1. 概述
新一代BroadR-Reach芯片集成物理层，为集中式车载网络实现业经验证的性能、合规性和安全性 [1]。由于有线以太网布线简单可靠，非常适合通过音视频广播(AVB)桥接协议用在汽车部署中，AVnu联盟的主要市场焦点是成功将AVB部署在汽车空间的流媒体音视频应用中 [2]。车载以太网技术优势明显，在布线简单的基础上，只需要一对非屏蔽的双绞线就可以实现百兆带宽，基于此技术不但可以降低车身线束质量，还可以提高视频传输质量，其经济优异性显而易见。2008年宝马(BMW)作为第一个在车型上尝试搭载以太网的汽车厂商，宣布车载以太网进入了局部网络阶段，到了2013年，宝马正式宣布旗下最新车型X5搭载了车载以太网技术，并且开创了只使用一对非屏蔽双绞线的以太网物理层设计 [3]。国外其他的主流主机厂开始追随其路线，进行产品升级换代。本项目就是基于全球大众MEB新架构、新平台而研发设计并量产的360˚环视系统，基于车载以太网与整车的车机导航进行视频传输的。关于目前国内整车市场使用的环视系统，老一代产品使用的是复合同步视频广播信号(CVBS)技术，缺点是模拟信号输入输出，整体像素偏低。随着驾驶品质的提高，高清摄像头的要求在所难免，目前主流的高清视频均通过一对带屏蔽电缆的LVDS线束进行传输。LVDS是一种低电压差分信号，有着低功耗、低误码率、低辐射都诸多优点，使其在汽车应用上特别广泛。因为支持LVDS通讯的线束需要加屏蔽层，所以随着通讯距离增长，线束成本会急速增加。而支持车载以太网通讯的线束不需要屏蔽层，其成本增加微乎其微，所以当车载以太网技术问世后，使用以太网通讯的产品逐渐增多，价格优势会推动汽车行业在架构设计上考虑使用以太网技术。大众集团MEB平台是针对新能源设计的新一代平台化汽车，其整合的网关拓扑可以接收车载以太网，和其他控制器进行混接。
本文介绍的环视系统是在全球项目的国产化产品，全新的控制器搭载基于车载以太网的130万像素的摄像头，可以最大实现200万的视频输出像素。采用TI芯片对采集到的视频进行算法拼接处理，可以实现无缝拼接，低延迟的高清视频输出。如图1所示，为一个控制器搭配前后左右四个车载以太网摄像头的示意图。
控制单元和摄像头视频通信唯一性是基于IEEE提出的本地MAC地址标准实现的 [4]。每次系统上电，通过硬线连接，控制器知晓摄像头所处的位置，然后通过读取MAC地址识别图像采集的区域。本系统的后续扩展方案包括了使用智能摄像头代替前后两个摄像头。自动紧急制动系统(Autonomous Emergency Braking System, AEB) [5] 是一种高级辅助驾驶系统(Advanced Driving Assistant System, ADAS)，它可实现车辆避撞和行人避撞，提高车辆的主动安全性 [6]。
Figure 1. Surround view system schematic
图1. 环视系统示意图
2. 控制方案
2.1. 供电和唤醒原理
控制单元(Topview ECU)通过主连接器和车身相连，本产品选择TE 20针脚的连接器，供电来自车身KL30 (12 V)。由于控制器内部地和车身外部地通过螺丝金属件可以互联，需要考虑不同地因素，所以在设计上要加入过滤器件，防止相互干扰。四个摄像头的供电需要通过控制单元的主连接器给出，如果前后摄像头是隐藏在logo内，本系统预留出logo翻转信号(PWM)。主控制单元通过CAN信号与车身进行沟通，比如车身的休眠唤醒，以及摄像头脏污检测，摄像头清洗等信号均通过CAN信号进行传输。系统连接如下图2所示，红色为电源线，带箭头的黑色线为视频或者信号传输线。
Figure 2. System architecture schematic
图2. 系统架构示意图
车身KL15信号CAN FD传送到控制单元进入到控制单元进行唤醒或者休眠，通过内部程序逻辑控制，实现不同模式的切换。对摄像头的接口端需要考虑摄像头的功率和对应的诊断，包括硬线连接状态，视频传输状态等，如图3和图4所示。
2.2. 视频采集和输出实现
环视控制单元(Topview ECU)外接四路以太网摄像头(Topview eEntry)，输出一路以太网视频信号到整车。环视系统控制器的SOC采用TI芯片家族的TDA2Ex系列芯片，为智能辅助驾驶(ADAS)设计的一款家族产品 [7]，其H.264编码方式的应用可以完美的为车载以太网视频传输提供硬件支持，内部带有3D图像处理功能的GPU可以提高视频和图片质量处理能力。搭载博通的BCM89541物理层以太网芯片，很好的搭载四路以太网摄像头视频输入，一路以太网视频输出，具体输出到网关还是直接输出到中控导航，按照不同的车型，有着不同的配置。下图5是两个核心芯片的链接图，通过全双工协议串行外设接口(SPI)进行通信。
2.3. 摄像头程序更新原理
