高级驾驶辅助系统 (ADAS)、自动驾驶汽车和其他尖端车辆技术的发展正在将通信系统的带宽和延迟要求推向全新的水平。

客户需要能够自动化或增强操作任务的功能，以提高驾驶员的生产力、安全性，并在许多情况下降低总拥有成本和运营成本。现在，客户对车辆的基本要求包括自动制动、自适应转向、车载诊断、车对车 (V2V) 和车对基础设施 (V2I) 通信，以及为驾驶员提供 360 度全方位视野的摄像头。

这些功能需要以高速和低延迟传输大量数据。随着工程师设计新模型以满足这些客户需求，挑战在于确保信号完整性和正确的数据传输。

设计具有以太网和 CAN 总线的混合架构

控制器局域网 (CAN) 总线是一种坚固的车辆连接架构，使控制器和电子设备能够相互通信。该协议支持多路复用等功能，以减少系统中电线的数量和成本。该协议通常可以实现高达 500 Kbps 的速度，并且几十年来一直是大多数乘用车和重型车辆的可靠骨干连接架构。 

然而，高级车辆功能和安全性和生产力的自动化功能所需的数据带宽太大，无法单独由 CAN 提供服务。为了处理增加的数据需求并提供高速连接，需要复杂的网络基础设施。 

使用汽车以太网升级为有线车辆通信

以太网是汽车制造商的自然首选，因为该技术经受住了时间的考验。然而，以太网本身是不够的，它缺乏汽车应用所需的稳健性和响应能力。 

因此，业界对以太网标准进行了修订，并开发了特殊版本以适应特定应用。汽车以太网也是以汽车应用场景为中心而发展起来的，与家庭以太网有很大不同。根据 IEEE 802.3 的规定，汽车以太网是以太网的一个子类别，包括单平衡双绞线以太网协议，如 100BASE-T1 或 1000BASE-T1，可提供 100 Mbps 的点对点 (P2P) 全双工数据传输和分别为 1 Gbps。 

以太网网络和连接器允许原始设备制造商 (OEM) 设计人员将更多设备无缝集成到网络中，并加速车辆中的数据连接。作为一种 P2P 拓扑，以太网改变了车辆的电气和电子架构。随着原始设备制造商 (OEM) 决定添加更多功能和设备，设计人员还需要考虑以太网交换机来引导信号和网关，以实现以太网和 CAN 之间的通信。

优化通信链路的选择和放置

为了在恶劣条件下优化空间、重量和性能，设计人员必须考虑如何在设计的初始阶段将以太网集成到需要的地方。 

这涉及做出决策，例如在车内放置多少根电缆、放置它们的位置、放置以太网开关的位置，以及开关应该在现有的电子控制单元 (ECU) 中还是必须制作新的专用 ECU对于需要以太网的每个功能。这些决定对于避免或减轻电磁干扰 (EMI) 和其他机械干扰至关重要。

例如，重型车辆上的 360 度摄像头将车外的高速数据传输到车内显示器，以便驾驶员了解他/她的周围环境。四个摄像头（车辆两侧各一个）向 ECU 发送信号。系统设计人员需要规划开关的放置位置，以组合来自四个摄像头的数据并将其以单个信号的形式发送到 ECU。开关可以在车辆中，也可以在其中一个摄像头中，该摄像头有四个端口，用于输入来自其他三个摄像头的数据，然后发送数据。另一种选择是将开关集成到视频显示监视器中。

建立面向未来的车辆连接网络

主动自动化功能（例如自动制动和其他包含多传感器阵列的 ADAS）在早期设计阶段需要更多思考。每个传感器都有一个到 ECU 的专用通信链路。车辆拥有的传感器越多，需要的电缆和连接就越多。 

未来的自动驾驶重型车辆可能需要大约 16 个无线电探测和测距 (RADAR)、10 个光探测和测距 (LIDAR)以及车辆周围的 10 个摄像头的广泛传感器阵列。这是 30 多根电缆和链路，需要抗 EMI 和智能布线，同时考虑空间、重量和 EMI，以保持机箱内外的信号完整性，因为链路进入一个 ECU。

