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汽车Camera Link技术的挑战与解决方案
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汽车Camera Link技术的挑战与解决方案

2021-01-12 11:23:07 来源:连接器世界网 作者:ADI公司汽车连接与传感部应用经理Joe Triggs ADI公司IPC视频产品事业部应用经理Derek Burke

【大比特导读】摄像头系统和摄像头链接技术正越来越多地应用于车辆中,以辅助驾驶员并增强驾驶体验。如今,消费类设备中无处不在的超高清(UHD)显示器推动了对所有类型车辆中更大和更高清晰度显示器的需求。更大尺寸显示器的趋势已导致汽车OEM面临将其余相机架构升级到高清的挑战。

摄像头系统和摄像头链接技术正越来越多地应用于车辆中,以辅助驾驶员并增强驾驶体验。具有单个摄像头的传统后视摄像头(RVC)系统已被具有四个或更多可提供360°车辆视角的摄像头的环视系统(SVS)取代。行车记录仪、盲点监控、夜视、道路标志识别、车道偏离监控器、自适应巡航控制、紧急制动和低速防撞系统都有助于减轻驾驶员的负担。

为了增加驾驶体验,汽车企业还针对各种应用引入了摄像头,例如驾驶员生命体征监控、乘员检测以及人机界面(HMI)的手势识别。摄像头系统的发展甚至使得汽车制造商可以通过替换后视镜等传统功能来重新构想车辆轮廓。

汽车摄像头

图1:现代车辆中摄像机的扩散。

而上述许多不同的相机应用都具有标准定义(SD)RVC系统的起源,而该标准仍在当今许多车辆中都采用。SD摄像头系统已在汽车应用中常规部署了十多年,根据立法要求和客户期望,SD摄像头系统已从高级车辆扩展到更广泛的车辆系列。标清视频解决方案为汽车OEM带来了许多宝贵的好处:由于在消费电视行业已多年被证明技术成熟,因此风险较低;对带宽的要求较低,因此可以使用廉价的电缆和连接器,同时保持受控的发射;以及成熟的视频编码器和解码器系列,具有经过验证的处理能力,可以处理潜在的不稳定视频输入。

如今,消费类设备中无处不在的超高清(UHD)显示器推动了对所有类型车辆中更大和更高清晰度显示器的需求。尽管SD视频解决方案在较小的显示屏上看起来令人满意,但是今天的消费者很容易在较大的显示屏上地感知到它的缺点(例如当在调制信号中将亮度和色度信号彼此分离时,SD视频的带宽有限或引入的跨色伪像会导致高频细节不足)。更大尺寸显示器的趋势已导致汽车OEM面临将其余相机架构升级到高清的挑战。解决这一难题的一个关键要素是摄像机链接技术,该技术被用于将图像数据从摄像机传输到接收单元(例如ECU或显示器)。

为应用选择新的相机链接技术时,第一个用例特征是所需的带宽。摄像机系统的带宽要求范围很广。使用SD视频分辨率的传统RVC系统需要低带宽(例如6 MHz)。通常以低速使用的SVM系统使用低刷新率(例如30 Hz)来最大化曝光,这可能会限制所需的带宽。机翼后视镜更换系统可在车辆的整个运行速度范围内运行,它使用更高的刷新率(例如60 Hz或更高)来最大程度地减少等待时间,这需要增加带宽。用于自动驾驶应用的前置摄像头需要超高分辨率(例如18+ MPixel),因此对带宽的要求很高。存在许多摄像机链接技术来提供广泛的带宽功能——它们的选择受摄像机系统和整个车辆的多个方面影响,并且可能会受到影响。

画面质量

相机链接技术实现的图像质量是体系结构设计中的关键因素。通过未提供足够带宽的摄像机链接技术发送视频数据可能会导致图像完整性下降或完全图像丢失。可以通过测量图像清晰度和动态范围等因素来评估由相机链接技术引起的图像质量下降。

电缆属性

完整电缆组件或线束是现代车辆最复杂、最重且最难安装的组件之一。由于普通汽车的配线长度超过一公里,因此线束需要认真考虑。首先,对带宽有更高要求的应用(例如,用于自动驾驶车辆的超高分辨率前置摄像头)需要高质量的重型电缆。

