以太網(wǎng)——解決攝像機(jī)面臨的挑戰(zhàn)

除了在工業(yè)控制自動化網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域已廣泛普及外，以太網(wǎng)的應(yīng)用也繼續(xù)擴(kuò)大到更多工廠的器件和傳感器層。針對工業(yè)攝像機(jī)和傳感器的應(yīng)用，考慮采用基于以太網(wǎng)的連接而放棄模擬或 LVDS 等傳統(tǒng)方法的原因可能并不明顯。的確，如圖 1 所示，攝像機(jī)和中央單元的處理成本較高。然而，許多關(guān)鍵要素最終仍為汽車制造商提供了更低的成本和更高的性能。

 

 

圖 1. 攝像機(jī)耗費(fèi)成本

 

采用低成本非屏蔽線纜可顯著降低線纜的成本。此外，基于標(biāo)準(zhǔn)的 100BASE-TX 以太網(wǎng)也無需再使用有源以太網(wǎng) (PoE) 提供的額外的電力電纜。然而，要了解以太網(wǎng)的真正價值，必須通過簡單的材料清單看到更深的層次。一個連接辦公室、程序、控制和器件層的單一公用網(wǎng)絡(luò)即可以遠(yuǎn)程方式識別、監(jiān)視和控制網(wǎng)絡(luò)上的每一個器件。這不但可大幅提高管理效率，降低操作成本，還能顯著降低甚至消除更多明顯的機(jī)器故障風(fēng)險。

 

攝像機(jī)挑戰(zhàn)

 

對設(shè)計師而言，任何傳感器或攝像機(jī)應(yīng)用都面臨一些共同的關(guān)鍵挑戰(zhàn)；

 

小尺寸

 

面向工業(yè)和汽車應(yīng)用的攝像機(jī)和傳感器市場的發(fā)展，催生了越來越多的空間限制要求。

 

低功耗

攝像機(jī)傳感器產(chǎn)生的熱噪聲會直接影響圖像質(zhì)量。在缺乏所需空間限制的情況下，改善熱功耗和更低的功率對達(dá)到所需性能至關(guān)重要。

 

低噪聲

和熱噪聲一樣，電噪聲也會降低傳感器圖像的質(zhì)量。此外，還必須在最好不使用高成本線纜（例如，光纖電纜或屏蔽線纜等）的前提下達(dá)到工業(yè) EMC 的排放要求。

 

高可靠性

能夠在極端惡劣的環(huán)境下提供必要性能。

 

為證明標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)能符合攝像機(jī)系統(tǒng)的需求，麥瑞找來了汽車傳感器專業(yè)廠商 Silicon Micro Sensors GmbH（First Sensor AG 移動業(yè)務(wù)部）共同針對要求最嚴(yán)格的應(yīng)用，設(shè)計出一款小尺寸的“即可投產(chǎn)”的汽車和工業(yè)級解決方案；

 

·百萬像素 (720p) 級高動態(tài)范圍 (HDR) 攝像機(jī)

·視野范圍在 55° 到 190° 之間

·MJPEG 視頻壓縮

·以太網(wǎng) AVB 兼容比特流（MJPEG 或 UDP）

·支持有源以太網(wǎng)

·在低成本非屏蔽雙絞線上的速度可超過 100Mbps。

·達(dá)到 IP68 / IP6k9 標(biāo)準(zhǔn)，防水、防刮、防霧

 

下方圖 2 所示的麥瑞/SMS 解決方案基本功能方塊圖，在所有標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)攝像機(jī)設(shè)計中非常普遍。

 

 

圖 2. 以太網(wǎng)攝像機(jī)功能方塊圖

 

解決方案提供 Omnivision OV10635 或 Aptina AR0132AT 圖像傳感器等兩種選擇。飛思卡爾 MPC5604 處理器可根據(jù)輸入的 YUV 數(shù)字圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行 MJPEG 壓縮，并通過 MII（媒體獨(dú)立接口）連接到麥瑞 KSZ8061 Quiet-WIRE 100BASE-TX 以太網(wǎng) PHY。麥瑞 DS1001 MEMs 振蕩器提供系統(tǒng)定時。電源管則由經(jīng)過優(yōu)化的有源以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理。

