Superar los desafíos de vinculación de cámaras automotrices

Los sistemas de cámaras y las tecnologías de enlace de cámaras se están implementando en una gama cada vez mayor de aplicaciones en vehículos para ayudar a los conductores y mejorar la experiencia de conducción. Los sistemas tradicionales de cámara de visión trasera (RVC) con una sola cámara están siendo reemplazados por los sistemas de visión envolvente (SVS) con cuatro o más cámaras que brindan una perspectiva de 360 ​​° del vehículo. Las grabadoras de conducción, el control de puntos ciegos, la visión nocturna, el reconocimiento de señales de tráfico, los monitores de salida de carril, el control de crucero adaptativo, el frenado de emergencia y los sistemas para evitar colisiones a baja velocidad ayudan a aliviar la carga sobre el conductor. Para mejorar la experiencia de conducción, también se están introduciendo cámaras para aplicaciones tan diversas como la monitorización de los signos vitales del conductor, la detección de ocupantes y el reconocimiento de gestos para la interfaz hombre-máquina (HMI). Los avances en los sistemas de cámaras permiten incluso a los fabricantes de automóviles volver a imaginar la silueta del vehículo mediante el reemplazo de características tradicionales como los espejos retrovisores.

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Figura 1. Proliferación de cámaras en vehículos modernos. (Fuente:Analog Devices)

Muchas de las diversas aplicaciones de cámaras enumeradas comparten una génesis en los sistemas RVC de definición estándar (SD) que todavía se encuentran en muchos de los vehículos actuales. Los sistemas de cámaras SD se han implementado de manera rutinaria en aplicaciones automotrices durante más de una década, proliferando desde vehículos premium hasta la línea de vehículos más amplia en respuesta a los requisitos legislativos y las expectativas de los clientes. Los sistemas de video SD ofrecieron a los OEM automotrices muchos beneficios valiosos:bajo riesgo debido a la madurez de una tecnología probada en la industria de la televisión de consumo durante muchos años, bajas demandas de ancho de banda que dan como resultado la capacidad de usar cables y conectores baratos mientras también se mantienen las emisiones controladas, y una gama madura de codificadores y decodificadores de video con manejo probado para entradas de video potencialmente inestables.

Hoy en día, la ubicuidad de las pantallas de ultra alta definición (UHD) en los dispositivos de consumo está impulsando el requisito de pantallas más grandes y de mayor definición en todo tipo de vehículos. Si bien el video SD puede parecer satisfactorio en una pantalla más pequeña, los consumidores de hoy en día pueden percibir fácilmente sus deficiencias en una pantalla más grande (por ejemplo, la falta de detalles de alta frecuencia causada por el ancho de banda limitado del video SD o los artefactos de colores cruzados introducidos al separar la luminancia y señales de crominancia entre sí en la señal modulada). La tendencia hacia pantallas más grandes ha provocado que los fabricantes de equipos originales (OEM) de automóviles se enfrenten al desafío de actualizar el resto de las arquitecturas de sus cámaras a alta definición. Un bloque de construcción clave involucrado en abordar este desafío es la tecnología de enlace de cámara seleccionada para transferir datos de imagen desde la cámara a la unidad receptora (por ejemplo, ECU o pantalla).

La primera característica de caso de uso al seleccionar una nueva tecnología de enlace de cámara para una aplicación es el ancho de banda requerido. Los sistemas de cámaras varían ampliamente en términos de requisitos de ancho de banda. Los sistemas RVC tradicionales que utilizan resoluciones de video SD requieren anchos de banda bajos (por ejemplo, 6 MHz). Los sistemas SVM, que normalmente se emplean a velocidades bajas, utilizan frecuencias de actualización bajas (por ejemplo, 30 Hz) para maximizar la exposición, lo que puede limitar el ancho de banda requerido. Los sistemas de reemplazo de espejos retrovisores, que operan en todo el rango de velocidades de operación de un vehículo, usan frecuencias de actualización más altas (por ejemplo, 60 Hz o más) para minimizar la latencia, lo que exige un mayor ancho de banda. Las cámaras frontales para aplicaciones de conducción autónoma exigen resoluciones ultraaltas (por ejemplo, más de 18 MPixel) y, por lo tanto, tienen requisitos de ancho de banda muy altos. Existen muchas tecnologías de enlace de cámara para ofrecer una amplia gama de capacidades de ancho de banda; su selección está influenciada y puede influir en varios aspectos del sistema de cámara y del vehículo en general.

