重量以及严苛条件下的性能，设计人员必须在设计的第一阶段就考虑如何将以太网集成到需要高级功能的位置中。必须针对需要以太网的每个功能制定相关决策，例如，要在车内放置的电缆数量、放置位置，以及放置以太网交换机的位置和交换机应位于现有的电子控制单元 (ECU) 还是新的专用 ECU 中。对于避免或减轻电磁干扰 (EMI) 或其他机械干扰问题而言，这一点至关重要。

例如， 重型车辆上的 360 度摄像头将高速数据从车外传输到驾驶室内的显示屏上，供驾驶员查看。四个摄像头（车辆两侧各一个）会向一个 ECU 发送信号。设计人员需要规划放置交换机的位置以合并来自四个摄像头的数据，并在一个信号中将此数据发送到 ECU。交换机可以位于车辆中，也可以位于其中一个摄像头中，此摄像头有四个端口来输入来自其他三个摄像头的数据，然后将数据发送出去。另一个选项是将交换机集成到视频显示监视器中。

随着自动化自适应制动以及包含多传感器列阵的其他高级驾驶员辅助系统 (ADAS) 等自动化功能的活跃，需要在设计早期阶段进行更多考虑。每个传感器都将有一个到 ECU 的专用通讯连接。车辆拥有的传感器越多，所需的电缆和通讯连接也就越多。未来无人驾驶的重型车辆将需要一个较宽的传感器列阵，用于安置车辆四周约 16 个雷达、10 个激光雷达和 10 个摄像头。这就需要能够抗 EMI 以及能被智能路由的 30 多条电缆和连接，同时要考虑空间，重量和 EMI 来维持底盘内外信号的完整性并使信号随着连接进入一个 ECU。数据越多，带宽需求就越多，这意味着连接器和电缆也能处理更快的速度。

工业与商用级车辆庞大的规模对维持信号完整性和可靠地传输数据提出了挑战。对于在车辆中传输以太网信号，以太网标准规定了信号需要长达 15 米（49 英尺）的技术要求。但是在卡车、大巴和非公路车辆中，信号完整性必须得到维持来实现更长的长度，最长需要达到 40 米（131 英尺），同时要承受强振动、极端温度和冲击，以及强沙尘条件等。

以太网标准目前规定，在 40 米的范围内最多有四个串联连接；设计人员需要评估每个信号段的长度，以保持出色的信号完整性。影响这一点的因素可能是接触外部元件或暴露于高温下，以及放置在天线或其他可能导致 EMI 的元件附近。路由是设计的一个关键元素，必须能对整个物理层进行缩放来实现所需的性能。

“在设计具有 CAN 和以太网的一个混合架构时，工程师需要根据将包含哪些数据密集型的高级功能来预先考虑整个连接基础设施，” TE Connectivity 的数据连接工程经理 Abbas Alwishah 解释道。“技术越先进，OEM 与供应商之间展开更紧密的协作就越重要。如果客户告诉我们，他们需要高清摄像头或接近检测系统，要求可以正常工作并且延迟要非常低，那么我可以向他们说明实现此功能或系统所需的各个元件（传感器、连接器、电缆组件、天线、处理器和显示器等），并且就拓扑提供相关建议以优化性能、空间、重量和成本。”

选择能够承受严苛条件、兼容以太网的元件是在使用寿命长的重型车辆中实现可靠数据传输的关键。汽车以太网连接器（这些连接器最初是针对乘用车而设计的）可用于驾驶舱内或车辆不会暴露于极端冲击、温度或其他元件的区域，在这些区域中，不需要更坚固的连接器和更长的电缆。高质量的非屏蔽双绞线缆适用于大部分车辆区域中的以太网，仅在必要时才使用屏蔽双绞线缆。设计人员的选择也将有助于控制成本以及节省空间和减轻重量。

例如，由 TE 为汽车以太网开发的模块化和可扩展 MATEnet 连接器也可用于重型车辆以实现需要大中型数据量和低延迟的应用，例如车载自动诊断系统（V2X 技术）、车载资讯、仪表盘信息娱乐系统和 ADAS 等。连接器可以传输 100 Mbps 到 1 Gbps（根据 IEEE 100BASE-T1/1000BASE-T1 标准）的数据，并且可以与非屏蔽或屏蔽绞合线缆结合使用。

底盘上的元件需要的不仅仅是坚固性。它们必须展现出机械可靠性、能够被维护以及承受极端温度的性能，并且能够通过更长的信道有效地工作。在应对更高的频率时，电缆/连接器质量和设计会显著影响信道性能，这进而会对系统性能以及应用性能产生影响。尤其对于底盘上的元件而言，工程师需要选择专门设计的电缆和连接器来实现严苛环境中的高速数据传输。

“在尝试满足机械弹性需求时，一些工程师可能会下意识地想增添一个更大、更为坚固的护套，但加厚的护壁也可能会对电气性能带来负面的影响，”TE 数据连接产品经理 Mark Brubaker 说到，“重要的是研究以往有效的解决方案，同时也要采取进一步的措施来了解新一代传输高速数据的电气需求，并进行测试来查看在给定所涉及的更高频率下，连接将展现出的性能表现。”

在设计需要高速数据传输的高级和自动化功能时，必须要预先考虑产品的选择和放置。在将以太网添加到重型车辆架构中时，设计人员必须提早并且更深入地考虑和规划所涉及的复杂性，这样才能成功地平衡可靠性和机械弹性与电气需求，从而实现高速数据和更长的信道，并且满足可维护性需求。