 

以太網(wǎng)物理層可提供一系列可滿足攝像機(jī)系統(tǒng)需求的優(yōu)勢；

 

最少材料清單和小尺寸

 

采用標(biāo)準(zhǔn)的汽車以太網(wǎng)解決方案的一大優(yōu)勢在于，可提供獨(dú)立于應(yīng)用的最少標(biāo)準(zhǔn)材料清單，如下圖 3 所示。這提供了可超越任何汽車特定解決方案的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，并可形成多供貨商模式，使選擇面更廣，成本更低。

 

 

圖 3. 標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)材料清單

 

物理層由尺寸僅有 5mm x 5mm 的麥瑞 KSZ8061 Quiet-WIRE 100BASE-TX 以太網(wǎng)收發(fā)器提供。必須確保最低限度的電源濾波，且 PHY 收發(fā)器和磁性組件之間的線路接口不需要額外的無源器件，這可在提高信號完整性的同時降低成本和縮小 PCB 板上的空間。

 

另外也可以使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)磁性組件。近年來，以太網(wǎng)磁性組件已大為普及。在此，我們采用了 TDK 最新推出的汽車和工業(yè)以太網(wǎng)磁性組件。ALT4352 系列可支持表面貼裝技術(shù)；以繞線機(jī)繞制且尺寸更小的解決方案，最大高度僅2.9mm，非常適合空間有限的攝像機(jī)模塊。繞線機(jī)繞制磁性的組件不但可以降低成本，準(zhǔn)確性也更高（相對傳統(tǒng)手繞線圈組而言），并可提供功能更強(qiáng)且始終如一的性能。

 

免費(fèi)提供有源以太網(wǎng)！

 

100BASE-TX 磁性組件對實(shí)現(xiàn)性能和輸送電力同等重要。根據(jù) IEEE 802.3af/at“幻象供電

法”，已不再需要目前采用的安裝額外線纜來為遠(yuǎn)程傳感器供電的作法，只需采用通過磁性組件中心接線頭提供的直流電壓即可供電。此外，在汽車應(yīng)用中使用時，這種方法也可以進(jìn)一步獲得優(yōu)化，并在無需任何額外系統(tǒng)成本的情況下提供所有益處。首先，由于汽車接線是固定的，因此不再需要使用橋接整流器。其次，采用更多的有源以太網(wǎng)控制器配置也可顯著降低成本。受電端設(shè)備 (PD)（在本案例中指攝像機(jī)）是固定的且功耗已知，因此無需采用相對昂貴的控制器來和供電端設(shè)備 (PSE) 協(xié)調(diào)功率需求。如圖 4 所示，只需提供標(biāo)準(zhǔn)的 DC-DC 穩(wěn)壓器，即可實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)電源管理解決方案。采用 Hyper Light Load 技術(shù)的麥瑞 MIC28511 60Vin 3A 同步降壓穩(wěn)壓器可提供已降壓的一次電壓，這可確保在待機(jī)等低輸出功率工作的情況下高效工作。

 

 

圖 4. 免費(fèi)提供有源以太網(wǎng)

 

除優(yōu)化並提高成本效益，針對汽車應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng) PoE 具備由“幻象供電”法所帶來的額外優(yōu)勢。攝像機(jī)（PD 端）提供共模噪聲抑制；PSE (ECU) 發(fā)出的噪聲或沿雙絞線電纜提取的噪聲將做為共模噪聲與差動以太網(wǎng)信號耦合借此清除。此外，攝像機(jī) (PD) 和 ECU (PSE) 接地間的電流隔離可避免因電位不同而形成的輻射接地回路；這個問題對汽車而言已經(jīng)司空見慣。此外，還可連接到任何其他 IEEE 802.3af/at 供電端設(shè)備來實(shí)現(xiàn)互用性。您可自麥瑞取得“Auto-PoE”評估工具以展示該解決方案。

 

低功耗，高效率

 

