USB在汽車中的應(yīng)用

消費(fèi)電子和汽車電子的匯聚，包括作為系統(tǒng)內(nèi)串行總線的USB協(xié)議的采用將會(huì)繼續(xù)下去。USB提供了一個(gè)具有成本效益的和令人理解的接口，在消費(fèi)者和汽車系統(tǒng)之間建立了聯(lián)系。

20世紀(jì)末，毋庸置疑最成功和最廣泛使用的串行接口就是通用串行總線（USB）。其成功的秘訣是其簡(jiǎn)單化、實(shí)用化及廣大用戶的廣泛采用。表面上，設(shè)計(jì)者能選擇的標(biāo)準(zhǔn)化物理連接器僅有幾個(gè)。連接器本身表明了USB應(yīng)用（即主機(jī)或設(shè)備）的“風(fēng)格”。利用這個(gè)簡(jiǎn)單的四線接口（VCC、D+、 D-、 GND），提供了一個(gè)功率為2.5W以及串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘速率為480MBps的節(jié)點(diǎn)。該標(biāo)準(zhǔn)在一個(gè)總線上能支持127個(gè)設(shè)備。協(xié)議包括一個(gè)“即插即用”功能（如列舉），這有利于軟件和驅(qū)動(dòng)器的握手和兼容性。正是由于這些功能的特點(diǎn)，使USB1.0在1996年得到了迅速采用，1998年修訂為1.1，后來在2000年4月又增強(qiáng)到2.0修訂版。

2007年，USB設(shè)備的安裝量達(dá)到了10億臺(tái)，每年將以近1.5億臺(tái)的速度增長(zhǎng)。USB取代了筆記本電腦背后的DB-9連接器。用一個(gè)小拇指大小的驅(qū)動(dòng)器，USB就能交換上百兆的文件?？傊?，USB改變了個(gè)人計(jì)算、數(shù)碼相機(jī)和便攜式媒體市場(chǎng)。現(xiàn)在，USB在汽車上的應(yīng)用正在不斷出現(xiàn)。

有線USB應(yīng)用

歷史表明，便攜式媒體很可能是從消費(fèi)領(lǐng)域跨越到汽車行業(yè)的第一個(gè)USB應(yīng)用。一旦消費(fèi)者能把歌曲、視頻和圖片一起帶到任何他們?nèi)サ牡胤?，他們自然想在汽車中訪問這些文件。但是，USB在汽車領(lǐng)域的出現(xiàn)不僅僅是把汽車的子系統(tǒng)看作一個(gè)移動(dòng)PC。它需要一個(gè)廣泛接受、采納和理解的串行通信機(jī)制，并且使之適應(yīng)汽車環(huán)境的運(yùn)行和系統(tǒng)級(jí)要求。

USB首次在汽車中的應(yīng)用是以配件的形式于2001年出現(xiàn)的。這些配件的大多數(shù)根本不是USB，只是將iPod或類似的媒體設(shè)備連接到移動(dòng)音頻系統(tǒng)的專用接口。隨著消費(fèi)者對(duì)這類系統(tǒng)需求的增加以及更通用標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，USB方案開始真正應(yīng)用于汽車，這也是其在個(gè)人媒體以外的應(yīng)用。

USB應(yīng)用于汽車診斷系統(tǒng)上是一個(gè)趨勢(shì)，這種趨勢(shì)在未來的五至七年還會(huì)增長(zhǎng)。通信端口不是一個(gè)新概念，它有助于維修技術(shù)人員將一個(gè)專用測(cè)試設(shè)備接到汽車控制局域網(wǎng)（CAN）總線的診斷端口。汽車上的車載自動(dòng)診斷系統(tǒng)（ODB）接口標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)有超過25年的時(shí)間了。隨著這些網(wǎng)絡(luò)從ODB標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)移到USB，它們最終將降低服務(wù)、維護(hù)和保證成本的原因有兩個(gè)。第一個(gè)原因是：考慮控制器、物理層收發(fā)器、相關(guān)計(jì)時(shí)元件和連接器時(shí)，USB的每個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)的成本要低于CAN節(jié)點(diǎn)的1/2。第二個(gè)原因是：低成本硬件（如PC、PDA，等等）和軟件的廣泛應(yīng)用可用來開發(fā)低成本的診斷設(shè)備。傳統(tǒng)ODB方法與新型USB方法的對(duì)比如圖1所示。

總線內(nèi)USB的應(yīng)用

USB的更有創(chuàng)造性的應(yīng)用開始出現(xiàn)在汽車應(yīng)用中。與汽車電子應(yīng)用中的傳統(tǒng)電子控制單元（ECU）相比，現(xiàn)代汽車上的車載智能通信系統(tǒng)控制臺(tái)越來越像一個(gè)嵌入式PC，采用了集成了駕駛信息、導(dǎo)航和娛樂系統(tǒng)。由于這種構(gòu)架的轉(zhuǎn)變，USB接口在總線內(nèi)連接方面的應(yīng)用越來越普遍。也就是說，不用電纜，而是用普通印刷電路板（PCB）上的電路線跡，USB設(shè)備就可連接到主機(jī)上。盡管這與傳統(tǒng)的有線USB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，它還是有很多優(yōu)點(diǎn)。

