Az USB 2.0-ról tovább az USB 3.1-re

Tervezési megfontolások és kompromisszumok

A járművekben minden eddiginél nagyobb adatsávszélességre van szükség, és az USB 3.1 az a protokoll, amely elég nagy adatsebességet képes biztosítani a fedélzeti tájékoztató- és szórakoztatórendszerek számára. Ez a cikk áttekinti azokat a főbb tervezési megfontolásokat, amelyek az USB 3.1-alapú rendszerek megvalósításában segíthetik a tervezőket.

Az elmúlt 10 év során az automotív fedélzeti tájékoztató- és szórakoztató- (közkeletű néven infotainment) rendszerek jellemzői jelentősen megváltoztak. 2009-ben a mérvadó automotív publikációkban a beépített navigációs rendszereket és DVD-lejátszókat még a jármű öt legfontosabb képessége között tüntették fel. Az okostelefonok elterjedtségének növekedésével azonban a beépített navigációs rendszerek veszítettek jelentőségükből, viszont a vezető kényelmét szolgáló megoldások – mint az okostelefon-interfészek (például az Android Auto, az Apple Carplay és az USB-töltés) – a fontossági lista élére kerültek.
Ezeknek a képességeknek a közös pontja egy kulcsfontosságú technológia, az USB (Universal Serial Bus). A felhasználók körében jól ismert technológiaként az USB egyre újabb specifikációkkal bővül a téma gyártóit tömörítő szakmai szervezet, az USB-IF tevékenysége jóvoltából, és a rendszertervezők is folytatják az USB-rendszerben rejlő értékek kihasználására irányuló munkájukat. A csúcskategóriás automotív OEM-ek (eredeti berendezésgyártók) és az első szintű beszállítók (Tier 1) pár éve már integrálták ezeket a kényelmi szolgáltatásaikat a termékeikbe. Ez a trend biztosan tovább folytatódik az okostelefonok alkalmazásainak fejlődésével, amennyiben a járművek által igényelt adatsávszélesség és a hordozható elektronikus készülékek gyorsabb feltöltése iránt növekednek az elvárások.
A járművek okostelefon-interfésze esetében az USB-busz a mobilkészülék és a fejegység közötti adatáramlás szállítási (transzport) rétegeként szolgál.
A gyorsabb akkumulátortöltést szolgálja az USB Power Delivery (PD) specifikáció, amely keretet szab annak, hogyan tárgyalja le a töltő és a töltött eszköz a szükséges teljesítményszintet. Az USB-specifikációkat, a megfelelőségi teszteket és az USB-csipeket úgy tervezik, hogy a legnagyobb töltőteljesítmény-igényt is képesek legyenek kielégíteni, az összes alkatrész integrációját (a fejegység hardverét, szoftverét és a média elosztópontjait, hubjait is beleértve) ezeknek megfelelően kell tervezni.

1. ábra  Rendszerelemek, amelyeket egy USB-rendszer tervezése során figyelembe kell venni

Az USB 3.1 rendszerek tervezésének legfőbb megfontolásai

A következő technológiai szintre történő előrelépés során számos tényezőt kell tekintetbe venni a rendszer végleges terveinek elkészítésekor (1. ábra):

• Sávszélességigény (USB 2.0 Hi-Speed vagy USB 3.1 SuperSpeed)

• A szükséges mobilalkalmazás-támogatás (hoszt és eszköz szerepcsere-képesség szükséges)

• Az igényelt portok száma és típusa (1, 3, 3 vagy 4 / Type-A vagy Type-C)

• A hardverinterfész típusa (USB hoszt vagy USB hoszt/eszköz típusú port)

• Az USB-töltés töltőáram-igénye (1,5 A, 2,0 A, 3,0 A stb.)

