自動駕駛需要多個高性能的互連傳感器和子系統(tǒng)，才能可靠和安全地運行。本文將重點介紹先進自動駕駛汽車傳感系統(tǒng)的體系架構(gòu)，以及用于在汽車子系統(tǒng)中傳輸數(shù)據(jù)的協(xié)議和接口。我們還將探討干擾源，并提出減輕這些有害信號可能對車輛安全運行產(chǎn)生影響的技術(shù)。
隨著汽車產(chǎn)業(yè)朝著半自動和全自動駕駛汽車的概念邁進，各種復雜且靈敏的電子系統(tǒng)大大增加。從社會效益角度看，自動化有望使道路更安全，更少發(fā)生事故，并能主動緩解交通擁堵。自動駕駛需要多個高性能的互連傳感器和子系統(tǒng)，才能可靠和安全地運行。電動或混合動力汽車的應用環(huán)境在電氣層面非常嚴酷，且具有嘈雜的噪聲，使可能存在的技術(shù)挑戰(zhàn)進一步復雜化。系統(tǒng)可能會由于內(nèi)部干擾源（例如EMI）、瞬態(tài)和外部影響（例如路邊C2X基礎設施）而導致影響其他重要系統(tǒng)的運行。
先進駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）是車輛自動駕駛的基礎，在完全自動駕駛時，它可以與更高級、更復雜的其它應用協(xié)同工作。當汽車以任何半自動模式（Level 1～Level 3）運行時，這種ADAS系統(tǒng)還能夠直接通知駕駛員即將發(fā)生的情況。車輛的不同自動駕駛級別如圖1所示。
圖1：汽車工程師協(xié)會（SAE）定義的車輛自動駕駛級別。（來源：SAE）
本文將重點介紹先進自動駕駛汽車傳感系統(tǒng)的體系架構(gòu)，以及用于在汽車子系統(tǒng)中傳輸數(shù)據(jù)的協(xié)議和接口。我們還將探討干擾源，并提出減輕這些有害信號可能對車輛安全運行產(chǎn)生影響的技術(shù)。
自動駕駛車輛系統(tǒng)架構(gòu)
在自動駕駛汽車中，“電子駕駛員”的眼睛和耳朵包含有無數(shù)種不同的傳感器，參見圖2，所有傳感器都聯(lián)網(wǎng)到中央計算機系統(tǒng)，由其負責在任何駕駛情況下安全地導航車輛。
圖2：先進的自動駕駛車輛感應系統(tǒng)。（來源：Littelfuse）
傳感器包括用于能夠在車輛前方很長距離檢測其它車輛、行人、各種移動物體的遠程RF雷達，以及具有機器學習卷積網(wǎng)絡的視頻子系統(tǒng)，以檢測行人、道路標志和車道偏離。其他傳感器包括360度視頻攝像頭系統(tǒng)，用于使車輛知曉周圍移動或靜止物體情況。為了始終準確地確定車輛位置，高性能GNSS導航可提供厘米級定位精度和導航推測（Dead Reckoning）能力，即使當車輛進入城市中典型的城市街谷或通過隧道時，也可以進行精確導航。
可靠且強大的網(wǎng)絡協(xié)議CAN和以太網(wǎng)互連子系統(tǒng)具有可接受的（<5ms）延遲級別。視頻和雷達子系統(tǒng)的趨勢是，它們越來越多地包括機器學習推理引擎，以便在檢測到物體時進行檢測和分類，而不是將額外的計算工作量交由中央系統(tǒng)。該方法還減少了實時延遲，這對于以超過30m/s（70mph/112kph）速度行駛的車輛來說是一個至關(guān)重要的設計考慮因素。延遲會影響及時的決策，并妨礙將云連接用于任何實時駕駛?cè)蝿铡＠纾粋€4G蜂窩網(wǎng)絡的典型往返延遲為60毫秒，根據(jù)上述速度，車輛已經(jīng)行駛過1.8米。 FlexRay和LIN是另外兩個廣泛使用的汽車網(wǎng)絡協(xié)議。
為了滿足車輛信息娛樂系統(tǒng)和視頻傳輸要求，HD BaseT正在逐漸成為一種可行的網(wǎng)絡協(xié)議。HDBaseT結(jié)合了HDMI和以太網(wǎng)的優(yōu)點，使用單根電纜即可將音頻、視頻、以太網(wǎng)、100W以太網(wǎng)供電（PoE）、系統(tǒng)控件和USB匯聚在一起。這個協(xié)議針對不同層面進行了優(yōu)化，建議采用單個非屏蔽電纜對來實現(xiàn)長達15m的設備連接。通過將不同的傳輸內(nèi)容整合到一根電纜，還可以節(jié)省大量的電纜重量、安裝工作量和材料成本。
為了使自動駕駛車輛安全可靠地運行，所有相互連接且相互依賴的系統(tǒng)都需要連續(xù)且無故障運行。如果傳感器開始出現(xiàn)故障，或者監(jiān)控電路子系統(tǒng)檢測到性能不及標準，則必須立即發(fā)出警報，通知中央計算機以啟動故障保護安全停車。
技術(shù)挑戰(zhàn)以及解決策略