更大的商用车带来更多挑战

工业和商用车辆的巨大尺寸在保持信号完整性和可靠传输数据方面提出了挑战。对于通过汽车中的以太网链路发送信号，该标准规定最大距离为 15 米。但对于卡车、公共汽车和非公路车辆，信号完整性必须保持更长的长度，最长可达 40 米或更长，同时承受剧烈振动、极端温度、冲击、严重的灰尘条件和更多的。

以太网标准目前规定在 40 米范围内最多有四个串联连接。设计人员需要评估每个段可以保持最佳信号完整性的时间。影响这一点的因素可能是暴露于外部元件、高温、放置在天线附近或其他可能导致 EMI 的组件。路由是设计的关键要素，整个物理层必须按预期进行扩展。

选择正确的组件

在设计带有 CAN 和以太网的混合架构时，工程师需要预先考虑整个连接基础设施，即他们将结合哪些先进的、大量数据的功能。技术越先进，原始设备制造商和供应商之间的合作就越重要。 

除了广泛的组件，来自 TE Connectivity 等品牌的产品专家和设计工程师为合作伙伴提供产品开发解决方案和咨询，以确保最大限度地优化设计并延长设计寿命。

TE Connectivity 的数据连接工程经理 Abas Alwishah 解释说：“假设客户告诉我他们需要一个延迟非常低的高清摄像头或接近检测系统。在这种情况下，我可以解释实现该功能或系统所需的所有单个组件。通过分享有关传感器的详细信息，连接器、电缆组件、天线、处理器、显示器等，可以提供有关拓扑结构的建议，以优化性能、空间、重量和成本。”

选择能够承受恶劣条件的以太网兼容组件是在长寿命、重型车辆中实现可靠数据传输的关键。汽车以太网连接器（最初是为乘用车设计的）可用于车厢或其他不受极端冲击、温度或其他因素影响的车辆区域，在这些区域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适用于车辆大部分区域的以太网，仅在必要时才使用屏蔽双绞线。设计师的选择也将有助于控制成本并节省空间和重量。

例如，用于汽车以太网的模块化和可扩展小型化汽车以太网 (MATEnet) 连接器可用于重型车辆，用于需要大中型数据量和低延迟的应用，例如车载诊断、车联网(Vehicle-to-Everything) ( V2X) 技术、远程信息处理、仪表板信息娱乐、ADAS 等。该连接器可以以 100 Mbps 到 1 Gbps 的速度传输数据（根据 IEEE 100BASE-T1/1000BASE-T1 标准），并且可以与非屏蔽或屏蔽双绞线电缆一起使用。

图 2：MATEnet 连接器和电缆组件。

底盘上的组件需要的不仅仅是坚固性。它们必须表现出机械可靠性、可维修性、能够承受极端温度，并在更长的通道长度下高效运行。在处理更高频率时，电缆/连接器的质量和设计会显着影响通道性能，最终影响应用性能。特别是对于机箱上的组件，工程师需要选择专为在恶劣环境中进行高速数据传输而设计的电缆和连接器。

TE Connectivity 数据连接产品经理Mark Brubaker认为，“在尝试满足机械弹性需求时，一些工程师可能会本能地考虑添加更大、更坚固的外壳，但更厚的壁可能会对电气性能产生负面影响。重要的是要了解历史上的有效方法，但也需要进一步了解新一代的高速数据传输电气需求，并测试在所涉及的更高频率下连接将如何执行。”

结论

在设计需要高速数据传输的高级和自动化功能时，产品选择和放置不能是事后考虑。在将以太网添加到重型车辆架构中时，设计人员必须比以往任何时候都更早、更深入地考虑和规划所涉及的复杂性。这是成功平衡可靠性和机械弹性与高速数据、更长通道长度和可维护性需求的电气要求的唯一方法。