Mindezek miatt fontos, hogy az OEM-tervezők anélkül ruházhassák fel rendszerüket újabb képességekkel, hogy a rendszerarchitektúrán változtatniuk kellene.
A Microchip például kiterjedt automotív USB-termékportfóliót fejlesztett ki a következetes rendszerintegráció támogatása érdekében, ennek köszönhetően az OEM-fejlesztők úgy tudnak eltérő szolgáltatási szintű kínálatot létrehozni, hogy eközben megtartják a bevált rendszerfelépítést.
Ha például egy OEM-gyártó korábban olyan USB 2.0-alapú megoldást dolgozott ki, amelyben csak USB hoszt-típusú portok szerepeltek a fejegységben, könnyedén váltani tudnak egy USB 3.1-alapú megoldásra, amennyiben az új rendszerben is csak USB-hosztokra van szükség (ez az ún. Host Reflector-képesség). Mindezekhez a megoldásokhoz ugyanazt az USB-osztályú meghajtót (a Communication Device Class, Network Control Model szerint) lehet használni az Apple CarPlay támogatásához. Tehát nem vész kárba mindaz a munka, amit az USB 2.0-alapú megoldás kidolgozásába fektettek a fejlesztők (beleértve a mobilinterfész-alkalmazásokat is), mivel ezek azonosak a két USB-szabványhoz tervezett csipek esetén. Hasonlóképpen a Microchip támogatást nyújt a fejegységi USB hoszt/eszköz csatlakozásának kidolgozásához is a FlexConnect névvel jelölt képesség segítségével, amellyel felcserélhetővé válik a hoszt és az eszköz funkciója a hub port és a készülék között.
Mindezeket szem előtt tartva a tervezőnek választási lehetősége van, hogy a FlexConnect-módszert használja-e a hoszt és a készülék funkciójának váltására egy CarPlay-t futtató iPhone esetén, vagy a többportos Host Reflector-módszert alkalmazza inkább. A két módszer közötti különbségek egyike a CarPlay-kapcsolat rendelkezésére álló adatsávszélesség.
A FlexConnect használatával az iPhone (amely USB-hosztként is képes működni a Carplay futtatásakor) rendelkezésére áll az USB 2 teljes (480 Mbit/s-os) adatsávszélessége. A többportos Host Reflector alkalmazásakor viszont az iPhone készüléknek osztoznia kell a 480 Mbit/s-os sávszélességen a fejegységben levő USB-hoszttal. A két megoldás közti választás a rendszertervezőre van bízva aszerint, hogy melyik megoldás felel meg jobban a rendszer igényeinek. Egyik esetben sincs szükség egyedi készülékmeghajtó (driver) program fejlesztésére.
A többportos Host Reflector és a FlexConnect-képesség mind az USB 2.0, mind pedig az USB 3.1 automotív hubokban elérhető.
Mindezek következtében egy médiahubbal ellátott infotainment-fejegység egyszerűen továbbfejleszthető az USB 2.0 Hi-Speed szabványról az USB 3.1 SuperSpeed-re a funkcionális csipek cseréjével. Az egybehangzó képességkínálat és az USB-osztályú meghajtóprogramok (driverek) azonos alkalmazási támogatásszintet kínálnak, miközben csökkentik a rendszer működőképességének bizonyítására fordított munka mennyiségét, a tervezési kockázatot és a piacképes termék fejlesztéséhez szükséges időt.

