在混合架构中集成以太网

用于农业、工程机械和采矿的非道路车辆比以往更加互联。 随着对于更加安全、环保和高效的商用车辆的需求的不断增加，像驾驶员驾驶辅助系统 (ADAS)、360 度摄像头系统、接近检测系统、车辆到车辆 (V2V) 和车辆到基础设施 (V2X) 通信等功能正在从“可有可无”转变为“必须有”。这些功能需要大量数据，而随着功能的增加，在未来几年内，数据需求会呈指数级增长。

为了增加车辆中传输的数据的量和速度，工程师们需要对车辆的电气/电子 (E/E) 架构做重大改动，方法是增加更多的专用 CAN 网络，或者集成更快的通信协议，如目前每秒可处理高达 1 GB 数据的以太网。

设计工程师们拥有众多选择。 他们不会取代整个现有通信网络（很可能是 CANbus 协议），而是可以在适当的情况下在以太网中设计客户最想要的功能，例如远程信息处理、诊断和 ADAS。工程师必须扩展整个系统，并在需要的地方使用以太网专用线路，以实现这些高级、数据密集型功能。对于 OEM 来说，将以太网集成到架构中可能具有挑战性，特别是对于重型汽车市场来说，这是一项相对较新的技术，但可以通过应用适当的专业知识来克服这些挑战。在设计阶段的早期，与了解复杂性并具有以太网专业知识的咨询供应商合作是顺利从设计过渡到生产的关键。拥有汽车以太网专业知识的供应商可以帮助 OEM 设计人员优化拓扑结构和提前选择正确的技术，以确保在严苛条件下传输信号的完整性，同时，增强所有最新功能和应用程序的感应和计算能力。

根据 E/E 架构，随着更多的高级和自动化功能的添加，设计人员需要在以太网交换机中进行设计。与 CAN 和其他以往协议不同，交换机需要将信号完整、低时延地定向到所需目的地。提早考虑好以下问题很重要：交换机的放置位置，是将交换机放置在新的专用电气控制单元 (ECU) 内还是放置在现有 ECU 内，需要多少电缆、连接器和传感器，以及它们的放置位置。对于需要以太网的车辆的每个高级功能，都需要考虑这些事项。

通常，农业、建筑、采矿等领域的部件必须满足额外的强度标准， 特别是如果这些部件位于车辆外部，还需要防止高振动、物理冲击、灰尘、化学品和水。此外，它们还必须能够承受 -40°C (-40°F) 至 125°C (257°F) 的温度变化幅度，并支持现场维护。

那些需要升级其车辆中的元件、系统和网络的 OEM 将会更有信心，因为原本为汽车行业开发并且得到证实的连接器技术将会更多地运用到高速数据应用设计中。例如，我们通过增加坚固外壳并升级汽车 MCON 端子设计开发出一款符合 100BASE-T1 规范的新型密封以太网连接器 enetSEAL+。该连接器的数据传输率高达每秒 100 MB。

我们还在重型密封系列连接器中增加了坚固耐用的重型热塑性以太网连接器（HDSCnet 系列密封连接器），使数据传输率高达每秒 1 GB。由于该连接器与我们的 MATEnet 互连系统兼容，所以赋予了设计人员灵活性和可扩展性 - OEM 可以使用非屏蔽或屏蔽双绞线电缆，并可在多个混合接口中进行设计。

选择这种几乎适应任何严苛环境/重型车辆应用的解决方案意味着可以增强安全性、生产力或改进信息娱乐，包括：远程信息处理、车载诊断、多功能显示器、车载相机、雷达和激光雷达等。

将以太网用于 E/E 架构是一个巨大进步！ CANbus 协议在车辆中使用已超过 30 年。

将以太网用于 E/E 架构是一个巨大进步，因为它更快、更复杂。当适时使用以太网设计混合体系架构时，较快的以太网网络仍需要能够与较慢的 CAN 网络通讯，因此，工程师必须完成网关设计，以转换更快的消息，使 CAN 能够接收和理解这些消息。

大多数已经在使用以太网的连接器系统属于第一代，运行速度为 100 MB。第二代是第一代的 10 倍，为 1 GB，需要 ECU 中有更高频率的光模块来适合车辆内不同类型的架构和拓扑结构。在该协议方面，工程师们积累的经验还不多，他们仍在探索重型车辆的机械环境将如何影响通讯的电气性能。

以太网能够以更高的频率运行，因此，当它位于其他电子器件或金属部件附近时更为敏感。 公差必须被降低，且设计人员需要考虑电缆上潜在的 EMI、机械干扰、质量问题等。当在元件级别设计物理层时，连接器和电缆必须满足其专用线路的要求和功能并为整个系统工作。对于每一个部件，设计者必须确保没有有害的排放物干扰其他附近的系统，并且其他附近的系统排放物不会干扰该部件。

放置位置是避免来自天线或其他发射强电磁场的元件干扰的关键。选择在何处使用屏蔽和非屏蔽元件和系统也很重要。需要针对平衡和 EMI 对物理层的每个元件进行控制。

除了电磁和机械干扰外，了解不同的工作现场也至关重要 （如农场、建筑工地或矿山）并且产品应用会影响车辆通信系统的电气性能。极端温度、高机械负载、暴露在化学品中以及超量灰尘等一些因素会对以太网数据链路所需的电缆和连接器产生负面影响，因此在设计之初必须加以考虑。

许多大型的非道路车辆也会给以太网应用的信号完整性带来挑战，一方面，必须通过长达 40 米（131.2 英尺）的链路来维护信号的完整性，另一方面，还要能够承受非公路环境下的严苛条件。因为 40 米长的电缆用于工业/商业运输中，而非汽车中，所以，物理层中使用的所有 ECU 和产品（电缆、连接器和光模块）都需要满足 40 米的标准。以太网标准指定了多达四个线对线连接。通信链路的质量取决于每段的长度（从一个连接器到另一个连接器）和通过车辆路由的位置。

因此必须进行显著性测验。所有元件（ECU、电缆、连接器、光模块等）和系统都需要经过验证，合格后方能用于商用车辆。用不同方式测试配置，看看哪种方式最好、最稳定，这一点很重要。然后，应将整个车辆放在 EMI 室中，同样用不同方式对其进行测试 - 测试车内的配置，模拟车辆可能遇到的各种情形和情形组合。

设计人员不能像使用其他通信协议那样使用以太网。 由于以上所述的复杂性，相比其他网络，将以太网设计应用于重型车辆中会更费神费力。我们的设计人员已在尝试使用办公环境和消费品常用接口（如 RJ45 或 USB）。这些连接器原本不是为在严苛环境中使用而开发的，因此无法利用。

一般来说，需要避免的一个常见错误是：低估机械对通信链路的影响。 这也包括温度、湿度和其他影响材料性能，进而影响通信链路的环境条件。目前，汽车中只有两种按速度区分的以太网标准：100 MB 和 1 GB (1,000 MB)。必须仔细检查和测试物理层上的每个元件（光模块、连接器和电缆）和布线，确保它们在所有时候以及所有状况下都表现稳定。

在今天满足未来的要求。 农业、工程机械和采矿行业的买家正在寻找能够提高生产力、安全性和可持续性的功能。将以太网设计应用于这些车辆和机械中是大势所趋，这不仅能够满足当今的需求，还能满足近远期数据密集型连接需求，因为今天的技术是实现更大程度自主性直至最终完全自主性的基石。