克服汽车摄像头链接挑战

摄像头系统和摄像头链接技术正在越来越多的车辆应用中部署，以协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环视系统 (SVS) 所取代，这些摄像头可提供车辆的 360° 视角。行车记录仪、盲点监控、夜视、道路标志识别、车道偏离监控、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。为了增强驾驶体验，还为驾驶员生命体征监测、乘员检测和人机界面 (HMI) 手势识别等多种应用引入了摄像头。摄像头系统的发展甚至使汽车制造商能够通过替换后视镜等传统功能来重新构想车辆轮廓。

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图 1. 现代车辆中摄像头的激增。 （来源：Analog Devices）

列出的许多不同的相机应用程序都源自标准清晰度 (SD) RVC 系统，这些系统仍然在当今的许多车辆中使用。标清摄像头系统已在汽车应用中常规部署十多年，响应立法要求和客户期望，从高档汽车扩展到更广泛的汽车产品线。 SD 视频系统为汽车原始设备制造商提供了许多宝贵的好处：由于多年来在消费电视行业中得到验证的技术成熟度低，因此风险低，带宽需求低，因此能够使用廉价的电缆和连接器，同时保持受控的排放，以及成熟的视频编码器和解码器系列，可处理潜在不稳定的视频输入。

如今，消费设备中无处不在的超高清 (UHD) 显示器正在推动所有类型车辆对更大和更高清显示器的需求。虽然标清视频在较小的显示器上可能看起来令人满意，但今天的消费者很容易在较大的显示器上发现它的缺点（例如，由于标清视频的带宽有限或分离亮度时引入的串色伪影导致缺乏高频细节和调制信号中彼此的色度信号）。更大显示器的趋势导致汽车原始设备制造商面临将其余摄像头架构升级为高清的挑战。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头传输到接收单元（例如，ECU 或显示器）的摄像头链接技术。

为应用选择新的摄像头链接技术时的第一个用例特征是所需的带宽。相机系统的带宽要求范围很广。使用标清视频分辨率的传统 RVC 系统需要低带宽（例如，6 MHz）。 SVM 系统通常以低速使用，使用低刷新率（例如 30 Hz）来最大化曝光，这会限制所需的带宽。后视镜更换系统在车辆的整个运行速度范围内运行，使用更高的刷新率（例如 60 Hz 或更高）来最大限度地减少延迟，这需要增加带宽。用于自动驾驶应用的前置摄像头需要超高分辨率（例如，18+ MPixel），因此对带宽有非常高的要求。许多摄像头链接技术可提供广泛的带宽功能 - 它们的选择受到摄像头系统和整个车辆的多个方面的影响，并且可能会影响这些方面。

图像质量

Camera Link 技术实现的图像质量是架构设计中的一个关键因素。通过不提供足够带宽的摄像头链接技术发送视频数据可能会导致图像完整性丢失或图像完全丢失。可以通过测量图像清晰度和动态范围等因素来评估由Camera Link技术引起的图像质量下降。

电缆属性

现代车辆的完整电缆组件或线束是其最复杂、最重且难以安装的组件之一。由于普通汽车的布线超过一公里，线束需要认真考虑。首先，具有更高带宽要求的应用（例如，用于自动驾驶汽车的超高分辨率前置摄像头）需要高质量的重型电缆。考虑到重点是使汽车更轻、更高效，以努力增加内燃机汽车和电动汽车的行驶里程，电缆重量已成为近年来受到越来越多审查的话题。对于涉及通过车辆进行复杂布线的应用，电缆支持的弯曲半径可能很重要。对于摄像头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），电缆打开和关闭循环的稳健性至关重要。对于电缆可能暴露在恶劣环境中的应用，可能需要防水。

无论选择哪种摄像头链接技术和电缆类型，每厘米电缆都有成本，并且当所有线束成本都经过整理后，可能会导致线束成为车辆中最昂贵的三个要素之一。

传统的标清视频系统，由于其带宽需求低，便于使用极具成本效益的轻型电缆。在许多情况下，非屏蔽双绞线 (UTP) 电缆与通常用于 CAN 等低速控制链路的电缆类似，用于标清视频。

连接器

线束及其连接模块的另一个关键要素是电气连接器。除了将线束连接到控制模块、传感器或电机之外，连接器还用于连接线束内同一电缆的不同部分（直列连接器）。内嵌式连接器广泛用于汽车行业，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插式连接器意味着，如果摄像头损坏，可以更换它，而不会对车辆的其余线束造成显着干扰。

与上述电缆选择一样，连接器的选择可能是相机系统总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，因此价格更高。

其他连接器注意事项包括连接器在 PCB 和 ECU 表面上的占位面积、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。

传统的标清视频系统有助于在摄像头和 ECU 或主机 (HU) 上使用经济高效的连接器。例如，标清视频 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连接器，这会给 ECU 带来 PCB 和封装限制。

车辆架构

所涉及车辆的架构会对选择合适的摄像头链接技术产生多种影响。标准车辆中的电缆长度通常可达数米，并且随着消费者趋向于更大的运动型多功能车，电缆长度正在增加。一些车辆架构具有额外的功能，可能会带来新的电缆长度挑战，例如拖车倒车辅助，以支持拖车的倒车和操纵。

商用车是另一个架构挑战，其中摄像头系统将电缆拉伸到最大长度。大多数摄像头链接技术可以支持这些车辆架构和功能中的任何一种，但有些可能需要额外的模块，例如中继器或转发器，以支持长电缆。

