隨著汽車產(chǎn)業(yè)朝著半自動和全自動駕駛汽車的概念邁進(jìn),，各種復(fù)雜且靈敏的電子系統(tǒng)大大增加,。從社會效益角度看，自動化有望使道路更安全,，更少發(fā)生事故,，并能主動緩解交通擁堵,。自動駕駛需要多個高性能的互連傳感器和子系統(tǒng)，才能可靠和安全地運(yùn)行。電動或混合動力汽車的應(yīng)用環(huán)境在電氣層面非常嚴(yán)酷,，且具有嘈雜的噪聲,，使可能存在的技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)一步復(fù)雜化。系統(tǒng)可能會由于內(nèi)部干擾源（例如EMI）,、瞬態(tài)和外部影響（例如路邊C2X基礎(chǔ)設(shè)施）而導(dǎo)致影響其他重要系統(tǒng)的運(yùn)行,。
先進(jìn)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）是車輛自動駕駛的基礎(chǔ)，在完全自動駕駛時,，它可以與更高級,、更復(fù)雜的其它應(yīng)用協(xié)同工作。當(dāng)汽車以任何半自動模式（Level 1～Level 3）運(yùn)行時,，這種ADAS系統(tǒng)還能夠直接通知駕駛員即將發(fā)生的情況,。車輛的不同自動駕駛級別如圖1所示。
圖1：汽車工程師協(xié)會（SAE）定義的車輛自動駕駛級別,。（來源：SAE）
本文將重點(diǎn)介紹先進(jìn)自動駕駛汽車傳感系統(tǒng)的體系架構(gòu),，以及用于在汽車子系統(tǒng)中傳輸數(shù)據(jù)的協(xié)議和接口。我們還將探討干擾源,，并提出減輕這些有害信號可能對車輛安全運(yùn)行產(chǎn)生影響的技術(shù),。
自動駕駛車輛系統(tǒng)架構(gòu)
在自動駕駛汽車中，“電子駕駛員”的眼睛和耳朵包含有無數(shù)種不同的傳感器,，參見圖2,，所有傳感器都聯(lián)網(wǎng)到中央計算機(jī)系統(tǒng)，由其負(fù)責(zé)在任何駕駛情況下安全地導(dǎo)航車輛,。
圖2：先進(jìn)的自動駕駛車輛感應(yīng)系統(tǒng),。（來源：Littelfuse）
傳感器包括用于能夠在車輛前方很長距離檢測其它車輛、行人,、各種移動物體的遠(yuǎn)程RF雷達(dá),，以及具有機(jī)器學(xué)習(xí)卷積網(wǎng)絡(luò)的視頻子系統(tǒng)，以檢測行人,、道路標(biāo)志和車道偏離,。其他傳感器包括360度視頻攝像頭系統(tǒng)，用于使車輛知曉周圍移動或靜止物體情況,。為了始終準(zhǔn)確地確定車輛位置,，高性能GNSS導(dǎo)航可提供厘米級定位精度和導(dǎo)航推測（Dead Reckoning）能力，即使當(dāng)車輛進(jìn)入城市中典型的城市街谷或通過隧道時,，也可以進(jìn)行精確導(dǎo)航。
可靠且強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議CAN和以太網(wǎng)互連子系統(tǒng)具有可接受的（<5ms）延遲級別,。視頻和雷達(dá)子系統(tǒng)的趨勢是,，它們越來越多地包括機(jī)器學(xué)習(xí)推理引擎，以便在檢測到物體時進(jìn)行檢測和分類，而不是將額外的計算工作量交由中央系統(tǒng),。該方法還減少了實(shí)時延遲,，這對于以超過30m/s（70mph/112kph）速度行駛的車輛來說是一個至關(guān)重要的設(shè)計考慮因素。延遲會影響及時的決策,，并妨礙將云連接用于任何實(shí)時駕駛?cè)蝿?wù),。例如，一個4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的典型往返延遲為60毫秒,，根據(jù)上述速度,，車輛已經(jīng)行駛過1.8米。FlexRay和LIN是另外兩個廣泛使用的汽車網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,。
為了滿足車輛信息娛樂系統(tǒng)和視頻傳輸要求,，HD BaseT正在逐漸成為一種可行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。HDBaseT結(jié)合了HDMI和以太網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn),，使用單根電纜即可將音頻,、視頻、以太網(wǎng),、100W以太網(wǎng)供電（PoE）,、系統(tǒng)控件和USB匯聚在一起。這個協(xié)議針對不同層面進(jìn)行了優(yōu)化,，建議采用單個非屏蔽電纜對來實(shí)現(xiàn)長達(dá)15m的設(shè)備連接,。通過將不同的傳輸內(nèi)容整合到一根電纜，還可以節(jié)省大量的電纜重量,、安裝工作量和材料成本,。
為了使自動駕駛車輛安全可靠地運(yùn)行，所有相互連接且相互依賴的系統(tǒng)都需要連續(xù)且無故障運(yùn)行,。如果傳感器開始出現(xiàn)故障,，或者監(jiān)控電路子系統(tǒng)檢測到性能不及標(biāo)準(zhǔn)，則必須立即發(fā)出警報,，通知中央計算機(jī)以啟動故障保護(hù)安全停車,。
技術(shù)挑戰(zhàn)以及解決策略
