ثلاث طرق تعمل بها أجهزة الإرسال والاستقبال LVDS على تعزيز أداء إضاءة السيارات

تعد معالجة البيانات المرئية جزءًا لا يتجزأ من تطبيقات إضاءة السيارات، مثل الإضاءة التكيفية والإسقاط الأرضي والرسوم المتحركة. تعمل التطورات في معالجة الصور والذكاء الاصطناعي على تعزيز هذه الأنظمة لفك تشفير البيانات في الوقت الفعلي بمعدلات أسرع. ومع ذلك، فقد خلقت واجهات الإشارات الرقمية التقليدية عنق الزجاجة أمام هذه الأنظمة سريعة التطور. تستكشف هذه المقالة كيف يمكن لدوائر واجهة الإشارة التفاضلية منخفضة الجهد (LVDS) أن تساعد المصممين في التغلب على تحديات إضاءة السيارات المتعلقة بعرض النطاق الترددي وسلامة الإشارة واستهلاك الطاقة.

لخلق بيئات قيادة أكثر أمانًا، تعمل الشركات المصنعة للمعدات الأصلية (OEMs) وموردي المستوى 1 على تطوير مصابيح أمامية قابلة للتكيف تتكيف ديناميكيًا مع ظروف الطريق والطقس المختلفة. تشتمل أنظمة المصابيح الأمامية الأكثر تقدمًا على التحكم المتحرك في الأضواء الخارجية أو التحذيرات القابلة للإسقاط على الأرض، ولكن أحد التطبيقات الأكثر شيوعًا هو الحزم العالية الخالية من الوهج، والتي تقوم تلقائيًا بضبط توزيع الضوء عند اكتشاف أحد المشاة أو السيارة.

هناك أكثر من طريقة لتنفيذ مصابيح أمامية خالية من الوهج. تتبع بعض البنيات أسلوبًا ميكانيكيًا بحتًا، في حين أن البعض الآخر، مثل أنظمة شعاع القيادة التكيفي (ADB)، تتحكم في مجموعة من مصابيح LED.

في المصابيح الأمامية ADB، تلتقط الكاميرا الأمامية بيانات حالة الطريق في الوقت الفعلي وتقوم تلقائيًا بتكييف ملف تعريف الإضاءة للمصابيح الأمامية. يوضح الشكل 1 تصميمًا مبسطًا لنظام ADB باستخدام وحدة تحكم مصفوفة LED. تشتمل الكتل الأساسية على كاميرا ووحدة تحكم إلكترونية (ECU) ووحدة قيادة LED. تنقل الكاميرا عالية السرعة البيانات من خلال واجهة التسلسل-إلغاء التسلسل إلى معالج دقيق أو وحدة تحكم دقيقة (MCU)، الموجودة على لوحة وحدة التحكم الإلكترونية. تقوم وحدة MCU بحساب تكوين البكسل وتنقل بيانات التحكم إلى وحدة القيادة LED في المصابيح الأمامية.

يمكن أن تستخدم وحدة LED وحدات تحكم مصفوفة LED (كما هو موضح في الشكل 1) أو مصابيح microLED عالية الكثافة، اعتمادًا على الدقة المستهدفة. توفر إضافة مصابيح LED درجة أكبر من الدقة للتحكم التكيفي. يمكن أن تتراوح الأنظمة من عشرات إلى عشرات الآلاف من مصابيح LED. مع استمرار مصنعي المعدات الأصلية في تعبئة كثافات أعلى من مصابيح LED في المصابيح الأمامية، تزداد معدلات الإشارة المطلوبة من بضعة ميغابت في الثانية إلى غيغابت في الثانية. يجب أن تتكيف واجهة لوحة ECU-to-LED الناتجة لتمكين هذه الزيادة الكبيرة في عرض النطاق الترددي.

