商用车连接器的发展趋势

摘要：本文以农用车和施工/矿山车辆为主，探讨了 2016 年商用车在通信组件领域的发展趋势，其中包括开展全天候通信的挑战、与其他通信系统的交互，以及标准的变化。

　　经验丰富的商用车操作人员会说，根据车辆所发出的声音和振动，他们就能感觉出车辆的运行情况。时至今日，最新的商用车通过各种精密的通信系统即可实现这一功能，这些系统可以监控性能、控制车辆的位置、为所需维护排期、与附属设备进行通信，甚至还可以协助驾驶车辆等。

　　这些通信系统需要多种五花八门的电子组件。本文讨论了 2016 年商用车在通信组件领域的发展趋势，其中包括开展全天候通信的挑战、与其他通信系统的交互以及标准的变化。

　　许多车辆都需要极为复杂的互连系统，例如，农用车需要精确的监控喷雾器的输出效果，商用客车可以安装 Wi-Fi 网络以及即插即用的娱乐系统供乘客使用，以及多种安保和驾驶辅助摄像头系统，而紧急车辆则需要处理来自患者监护设备的关键数据。本文主要关注两种关键性的重型应用：农用车和施工/矿山车辆。

商用车的通信

　　配有全天候通信系统的农用车辆具有重要的竞争优势。比如说，拖拉机及农具机组上的通信模块可以确保精确地在农田上进行种植和收获，提高效率。这类模块可以控制农药和种子的施撒情况，进而改进栽培效果与作物产量。

　　此外，如果拖拉机、联合收割机或农具机组出现问题，那么，根据问题的严重程度，将通过无线通信功能自动提醒经销商或者操作人员。机械设备的正常运行时间具有至关重要的作用，因此，这类应用可以改善耕作的生产效率。显而易见，通信系统是自主农用车辆的一个关键组成部分，可以将农户解放出来，投入到其他作业当中。其中一些系统可以协调多种自主车辆的运行，例如，当一台拖拉机式粮食拖车从正在田中收获庄稼的联合收割机中接收粮食时，便可以发挥作用。

　　对于施工和矿山车辆，全天候通信系统的重要性更高。有所不同的是，农用车辆更多的时候是在一定的时间段内使用，然后便会闲置，而施工和矿山车辆则是在无限的时间段内几乎全天不停地运转，使得维护诊断以及通信系统具有更高的关键性。

　　此外，农用车辆以及施工和矿山车辆都需要多个摄像头和传感器，确保在往往具有危险性的工作环境中可以安全工作。这类通信系统通常包括摄像机和显示器之类的设备，以及各种复杂的传感器和控制系统，生成海量的高速数据，从而在重要的作业中为操作人员提供帮助。

自由流动的数据

　　商用车中流动的数据量超过了以往任何时候，因此，通信系统要求高速的连接器和线缆可以达到 5 至 10 Gbps 的数据速率，从而可以传输图像和视频。某些连接器只能对数据进行处理，而发展趋势则是使用混合式连接器，同时处理数据和电源，其中有些还可以指定使用两条或者四条线路的信号和电源。

　　混合连接器面对的一个主要挑战就在于，当通过连接器传输电源时，便会产生电磁干扰 (EMI)。这样一来，这类系统中的连接器和线缆就必须采取屏蔽，保护免受电磁干扰和串扰的影响。常用的屏蔽方法包括通过为每对绞线包覆铝箔来进行独立屏蔽、金属箔屏蔽、编织屏蔽或者在所有线对之间采用金属箔来编织，还可以在绞线对之间通过金属箔进行独立屏蔽，同时结合外部的金属箔或者编织屏蔽。

　　大部分技术已不再新颖，而到了近期，这些技术才应用到了商用车行业。制造商现在正在采用的各类高速协议，则已经在其他行业应用了多年。其中的区别则在于，重型车辆的通信系统必须进行加固，在闭锁和密封方面尤为如此。

　　这就意味着商用车中的通信网络必须具有机动车中常见高速网络的全部优势，并且可以为更高程度的振动、冲击和流体侵入提供更好的保护。此外，在安装到更加复杂和密度更高的封装中后，也必须实现以上功能。这样一来，高速互连系统便得到了修改，从而满足商用车行业日益兴起的各种挑战的要求。

网络的演进

　　举例来说，典型的 USB 互连系统以无源非闭锁的插入式连接器为基础，而汽车上的 USB 应用则必须能够锁定。从而，汽车应用的非密封 USB 连接器系统则需要满足 USCAR 标准的外罩和插锁。

　　然而，与汽车应用相比，重型非公路应用一般需要密封系统针对更高的振动、冲击和流体侵入提供额外的保护。因此，商用车的互连系统要求完全保护的周边密封件和电线密封件达到 IP67 和 IP69K 标准，从而用于非公路环境。有些时候，车辆外部还需要使用进一步加固的产品。这类采用金属材料的互连系统在某些情况下提供高速的 6 类版本，一般采用密封和螺纹设计，并且配备金属外壳和推拉锁。某些版本甚至可以耐受 300 磅的拉力，其设计可供车辆驾驶人员进出驾驶室时踩踏在线缆上。