在设计之初考虑到摄像头的软件更新，可以通过以太网进行刷新，如下图6所示，以太网传输命令控制主控制器(Host)，可以是电脑，也可以是环视控制器，使能Host发送指令到摄像头。这部分的协议是基于摄像头内部的安森美芯片的用户数据包协议(UDP-Based)执行的。可以通过对应的命令改变摄像头内部的参数达到程序更新的目的，比如使能自动白平衡(AWB)。此UDP协议包括UDP header，参考RFC768，IP header参考RFC791，Ethernet Header，参考IEEE 802.3，这里不作展开。
以下是Host和摄像头之间写和读的流程，如图7：
协议中会设定读取或者写入时间超时，或者反馈指令和要求指令不一致的应对策略，如下图8所示：
摄像头程序刷新流程如图9如下：
3. 控制系统实现
3.1. 系统组成
整车KL30 (12 V)电源通过车身和系统的连接器进行输入，系统的电源管理模块会分配出不同的电压(3.3 V、5 V等)给到内部的控制芯片使用。考虑到系统的功耗，在设计之初PCB内部放置了NTC温度传感器，通过对电阻电压的读取(通过模拟转数字口) Vadc，可以算出目前系统的温度(T)，计算公式如下：
其中Beta = 3434 K
本产品采用德州仪器公司的TDA2Ex系列芯片，以下简称SoC，控制单元主要有两种信号流，一种为车载视频流，另一种和常见的CAN总线通信。车载视频流通过对四路130万像素的摄像头信号进行解码处理，通过图像拼接，畸变矫正，颜色还原等处理，可以最大输出200万像素的图像，由于系统输出亦基于车载以太网通讯，所以通过H.264编码，以RTP帧方式视频流输出。通过CAN总线，控制器可以发送或者接收车身控制单元给出的车速信号，车门信号，档位信号等。SoC要给与不同的图像处理，比如在交通路口，需要更多的视野；比如在倒车模式，需要对图形畸变处理等。SoC需要对CAN信号进行处理，实现和车身的互动，需要针对温度，电压进行实时检测，及时记录系统的工作状态，做好诊断工作。SoC的外围单元功能比较丰富包括各种频率的通信总线、GPIO/PWM、MDIO、MMC1、HDMI、UART等，以下简单列举通信数据使用的外围单元：
QSPI：SoC和闪存的数据沟通
SPI1：SoC和TCAN收发器通信
SPI2：SoC和BroadR-Reach进行通信
I2C1：SoC和电源管理芯片进行通信
RGMII0：SoC视频流传输
系统架构如图10如下所示：
3.2. 软件功能实现
本产品的软件是基于AutoSar4.x版本进行设计。考虑到软件的持续升级和客户后续更新需要，软件需要包括应用程序和在线刷新程序以及客户程序刷新(ORU)三部分，逻辑实现如下图11所示：
在线刷新程序需要先设定系统时钟，初始化DDR，上电输入输出(I/O)，上电附属核心单元(Slave core)，然后加载附属应用程序，整个时间在800 ms左右。其逻辑程序如下图12所示：
应用程序架构示意图如下图13所示：
应用程序需要实现整个控制器应用功能的开发，包括上层应用和基础软件模块。上层应用都是基于整车逻辑进行判断，涉及到各种模式的切换，可以参照下图14的逻辑：上电进行初始化，然后进入到正常工作模式，实时监控环视系统的状态，可以切换到安全模式，预睡眠模式，睡眠模式等。
控制器基础软件模块包括与整车的CAN FD通讯，其CAN FD命令流如图15所示。
软件控制示意图16如下：通过各种模式的切换，进行逻辑判断。比如在工厂组装模式，需要进入到工厂编程模式，当产线验证结束后要跳出工厂模式，进入到正常工作模式。通过车机或者挂对应的档位信号，进入到不同的视频选择，如环视，前视，后视等，进而视频信号通过车载以太网发出。
3.3. 环视系统车辆校准
车载环视系统在安装后，均需要进行校准才可以对图像进行完美的显示。我们主要对以下图17中的六个参数进行监测以判断车辆校准的准确性。参数分别是摄像头在车辆基准上的位置X、Y、Z、α、β、γ，前三个是摄像头的相对位置，后三个是摄像头的位置角度。位置误差保证在±50 mm，α误差在10˚以内，β、γ误差在6˚以内。
本系统的校准方法是遵循FMVS111的标准，如下图18所示，车辆在校准的时候需要严格按照标准进行。
实车校准和显示效果如下图19所示：
3.4. 功能验证实现
功能验证主要包括对整车信号的模拟仿真，不同模式的视频输出，图像的捕捉，图像质量的测定，以及各种条件下系统的稳定性测试。图20是针对本产品搭建的测试系统。
4. 结束语
基于以太网的环视系统目前在国内市场尚属首例，所以在量产的过程中遇到各种各样的问题，程序设计之初，考虑到软件升级的频繁性，已经完善了空中刷新(ORU)以及通过ECU对摄像头的刷新设计功能，所以通过软件升级的方式，解决了很多实际路试中遇到的问题。本系统目前应用在MQB37W以及新平台MEB全球100多种车型，包括Audi、Golf以及保时捷等各种车型，给社会带来了很大的经济效益，给用户带来了更多的高清体验。