وبصرف النظر عن السرعات العالية، تتطلب هذه الواجهة أيضًا إرسالًا قويًا وطويل المدى. الصفات الثلاث التالية للإشارات التفاضلية تجعلها مرشحًا ممتازًا للاتصالات الموثوقة في السيارات:

• تحمل طرق الإشارة التفاضلية البيانات في مسارين متكاملين من السائق إلى جهاز الاستقبال. تم تصميم جهاز الاستقبال لاستخراج البيانات من فرق الجهد بين الإشارتين، والمعروف باسم الجهد التفاضلي. يتيح ذلك لجهاز الاستقبال رفض ضوضاء الوضع الشائع التي قد تكون موجودة في وسائط الإرسال.
• تعمل الإشارات التفاضلية على تقليل تأثيرات التحولات الأرضية بين السائق والمستقبل لأن البيانات لا تتم الإشارة إليها على أرضية مشتركة.
• يساعد النقل المتوازن للبيانات ذات الحجم المتساوي والمعاكس على تقليل التداخل الكهرومغناطيسي (EMI).

سأفكر في أربع واجهات تفاضلية شائعة: شبكة منطقة التحكم (CAN)، وRS-422، وRS-485، وLVDS. تحدد الخصائص الكهربائية الفيزيائية للمعيار معدل النقل المدعوم والطول وتحمل الوضع المشترك والطاقة، من بين عوامل أخرى. ويلخص الجدول 1 المفاضلات.

تتمتع حافلة CAN بتراث قوي في صناعة السيارات بسبب تكلفتها المنخفضة وموثوقيتها ومرونتها الهائلة. تم توحيد بروتوكول CAN بواسطة المنظمة الدولية للتوحيد القياسي (ISO) 11898، والذي يحدد كلاً من رابط البيانات والطبقة المادية لنموذج الاتصال البيني للأنظمة المفتوحة (OSI). وبالنظر إلى الطبقة المادية فقط، فإنها تستخدم إشارات تفاضلية متوازنة. يشكل CAN High و CAN Low الزوج التفاضلي، حيث تتم الإشارة إلى الارتفاع المنطقي عند 3.5 فولت والمنطق المنخفض عند 1.5 فولت. ويكون تأرجح الجهد التفاضلي الناتج هو 2 فولت.

يحدد نطاق جهد الوضع المشترك فرق الجهد المسموح به بين أرض المرسل والمستقبل. يتطلب ISO 11898 ما لا يقل عن –2 فولت إلى 7 فولت من التسامح في الوضع الشائع. بالنظر إلى هذه المعلمات الكهربائية، تدعم حافلة CAN ما يصل إلى 40 مترًا من أطوال الحافلة وبحد أقصى 30 عقدة. يقتصر معدل البيانات على 1 ميجابت في الثانية كحد أقصى.

على الرغم من أن CAN هي سابقة للمعايير الأحدث، مثل CAN-Flexible Data Rate، والتي تدعم سرعات تصل إلى 10 ميجابت في الثانية، إلا أن الشبكات القائمة على الرؤية مثل أنظمة ADB لا تزال تتطلب إنتاجية أعلى بكثير.

RS-422 (رابطة صناعة الاتصالات/تحالف الصناعات الإلكترونية [TIA/EIA] 422) وأجهزة الإرسال والاستقبال RS-485 (TIA/EIA-485) تخضع أيضًا لمعدلات بيانات مقيدة. تحدد هذه المواصفات الطبقة المادية فقط. يستخدم كلا المعيارين تأرجحًا كبيرًا للجهد التفاضلي – يصل إلى 5 فولت – للوصول إلى مسافة تصل إلى 1200 متر. ومن المهم أن نلاحظ أن معدل البيانات ومسافة الإرسال لهما علاقة عكسية. ومع زيادة التردد، تقل المسافة القصوى المسموح بها. وتسمح هذه المعايير أيضًا بنطاق جهد مشترك كبير، مما يجعلها خيارًا جيدًا في التطبيقات الصناعية، مثل أتمتة المصانع والتحكم فيها وأتمتة المباني، ولكن ليس لشبكة تعتمد على الرؤية عالية السرعة.

كما يوحي الاسم، فإن LVDS لديه تأرجح جهد تفاضلي صغير جدًا. تسمح هذه الخصائص الكهربائية الأساسية وغيرها بتحقيق معدلات إشارات تزيد عن 3 جيجابت في الثانية، ومسافة إرسال تصل إلى 10 أمتار واستهلاك منخفض جدًا للطاقة، وهي جميعها مزايا في التصميمات التي تستخدم التحكم LED التكيفي. دعونا نلقي نظرة فاحصة على معيار LVDS لفهم تشغيله بشكل أفضل (الشكل 2).