Calidad de imagen

La calidad de imagen que permite la tecnología de enlace de cámara es un factor crítico en el diseño de la arquitectura. El envío de datos de video a través de una tecnología de enlace de cámara que no proporciona suficiente ancho de banda podría provocar la pérdida de la integridad de la imagen o una pérdida completa de la imagen. La degradación de la imagen causada por la tecnología de enlace de la cámara se puede evaluar midiendo factores como la nitidez de la imagen y el rango dinámico.

Atributos de cable

El conjunto completo de cables o mazo de cables de un vehículo moderno es uno de sus componentes más complejos, pesados ​​y difíciles de instalar. Con un automóvil promedio con más de un kilómetro de cableado, el arnés exige consideraciones serias. En primer lugar, las aplicaciones con mayores requisitos de ancho de banda (por ejemplo, cámaras frontales de resolución ultra alta para vehículos autónomos) requieren cables pesados ​​de alta calidad. El peso del cable ha surgido como un tema de mayor escrutinio en los últimos años debido al enfoque en hacer que los autos sean más livianos y eficientes en un esfuerzo por aumentar el alcance para vehículos con motor de combustión y vehículos eléctricos por igual. Para aplicaciones que implican un recorrido complejo a través de un vehículo, el radio de curvatura soportado por un cable puede ser importante. Para aplicaciones en las que la cámara está ubicada en una parte del cuerpo con bisagras (por ejemplo, la puerta para los sistemas SVM o la tapa del maletero para los sistemas RVC y SVM), la solidez del cable para los ciclos de apertura y cierre es fundamental. Para aplicaciones en las que el cable puede estar expuesto a entornos hostiles, es posible que se requiera resistencia al agua.

Independientemente de la tecnología de enlace de la cámara y el tipo de cable seleccionado, cada centímetro de cable tiene un costo y, cuando se comparan todos los costos del arnés, puede resultar en que el arnés sea uno de los tres elementos más costosos del vehículo.

Los sistemas de video SD tradicionales, debido a sus bajas demandas de ancho de banda, facilitan el uso de cables livianos y extremadamente rentables. En muchos casos, los cables de par trenzado sin blindaje (UTP), similares a los que se utilizan normalmente para enlaces de control de baja velocidad como CAN, se utilizan para vídeo SD.

Conectores

Otro elemento crucial del arnés de cableado y sus módulos conectados son los conectores eléctricos. Además de conectar el arnés a los módulos de control, sensores o motores, los conectores también se utilizan para unir diferentes secciones del mismo cable dentro del arnés (conectores en línea). Los conectores en línea se utilizan ampliamente en la industria automotriz para simplificar la construcción, instalación y capacidad de servicio del arnés. Por ejemplo, usar un conector en línea muy cerca de una cámara significa que, si la cámara está dañada, se puede reemplazar sin alterar significativamente el resto del arnés de cableado del vehículo.

La selección del conector, en común con la selección del cable descrita anteriormente, puede ser un factor determinante significativo del costo total de un sistema de cámara. Los sistemas de alta resolución suelen exigir conectores que admitan anchos de banda más altos y, por lo tanto, son más costosos.

Otras consideraciones del conector incluyen la huella del conector en la PCB y la superficie de la ECU, si el conector debe estar sellado o sin sellar, y si se requiere codificación / codificación de colores.

Los sistemas de video SD tradicionales facilitan el uso de conectores rentables tanto en la cámara como en la ECU o la unidad principal (HU). Por ejemplo, las señales de video de un sistema RVC de video SD a menudo se enrutan a la ECU o HU con otras señales (por ejemplo, redes de control y las señales de suministro de energía requeridas) en un conector multipin; un enlace digital generalmente requiere conectores dedicados, que introducen restricciones de empaquetado y PCB en una ECU.

Arquitectura del vehículo

La arquitectura del vehículo involucrado puede tener varias influencias en la selección de la tecnología de enlace de cámara adecuada. Las longitudes de los cables en los vehículos estándar pueden variar con frecuencia hasta varios metros de longitud y, dado que los consumidores tienden a utilizar vehículos deportivos utilitarios más grandes, las longitudes de los cables están aumentando. Algunas arquitecturas de vehículos tienen características adicionales que pueden plantear nuevos desafíos en la longitud del cable, como la asistencia de marcha atrás del remolque para respaldar la marcha atrás y las maniobras de los remolques.

