摘要：本文以農(nóng)用車(chē)和施工/礦山車(chē)輛為主，探討了 2016 年商用車(chē)在通信組件領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，其中包括開(kāi)展全天候通信的挑戰(zhàn)、與其他通信系統(tǒng)的交互，以及標(biāo)準(zhǔn)的變化。

　　經(jīng)驗(yàn)豐富的商用車(chē)操作人員會(huì)說(shuō)，根據(jù)車(chē)輛所發(fā)出的聲音和振動(dòng)，他們就能感覺(jué)出車(chē)輛的運(yùn)行情況。時(shí)至今日，最新的商用車(chē)通過(guò)各種精密的通信系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)這一功能，這些系統(tǒng)可以監(jiān)控性能、控制車(chē)輛的位置、為所需維護(hù)排期、與附屬設(shè)備進(jìn)行通信，甚至還可以協(xié)助駕駛車(chē)輛等。

　　這些通信系統(tǒng)需要多種五花八門(mén)的電子組件。本文討論了 2016 年商用車(chē)在通信組件領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，其中包括開(kāi)展全天候通信的挑戰(zhàn)、與其他通信系統(tǒng)的交互以及標(biāo)準(zhǔn)的變化。

　　許多車(chē)輛都需要極為復(fù)雜的互連系統(tǒng)，例如，農(nóng)用車(chē)需要精確的監(jiān)控噴霧器的輸出效果，商用客車(chē)可以安裝 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)以及即插即用的娛樂(lè)系統(tǒng)供乘客使用，以及多種安保和駕駛輔助攝像頭系統(tǒng)，而緊急車(chē)輛則需要處理來(lái)自患者監(jiān)護(hù)設(shè)備的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。本文主要關(guān)注兩種關(guān)鍵性的重型應(yīng)用：農(nóng)用車(chē)和施工/礦山車(chē)輛。

商用車(chē)的通信

　　配有全天候通信系統(tǒng)的農(nóng)用車(chē)輛具有重要的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。比如說(shuō)，拖拉機(jī)及農(nóng)具機(jī)組上的通信模塊可以確保精確地在農(nóng)田上進(jìn)行種植和收獲，提高效率。這類(lèi)模塊可以控制農(nóng)藥和種子的施撒情況，進(jìn)而改進(jìn)栽培效果與作物產(chǎn)量。

　　此外，如果拖拉機(jī)、聯(lián)合收割機(jī)或農(nóng)具機(jī)組出現(xiàn)問(wèn)題，那么，根據(jù)問(wèn)題的嚴(yán)重程度，將通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信功能自動(dòng)提醒經(jīng)銷(xiāo)商或者操作人員。機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行時(shí)間具有至關(guān)重要的作用，因此，這類(lèi)應(yīng)用可以改善耕作的生產(chǎn)效率。顯而易見(jiàn)，通信系統(tǒng)是自主農(nóng)用車(chē)輛的一個(gè)關(guān)鍵組成部分，可以將農(nóng)戶(hù)解放出來(lái)，投入到其他作業(yè)當(dāng)中。其中一些系統(tǒng)可以協(xié)調(diào)多種自主車(chē)輛的運(yùn)行，例如，當(dāng)一臺(tái)拖拉機(jī)式糧食拖車(chē)從正在田中收獲莊稼的聯(lián)合收割機(jī)中接收糧食時(shí)，便可以發(fā)揮作用。

　　對(duì)于施工和礦山車(chē)輛，全天候通信系統(tǒng)的重要性更高。有所不同的是，農(nóng)用車(chē)輛更多的時(shí)候是在一定的時(shí)間段內(nèi)使用，然后便會(huì)閑置，而施工和礦山車(chē)輛則是在無(wú)限的時(shí)間段內(nèi)幾乎全天不停地運(yùn)轉(zhuǎn)，使得維護(hù)診斷以及通信系統(tǒng)具有更高的關(guān)鍵性。