近年来,由汽车于致力于更轻、更高效,以扩大内燃机汽车和电动汽车的续航里程,电缆重量已成为越来越受到关注的话题。对于涉及车辆的复杂布线的应用,电缆的弯曲半径可能很重要。对于摄像机位于铰链式身体部位的应用(例如,用于SVM系统的门或用于RVC和SVM系统的行李箱盖),电缆打开和关闭循环的坚固性至关重要。对于电缆可能暴露于恶劣环境的应用,可能需要防水。

无论选择哪种摄像机链接技术和电缆类型,每厘米电缆都会产生成本,并且如果将线束的所有成本汇总在一起,则可能导致线束成为车辆三大成本最高的元件之一。

传统的SD视频解决方案由于对带宽的要求较低,因此有助于使用经济高效的光缆。在许多情况下,非屏蔽双绞线(UTP)电缆(类似于低速控制链路电缆)被用于SD视频解决方案。

连接器

线束及其连接模块的另一个关键要素是电连接器。除了将线束连接到控制模块、传感器或电动机外,连接器还用于将同一电缆的不同部分连接到线束中(串联连接器)。串联连接器在汽车工业中广泛使用,以简化线束的构造、安装和维修保养。例如,使用非常靠近摄像头的嵌入式连接器意味着,如果摄像头损坏,则可以在不严重干扰车辆其余线束的情况下进行更换。

与上述电缆选择相同,连接器的选择可能会严重影响相机系统的总体成本。高分辨率系统通常需要支持更高带宽的连接器,因此价格更高。

连接器的其他考虑因素包括连接器在PCB和ECU表面上的占地面积,连接器是否必须密封或未密封,以及是否需要颜色编码/键控。

传统的SD视频解决方案有助于在摄像机和ECU或主机单元(HU)上使用经济高效的连接器解决方案。例如,SD视频RVC系统的视频信号通常与多引脚连接器上的其他信号(例如,控制网络和所需的电源信号)一起路由到ECU或HU。数字链路通常需要专用的连接器,这会在ECU上引入PCB和封装限制。

车辆架构

所涉及的车辆的结构可能会影响合适的相机链接技术的选择。标准车辆的电缆长度通常可以达到几米长,并且随着消费者趋向于更大的运动型多功能车,电缆长度还会继续增加。一些车辆架构具有其他功能可能带来新的电缆长度挑战,例如拖车倒车辅助系统——支持拖车的倒车和机动。商用车是摄影机系统将电缆延伸到最大长度的另一种架构挑战。大多数相机链接技术可以支持这些车辆架构和功能中的任何一种,但有些可能需要其他模块(例如中继器或转发器)来支持较长的电缆长度。

电磁兼容

电缆解决方案的电磁辐射和抗干扰能力是摄像机链接技术选择过程中的另一个关键因素,因为电缆可能会成为车辆内的天线,从而产生有害的结果。车辆中电气和电子系统的激增,会导致对此类系统(以兼容的方式共同存在)的依赖性越来越高。当一个系统(例如RVC系统)启用时,会影响另一个系统(例如,电动汽车牵引电动机或电动座椅机构),或产生受不可接受的影响。为此,在选择链路技术解决方案之前,至关重要的是要考虑其发射和抗干扰性能

为了确保内部或外部攻击者不会干扰车辆中的系统,汽车制造商将测试所有系统是否符合其特定的EMC标准。这些测试首先在系统级别(例如,后视摄像头或环视系统)进行。该测试既昂贵、耗时又具有挑战性,因为要确保每个模块在集成到车辆中之前都具有很高的耐用性。一旦成功完成系统级测试,汽车制造商还必须通过测试系统在大功率辐射信号(辐射抗扰度)轰炸下的运行能力,从而来验证车辆的系统运行和性能。制造商还将测量车辆中所有天线的接收频段(例如FM、GPS、蜂窝Wi-Fi等),以确保不存在干扰信号。车辆一级供应商解决EMC问题可能既昂贵又耗时。

其他需求

除了已经概述的要求之外,还有许多其他要求在指导摄像机链接技术的选择,例如控制通道可用性、像素精度和ASIL等级。

设计相机系统时,相机链接技术的选择受多种因素影响。摄像头链接技术的选择也会影响集成该技术的车辆的多个方面。基于SD视频技术的传统RVC系统为汽车OEM提供了一种极其可靠且经济高效的方法来在车辆内传输视频。然而,近年来,已经出现了消费者趋势,使得越来越大的显示器上越来越难以接受SD视频系统。立法的发展和消费者的期望也结合在一起,以继续增加每辆新车中摄像机的数量。