　　同样，其他行业经测试和认证通过的密封技术也可以用于商用车的电子组件。其中包括不同级别的密封能力，从防尘和防晒直至耐受水管喷射的水流，以及完全浸没在水中。

　　在针对商用车中的振动而为组件提供保护的过程中，有助于将多个触点保持在连接器系统内部。商用车的制造商传统上一般使用耐振动的插针和插座连接器，因为这类产品可以为圆柱针脚周围的插座提供多个触点。然而，机动车行业的同类产品已经过渡为使用成本较低的叶片连接器和插座连接器，这类连接器也具有多个触点。

　　商用车制造商现在也正在转向这一趋势。在传统上，叶片和插座式连接器并不适合高振动环境，而新型设计则得到了进一步的细化，根据触点的几何外形可以耐受高达 20 G 的重力。比如说，Molex 的 MX123 密封连接系统从根本上说是一种叶片和插座式系统。其设计主要针对高振动的发动机盖下的动力总成应用，并且依然保持了较小的封装尺寸。

不断变化中的传感器与标准

　　商用车组件的另一主要发展趋势在于不断增长的传感器的使用。其挑战则是需要确定如何从这类传感器中采集信息，以及如何以不会影响到操作人员的方式将这些信息反映到屏幕或界面上。传感器的类型以及使用数量都在不断增长，这些传感器涉及到照明、空气/胎压、电流和位置，以及气体、制动液和液压油的液位。特定于农用车的传感器则包括料斗水平、施用量和高速播种传感器。

　　此外，在通信系统中使用传感器和连接器的指定方法也在不断演进当中。农用车制造商趋向于采用 ISO 11783 之类的 ISO 总线通信标准，而施工和矿山车辆的制造商则往往采用 SAE 标准。此外，商用车制造商还将内部的专用标准用于更高级别的通信，使得同一制造商生产的各种车辆与设备可以互操作。然而，这也意味着可能无法与其他制造商的设备进行有效通信。这些专用规范和要求对于使用各种不同制造商出产车辆的客户会构成问题，而这也可以使每一家制造商实现产品的差异化，产生自身车辆的竞争优势。

　　例如，很多商用车连接器的制造商采用 SAE J2030 规范，其中涉及两条线缆之间或者线缆和电气组件之间使用的连接器，重点关注电气组件外部的连接器。该规范描述了连接器在苛刻应用下工作所需的最低标准。

　　在为商用车开发连接器的过程中，Molex 通常会按 J2030 规范进行测试，因为当我们在为某一客户，比如卡特彼勒或者约翰迪尔定制部件时，该规范可以提供一种“呼叫卡”。客户可能会因为通过了 J2030 而认可某一部件，然后进一步测试来确定是否满足自身的内部规格要求。一些制造商则可能会与供应商来共享这些内部规格，有些则不会。

管理“披萨盒”

　　在为商用车设计高速和高功率互连系统时，需要牢记的一点是，该系统是车辆整体架构的一个组成部分，其中涉及高速通信和高功率电气化系统。例如，除了标准的车身/底盘、安全、动力总成和信息娱乐系统连接器外，一个逐渐兴起的趋势就是为高压电源应用采用电力传动和附件连接器系统。大量的电线和连接器会路由到尺寸在披萨盒大小的控制模块上。仅仅是在车辆上铺设各种直管和直角入口的电线，便是一项难度与日俱增的挑战。

　　这样一来，便需要尺寸更小、重量更轻、灵活性更高的连接器，以便于线缆退出。例如，1.5 mm的端子可能需要缩小至 1.2mm，而 18 或 20 线规的电线则可以更换为 22 线规。同样，还可能需要使用绝缘直径更小、重量更轻的铝线来取代铜线。另一选项则是迁移到单模玻璃或塑料光缆。一条光纤线路可以代替多条铜线。此外，一些制造商还使用扁平线缆，原因在于可以平整地安装到车辆的侧面，无需传统布线的捆扎操作(一捆电线会产生圆形的横截面，直径更大，而扁平电缆则不存在这种情况)。

全局观点

　　最后，重型车辆的通信网络必须根据系统速度要求、所需端口数、适用协议、线缆设计、线缆屏蔽级别以及连接器的连接方式来进行整合。这就意味着连接器的供应商还必须是系统设计领域的专家，在通信系统设计的初始阶段最好与客户一起作为团队协同工作。选择适宜的互连方案，包括系统的总电阻和总屏蔽在内，对于全天候的通信系统来说具有关键性的作用，有助于在当前以及未来对重型车辆实施良好的控制。

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第5期第29页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。