يتكون رابط LVDS الأساسي من مشغل، ووسائط نقل، ومقاومة انتهاء 100 أوم، وجهاز استقبال. تقبل برامج تشغيل LVDS إشارات إدخال أشباه الموصلات من أكسيد المعدن التكميلي (CMOS) أحادية الطرف وترجمتها إلى مخرج LVDS. يحتوي برنامج التشغيل على مصدر تيار ثابت بقدرة 3.5 مللي أمبير يكون مسؤولاً عن إنشاء فرق صغير جدًا بقدرة 350 مللي فولت عبر مقاومة الإنهاء. يتحكم مستوى منطق الإدخال المنخفض أو مستوى المنطق المرتفع في قطبية تيار المحرك. من الممكن تحقيق أوقات صعود وهبوط سريعة جدًا بسبب هذا التأرجح الصغير للجهد، مما يساهم أيضًا في تبديد طاقة قليل جدًا.

تقوم أجهزة استقبال LVDS بقراءة إشارة ±350 مللي فولت عبر مقاومة الإنهاء وترجمتها مرة أخرى إلى مخرج CMOS أحادي النهاية. إن مدخل جهاز الاستقبال ذو مقاومة عالية، مما يضمن مرور التيار عبر مقاومة الإنهاء. تحدد TIA/EIA-644A أيضًا الحد الأدنى لنطاق جهد الوضع المشترك وهو ±1 فولت؛ ومع ذلك، فإن العديد من أجهزة استقبال LVDS المتوفرة تدعم نطاقات الوضع المشترك الموسعة. تتمتع مستقبلات LVDS بجهد عتبة تفاضلي يبلغ 100 مللي فولت، مما يوفر هامشًا جيدًا بالنسبة للمدخل التفاضلي.

كما هو موضح في الشكل 3، فإن إضافة محرك LVDS وزوج جهاز الاستقبال على وحدة التحكم الإلكترونية ووحدة LED يمكن أن يحل عنق الزجاجة في الإضاءة التكيفية. نظرًا لأن LVDS لا يلتزم بالبروتوكول، فإنه يمنح المهندسين المرونة اللازمة لتحديد طبقة ربط البيانات. في الإضاءة، من الشائع تمرير بروتوكولات مثل جهاز الإرسال والاستقبال العالمي غير المتزامن (UART) عبر الطبقة المادية LVDS. يعد LVDS معيارًا راسخًا للغاية مع العديد من عروض المنتجات ووظائف الأجهزة المختلفة. تتكون محفظة شركة Texas Instruments (TI’s) من مئات أجهزة LVDS التي تشمل أعدادًا مختلفة من القنوات وتقييمات المنتجات والفولتية ومعدلات البيانات. بالنسبة لتطبيقات الإضاءة التكيفية، يعد DS90LV011AQ-Q1 وDS90LT012AQ-Q1 زوجًا من أجهزة التشغيل والاستقبال فعالة من حيث التكلفة من فئة السيارات. يدعم جهاز DS90LVRA2-Q1 من TI، وهو جهاز استقبال LVDS ثنائي القناة، مصمم للسيارات، الجهد المنطقي 3.3 فولت و2.5 فولت و1.8 فولت من أجل التشغيل البيني مع المعالجات ذات الجهد المنخفض.

أصبحت المصابيح الأمامية المتكيفة شائعة بسرعة في جميع أنحاء صناعة السيارات. تعمل هذه الأنظمة على تعطيل النظام البيئي لإضاءة السيارات، مما يتطلب معايير واجهة عالية الأداء. تعمل LVDS على تمكين هذه الأنظمة من التحكم في ملفات تعريف إضاءة LED في الوقت الفعلي من خلال اتصالات موثوقة منخفضة زمن الوصول.

لمزيد من المعلومات، اقرأ تقارير التطبيق “مقدمة إلى شبكة منطقة التحكم (CAN)” و”نظرة عامة على معايير RS-422 وRS-485 وتكوينات النظام”، بالإضافة إلى “دليل مالك LVDS”.

ظهرت ثلاث طرق لأجهزة الإرسال والاستقبال LVDS لتعزيز أداء إضاءة السيارات لأول مرة على Power Electronics News.