克服汽车摄像头连接挑战

克服汽车摄像头连接挑战

Overcoming automotive camera link challenges

摄像头系统和摄像头连接技术在车辆上的应用越来越广泛，以帮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）系统正在被具有四个或更多摄像头的全方位车身视景系统（SVS）所取代，该系统可提供车辆的360°视角。行车记录仪、盲点监控、夜视、路标识别、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，摄像头也被引入到各种应用中，如驾驶员生命体征监控、乘客检测和人机界面手势识别（HMI）。摄像头系统的发展甚至使汽车制造商能够通过更换传统的功能（如后视镜）来重新想象车辆的轮廓。

Figure 1. Proliferation of cameras in modern vehicles.

列出的许多不同的摄像机应用程序都与标准清晰度（SD）RVC系统有着相同的起源，但在今天的许多车辆中仍然是如此。十多年来，SD摄像机系统已被常规地应用于汽车应用，根据立法要求和客户期望，从高档车扩展到更广泛的车辆系列。SD视频系统为汽车原始设备制造商提供了许多有价值的好处：由于消费电视行业多年来成熟的技术，低风险，低带宽需求导致能够使用便宜的电缆和连接器，同时还保持可控的排放，以及一系列成熟的视频编码器和解码器，可处理潜在的不稳定视频输入。
今天，超高清晰度（UHD）显示器在消费类设备中的普遍存在，推动了对各种车辆上更大、更高清晰度显示器的需求。虽然SD视频在较小的显示屏上看起来令人满意，但如今的消费者在大屏幕上很容易察觉到它的缺点（例如，在分离调制信号中的亮度和色度信号时，由于SD视频的有限带宽或交叉色伪影而导致的高频细节缺失）。大屏幕的趋势导致汽车原始设备制造商面临着将其相机架构升级到高清晰度的挑战。解决这一挑战所涉及的一个关键构建块是选择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）的摄像机链路技术。
在为应用程序选择新的相机链接技术时，第一个用例特征是所需的带宽。就带宽要求而言，相机系统的范围很广。使用SD视频分辨率的传统RVC系统需要较低的带宽（例如，6mhz）。支持向量机系统，通常在低速下使用，使用低刷新率（例如，30赫兹）来最大限度地提高曝光率，这会限制所需的带宽。后视镜更换系统可以在车辆的整个工作速度范围内工作，它使用更高的刷新率（例如，60赫兹或更高频率）来最小化延迟，这就需要增加带宽。用于自动驾驶应用的前置摄像头要求超高分辨率（例如，18+MPixel），因此具有非常高的带宽要求。许多相机连接技术的存在提供了广泛的带宽能力，他们的选择受到相机系统和整个车辆的几个方面的影响，并且可以影响。

图像质量

相机连接技术所能提供的图像质量是建筑设计中的一个关键因素。通过没有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的损失或完全的图像丢失。通过测量诸如图像清晰度和动态范围等因素，可以评估相机连接技术引起的图像退化。

电缆属性

现代车辆的完整电缆总成或线束是其最复杂、最重、最难安装的部件之一。一般的汽车都有超过一公里的电线，所以线束需要认真考虑。首先，带宽要求更高的应用程序（例如，用于自主车辆的超高分辨率前置摄像头）需要高质量、重电缆。近年来，为了增加内燃机车和电动汽车的行驶里程，使汽车更轻、更高效，缆索重量已成为一个越来越受到关注的话题。对于涉及车辆复杂布线的应用，电缆支撑的弯曲半径可能很重要。对于摄像机位于铰链式车身部件中的应用（例如，SVM系统的门或RVC和SVM系统的行李箱盖），电缆对打开和关闭循环的鲁棒性至关重要。对于电缆可能暴露在恶劣环境中的应用，可能需要防水。

不管摄像机连接技术和所选的电缆类型如何，每一厘米电缆都有成本，并且，当对线束的所有成本进行整理后，它可能导致线束成为车辆三个最昂贵的元件之一。

传统的SD视频系统，由于其低带宽需求，方便使用极为经济高效的光缆。在许多情况下，非屏蔽双绞线（UTP）电缆，类似于通常用于低速控制链路（如CAN）的电缆，用于SD视频。

连接器

线束及其连接模块的另一个关键元件是电气接头。除了将线束连接到控制模块、传感器或电机外，接头还用于连接线束内同一电缆的不同部分（直列式接头）。直列式连接器广泛用于汽车工业，以简化线束的构造、安装和可维护性。例如，使用非常靠近摄像头的直列式连接器意味着，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。

连接器的选择，与上面描述的电缆选择一样，是相机系统总体成本的重要决定因素。高分辨率系统通常需要支持更高带宽的连接器，因此成本更高。

其他连接器考虑因素包括连接器在PCB和ECU表面上的足迹，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视频系统便于在摄像机和ECU或主机单元（HU）上使用经济高效的连接器。例如，SD-video-RVC系统的视频信号通常与多针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和封装约束。

车辆结构

所涉及车辆的结构可能会对选择合适的摄像头连接技术产生多种影响。标准车辆的电缆长度通常可达几米，随着消费者趋向于更大的运动型多用途车，电缆长度也在增加。一些车辆结构具有附加功能，可能会带来新的电缆长度挑战，如拖车倒车辅助，以支持拖车的倒车和操纵。

商用车是另一个架构挑战，在这方面，摄像头系统将电缆拉伸到最大长度。大多数相机连接技术可以支持这些车辆的任何结构和功能，但有些可能需要额外的模块，如中继器或重传器，以支持长电缆长度

