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新闻动态

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车载摄像头，从设计到PCB解决方案

2024.06.04

ADAS加速渗透，传感器数量增长

高级驾驶辅助系统（ADAS）的感知层会使用激光雷达、毫米波雷达、摄像头传感器和超声波传感器对环境信息和车内信息进行采集和处理。

ADAS域控制器做为决策层，融合多传感器的数据进行决策判断，制定控制策略并传达至其他域控制器，从而实现汽车的运动控制。

ADAS的处理逻辑

图源：TI

毫米波雷达：检测距离最长，在金属表面的反射性良好，在夜间、逆光、大雾及雨雪等恶劣天气条件下仍可以正常使用，但是在非金属表面如人或纸箱等存在检测困难的问题。

激光雷达：检测距离中长，非金属表面的反射性良好，在夜间、逆光、大雾及雨雪等恶劣天气条件下仍可以正常使用，但是会穿过玻璃等透明物体，在逆光、暴雨、暴雪及浓雾环境下性能不佳。

超声波雷达：检测距离短，在玻璃、水面也会反射回波，但是会被风影响，甚至可以被雪等物体吸收。

车载摄像头：检测距离取决于摄像机的焦距，通过拍摄画面，识别目标物体，可以识别到目标物体和颜色，但在夜间，逆光，暴雨暴雪及浓雾天气条件下，性能表现不佳。

ADAS传感器及检测区域

ADAS 按等级由低到高可划分为L0-L5六个等级，L0-L2 为辅助驾驶范畴，L3-L5 为自动驾驶范畴。相比于 L2，L3、L4在功能实现方面拥有TJP（交通拥堵领航）、HWP（高速公路领航）、CP（城市领航）、AVP（自动代客泊车）等功能，能够实现有条件的自动驾驶。

根据RolandBerger的数据，2025年L2/L2+渗透率提升至36%，L3渗透率提升至8%。目前量产车上，ADAS正处在由 L2向L3迈进。

车载摄像头的方案设计

车辆上安装的摄像头主要有三种：感知摄像头、环视摄像头和驾驶员监控摄像头。

传感摄像头：安装在挡风玻璃上部，感应范围广，可用于自动驾驶或者驾驶辅助，例如辅助驾驶的LKA、LCA、AEB等功能，保障车辆前部行驶安全。

驾驶员监控摄像头：安装在车辆仪表盘附近，可以感应驾驶员的健康状况，用于DMS(驾驶员监控系统)确保安全驾驶。

环视摄像头：摄像头装置安装在车辆车身的前部、后部、左侧和右侧，可以感应车辆周围约1米的整个周边，可用于停车辅助，保障车辆周围的安全。

由于功能和安装位置的不同，车载摄像头在设计上的区别也很大，如传感摄像头和驾驶员监控摄像头的安装空间有限，更多的使用了软硬结合板做一体化设计，传感摄像头由于安装在挡风玻璃上部，对于外形有特别要求，其更多使用了摄像头板和主板的分立设计。

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传感摄像头和环视摄像头的内部结构

传感摄像头和驾驶员监视摄像头的工作原理

图像传感器通过摄像头镜头捕捉画面并转换为电信号。然后通过高速数据传输通道，将图像数据传输SoC进行处理，SoC处理之后的结果再通过域控MCU向外部ECU发出指令。

传感摄像头的原理框图

图源：Panasonic

图像传感器：拍摄图像将通过摄像头镜头的光转换为电信号。

SoC：处理图像传感器获取的数据。
MCU：向外部ECU提供“踩刹车”和“转动方向盘”等指令。
收发器：与外部设备通信的硬件协议栈，如CAN或者车载以太网等。
存储器（DDR）：数据处理过程的缓存器。
存储器（闪存）：存储控制软件和传感器数据。
DC/DC转换器：将铅蓄电池的电压转换为相应元器件的工作电压。

环视摄像头的工作原理

环视摄像头与传感摄像头、驾驶员监视摄像头不同，环视摄像头需要将汽车多个位置安装的摄像头图像整合为一个全向图像。因此，摄像头ECU和环视ECU之间需要实时传输大量数据，环视ECU上的FPGA负责将多路视频流数据整个为全向图像并实时对画面进行处理，提高摄像头的成像能力。其余配置与感知摄像头、驾驶员监控摄像头相同。

环视摄像头的原理框图

图源：Panasonic

车载摄像头的PCB设计

以Sony的IMX390 200万像素摄像头与4Gbps串行器DS90UB953方案为例：

方案原理框图

图源：TI

PCB设计3D效果图

图源：TI

PCB叠层设计

车载摄像头PCB设计的时候需要考虑车规对于环境温度、振动、使用寿命、复杂电磁环境的要求，综合考虑各种极端使用场景，在满足产品的性能和尺寸要求的条件下，选用板材和相应的叠层方案。

该方案至少需要四层板，有电源和地层。如果使用四层板设计，第二层必须是地层。由于大多数开关器件位于顶层，这样设计最大程度减小了回流路径上通孔产生的杂散电感。

为了简化BGA扇出和布线难度，方案使用6层板进行叠层设计。

叠层方案

图源：TI

PCB布线指南

LVCMOS信号走线需要远离差分线，以防止LVCMOS线信号耦合到差分线。
视频传输高速信号线的优先级最高，在等长控制、阻抗匹配等关键控制点需要优先满足布线要求。
CLK和DATA需要严格等长，阻抗要保持一致。
为了减少通道之间的串扰和反射，每个差分通道之间的间距至少要是布线宽度的三倍。同时尽可能减少布线路径的上过孔，理想情况下，过孔应为两个或更少以最小化stub，减少反射。
走线在左右弯曲的数量上尽可能相等，弯曲的角度尽量大于或等于135度。
容量小的高频去耦电容尽可能靠近器件方式，去耦电容的放置要考虑回流路径，尽可能减少寄生电感。
同轴线缆的传输线阻抗控制为50Ω，如下图黄色线指示，在布线时尽可能让50Ω走线距离缩短。

板上50Ω走线距离尽量短

图源：TI

文章参考来源：

What cameras are installed in ADAS and AD systems?-Panasonic。

采用MIPI CSI-2、PMIC、FPD-Link III和POC的汽车200万像素摄像头�？椴慰忌杓�- Texas Instruments。

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