除了在工業控制自動化網絡領域已廣泛普及外，以太網的應用也繼續擴大到更多工廠的器件和傳感器層。針對工業攝像機和傳感器的應用，考慮采用基于以太網的連接而放棄模擬或 LVDS 等傳統方法的原因可能并不明顯。的確，如圖 1 所示，攝像機和中央單元的處理成本較高。然而，許多關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. 攝像機耗費成本

 

采用低成本非屏蔽線纜可顯著降低線纜的成本。此外，基于標準的 100BASE-TX 以太網也無需再使用有源以太網 (PoE) 提供的額外的電力電纜。然而，要了解以太網的真正價值，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絡即可以遠程方式識別、監視和控制網絡上的每一個器件。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器故障風險。

 

攝像機挑戰

 

對設計師而言，任何傳感器或攝像機應用都面臨一些共同的關鍵挑戰；

 

小尺寸

 

面向工業和汽車應用的攝像機和傳感器市場的發展，催生了越來越多的空間限制要求。

 

低功耗

攝像機傳感器產生的熱噪聲會直接影響圖像質量。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到所需性能至關重要。

 

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）的前提下達到工業 EMC 的排放要求。

 

高可靠性

能夠在極端惡劣的環境下提供必要性能。

 

為證明標準以太網能符合攝像機系統的需求，麥瑞找來了汽車傳感器專業廠商 Silicon Micro Sensors GmbH（First Sensor AG 移動業務部）共同針對要求最嚴格的應用，設計出一款小尺寸的“即可投產”的汽車和工業級解決方案；

 

·百萬像素 (720p) 級高動態范圍 (HDR) 攝像機

·視野范圍在 55° 到 190° 之間

·MJPEG 視頻壓縮

·以太網 AVB 兼容比特流（MJPEG 或 UDP）

·支持有源以太網

·在低成本非屏蔽雙絞線上的速度可超過 100Mbps。

·達到 IP68 / IP6k9 標準，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，在所有標準以太網攝像機設計中非常普遍。

 

 

圖 2. 以太網攝像機功能方塊圖

 

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 處理器可根據輸入的 YUV 數字圖像數據進行 MJPEG 壓縮，并通過 MII（媒體獨立接口）連接到麥瑞 KSZ8061 Quiet-WIRE 100BASE-TX 以太網 PHY。麥瑞 DS1001 MEMs 振蕩器提供系統定時。電源管則由經過優化的有源以太網絡進行管理。

 

以太網物理層可提供一系列可滿足攝像機系統需求的優勢；

 

最少材料清單和小尺寸

 

采用標準的汽車以太網解決方案的一大優勢在于，可提供獨立于應用的最少標準材料清單，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模經濟效益，并可形成多供貨商模式，使選擇面更廣，成本更低。

 

 

圖 3. 標準以太網材料清單

 

物理層由尺寸僅有 5mm x 5mm 的麥瑞 KSZ8061 Quiet-WIRE 100BASE-TX 以太網收發器提供。必須確保最低限度的電源濾波，且 PHY 收發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。

 

另外也可以使用標準以太網磁性組件。近年來，以太網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以太網磁性組件。ALT4352 系列可支持表面貼裝技術；以繞線機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模塊。繞線機繞制磁性的組件不但可以降低成本，準確性也更高（相對傳統手繞線圈組而言），并可提供功能更強且始終如一的性能。

 

免費提供有源以太網！

 

100BASE-TX 磁性組件對實現性能和輸送電力同等重要。根據 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，在汽車應用中使用時，這種方法也可以進一步獲得優化，并在無需任何額外系統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控制器配置也可顯著降低成本。受電端設備 (PD)（在本案例中指攝像機）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備 (PSE) 協調功率需求。如圖 4 所示，只需提供標準的 DC-DC 穩壓器，即可實現攝像機電源管理解決方案。采用 Hyper Light Load 技術的麥瑞 MIC28511 60Vin 3A 同步降壓穩壓器可提供已降壓的一次電壓，這可確保在待機等低輸出功率工作的情況下高效工作。

 

 

圖 4. 免費提供有源以太網

 

除優化並提高成本效益，針對汽車應用的標準以太網 PoE 具備由“幻象供電”法所帶來的額外優勢。攝像機（PD 端）提供共模噪聲抑制；PSE (ECU) 發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信號耦合借此清除。此外，攝像機 (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司空見慣。此外，還可連接到任何其他 IEEE 802.3af/at 供電端設備來實現互用性。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

 

在現今的市場上，100BASE-TX 以太網提供最低的 PHY 技術的功率。與基于 Gigabit 技術的解決方案相比，功耗和成本均降低了三倍之多。攝像機解決方案還能因可支持 IEEE 802.3az 節能以太網 (EEE) 的 KSZ8061 而受益。在閑置狀態下（即，不傳送視頻流量時），PHY 可以轉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 PHY 還可以提供小于 1uA 的業界最佳超低待機電流，這是所有電池備份應用的理想之選。

 

KSZ8061 PHY 還提供一個獨特的信號偵測輸出引腳，它可用于標示作用中鏈路伙伴的存在。PHY 待機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閉處理器和傳感器，為攝像機模塊提供小于 1uA 的遠程待機和喚醒電流來進行電源管理。

 

與提議使用特殊波形或模式序列的其他方法相比，這種遠程關閉方案具有以下重要優勢：

·可與任何以太網供貨商鏈路伙伴實現完全互用（在 ECU）。使用特殊波形/序列常常要求采用專屬實施方案，這會限制實際應用。在供貨商驅動的消費領域中，使用網絡喚醒 (WoL) 方法就是一個很好的例子，但事實上，這個領域很少使用這種方法。

·待機功耗降低。在物理層上構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，這會導致待機功耗達到大約千倍以上。

 

低噪聲

 

采用 KSZ8061 以太網 PHY 的麥瑞 Quiet-WIRE 技術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標準。標準 10/100BASE-TX PHY 可提供獨一無二、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 技術而降低熱噪聲以外，有源以太網共模噪聲抑制和隔離攝像機接地也可降低電噪聲，借此優化攝像機傳感器圖像質量。降低熱耗散不僅能改善傳感器的性能，還可實現更高的穩定性和燃料效率。

 

高可靠性

 

Quiet-WIRE 技術不僅能減少輻射，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 200mA 噪聲電流注入時，在 1MHz 到 400MHz 的整個頻率范圍內，PHY 收發器完全未出現任何錯誤，超越了 OEM 極限。

 

為滿足安全關鍵應用和實時控制應用的需求，KSZ8061 能夠在 20ms 內，且無需處理器介入的前提下完成通電和連結。KSZ8061 收發器信號質量指示器 (SQI) 還可以實時持續監控線束質量。

 

攝像機時鐘定時是由麥瑞 DSC1001 MEMs 25MHz 振蕩器提供。MEMs 技術具有卓越的頻率溫度穩定度，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定度對比。

 

 

圖 6. MEMS 和石英振蕩器的頻率溫度穩定度