工业摄像机与传感器领域 以太网技术优势明显

2015-07-17 20:31:24来源: 电子发烧友 关键字:传感器
    以太网起初是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范,是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准,使用载波监听多路访问及冲突检测技术,并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上,以太网与IEEE802.3系列标准相类似。除了在工业控制自动化网络领域已广泛普及外,以太网的应用也继续扩大到更多工厂的器件和传感器层。针对工业摄像机传感器的应用,考虑采用基于以太网的连接而放弃模拟或 LVDS 等传统方法的原因可能并不明显。如图 1 所示,摄像机和中央单元的处理成本较高。然而,许多关键要素最终仍为汽车制造商提供了更低的成本和更高的性能。

图 1. 摄像机耗费成本

  采用低成本屏蔽线缆可显著降低线缆的成本。此外,基于标准的 100BASE-TX 以太网也无需再使用有源以太网 (PoE) 提供的额外的电力电缆。然而,要了解以太网的真正价值,必须通过简单的材料清单看到更深的层次。一个连接办公室、程序、控制和器件层的单一公用网络即可以远程方式识别、监视和控制网络上的每一个器件。这不但可大幅提高管理效率,降低操作成本,还能显著降低甚至消除更多明显的机器故障风险

  摄像机挑战

  对设计师而言,任何传感器或摄像机应用都面临一些共同的关键挑战;小尺寸,面向工业和汽车应用的摄像机和传感器市场的发展,催生了越来越多的空间限制要求;低功耗,摄像机传感器产生的热噪声会直接影响图像质量。在缺乏所需空间限制的情况下,改善热功耗和更低的功率对达到所需性能至关重要,低噪耗,和热噪声一样,电噪声也会降低传感器图像的质量。此外,还必须在最好不使用高成本线缆(例如,光纤电缆或屏蔽线缆等)的前提下达到工业 EMC 的排放要求;高可靠性,能够在极端恶劣的环境下提供必要性能。

  为证明标准以太网能符合摄像机系统的需求,麦瑞找来了汽车传感器专业厂商 Silicon Micro Sensors GmbH(First Sensor AG 移动业务部)共同针对要求最严格的应用,设计出一款小尺寸的“即可投产的汽车和工业级解决方案;1.百万像素 (720p) 级高动态范围 (HDR) 摄像机 ;2.视野范围在 55° 到 190° 之间;3.MJPEG 视频压缩;4.以太网 AVB 兼容比特流(MJPEG 或 UDP);5.支持有源以太网;6.在低成本非屏蔽双绞线上的速度可超过 100Mbps;7.达到 IP68 / IP6k9 标准,防水、防刮、防雾;下方图 2 所示的麦瑞/SMS 解决方案基本功能方块图,在所有标准以太网摄像机设计中非常普遍。

图 2. 以太网摄像机功能方块图

  解决方案提供 Omnivision OV10635 或 Aptina AR0132AT 图像传感器等两种选择。飞思卡尔 MPC5604($185.0000) 处理器可根据输入的 YUV 数字图像数据进行 MJPEG 压缩,并通过 MII(媒体独立接口)连接到麦瑞 KSZ8061 Quiet-WIRE? 100BASE-TX 以太网 PHY。麦瑞 DS1001($1029.6000) MEMs 振荡器提供系统定时。电源管则由经过优化的有源以太网络进行管理。以太网物理层可提供一系列可满足摄像机系统需求的优势

  最少材料清单和小尺寸

  采用标准的汽车以太网解决方案的一大优势在于,可提供独立于应用的最少标准材料清单,如下图 3 所示。这提供了可超越任何汽车特定解决方案的规模经济效益,并可形成多供货商模式,使选择面更广,成本更低。

图 3. 标准以太网材料清单

  物理层由尺寸仅有 5mm x 5mm 的麦瑞 KSZ8061 Quiet-WIRE? 100BASE-TX 以太网收发器提供。必须确保最低限度的电源滤波,且 PHY 收发器和磁性组件之间的线路接口不需要额外的无源器件,这可在提高信号完整性的同时降低成本和缩小 PCB 板上的空间。另外也可以使用标准以太网磁性组件。近年来,以太网磁性组件已大为普及。在此,我们采用了 TDK 最新推出的汽车和工业以太网磁性组件。ALT4352 系列可支持表面贴装技术;以绕线机绕制且尺寸更小的解决方案,最大高度仅2.9mm,非常适合空间有限的摄像机模块。绕线机绕制磁性的组件不但可以降低成本,准确性也更高(相对传统手绕线圈组而言),并可提供功能更强且始终如一的性能。