电磁兼容EMC

电缆的电磁辐射和抗扰性是摄像机连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导致了对这些系统以兼容方式共存的依赖性日益增加。一个系统（例如，RVC系统）不能影响或受到另一个系统（例如，电动车辆牵引电机或电动座椅机构）的影响，当任一系统启用时。为此，在选择链路技术之前，必须考虑其发射和抗扰性能。

为确保内部或外部攻击者不会干扰车内系统，汽车制造商将按照其特定的EMC标准测试所有系统。这些测试首先在系统级进行（例如，后视摄像头或全方位视野系统）。该测试成本昂贵、耗时且具有挑战性，但确保每个模块在集成到车辆中之前具有较高的鲁棒性。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受到高功率辐射信号（辐射抗扰度）轰炸时的运行能力来验证系统在车辆中的运行和性能。制造商还将测量车辆中所有天线的接收频带（例如FM、GPS、蜂窝、Wi-Fi等），以确保不存在干扰信号。在车辆级别解决EMC问题既昂贵又耗时。

其他要求

除了已经概述的要求外，还有大量其他要求指导摄像机连接技术的选择，例如控制通道可用性、像素精度和ASIL等级。

摄像机连接技术的选择

在设计相机系统时，相机连接技术的选择受到多种因素的影响。摄像机连接技术的选择也会影响车辆的几个方面。传统的RVC系统建立在SD视频技术上，为汽车原始设备制造商提供了一种非常可靠和经济高效的方法来传输车内的视频。然而，近年来，消费者的趋势出现了，使得SD视频系统越来越不能被大屏幕所接受。消费者对每一款新车的开发也有不断增加的期望。

这些趋势和发展为当今汽车中使用的多种摄像头连接技术的出现提供了背景，这些技术贯穿于汽车摄像头系统的光谱中。今天的摄像机连接技术仍然从传统的SD-RVC系统中验证的SD视频技术（例如CVBS）到高清晰度数字链接技术。

SD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点，但通常需要更昂贵的电缆和连接器。高清模拟链路技术（如车载摄像头总线（C2B））在上述两种方法之间提供了折衷方案，通过经济高效的电缆和连接器提供符合EMC标准的高清视频。

高清模拟摄像机连接技术

使用高清晰度模拟视频传输技术C2B的一个优点是，它们从一开始就被设计成汽车摄像头连接。C2B支持非屏蔽双绞线（UTP）电缆和非屏蔽连接器上的高清视频。这使得无需改变现有的电缆和连接器基础设施就可以从SD升级到HD摄像机。

C2B支持高清视频从发射机到接收机的传输，分辨率高达200万像素（1920×1080）。它被设计为利用传统上用于SD视频系统的UTP电缆和连接器的最大带宽容量，并且允许在不重传的情况下使用长达30 m的电缆。为了确保C2B满足所有的汽车要求，它利用了一些针对EMC的优化功能，包括优化的信号结构、抗混叠滤波器和频谱成形滤波器。

C2B具有一个控制通道，可以处理高达400khz的I2C信号、多达四个GPIO信号和来自相机模块的中断信号的传输。这有助于系统架构，不仅包括包括相机模块中的微控制器单元（MCU）和ECU/hub中的MCU的本地配置，而且还包括使用ECU/HU中的MCU配置相机模块的远程配置。四个gpio用于通过C2B链路传输静态信号。提供两个中断信号，以允许C2B发射器向C2B接收器传送状态信息。C2B对控制信道数据进行CRC校验，并能在出现问题时自动发起重传。
Figure 2. C2B architecture overview.

C2B支持汽车客户的增值功能，如电缆诊断（电缆对电池短路和对地短路事件的信息收集）和帧计数收集、生成、解码和传输，以深入了解传输数据的完整性。

C2B是为汽车应用而定义和设计的，它采用了多个模块，以确保在低成本UTP电缆和低成本非屏蔽连接器上的EMC法规遵从性。其中包括阻抗失配的回波消除、宽带共模抑制（使用UTP电缆时很重要）和输出信号的频谱整形以减少发射。C2B经过测试并符合国际设备级EMC标准和国际系统级EMC标准（CISPR 25 5级[发射]、ISO 11452-2/ISO 11452-4/ISO 11452-9、ISO 7637-3[抗扰度]、ISO
10605[ESD]）。

这些特性使得C2B对于两类汽车制造商来说是一个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路径的制造商；另一类是已经转向基于数字链路技术的相机解决方案，并正在寻求从高清模拟链路技术中降低成本的途径。

与其他技术相比，C2B具有显著的系统成本优势的应用领域包括后视摄像头、全方位车身影像系统、电子后视镜和乘员监控系统。C2B独立验证的视觉无损特性可以提供与数字链路技术类似的高清晰度性能，同时显著节省系统级成本。

Figure 3. Comparison of video frame
captures for a digital link vs. a C2B
link.

Figure 4. Comparison of video frame captures for a digital link vs. C2B
link.

C2B使汽车制造商能够将现有的SD摄像机升级到HD，或者使用数字链路技术促进系统的迁移，从而降低系统成本。借助C2B发射器（ADV7992）和C2B接收器（ADV7382/ADV7383）的评估板，原始设备制造商可以加快技术研究和系统原型制作。在系统原型设计过程中，开发接收机时，C2B发射机评估板可用作C2B信源，而开发摄像机时，C2B接收机评估板可用作C2B接收器。