Los vehículos comerciales son otro desafío arquitectónico en el que los sistemas de cámaras estiran los cables a su longitud máxima. La mayoría de las tecnologías de enlace de cámara pueden admitir cualquiera de estas arquitecturas y características de vehículos, pero algunas pueden exigir módulos adicionales, como repetidores o retransmisores para admitir cables de gran longitud.

EMC

Las emisiones electromagnéticas y la robustez de la inmunidad del cable es otro factor crítico en el proceso de selección de la tecnología de enlace de la cámara, ya que el cable puede convertirse en una antena dentro del vehículo con resultados perjudiciales. La proliferación de sistemas eléctricos y electrónicos en el vehículo ha dado como resultado una dependencia creciente de tales sistemas que existen juntos de manera compatible. No es aceptable que un sistema (por ejemplo, un sistema RVC) influya o sea influenciado por otro sistema (por ejemplo, un motor de tracción de un vehículo eléctrico o un mecanismo de asiento eléctrico), cuando cualquiera de los dos está habilitado. Con este fin, es fundamental que las tecnologías de enlace se consideren por sus emisiones y rendimiento de inmunidad antes de la selección.

Para garantizar que los agresores internos o externos no interfieran con los sistemas del vehículo, los fabricantes de automóviles probarán todos los sistemas según sus estándares EMC específicos. Estas pruebas se realizan primero a nivel de sistema (por ejemplo, una cámara de visión trasera o un sistema de vista envolvente). Esta prueba es costosa, requiere mucho tiempo y es un desafío, pero garantiza que cada módulo tenga un alto nivel de solidez antes de integrarse en el vehículo. Una vez que la prueba a nivel del sistema se ha completado con éxito, el fabricante de automóviles también debe verificar el funcionamiento y el rendimiento del sistema en el vehículo probando la capacidad del sistema para funcionar cuando es bombardeado por señales radiadas de alta potencia (inmunidad radiada). El fabricante también medirá las bandas de recepción de todas las antenas del vehículo (por ejemplo, FM, GPS, celular, Wi-Fi, etc.) para asegurarse de que no haya señales de interferencia. Resolver problemas de EMC a nivel de vehículo puede resultar costoso y llevar mucho tiempo.

Otros requisitos

Además de los requisitos ya descritos, una gran cantidad de otras demandas guían la selección de una tecnología de enlace de cámara, como la disponibilidad del canal de control, la precisión de píxeles y las clasificaciones ASIL.

Selección de una tecnología Camera Link

La selección de una tecnología de enlace de cámara al diseñar un sistema de cámara está influenciada por una multitud de factores. La selección de una tecnología de enlace de cámara también influye en varios aspectos del vehículo en el que se integra. Los sistemas RVC tradicionales, basados ​​en tecnologías de video SD, ofrecían a los fabricantes de equipos originales (OEM) de automóviles un método extremadamente confiable y rentable para transferir video dentro del vehículo. En los últimos años, sin embargo, han surgido tendencias de consumo para hacer que los sistemas de video SD sean cada vez menos aceptables en pantallas más grandes. Los desarrollos legislativos y las expectativas de los consumidores también se han combinado para continuar aumentando la cantidad de cámaras en cada vehículo nuevo.

Estas tendencias y desarrollos sirven como telón de fondo para el surgimiento de varias tecnologías de enlace de cámara que se utilizan en los vehículos de hoy en todo el espectro de sistemas de cámaras automotrices. Hoy en día, las tecnologías de enlace de cámara todavía van desde las tecnologías de video SD (por ejemplo, CVBS) probadas en los sistemas SD RVC tradicionales, pasando por tecnologías de enlace analógico de alta definición, hasta tecnologías de enlace digital de alta definición.

Las tecnologías de video SD solo pueden permitir aplicaciones de bajo ancho de banda pero, a la inversa, requieren cables y conectores muy rentables. Las tecnologías de enlace digital permiten aplicaciones de gran ancho de banda y ofrecen beneficios como la precisión de píxeles, pero normalmente requieren cables y conectores más costosos. Tecnologías de enlace analógico de alta definición como Car Camera Bus (C ² B) ofrecer un compromiso entre los dos enfoques mencionados anteriormente:entregar video de alta definición compatible con EMC a través de cables y conectores rentables.

Tecnología de enlace de cámara analógica de alta definición

Una ventaja de utilizar una tecnología de transmisión de video analógica de alta definición C ² B es que se han diseñado desde el principio para su uso como enlace de cámara de automóvil. C ² B admite video HD a través de cables de par trenzado sin blindaje (UTP) y conectores sin blindaje. Esto hace posible la actualización de cámaras SD a HD sin tener que cambiar la infraestructura de cables y conectores existente.