Az USB 2.0-ról USB 3.1-re váltás kompromisszumai

Bár az USB 2.0-ról USB 3.1-re történő váltás a fentiek szerint lehetséges, van néhány terület, ahol megfontolásra van szükség az USB 3.1 SuperSpeed megoldásra való áttérés tervezése során. Mindenekelőtt alapvetően különböznek egy 5 Gbit/s-os és egy 480 Mbit/s-os sebességű adatfolyam továbbításának technikai feltételei.
A NyÁK-tervezés, az alkatrészek elhelyezése, a csatlakozók minősége és a kábelhosszak egyaránt befolyásolják a jelintegritást. A korai megvalósításoknál magasabb kábelezési és alkatrészköltségekre kell számítani mindaddig, amíg a nagyvolumenű gyártás és a nagyobb teljesítőképesség gazdasági követelményei le nem csökkentik ezeket a többletköltségeket. Ezeket a hátrányokat ma még a nagyobb rendszerteljesítmények és sávszélességnek kell ellensúlyoznia.
A Type-C portoknak meg kell valósítaniuk az USB Power Delivery 3.0 követelményeit, amelynek velejárója a portonkénti 100 W-os töltési teljesítmény is, ezért kulcsfontosságú az ennek megfelelő architektúra kialakítása a helyes vezérlési funkciókkal együtt. Egyebek közt a hőmérséklet ellenőrzéséről is gondoskodni kell a helyes működés és a hosszú idejű megbízhatóság érdekében éppúgy, mint a megfelelő kikapcsolási mechanizmusokról is szükség esetén. A Microchip például kidolgozott egy megfelelő funkcionális tömbvázlatot az USB 2.0-ra és az USB 3.1-re is azonos architektúrával. Ezekben a hub integrált mikrovezérlőjén fut a töltésvezérlő programrendszer, a portvezérlő interfésze és a médiahub energiaellátási rendszere. Ez a központi vezérlőt alkalmazó felépítés a funkcióit – mint a töltésvezérlést, az USB-portok közötti valós idejű teljesítményelosztást, és a töltőportok a teljesítményhatárok kihasználtságától függő termikus igénybevételét – párhuzamosan, lényegében egyidejűleg hajtja végre.

2. ábra  A Microchip nemrég bejelentett USB7002 csipjének tömbvázlatán ugyanaz az architektúra ismerhető fel, mint az USB 2.0 SmartHub esetében, amely egyszerűvé teszi a rendszerek közötti váltást

Ezzel szemben a portonként egyedileg megvalósított USB Power Delivery megoldásoknál elkülönített vezérlésre van szükség, tipikusan portonként egy-egy mikrovezérlővel, amely a teljesítménykiegyenlítés és -adagolás, valamint a termikus vezérlés funkcióit hajtja végre. Ezért alkalmaz következetesen a Microchip a SmartHub-termékcsaládjánál egyetlen integrált mikrovezérlőt, amely ennek következtében minimális vagy nulla többlet-alkatrészköltséggel képes ezeket a funkciókat megvalósítani. Végül pedig a teljesítménykiegyenlítő és hőtechnikai algoritmusok könnyen átvihetők egyik platformról a másikra, és egyszerű azokat a járműtípus sajátos igényeihez hangolni (például egy kisteherautóban más teljesítménykiegyenlítő sémára van szükség, mint egy személyautóban).
Ahogy a mobilinterfész-alkalmazások egyre népszerűbbekké válnak, egyre nő az igény a több és több sávszélesség és gyorsabb töltés iránt, kritikus fontosságúvá válik a rendszerfelépítés kompromisszumainak alapos végiggondolása. Ezek közt szerepel az USB-technológiával szemben támasztott sebességkövetelmény, a fejegység USB-portjainak száma, a mobilalkalmazások rendelkezésére álló adatsávszélesség, a teljesítményellátó képesség, a megtartandó szoftver/driver szerkezet éppúgy, mint a teljes rendszer költsége és a piacképes termék kidolgozásának időszükséglete.
A Microchip egyaránt kínál az automotív SmartHub termékcsaládon belül USB 2.0 Hi-Speed és USB 3.1 SuperSpeed platformokhoz szükséges alkatrészeket. Ezek jellemzője az azonos szolgáltatáskínálat közös rendszermegvalósítási összetevőkkel, amelyek lehetővé teszik, hogy a mérnökök a felhasználói igényekhez szabhassák a rendszerüket, miközben nyitva az út a két platform közötti váltás előtt, minimális tervezési kockázattal és piacképes termék előállításához szükséges idővel az infotainment rendszerek fejlődő piacán.

Szerző: Dave Sroka – Microchip Technology, Inc.

www.microchip.com

még több Microchip