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實現大規模可靠的連接
乙太網電磁相容性發展為工業車輛帶來重大變革

【作者: Jason Tollefson】   2019年04月08日 星期一

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圖一 : 工業車輛的範例
圖一 : 工業車輛的範例

汽車的自動駕駛功能獲得很多的關注並在未來充滿了希望,但這並不是唯一的可自動化車輛。在工業車輛和卡車也在力圖獲得發展自動駕駛的優勢。


工業車輛(例如工程、農業和公共運輸中使用的工業車輛)對目前正在開發的汽車通訊技術帶來了特殊的挑戰,其中主要的挑戰是尺寸。無論是在長度還是巨大的周長方面,通訊電纜的長度都遠超過汽車。更糟糕的是,增加電纜長度意味著增大暴露於環境雜訊下的可能性,這會對其電磁相容性(EMC)效能產生不利影響。


工業車輛的自動化

安全性和效率是工程車輛自動化帶來的兩個優勢。例如,可透過能夠提供挖掘工地現場周圍360°即時影像的攝影機的視覺系統來提高安全性,進而降低人機互動。工業車輛的遠端控制是自動化的另一個安全優勢。一個例子是在施工現場實施遠端控制推土。藉由讓操作員遠離車輛,降低對操作員造成傷害的風險。透過將全球導航衛星系統(GNSS)與葉片位置感測器和慣性感測器整合則可進一步提高效率,能夠實現土壤分級任務的自動化,以加快工作的完成速度。


效率也是農場設備自動化要實現的目標。通過將攝影機系統與轉向控制相結合,可減少因輪胎壓痕而受損的作物量。由於可以精確定位車輛,因此還允許提高車輛速度,這有助於提高作物產量並減少執行工作的時間。


最後一點是,聯結車也在融入自動化。去年,測試了一輛全自動卡車如何完成運送啤酒的任務。這輛卡車整合有攝影機、光感探測和測距(LIDAR)以及其它感測器,能夠在美國西部幾個允許自動駕駛汽車行駛的州自主駕駛。這項技術有望大幅降低能源成本、提高安全性以及提高車輛效用。


要實現上述有關安全性和效率的進步,需要通過超長電纜在整個車輛中實現通訊。現在來探討一下自動化中最常用的技術及其與上述大型工業車輛的相容性。


通訊技術

要連接自動駕駛車輛的各種視訊、音訊、感測器和遠端資訊處理子系統,目前有幾種選擇;其中CAN、CAN-FD、LVDS、MOSTR和乙太網最為突出。正如我們所見,由於這些車輛的尺寸巨大,必須考慮每種技術的電纜長度及其相關頻寬。


表一顯示出通訊技術的資料速率與其最高頻寬下的傳輸長度。


表一:通訊技術的頻寬和電纜長度

Technology

Cable Reach

Data Rate

Cabling

Ethernet with Quiet-WIRE Technology

80m

100 Mb/s

Unshielded Twisted Pair(UTP)

MOST Technology

>40m

150 Mb/s

Plastic Optical Fiber/Coaxial UTP

CAN-FD

40m

8 Mb/s

Shielded Twisted Pair

CAN

25m

1 Mb/s

Shielded Twisted Pair

LVDS

18m

500 Mb/s

Shielded Twisted Pair

Ethernet 802.3bw

15m

100 Mb/s

Unshielded Twisted Pair(UTP)


雖然適用於局部感測器資料,但CAN和CAN-FD資料速率對於視訊傳輸來說是太低了點。4k壓縮視訊需消耗12 Mbps以上的資料速率,這遠高於CAN-FD的頻寬。隨著攝影機的不斷添加,將需要更多頻寬。美國的聯結車長達18米。這將排除LVDS和802.3bw(100Base-T1)技術,這兩種技術無法在沒有中繼器或交換機的情況下傳輸視訊。只剩下兩種通訊選項可進行長距離高資料速率傳輸:MOST技術和採用Quiet-WIRE技術的乙太網路。


EMC—電磁相容性

要實現大範圍穩定性,必須在惡劣的環境中保持可靠。這意味著當附近有電磁能量時,要忽略它。更重要的是,這不會導致EMC問題以及隨之而來的通訊輸送量損失。



圖二 : 電磁能量
圖二 : 電磁能量

畢竟,上面討論的所有技術追根就底都擁有很強壯的根基,這也是針對汽車使用選擇這些技術的原因。表二列出了訊號傳輸方法,透過這些方法進行設計可使每種技術的電纜佈線實現良好的穩定性。


