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实现大规模可靠的连接
乙太网电磁相容性发展为工业车辆带来重大变革
[作者 Jason Tollefson]   2019年04月08日 星期一 浏览人次: [1878]


图一 : 工业车辆的范例
图一 : 工业车辆的范例

汽车的自动驾驶功能获得很多的关注并在未来充满了希??,但这并不是唯一的可自动化车辆。在工业车辆和卡车也在力图获得发展自动驾驶的优势。


工业车辆(例如工程、农业和公共运输中使用的工业车辆)对目前正在开发的汽车通讯技术带来了特殊的挑战,其中主要的挑战是尺寸。无论是在长度还是巨大的周长方面,通讯电缆的长度都远超过汽车。更糟糕的是,增加电缆长度意味着增大暴露於环境杂讯下的可能性,这会对其电磁相容性(EMC)效能产生不利影响。


工业车辆的自动化

安全性和效率是工程车辆自动化带来的两个优势。例如,可透过能够提供挖掘工地现场周围360。即时影像的摄影机的视觉系统来提高安全性,进而降低人机互动。工业车辆的远端控制是自动化的另一个安全优势。一个例子是在施工现场实施远端控制推土。藉由让操作员远离车辆,降低对操作员造成伤害的风险。透过将全球导航卫星系统(GNSS)与叶片位置感测器和惯性感测器整合则可进一步提高效率,能够实现土壤分级任务的自动化,以加快工作的完成速度。


效率也是农场设备自动化要实现的目标。通过将摄影机系统与转向控制相结合,可减少因轮胎压痕而受损的作物量。由於可以精确定位车辆,因此还允许提高车辆速度,这有助於提高作物产量并减少执行工作的时间。


最後一点是,联结车也在融入自动化。去年,测试了一辆全自动卡车如何完成运送啤酒的任务。这辆卡车整合有摄影机、光感探测和测距(LIDAR)以及其它感测器,能够在美国西部几个允许自动驾驶汽车行驶的州自主驾驶。这项技术有??大幅降低能源成本、提高安全性以及提高车辆效用。


要实现上述有关安全性和效率的进步,需要通过超长电缆在整个车辆中实现通讯。现在来探讨一下自动化中最常用的技术及其与上述大型工业车辆的相容性。


通讯技术

要连接自动驾驶车辆的各种视讯、音讯、感测器和远端资讯处理子系统,目前有几种选择;其中CAN、CAN-FD、LVDS、MOSTR和乙太网最为突出。正如我们所见,由於这些车辆的尺寸巨大,必须考虑每种技术的电缆长度及其相关频宽。


表一显示出通讯技术的资料速率与其最高频宽下的传输长度。


表一:通讯技术的频宽和电缆长度

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)


虽然适用於局部感测器资料,但CAN和CAN-FD资料速率对於视讯传输来说是太低了点。4k压缩视讯需消耗12 Mbps以上的资料速率,这远高於CAN-FD的频宽。随着摄影机的不断添加,将需要更多频宽。美国的联结车长达18米。这将排除LVDS和802.3bw(100Base-T1)技术,这两种技术无法在没有中继器或交换机的情况下传输视讯。只剩下两种通讯选项可进行长距离高资料速率传输:MOST技术和采用Quiet-WIRE技术的乙太网路。


EMC电磁相容性

要实现大范围稳定性,必须在恶劣的环境中保持可靠。这意味着当附近有电磁能量时,要忽略它。更重要的是,这不会导致EMC问题以及随之而来的通讯输送量损失。



图二 : 电磁能量
图二 : 电磁能量

毕竟,上面讨论的所有技术追根就底都拥有很强壮的根基,这也是针对汽车使用选择这些技术的原因。表二列出了讯号传输方法,透过这些方法进行设计可使每种技术的电缆布线实现良好的稳定性。


表二:通讯技术的讯号传输方法

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


由於乙太网技术具有卓越且易於理解的EMC效能、高频宽且符合相关标准(最重要的一点),因此在工业车辆中比其他技术更具吸引力。我们来看看EMC如何影响乙太网的效能。


EMC、发射和敏感性可能导致资料封包丢失,这是节点或链路夥伴正确发送或理解的资料传输失败的情况。发射源可能来自会在乙太网导线上引起杂讯的临近电子设备或马达时。为了降低对这些发射的敏感度,Quiet-WIRE等技术可改善元件内置接收器电路的敏感度和滤波效果,同时还可减少发射器侧发出的杂讯。


大电流注入(BCI)是测量抗噪效能的常用方法。表3提供了使用BCI方法时基於Quiet-WIRE的接收器的效能。资料证实,在1 MHz至400 MHz的整个频率范围内,Quiet-WIRE接收器在具有200 mA杂讯电流注入的情况下实现了无错传输,这已超出了汽车OEM限制。相比之下,不使用Quiet-WIRE技术的接收器则经历了9 dBm的讯号接收降级降级明显,效能约降为原来的十分之一。



图三 : 支持Quiet-WIRE的PHY与标准PHY的性能
图三 : 支持Quiet-WIRE的PHY与标准PHY的性能

Quiet-WIRE技术的另一个优势是讯号品质指标。这项数值近似於讯噪比,用於衡量电缆长度、电缆品质和耦合环境杂讯。它可以被即时监控,用於预测链路故障或确保满足高可靠性安全运行的效能标准。


Quiet-WIRE开关和PHY

可以使用Microchip的KSZ8061 PHY和KSZ8567开关实现完整的Quiet-WIRE网路。图四提供了使用这些元件的工业车辆的方块图。KSZ8061 PHY和KSZ8567开关具有配置接脚选项,可在制造时启动Quiet-WIRE,无需任何软体介入。但是,需要时,可以透过软体禁止滤波功能。Quiet-WIRE技术的另一个优势是它与标准乙太网元件相容。例如,标准乙太网元件(例如诊断工具)可以与Quiet-WIRE开关一起使用,与单独的标准乙太网相比效能将得到提高。



图四 : 工业车辆网络图
图四 : 工业车辆网络图

Microchip提供24种采用Quiet-WIRE技术的乙太网产品供您选择,包括符合AEC-Q100标准的产品,支援最高105?C的扩展温度规格。


实现可靠性

现在,可以在最大、最严苛的应用(如工程、农业和联结车中的应用)中实现稳健可靠的运行。完整的Quiet-WIRE产品组合有助於解决电缆长度、资料速率和EMC等关键设计问题;目前正在进行将自主功能整合到车辆中的工作。Quiet-WIRE及其在最长80米的10倍电缆长度下的增强型EMC效能必然有助於开启更安全、更高效的工业车辆时代。


(本文作者Jason Tollefson为Microchip公司资深产品行销经理)


?


资料来源


[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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