电磁兼容

电缆的电磁辐射和抗扰度稳定性是摄像头链接技术选择过程中的另一个关键因素，因为电缆可能成为车辆内的天线，带来不利结果。车辆中电气和电子系统的激增导致越来越依赖以兼容方式一起存在的此类系统。当启用任一系统时，一个系统（例如，RVC 系统）影响或受另一个系统（例如，电动车辆牵引电机或电动座椅机构）的影响是不可接受的。为此，在选择之前考虑链路技术的发射和抗扰性能至关重要。

为确保内部或外部攻击者不会干扰车辆中的系统，汽车制造商将根据其特定的 EMC 标准测试所有系统。这些测试首先在系统级别进行（例如，后视摄像头或环视系统）。这种测试昂贵、耗时且具有挑战性，但可确保每个模块在集成到车辆之前都具有高度的稳健性。成功完成系统级测试后，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）轰击时的运行能力来验证车辆中的系统运行和性能。制造商还将测量车辆中所有天线（例如，FM、GPS、蜂窝、Wi-Fi 等）的接收频段，以确保不存在干扰信号。在车辆级别解决 EMC 问题可能既昂贵又耗时。

其他要求

除了已经概述的要求之外，还有无数其他要求指导摄像机链接技术的选择，例如控制通道可用性、像素精度和 ASIL 等级。

Camera Link 技术的选择

在设计相机系统时，相机链接技术的选择受到多种因素的影响。摄像头链接技术的选择也会影响其所集成车辆的多个方面。基于标清视频技术的传统 RVC 系统为汽车原始设备制造商提供了一种极其可靠且经济高效的车内视频传输方法。然而，近年来出现了越来越多的消费趋势，使标清视频系统在更大的显示器上越来越不被接受。立法的发展和消费者的期望也不断增加每辆新车的摄像头数量。

这些趋势和发展成为了多种摄像头链接技术出现的背景，这些技术用于当今汽车中的各种汽车摄像头系统。今天的摄像机链接技术仍然涵盖从在传统 SD RVC 系统中得到验证的标清视频技术（例如，CVBS），到高清模拟链接技术，再到高清数字链接技术。

标清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势，但通常需要更昂贵的电缆和连接器。高清模拟链接技术，如车载摄像头总线 (C ² B) 在上述两种方法之间进行折衷——通过具有成本效益的电缆和连接器提供符合 EMC 标准的高清视频。

高清模拟Camera Link技术

使用高清模拟视频传输技术C ² 的优势之一 B 是它们从一开始就被设计为用作汽车摄像头链接。 C ² B 通过非屏蔽双绞线 (UTP) 电缆和非屏蔽连接器支持高清视频。这使得从标清摄像机升级到高清摄像机成为可能，而无需更改现有的电缆和连接器基础设施。

C ² B 支持以高达 2 MPixel (1920 × 1080) 的分辨率将高清视频从发射器传输到接收器。它旨在利用传统上用于 SD 视频系统的 UTP 电缆和连接器的最大带宽容量，并允许使用长达 30 m 的电缆而无需重新传输。确保 C ² B 满足所有汽车要求，它利用多项 EMC 优化功能，包括优化的信号构造、抗混叠滤波器和频谱整形滤波器。

C ² B 具有一个控制通道，可以处理高达 400 kHz 的 I2C 信号传输、多达四个 GPIO 信号以及来自相机模块的中断信号。这促进了系统架构，不仅包括包括相机模块中的微控制器单元 (MCU) 和 ECU/HU 中的 MCU 的本地配置，而且还包括使用配置相机模块的 ECU/HU 中的 MCU 的远程配置。四个 GPIO 用于跨 C ² 传输静态信号 乙链接。提供两个中断信号以允许 C ² B 发送器向 C ² 传送状态信息 B 接收器。 C ² B对控制信道数据进行CRC校验，出现问题时可以自动发起重传。

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图 2. C ² B 架构概述。 （来源：Analog Devices）

C ² B 支持汽车客户的增值功能，例如电缆诊断（有关电缆对电池短路和对地短路事件发生的信息收集）和帧计数收集、生成、解码和传输，以提供对完整性的洞察传输数据。

为汽车应用定义和设计，C ² B 采用多个模块来确保低成本 UTP 电缆和低成本非屏蔽连接器的 EMC 合规性。这些包括用于阻抗失配的回声消除、宽带共模抑制（在使用 UTP 电缆时很重要）和输出信号的频谱整形以减少发射。 C ² B 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 class 5 [emissions]、ISO 11452-2/ISO 11452-4/ISO 11452-9、ISO 7637-3 [immunity] , ISO 10605 [ESD]).

这些特性使得 C ² B 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 摄像头解决方案并正在寻求低风险升级路径的人，以及那些已经转向基于数字链接技术的摄像头解决方案并正在寻求从一种高清模拟链路技术。

其中 C ² 的应用空间 与后视摄像头、环视摄像头系统、电子后视镜和乘员监控系统等替代技术相比，B 具有显着的系统成本优势。独立验证的 C ² 视觉无损特性 B 可以提供与数字链路技术类似的高清性能，同时显着节省系统级成本。

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图 3. 数字链路与 C ² 的视频帧捕获比较 乙链接。 （来源：Analog Devices）

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图 4. 数字链路与 C ² 的视频帧捕获比较 乙链接。 （来源：Analog Devices）

C ² B 使汽车制造商能够将现有的标清摄像头升级到高清，或促进使用数字链接技术的系统迁移以降低系统成本。带有用于 C ² 的评估板 B 发送器 (ADV7992) 和 C ² B 接收器 (ADV7382/ADV7383)，例如可从 ADI 公司获得，OEM 可以加速技术调查和系统原型设计。在系统原型设计期间，C ² B 发射器评估板可用作 C ² B 源如果开发接收器，而 C ² B 接收器评估板可用作 C ² 开发相机的话B下沉。