　　此外，農(nóng)用車(chē)輛以及施工和礦山車(chē)輛都需要多個(gè)攝像頭和傳感器，確保在往往具有危險(xiǎn)性的工作環(huán)境中可以安全工作。這類(lèi)通信系統(tǒng)通常包括攝像機(jī)和顯示器之類(lèi)的設(shè)備，以及各種復(fù)雜的傳感器和控制系統(tǒng)，生成海量的高速數(shù)據(jù)，從而在重要的作業(yè)中為操作人員提供幫助。

自由流動(dòng)的數(shù)據(jù)

　　商用車(chē)中流動(dòng)的數(shù)據(jù)量超過(guò)了以往任何時(shí)候，因此，通信系統(tǒng)要求高速的連接器和線(xiàn)纜可以達(dá)到 5 至 10 Gbps 的數(shù)據(jù)速率，從而可以傳輸圖像和視頻。某些連接器只能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，而發(fā)展趨勢(shì)則是使用混合式連接器，同時(shí)處理數(shù)據(jù)和電源，其中有些還可以指定使用兩條或者四條線(xiàn)路的信號(hào)和電源。

　　混合連接器面對(duì)的一個(gè)主要挑戰(zhàn)就在于，當(dāng)通過(guò)連接器傳輸電源時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生電磁干擾 (EMI)。這樣一來(lái)，這類(lèi)系統(tǒng)中的連接器和線(xiàn)纜就必須采取屏蔽，保護(hù)免受電磁干擾和串?dāng)_的影響。常用的屏蔽方法包括通過(guò)為每對(duì)絞線(xiàn)包覆鋁箔來(lái)進(jìn)行獨(dú)立屏蔽、金屬箔屏蔽、編織屏蔽或者在所有線(xiàn)對(duì)之間采用金屬箔來(lái)編織，還可以在絞線(xiàn)對(duì)之間通過(guò)金屬箔進(jìn)行獨(dú)立屏蔽，同時(shí)結(jié)合外部的金屬箔或者編織屏蔽。

　　大部分技術(shù)已不再新穎，而到了近期，這些技術(shù)才應(yīng)用到了商用車(chē)行業(yè)。制造商現(xiàn)在正在采用的各類(lèi)高速協(xié)議，則已經(jīng)在其他行業(yè)應(yīng)用了多年。其中的區(qū)別則在于，重型車(chē)輛的通信系統(tǒng)必須進(jìn)行加固，在閉鎖和密封方面尤為如此。

　　這就意味著商用車(chē)中的通信網(wǎng)絡(luò)必須具有機(jī)動(dòng)車(chē)中常見(jiàn)高速網(wǎng)絡(luò)的全部?jī)?yōu)勢(shì)，并且可以為更高程度的振動(dòng)、沖擊和流體侵入提供更好的保護(hù)。此外，在安裝到更加復(fù)雜和密度更高的封裝中后，也必須實(shí)現(xiàn)以上功能。這樣一來(lái)，高速互連系統(tǒng)便得到了修改，從而滿(mǎn)足商用車(chē)行業(yè)日益興起的各種挑戰(zhàn)的要求。

網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)

　　舉例來(lái)說(shuō)，典型的 USB 互連系統(tǒng)以無(wú)源非閉鎖的插入式連接器為基礎(chǔ)，而汽車(chē)上的 USB 應(yīng)用則必須能夠鎖定。從而，汽車(chē)應(yīng)用的非密封 USB 連接器系統(tǒng)則需要滿(mǎn)足 USCAR 標(biāo)準(zhǔn)的外罩和插鎖。

　　然而，與汽車(chē)應(yīng)用相比，重型非公路應(yīng)用一般需要密封系統(tǒng)針對(duì)更高的振動(dòng)、沖擊和流體侵入提供額外的保護(hù)。因此，商用車(chē)的互連系統(tǒng)要求完全保護(hù)的周邊密封件和電線(xiàn)密封件達(dá)到 IP67 和 IP69K 標(biāo)準(zhǔn)，從而用于非公路環(huán)境。有些時(shí)候，車(chē)輛外部還需要使用進(jìn)一步加固的產(chǎn)品。這類(lèi)采用金屬材料的互連系統(tǒng)在某些情況下提供高速的 6 類(lèi)版本，一般采用密封和螺紋設(shè)計(jì)，并且配備金屬外殼和推拉鎖。某些版本甚至可以耐受 300 磅的拉力，其設(shè)計(jì)可供車(chē)輛駕駛?cè)藛T進(jìn)出駕駛室時(shí)踩踏在線(xiàn)纜上。