  100BASE-TX 磁性组件对实现性能和输送电力同等重要。根据 IEEE 802.3af/at“幻象供电法,已不再需要目前采用的安装额外线缆来为远程传感器供电的作法,只需采用通过磁性组件中心接线头提供的直流电压即可供电。此外,在汽车应用中使用时,这种方法也可以进一步获得优化,并在无需任何额外系统成本的情况下提供所有益处。首先,由于汽车接线是固定的,因此不再需要使用桥接整流器。其次,采用更多的有源以太网控制器配置也可显著降低成本。受电端设备 (PD)(在本案例中指摄像机)是固定的且功耗已知,因此无需采用相对昂贵的控制器来和供电端设备 (PSE) 协调功率需求。如图 4 所示,只需提供标准的 DC-DC 稳压器,即可实现摄像机电源管理解决方案。采用 Hyper Light Load? 技术的麦瑞 MIC28511 60Vin 3A 同步降压稳压器可提供已降压的一次电压,这可确保在待机等低输出功率工作的情况下高效工作。

图 4. 免费提供有源以太网

  除优化並提高成本效益,针对汽车应用的标准以太网 PoE 具备由“幻象供电”法所带来的额外优势。摄像机(PD 端)提供共模噪声抑制;PSE (ECU) 发出的噪声或沿双绞线电缆提取的噪声将做为共模噪声与差动以太网信号耦合借此清除。此外,摄像机 (PD) 和 ECU (PSE) 接地间的电流隔离可避免因电位不同而形成的辐射接地回路;这个问题对汽车而言已经司空见惯。此外,还可连接到任何其他 IEEE 802.3af/at 供电端设备来实现互用性。您可自麦瑞取得“Auto-PoE”评估工具以展示该解决方案。

  低功耗,高效率

  在现今的市场上,100BASE-TX 以太网提供最低的 PHY 技术的功率。与基于 Gigabit 技术的解决方案相比,功耗和成本均降低了三倍之多。摄像机解决方案还能因可支持 IEEE 802.3az 节能以太网 (EEE) 的 KSZ8061 而受益。在闲置状态下(即,不传送视频流量时),PHY 可以转换为低功率睡眠模式,该模式可减少 50% 以上的功耗。KSZ8061 以太网 PHY 还可以提供小于 1uA 的业界最佳超低待机电流,这是所有电池备份应用的理想之选。

图 5. 远程信号侦测唤醒和待机

  如上图 5 所示,KSZ8061 PHY 还提供一个独特的信号侦测输出引脚,它可用于标示作用中链路伙伴的存在。PHY 待机模式可由信号侦测电路自动启动及唤醒。此外,也可通过该输出引脚关闭处理器和传感器,为摄像机模块提供小于 1uA 的远程待机和唤醒电流来进行电源管理。与提议使用特殊波形或模式序列的其他方法相比,这种远程关闭方案具有以下重要优势:1.可与任何以太网供货商链路伙伴实现完全互用(在 ECU)。使用特殊波形/序列常常要求采用专属实施方案,这会限制实际应用。在供货商驱动的消费领域中,使用网络唤醒 (WoL) 方法就是一个很好的例子,但事实上,这个领域很少使用这种方法。2.待机功耗降低。在物理层上构建侦测电路所需的信号处理较少,因而功耗也较低。在以上例子中,WoL 仍需要 PHY 和部分 MAC 层始终保持通电状态,这会导致待机功耗达到大约千倍以上。

  低噪声

  采用 KSZ8061 以太网 PHY 的麦瑞 Quiet-WIRE技术与非屏蔽双绞线相比,可减少 EMI 线路辐射并符合汽车和工业标准。标准 10/100BASE-TX PHY 可提供独一无二、完全可编程的整合噪声过滤(可减少辐射)和更出色的抗干扰性能。除了因采用 KSZ8061 低功耗 100BASE-TX 技术而降低热噪声以外,有源以太网共模噪声抑制和隔离摄像机接地也可降低电噪声,借此优化摄像机传感器图像质量。降低热耗散不仅能改善传感器的性能,还可实现更高的稳定性和燃料效率。

  高可靠性

  Quiet-WIRE技术不仅能减少辐射,其卓越的电流注入 (BCI) 性能还能提供更出色的抗干扰性能。出现 200mA 噪声电流注入时,在 1MHz 到 400MHz 的整个频率范围内,PHY 收发器完全未出现任何错误,超越了 OEM 极限。为满足安全关键应用和实时控制应用的需求,KSZ8061 能够在 20ms 内,且无需处理器介入的前提下完成通电和连结。KSZ8061 收发器信号质量指示器 (SQI) 还可以实时持续监控线束质量。摄像机时钟定时是由麦瑞 DSC1001($0.7020) MEMs 25MHz 振荡器提供。MEMs 技术具有卓越的频率温度稳定度,与晶体振荡器相比可提供 20 倍的 MTBF(故障前平均时间)和 500 倍以上的抗冲击性。图 6 显示了 DSC1001 MEMs 和石英晶体振荡器之间的输出频率温度稳定度对比。

关键字:传感器

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2015/0717/article_8635.html
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