这些趋势和发展为各种摄像头链接技术的出现提供了背景,这些技术已在当今的各种汽车摄像头系统中使用。当今的相机链接技术仍然从传统SD RVC系统中经过验证的SD视频技术(例如CVBS)到高清模拟链接技术,再到高清数字链接技术。

汽车摄像头

图2:C2B体系结构概述。

标清视频技术只能支持低带宽应用,但反过来需要非常经济高效的电缆和连接器。数字链路技术支持高带宽应用,并提供像素精度等优势,但通常需要更昂贵的电缆和连接器。高清晰度模拟链路技术在上述两种解决方案之间取得了折衷,即通过经济高效的电缆和连接器提供高清晰度视频。

C2B是这样一种高清模拟链接技术,它使用经济高效的电缆和连接器为汽车OEM和一级供应商提供了对符合EMC标准的高清视频的有吸引力的支持组合。

C2B汽车Camera Link技术

C2B是由Analog Devices推向市场的高清模拟视频传输技术。

C2B从一开始就被设计为汽车相机链接技术,它支持以高达2 MPixel(1920×1080)的分辨率将高清视频从发射机传输到接收机。 C2B旨在利用传统上用于SD视频系统的UTP电缆和连接器的最大带宽容量。 C2B的创新均衡器架构可支持长达30 m的电缆,而无需重新传输。为确保C2B满足所有汽车要求,它对EMC进行了多项优化(优化的信号构造、抗混叠滤波器、频谱整形滤波器),并受益于ADI公司在汽车供应商中的信誉。

C2B具有一个控制通道,可以处理高达400 kHz的I2C信号传输,多达四个GPIO信号,以及来自摄像头模块的中断信号。这有利于系统架构,不仅包括本地配置(相机模块中的微控制器单元和ECU / HU中的MCU),而且还包括远程配置(ECU / HU中的MCU配置摄像头模块)。四个GPIO用于通过C2B链路传输静态信号。提供了两个中断信号,以允许C2B发送器将状态信息传递给C2B接收器。C2B将CRC检查应用于控制信道数据,并且在出现问题时可以自动启动重传。

C2B支持汽车客户的增值功能,例如电缆诊断(收集有关电池与电池短路和接地事件的电缆发生情况的信息)以及帧计数的收集、生成、解码和传输,来提供洞悉传输数据的完整性。

为汽车应用定义和设计的C2B采用了多个模块,以确保在低成本UTP电缆和低成本非屏蔽连接器上符合EMC标准。这些措施包括用于阻抗不匹配的回声消除、宽带共模抑制(在使用UTP电缆时很重要)以及输出信号的频谱整形以减少发射。C2B经过测试,符合国际设备级EMC标准和国际系统级EMC标准(CISPR 25第5类[发射]、ISO 11452-2 / ISO 11452-4 / ISO 11452-9、ISO 7637-3 [抗扰性]、ISO 10605 [ESD])。

汽车摄像头

图3:数字链接与C2B链接的视频帧捕获比较。

汽车摄像头

图4:数字链接与C2B链接的视频帧捕获比较。

这些功能使C2B成为两种类型的汽车制造商的有吸引力的解决方案:那些仍在使用SD相机解决方案并寻求低风险升级途径的人,以及那些已经转向基于数字链接技术的摄像头解决方案并正在寻求从高清模拟链接技术降低成本的途径的人。

与替代技术相比,C2B具有明显的系统成本优势的应用空间包括:后视摄像头、环视摄像头系统、电子镜和乘员监控系统。经过独立验证的C2B视觉无损特性可以提供与数字链接技术类似的高清性能,同时可以节省大量的系统级成本。

结论

C2B为汽车制造商提供了引人注目的链接技术解决方案,可用于促进将现有SD摄像机解决方案升级为HD或使用数字链接技术促进系统的迁移,从而降低系统成本。ADI公司提供用于C2B发送器(ADV7992)和C2B接收器(ADV7382 / ADV7383)的评估板,以加速技术研究和系统原型设计。在系统原型制作期间,如果开发接收器,则C2B发射器评估板可以用作C2B来源,而如果开发照相机,则C2B接收器评估板可以用作C2B接收器。

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