電子傳感器和相關(guān)子系統(tǒng)通過利用高度復雜的模擬和數(shù)字組件來運行，這些設備容易受到電氣瞬態(tài)、電磁干擾（EMI）和靜電放電（ESD）等干擾。瞬態(tài)產(chǎn)生自電源軌，源于dV/dt的快速開關(guān)，并會產(chǎn)生比額定電源電壓大許多倍的電壓尖峰。大功率馬達和其他電感性負載在運行過程中會導致出現(xiàn)快速浪涌瞬態(tài)，電動汽車中相關(guān)的驅(qū)動鏈無疑也是瞬態(tài)來源。而且，用于電動轉(zhuǎn)向、舒適性和車身控制的小型馬達以及電動駐車制動器也會產(chǎn)生明顯瞬態(tài)。這些瞬態(tài)可以沿公共電源線通過傳導進入子系統(tǒng)，也可能通過連接傳感器的相鄰電纜中的互相感應，進入到子系統(tǒng)或連接到中央計算機的子系統(tǒng)網(wǎng)絡。如果沒有足夠的保護，瞬態(tài)會導致微處理器復位、鎖定，或在極端情況下造成關(guān)鍵組件的物理損壞。
同樣，感應的EMI可能會導致不可預測和不穩(wěn)定的系統(tǒng)行為，這些EMI可能出自不同來源，包括無線接入點和智能手機等等。同樣，也需要加以保護，以防止EMI明顯地干擾關(guān)鍵系統(tǒng)運行。
靜電放電對于敏感電子組件是一個需要特別關(guān)注的問題。這些敏感電子組件需要在整個供應鏈中和生產(chǎn)過程中進行特殊處理，但在最終的應用電路中也需要保護。像瞬態(tài)一樣，靜電放電會導致出現(xiàn)巨大的電壓尖峰，并且可能是由于車輛橡膠輪胎與道路摩擦，以及人與織物的接觸摩擦而積聚的能量所致。在低濕度地區(qū)行駛的車輛容易產(chǎn)生靜電。
保護ADAS通信和控制子系統(tǒng)
圖3重點顯示了ADAS通信和控制子系統(tǒng)的主要功能模塊，包括應采用的保護器件。
圖3：ADAS通信和控制子系統(tǒng)以及對保護器件的要求。（來源：Littelfuse）
每個通信鏈路（2、3、4和5）都需要瞬態(tài)和ESD保護，而且應該適合相應協(xié)議的電氣規(guī)格和數(shù)據(jù)速率。最快的協(xié)議是以太網(wǎng)，其比特率通常在100Mbps～10Gbps范圍內(nèi)。對于高速差分以太網(wǎng)接口，推薦的ESD和瞬態(tài)浪涌保護方法包括使用聚合物ESD抑制器，例如經(jīng)AEC-Q200認證的Littelfuse AXGD Xtreme-Guard系列。
圖4顯示了從差分雙絞線到以太網(wǎng)PHY的以太網(wǎng)連接中配置AXGD系列器件的位置。 AXGD系列具有快速的響應時間，并能夠吸收高達30kV和50A的瞬態(tài)，可憑借單個封裝保護差分對。同樣，由于其電容值極低，ESD保護不會影響高達1Gbps的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)速率。
圖4：用于以太網(wǎng)收發(fā)器的聚合物ESD保護器件功能框圖。（來源：Littelfuse）
對于CAN收發(fā)器接口，建議使用二極管陣列來保護系統(tǒng)免受快速瞬態(tài)和ESD影響。圖5顯示了Littelfuse AQ24CANA系列二極管陣列的使用情況。
圖5：使用經(jīng)AEC-Q101認證的Littelfuse AQ3400二極管陣列對CAN總線收發(fā)器進行ESD保護。（來源：Littelfuse）
采用齊納二極管進行瞬態(tài)電壓抑制（TVS）的另一個示例是Littelfuse SZ1SMB系列600W TVS二極管。 SZ1SMB系列可理想用于圖3中的Item 1等電源，具有出色的鉗位能力、快速響應時間，并可吸收高浪涌瞬態(tài)。
汽車電子標準
在為汽車電子系統(tǒng)而選擇瞬態(tài)和ESD保護器件時，建議應該對適用的國際標準有所了解。有三個最基本的ISO標準，即ISO7637-2，ISO16750-2和ISO10605：2008。除了這些標準之外，汽車電子理事會（AEC）還制定了一系列質(zhì)量標準，其中確定了汽車電子系統(tǒng)中使用器件的機械、電氣和環(huán)境應力要求。相關(guān)標準包括用于半導體和二極管等分立元件的AEC-Q101，以及用于電容器、電阻器和電感器等無源元件的AEC-Q200。
結(jié)論
保護自動駕駛車輛的電子系統(tǒng)免受瞬態(tài)、EMI和ESD的影響對于確保汽車連續(xù)、可靠和無故障運行至關(guān)重要。 自動駕駛車輛有望顯著減少交通擁堵，并為駕駛員、乘客和行人提供更安全的道路。 通過使用浪涌和靜電保護元件，設計人員將更有信心相信，他們的系統(tǒng)會足夠強大，且能夠耐受任何不必要的電氣干擾。
作者：Mark Patrick，貿(mào)澤電子
責編：Amy Guan
您可能感興趣