其中一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是：它能提供一個(gè)共用標(biāo)準(zhǔn)，這樣，原始設(shè)備制造商就能將附件或選件連接到工廠安裝的設(shè)備。在共用總線上，用戶還可以選擇安裝語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)、手機(jī)連接、語(yǔ)音郵件和因特網(wǎng)，有助于實(shí)現(xiàn)更高靈活性的定制，而沒有與此可配置級(jí)別有關(guān)的傳統(tǒng)支出。

在音頻系統(tǒng)和車載智能通信系統(tǒng)之間的橋接應(yīng)用方面也有顯著增長(zhǎng)。例如，今天許多導(dǎo)航設(shè)備既能向駕駛者提供聲頻導(dǎo)航，又能接收來自駕駛者的音頻指令（例如“請(qǐng)帶我去最近的加油站”）。在這些情況下，諸如Silicon Labs C8051F340的微控制器能為導(dǎo)航或車載智能通信系統(tǒng)控制臺(tái)總線和音頻子系統(tǒng)的脈碼調(diào)制（PCM）總線提供一個(gè)USB橋接。這種方法支持揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)之間的全雙工音頻通信，如圖2所示。

使用通用USB驅(qū)動(dòng)器和傳輸類型可進(jìn)一步簡(jiǎn)化這類系統(tǒng)的開發(fā)。在PCM音頻橋接例子中，使用標(biāo)準(zhǔn)USB音頻設(shè)備類（如0x01）能大大降低定制音頻驅(qū)動(dòng)器所需的軟件開發(fā)難度。實(shí)際上，利用一個(gè)預(yù)定義類，原始設(shè)備制造商能開發(fā)與車載智能通信系統(tǒng)控制臺(tái)兼容的、基于不同操作系統(tǒng)的模塊（如Windows CE、Linux，等等），這將進(jìn)一步降低總開發(fā)成本，使之對(duì)各種用戶更有吸引力。

汽車的挑戰(zhàn)

USB2.0標(biāo)準(zhǔn)支持三個(gè)傳輸速度類型，即低速、全速和高速。這些不同類型的串行傳輸速率分別為1.5Mbps、12Mbps和480Mbps。

USB信號(hào)是用兩線配置進(jìn)行傳輸?shù)模谟芯€連接中通常采用雙絞線，阻抗為90Ω ±15%，標(biāo)定為D+和D−。這些共同使用半雙工差分信號(hào)，以抵抗較長(zhǎng)線路上的電磁干擾效應(yīng)。對(duì)于低邏輯，發(fā)射信號(hào)水平定義為0.0–0.3V，對(duì)于高邏輯，發(fā)射信號(hào)水平定義為2.8–3.6V。在低速和全速模式中，電纜是沒有端接的，但是，高速模式對(duì)地的端接為45Ω，或90Ω差分，以匹配與數(shù)據(jù)電纜阻抗。

在汽車生態(tài)系統(tǒng)中采用USB的一些最大挑戰(zhàn)就是使物理接口適應(yīng)汽車的高可靠性環(huán)境。大多數(shù)有線互連需要遵循與USCAR-30類似的設(shè)計(jì)指南，或者類似的地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。在汽車USB系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和物理應(yīng)用方面，必須要考慮振動(dòng)、溫度周期變化、沖擊和其他環(huán)境危險(xiǎn)。諸如Delphi的汽車供應(yīng)商提供了能解決這些許多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的物理接口。

對(duì)于用于汽車的半導(dǎo)體元件，諸如AEC-Q100的電氣認(rèn)證是強(qiáng)制性的。此外，它也是對(duì)符合ISO/TS16949標(biāo)準(zhǔn)的整個(gè)供應(yīng)鏈的一個(gè)要求，從而進(jìn)一步加大USB元件汽車供應(yīng)商及其較小商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的差異化。

在汽車環(huán)境中，ESD、EMI、EMC和高壓保護(hù)也是滿足USB設(shè)備要求所必須解決的技術(shù)挑戰(zhàn)。在這些應(yīng)用中，也非常需要具有集成保護(hù)、穩(wěn)壓器、時(shí)鐘恢復(fù)機(jī)制和物理層端接的單片解決方案。

結(jié)論

消費(fèi)電子和汽車電子的匯聚，包括作為系統(tǒng)內(nèi)串行總線的USB協(xié)議的采用將會(huì)繼續(xù)下去。USB提供了一個(gè)具有成本效益的和令人理解的接口，在消費(fèi)者和汽車系統(tǒng)之間建立了聯(lián)系。