電子傳感器和相關(guān)子系統(tǒng)通過利用高度復(fù)雜的模擬和數(shù)字組件來運(yùn)行，這些設(shè)備容易受到電氣瞬態(tài),、電磁干擾（EMI）和靜電放電（ESD）等干擾,。瞬態(tài)產(chǎn)生自電源軌，源于dV/dt的快速開關(guān),，并會產(chǎn)生比額定電源電壓大許多倍的電壓尖峰,。大功率馬達(dá)和其他電感性負(fù)載在運(yùn)行過程中會導(dǎo)致出現(xiàn)快速浪涌瞬態(tài)，電動汽車中相關(guān)的驅(qū)動鏈無疑也是瞬態(tài)來源,。而且,，用于電動轉(zhuǎn)向,、舒適性和車身控制的小型馬達(dá)以及電動駐車制動器也會產(chǎn)生明顯瞬態(tài)。這些瞬態(tài)可以沿公共電源線通過傳導(dǎo)進(jìn)入子系統(tǒng),，也可能通過連接傳感器的相鄰電纜中的互相感應(yīng),，進(jìn)入到子系統(tǒng)或連接到中央計算機(jī)的子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。如果沒有足夠的保護(hù),，瞬態(tài)會導(dǎo)致微處理器復(fù)位,、鎖定，或在極端情況下造成關(guān)鍵組件的物理損壞,。
同樣,，感應(yīng)的EMI可能會導(dǎo)致不可預(yù)測和不穩(wěn)定的系統(tǒng)行為，這些EMI可能出自不同來源,，包括無線接入點(diǎn)和智能手機(jī)等等,。同樣，也需要加以保護(hù),，以防止EMI明顯地干擾關(guān)鍵系統(tǒng)運(yùn)行,。
靜電放電對于敏感電子組件是一個需要特別關(guān)注的問題。這些敏感電子組件需要在整個供應(yīng)鏈中和生產(chǎn)過程中進(jìn)行特殊處理,，但在最終的應(yīng)用電路中也需要保護(hù),。像瞬態(tài)一樣，靜電放電會導(dǎo)致出現(xiàn)巨大的電壓尖峰,，并且可能是由于車輛橡膠輪胎與道路摩擦,，以及人與織物的接觸摩擦而積聚的能量所致。在低濕度地區(qū)行駛的車輛容易產(chǎn)生靜電,。
保護(hù)ADAS通信和控制子系統(tǒng)
圖3重點(diǎn)顯示了ADAS通信和控制子系統(tǒng)的主要功能模塊,，包括應(yīng)采用的保護(hù)器件。
圖3：ADAS通信和控制子系統(tǒng)以及對保護(hù)器件的要求,。（來源：Littelfuse）
每個通信鏈路（2,、3、4和5）都需要瞬態(tài)和ESD保護(hù),，而且應(yīng)該適合相應(yīng)協(xié)議的電氣規(guī)格和數(shù)據(jù)速率,。最快的協(xié)議是以太網(wǎng)，其比特率通常在100Mbps～10Gbps范圍內(nèi),。對于高速差分以太網(wǎng)接口,，推薦的ESD和瞬態(tài)浪涌保護(hù)方法包括使用聚合物ESD抑制器，例如經(jīng)AEC-Q200認(rèn)證的Littelfuse AXGD Xtreme-Guard系列,。
圖4顯示了從差分雙絞線到以太網(wǎng)PHY的以太網(wǎng)連接中配置AXGD系列器件的位置,。AXGD系列具有快速的響應(yīng)時間，并能夠吸收高達(dá)30kV和50A的瞬態(tài),，可憑借單個封裝保護(hù)差分對,。同樣,，由于其電容值極低,，ESD保護(hù)不會影響高達(dá)1Gbps的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)速率,。
圖4：用于以太網(wǎng)收發(fā)器的聚合物ESD保護(hù)器件功能框圖。（來源：Littelfuse）
對于CAN收發(fā)器接口,，建議使用二極管陣列來保護(hù)系統(tǒng)免受快速瞬態(tài)和ESD影響,。
采用齊納二極管進(jìn)行瞬態(tài)電壓抑制（TVS）的另一個示例是Littelfuse SZ1SMB系列600W TVS二極管。SZ1SMB系列可理想用于圖3中的Item 1等電源,，具有出色的鉗位能力,、快速響應(yīng)時間，并可吸收高浪涌瞬態(tài),。
汽車電子標(biāo)準(zhǔn)
在為汽車電子系統(tǒng)而選擇瞬態(tài)和ESD保護(hù)器件時,，建議應(yīng)該對適用的國際標(biāo)準(zhǔn)有所了解。有三個最基本的ISO標(biāo)準(zhǔn),，即ISO7637-2,，ISO16750-2和ISO10605：2008。除了這些標(biāo)準(zhǔn)之外,，汽車電子理事會（AEC）還制定了一系列質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),，其中確定了汽車電子系統(tǒng)中使用器件的機(jī)械、電氣和環(huán)境應(yīng)力要求,。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)包括用于半導(dǎo)體和二極管等分立元件的AEC-Q101,，以及用于電容器、電阻器和電感器等無源元件的AEC-Q200,。
結(jié)論
保護(hù)自動駕駛車輛的電子系統(tǒng)免受瞬態(tài),、EMI和ESD的影響對于確保汽車連續(xù)、可靠和無故障運(yùn)行至關(guān)重要,。自動駕駛車輛有望顯著減少交通擁堵,，并為駕駛員、乘客和行人提供更安全的道路,。通過使用浪涌和靜電保護(hù)元件,，設(shè)計人員將更有信心相信，他們的系統(tǒng)會足夠強(qiáng)大,，且能夠耐受任何不必要的電氣干擾,。