表二:通訊技術的訊號傳輸方法

Technology

Signal

CAN

Differential Pair

CAN-FD

Differential Pair

Ethernet with Quiet-WIRE Technology

Magnetically Coupled Differential Pair

MOST Technology

Plastic Optical/Coaxial/Differential Pair

LVDS

Differential Pair

Ethernet 802.3bw

Differential Pair


由於乙太網技術具有卓越且易於理解的EMC效能、高頻寬且符合相關標準(最重要的一點),因此在工業車輛中比其他技術更具吸引力。我們來看看EMC如何影響乙太網的效能。


EMC、發射和敏感性可能導致資料封包丟失,這是節點或鏈路夥伴正確發送或理解的資料傳輸失敗的情況。發射源可能來自會在乙太網導線上引起雜訊的臨近電子設備或馬達時。為了降低對這些發射的敏感度,Quiet-WIRE等技術可改善元件內置接收器電路的敏感度和濾波效果,同時還可減少發射器側發出的雜訊。


大電流注入(BCI)是測量抗噪效能的常用方法。表3提供了使用BCI方法時基於Quiet-WIRE的接收器的效能。資料證實,在1 MHz至400 MHz的整個頻率範圍內,Quiet-WIRE接收器在具有200 mA雜訊電流注入的情況下實現了無錯傳輸,這已超出了汽車OEM限制。相比之下,不使用Quiet-WIRE技術的接收器則經歷了9 dBm的訊號接收降級——降級明顯,效能約降為原來的十分之一。



圖三 : 支持Quiet-WIRE的PHY與標準PHY的性能
圖三 : 支持Quiet-WIRE的PHY與標準PHY的性能

Quiet-WIRE技術的另一個優勢是訊號品質指標。這項數值近似於訊噪比,用於衡量電纜長度、電纜品質和耦合環境雜訊。它可以被即時監控,用於預測鏈路故障或確保滿足高可靠性安全運行的效能標準。


Quiet-WIRE開關和PHY

可以使用Microchip的KSZ8061 PHY和KSZ8567開關實現完整的Quiet-WIRE網路。圖四提供了使用這些元件的工業車輛的方塊圖。KSZ8061 PHY和KSZ8567開關具有配置接腳選項,可在製造時啟動Quiet-WIRE,無需任何軟體介入。但是,需要時,可以透過軟體禁止濾波功能。Quiet-WIRE技術的另一個優勢是它與標準乙太網元件相容。例如,標準乙太網元件(例如診斷工具)可以與Quiet-WIRE開關一起使用,與單獨的標準乙太網相比效能將得到提高。



圖四 : 工業車輛網絡圖
圖四 : 工業車輛網絡圖

Microchip提供24種採用Quiet-WIRE技術的乙太網產品供您選擇,包括符合AEC-Q100標準的產品,支援最高105?C的擴展溫度規格。


實現可靠性

現在,可以在最大、最嚴苛的應用(如工程、農業和聯結車中的應用)中實現穩健可靠的運行。完整的Quiet-WIRE產品組合有助於解決電纜長度、資料速率和EMC等關鍵設計問題;目前正在進行將自主功能整合到車輛中的工作。Quiet-WIRE及其在最長80米的10倍電纜長度下的增強型EMC效能必然有助於開啟更安全、更高效的工業車輛時代。


(本文作者Jason Tollefson為Microchip公司資深產品行銷經理)


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資料來源


[1]http://www.forconstructionpros.com/equipment/earthmoving/excavators/product/12075529/volvo-construction-equipment-volvo-ew160e-ew180e-wheeled-excavators


[2]https://www.youtube.com/watch?v=yAsi7m3X8pI


[3]http://www.cat.com/en_US/by-industry/mining/surface-mining/surface-technology/command/command-for-dozing.html


[4]http://www.komatsuamerica.com/innovation/intelligent-machine-control


[5]https://www.deere.com/en_US/products/equipment/ag_management_solutions/guidance/guidance.page


[6]https://www.forbes.com/sites/alanohnsman/2016/10/25/this-buds-for-the-robot-otto-anheuser-busch-claim-first-automated-truck-shipment/#5c122c845615


[7]http://blog.streamingmedia.com/2015/01/4k-streaming-bandwidth-problem.html


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