在現(xiàn)今的市場上，100BASE-TX 以太網(wǎng)提供最低的 PHY 技術(shù)的功率。與基于 Gigabit 技術(shù)的解決方案相比，功耗和成本均降低了三倍之多。攝像機(jī)解決方案還能因可支持 IEEE 802.3az 節(jié)能以太網(wǎng) (EEE) 的 KSZ8061 而受益。在閑置狀態(tài)下（即，不傳送視頻流量時），PHY 可以轉(zhuǎn)換為低功率睡眠模式，該模式可減少 50% 以上的功耗。KSZ8061 以太網(wǎng) PHY 還可以提供小于 1uA 的業(yè)界最佳超低待機(jī)電流，這是所有電池備份應(yīng)用的理想之選。

 

KSZ8061 PHY 還提供一個獨(dú)特的信號偵測輸出引腳，它可用于標(biāo)示作用中鏈路伙伴的存在。PHY 待機(jī)模式可由信號偵測電路自動啟動及喚醒。此外，也可通過該輸出引腳關(guān)閉處理器和傳感器，為攝像機(jī)模塊提供小于 1uA 的遠(yuǎn)程待機(jī)和喚醒電流來進(jìn)行電源管理。

 

與提議使用特殊波形或模式序列的其他方法相比，這種遠(yuǎn)程關(guān)閉方案具有以下重要優(yōu)勢：

·可與任何以太網(wǎng)供貨商鏈路伙伴實(shí)現(xiàn)完全互用（在 ECU）。使用特殊波形/序列常常要求采用專屬實(shí)施方案，這會限制實(shí)際應(yīng)用。在供貨商驅(qū)動的消費(fèi)領(lǐng)域中，使用網(wǎng)絡(luò)喚醒 (WoL) 方法就是一個很好的例子，但事實(shí)上，這個領(lǐng)域很少使用這種方法。

·待機(jī)功耗降低。在物理層上構(gòu)建偵測電路所需的信號處理較少，因而功耗也較低。在以上例子中，WoL 仍需要 PHY 和部分 MAC 層始終保持通電狀態(tài)，這會導(dǎo)致待機(jī)功耗達(dá)到大約千倍以上。

 

低噪聲

 

采用 KSZ8061 以太網(wǎng) PHY 的麥瑞 Quiet-WIRE 技術(shù)與非屏蔽雙絞線相比，可減少 EMI 線路輻射并符合汽車和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn) 10/100BASE-TX PHY 可提供獨(dú)一無二、完全可編程的整合噪聲過濾（可減少輻射）和更出色的抗干擾性能。

 

除了因采用 KSZ8061 低功耗 100BASE-TX 技術(shù)而降低熱噪聲以外，有源以太網(wǎng)共模噪聲抑制和隔離攝像機(jī)接地也可降低電噪聲，借此優(yōu)化攝像機(jī)傳感器圖像質(zhì)量。降低熱耗散不僅能改善傳感器的性能，還可實(shí)現(xiàn)更高的穩(wěn)定性和燃料效率。

 

高可靠性

 

Quiet-WIRE 技術(shù)不僅能減少輻射，其卓越的電流注入 (BCI) 性能還能提供更出色的抗干擾性能。出現(xiàn) 200mA 噪聲電流注入時，在 1MHz 到 400MHz 的整個頻率范圍內(nèi)，PHY 收發(fā)器完全未出現(xiàn)任何錯誤，超越了 OEM 極限。

 

為滿足安全關(guān)鍵應(yīng)用和實(shí)時控制應(yīng)用的需求，KSZ8061 能夠在 20ms 內(nèi)，且無需處理器介入的前提下完成通電和連結(jié)。KSZ8061 收發(fā)器信號質(zhì)量指示器 (SQI) 還可以實(shí)時持續(xù)監(jiān)控線束質(zhì)量。

 

攝像機(jī)時鐘定時是由麥瑞 DSC1001 MEMs 25MHz 振蕩器提供。MEMs 技術(shù)具有卓越的頻率溫度穩(wěn)定度，與晶體振蕩器相比可提供 20 倍的 MTBF（故障前平均時間）和 500 倍以上的抗沖擊性。圖 6 顯示了 DSC1001 MEMs 和石英晶體振蕩器之間的輸出頻率溫度穩(wěn)定度對比。

 

 

圖 6. MEMS 和石英振蕩器的頻率溫度穩(wěn)定度