C ² B admite la transferencia de video HD del transmisor al receptor a resoluciones de hasta 2 MPixel (1920 × 1080). Está diseñado para utilizar la capacidad máxima de ancho de banda de los cables y conectores UTP empleados tradicionalmente para sistemas de video SD y permite el uso de longitudes de cable de hasta 30 m sin retransmisión. Para asegurarse de que C ² B cumple con todos los requisitos automotrices, utiliza características de varias optimizaciones para EMC, incluida la construcción de señal optimizada, filtros antialias y filtros de conformación de espectro.

C ² B cuenta con un canal de control que puede manejar la transmisión de señales I2C a hasta 400 kHz, hasta cuatro señales GPIO y señales de interrupción del módulo de la cámara. Esto facilita las arquitecturas del sistema, incluida no solo la configuración local que comprende una unidad de microcontrolador (MCU) en el módulo de la cámara y una MCU en la ECU / HU, sino también la configuración remota utilizando una MCU en la ECU / HU que configura el módulo de la cámara. Los cuatro GPIO se utilizan para transferir señales estáticas a través del C ² Parpadear. Se proporcionan dos señales de interrupción para permitir que C ² El transmisor B comunica información de estado al C ² Receptor B. C ² B aplica la verificación CRC a los datos del canal de control y puede iniciar automáticamente la retransmisión en caso de que ocurra un problema.

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Figura 2. C ² Descripción general de la arquitectura B. (Fuente:Analog Devices)

C ² B admite funciones de valor agregado para los clientes de la industria automotriz, como el diagnóstico de cables (recopilación de información sobre la ocurrencia de cortocircuitos en el cable a la batería y eventos de cortocircuito a tierra) y la recopilación, generación, decodificación y transmisión del recuento de cuadros para brindar información sobre la integridad del datos transmitidos.

Definido y diseñado para aplicaciones automotrices, C ² B emplea varios bloques para garantizar el cumplimiento de EMC sobre cables UTP de bajo costo y conectores sin blindaje de bajo costo. Estos incluyen cancelación de eco por desajuste de impedancia, rechazo de modo común de banda ancha (importante cuando se usan cables UTP) y modelado del espectro de la señal de salida para proporcionar emisiones reducidas. C ² B está probado y cumple con los estándares internacionales de EMC a nivel de dispositivo y los estándares internacionales de EMC a nivel de sistema (CISPR 25 clase 5 [emisiones], ISO 11452-2 / ISO 11452-4 / ISO 11452-9, ISO 7637-3 [inmunidad] , ISO 10605 [ESD]).

Estas características hacen que C ² B una solución atractiva para dos tipos de fabricantes de automóviles:aquellos que todavía usan soluciones de cámara SD y buscan una ruta de actualización de bajo riesgo, y aquellos que ya se han cambiado a soluciones de cámaras basadas en tecnología de enlace digital y buscan una ruta de reducción de costos de una tecnología de enlace analógico de alta definición.

Espacios de aplicación en los que C ² B ofrece ventajas significativas en el costo del sistema sobre tecnologías alternativas que incluyen cámaras de visión trasera, sistemas de cámaras de visión envolvente, espejos electrónicos y sistemas de monitoreo de ocupantes. La naturaleza sin pérdida visual validada de forma independiente de C ² B puede proporcionar un rendimiento de alta definición similar a las tecnologías de enlace digital al tiempo que ofrece importantes ahorros de costos a nivel del sistema.

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Figura 3. Comparación de las capturas de fotogramas de video para un enlace digital frente a un C ² Parpadear. (Fuente:Analog Devices)

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Figura 4. Comparación de las capturas de fotogramas de video para un enlace digital con C ² Parpadear. (Fuente:Analog Devices)

C ² B permite a los fabricantes de automóviles actualizar las cámaras SD existentes a HD o facilita la migración de un sistema utilizando una tecnología de enlace digital para reducir el costo del sistema. Con placas de evaluación para C ² Transmisor B (ADV7992) y C ² B (ADV7382 / ADV7383), como los disponibles en Analog Devices, los OEM pueden acelerar la investigación de tecnología y la creación de prototipos de sistemas. Durante la creación de prototipos del sistema, el C ² La placa de evaluación del transmisor B se puede utilizar como C ² Fuente B si está desarrollando un receptor, mientras que C ² La placa de evaluación del receptor B se puede utilizar como C ² B hundirse si desarrolla una cámara.