　　同樣，其他行業(yè)經(jīng)測(cè)試和認(rèn)證通過(guò)的密封技術(shù)也可以用于商用車(chē)的電子組件。其中包括不同級(jí)別的密封能力，從防塵和防曬直至耐受水管?chē)娚涞乃?，以及完全浸沒(méi)在水中。

　　在針對(duì)商用車(chē)中的振動(dòng)而為組件提供保護(hù)的過(guò)程中，有助于將多個(gè)觸點(diǎn)保持在連接器系統(tǒng)內(nèi)部。商用車(chē)的制造商傳統(tǒng)上一般使用耐振動(dòng)的插針和插座連接器，因?yàn)檫@類(lèi)產(chǎn)品可以為圓柱針腳周?chē)牟遄峁┒鄠€(gè)觸點(diǎn)。然而，機(jī)動(dòng)車(chē)行業(yè)的同類(lèi)產(chǎn)品已經(jīng)過(guò)渡為使用成本較低的葉片連接器和插座連接器，這類(lèi)連接器也具有多個(gè)觸點(diǎn)。

　　商用車(chē)制造商現(xiàn)在也正在轉(zhuǎn)向這一趨勢(shì)。在傳統(tǒng)上，葉片和插座式連接器并不適合高振動(dòng)環(huán)境，而新型設(shè)計(jì)則得到了進(jìn)一步的細(xì)化，根據(jù)觸點(diǎn)的幾何外形可以耐受高達(dá) 20 G 的重力。比如說(shuō)，Molex 的 MX123 密封連接系統(tǒng)從根本上說(shuō)是一種葉片和插座式系統(tǒng)。其設(shè)計(jì)主要針對(duì)高振動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋下的動(dòng)力總成應(yīng)用，并且依然保持了較小的封裝尺寸。

不斷變化中的傳感器與標(biāo)準(zhǔn)

　　商用車(chē)組件的另一主要發(fā)展趨勢(shì)在于不斷增長(zhǎng)的傳感器的使用。其挑戰(zhàn)則是需要確定如何從這類(lèi)傳感器中采集信息，以及如何以不會(huì)影響到操作人員的方式將這些信息反映到屏幕或界面上。傳感器的類(lèi)型以及使用數(shù)量都在不斷增長(zhǎng)，這些傳感器涉及到照明、空氣/胎壓、電流和位置，以及氣體、制動(dòng)液和液壓油的液位。特定于農(nóng)用車(chē)的傳感器則包括料斗水平、施用量和高速播種傳感器。

　　此外，在通信系統(tǒng)中使用傳感器和連接器的指定方法也在不斷演進(jìn)當(dāng)中。農(nóng)用車(chē)制造商趨向于采用 ISO 11783 之類(lèi)的 ISO 總線(xiàn)通信標(biāo)準(zhǔn)，而施工和礦山車(chē)輛的制造商則往往采用 SAE 標(biāo)準(zhǔn)。此外，商用車(chē)制造商還將內(nèi)部的專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)用于更高級(jí)別的通信，使得同一制造商生產(chǎn)的各種車(chē)輛與設(shè)備可以互操作。然而，這也意味著可能無(wú)法與其他制造商的設(shè)備進(jìn)行有效通信。這些專(zhuān)用規(guī)范和要求對(duì)于使用各種不同制造商出產(chǎn)車(chē)輛的客戶(hù)會(huì)構(gòu)成問(wèn)題，而這也可以使每一家制造商實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的差異化，產(chǎn)生自身車(chē)輛的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

　　例如，很多商用車(chē)連接器的制造商采用 SAE J2030 規(guī)范，其中涉及兩條線(xiàn)纜之間或者線(xiàn)纜和電氣組件之間使用的連接器，重點(diǎn)關(guān)注電氣組件外部的連接器。該規(guī)范描述了連接器在苛刻應(yīng)用下工作所需的最低標(biāo)準(zhǔn)。

　　在為商用車(chē)開(kāi)發(fā)連接器的過(guò)程中，Molex 通常會(huì)按 J2030 規(guī)范進(jìn)行測(cè)試，因?yàn)楫?dāng)我們?cè)跒槟骋豢蛻?hù)，比如卡特彼勒或者約翰迪爾定制部件時(shí)，該規(guī)范可以提供一種“呼叫卡”?？蛻?hù)可能會(huì)因?yàn)橥ㄟ^(guò)了 J2030 而認(rèn)可某一部件，然后進(jìn)一步測(cè)試來(lái)確定是否滿(mǎn)足自身的內(nèi)部規(guī)格要求。一些制造商則可能會(huì)與供應(yīng)商來(lái)共享這些內(nèi)部規(guī)格，有些則不會(huì)。

管理“披薩盒”

　　在為商用車(chē)設(shè)計(jì)高速和高功率互連系統(tǒng)時(shí)，需要牢記的一點(diǎn)是，該系統(tǒng)是車(chē)輛整體架構(gòu)的一個(gè)組成部分，其中涉及高速通信和高功率電氣化系統(tǒng)。例如，除了標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)身/底盤(pán)、安全、動(dòng)力總成和信息娛樂(lè)系統(tǒng)連接器外，一個(gè)逐漸興起的趨勢(shì)就是為高壓電源應(yīng)用采用電力傳動(dòng)和附件連接器系統(tǒng)。大量的電線(xiàn)和連接器會(huì)路由到尺寸在披薩盒大小的控制模塊上。僅僅是在車(chē)輛上鋪設(shè)各種直管和直角入口的電線(xiàn)，便是一項(xiàng)難度與日俱增的挑戰(zhàn)。

　　這樣一來(lái)，便需要尺寸更小、重量更輕、靈活性更高的連接器，以便于線(xiàn)纜退出。例如，1.5 mm的端子可能需要縮小至 1.2mm，而 18 或 20 線(xiàn)規(guī)的電線(xiàn)則可以更換為 22 線(xiàn)規(guī)。同樣，還可能需要使用絕緣直徑更小、重量更輕的鋁線(xiàn)來(lái)取代銅線(xiàn)。另一選項(xiàng)則是遷移到單模玻璃或塑料光纜。一條光纖線(xiàn)路可以代替多條銅線(xiàn)。此外，一些制造商還使用扁平線(xiàn)纜，原因在于可以平整地安裝到車(chē)輛的側(cè)面，無(wú)需傳統(tǒng)布線(xiàn)的捆扎操作(一捆電線(xiàn)會(huì)產(chǎn)生圓形的橫截面，直徑更大，而扁平電纜則不存在這種情況)。

全局觀(guān)點(diǎn)

　　最后，重型車(chē)輛的通信網(wǎng)絡(luò)必須根據(jù)系統(tǒng)速度要求、所需端口數(shù)、適用協(xié)議、線(xiàn)纜設(shè)計(jì)、線(xiàn)纜屏蔽級(jí)別以及連接器的連接方式來(lái)進(jìn)行整合。這就意味著連接器的供應(yīng)商還必須是系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的專(zhuān)家，在通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初始階段最好與客戶(hù)一起作為團(tuán)隊(duì)協(xié)同工作。選擇適宜的互連方案，包括系統(tǒng)的總電阻和總屏蔽在內(nèi)，對(duì)于全天候的通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)具有關(guān)鍵性的作用，有助于在當(dāng)前以及未來(lái)對(duì)重型車(chē)輛實(shí)施良好的控制。

本文來(lái)源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第5期第29頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。