USB在汽车电子中的应用

　　摘要：通用串行总线（英语：Universal Serial Bus，简称“USB”）是连接计算机系统与外部设备的一个串口总线标准，也是一种输入输出接口的技术规范，被广泛应用于个人电脑和移动设备等信息通讯产品，并扩展至摄影器材、数字电视（机顶盒）、游戏机等其它相关领域。

　　20世纪末，毋庸置疑最成功、最广泛使用的串行接口就是通用串行总线（USB）了。其成功的秘诀是使其简单化、实用化及大众化。表面上，设计者能选择的标准化物理连接器仅有几个。连接器本身表明了USB应用（即主机或设备）的“风格”。利用这个简单的四线接口（VCC、D+、 D-、 GND），提供了一个功率为2.5W以及串行数据时钟速率为480MBps的节点。该标准在一个总线上能支持127个设备。协议包括一个“即插即用”功能，这有利于软件和驱动器的握手和兼容性。正是由于这些特点，才使得USB1.0在1996年得到了迅速采用，1998年修订为1.1，后来在2000年4月又增强到2.0修订版。

　　2007年，USB设备的安装量达到了10亿台，每年将以近1.5亿台的速度增长。USB取代了笔记本电脑背后的DB-9连接器。用一个小拇指大小的驱动器，USB就能交换上百兆的文件。总之，USB改变了个人计算、数码相机和便携式媒体市场。现在，USB在汽车上的应用正在不断出现。

　　有线USB应用

　　历史表明，便携式媒体很可能是从消费领域跨越到汽车行业的第一个USB应用。一旦消费者能把歌曲、视频和图片一起带到任何他们去的地方，他们自然想在汽车中访问这些文件。但是，USB在汽车领域的出现不仅仅是把汽车的子系统看作一个移动PC。它需要一个广泛接受、采纳和理解的串行通信机制，并且使之适应汽车环境的运行和系统级要求。

　　USB首次在汽车中的应用是以配件的形式于2001年出现的。这些配件的大多数根本不是USB，只是将iPod或类似的媒体设备连接到移动音频系统的专用接口。随着消费者对这类系统需求的增加以及更通用标准的出现，USB方案开始真正应用于汽车，这也是其在个人媒体以外的应用。

　　USB应用于汽车诊断系统上是一个趋势，这种趋势在未来的五至七年还会增长。通信端口不是一个新概念，它有助于维修技术人员将一个专用测试设备接到汽车控制局域网（CAN）总线的诊断端口。汽车上的车载自动诊断系统（ODB）接口标准已经有超过25年的时间了。随着这些网络从ODB标准转移到USB，它们最终将降低服务、维护和保证成本的原因有两个。第一个原因是：考虑控制器、物理层收发器、相关计时元件和连接器时，USB的每个设备节点的成本要低于CAN节点的1/2。第二个原因是：低成本硬件（如PC、PDA，等等）和软件的广泛应用可用来开发低成本的诊断设备。传统ODB方法与新型USB方法的对比如图1所示。

　　总线内USB的应用

　　USB的更有创造性的应用开始出现在汽车应用中。与汽车电子应用中的传统电子控制单元（ECU）相比，现代汽车上的车载智能通信系统控制台越来越像一个嵌入式PC，采用了集成了驾驶信息、导航和娱乐系统。由于这种构架的转变，USB接口在总线内连接方面的应用越来越普遍。也就是说，不用电缆，而是用普通印刷电路板（PCB）上的电路线迹，USB设备就可连接到主机上。尽管这与传统的有线USB拓扑结构不同，它还是有很多优点。

　　其中一个优点就是：它能提供一个共用标准，这样，原始设备制造商就能将附件或选件连接到工厂安装的设备。在共用总线上，用户还可以选择安装语音识别系统、手机连接、语音邮件和因特网，有助于实现更高灵活性的定制，而没有与此可配置级别有关的传统支出。

　　在音频系统和车载智能通信系统之间的桥接应用方面也有显著增长。例如，今天许多导航设备既能向驾驶者提供声频导航，又能接收来自驾驶者的音频指令（例如“请带我去最近的加油站”）。在这些情况下，诸如Silicon Labs C8051F340的微控制器能为导航或车载智能通信系统控制台总线和音频子系统的脉码调制（PCM）总线提供一个USB桥接。这种方法支持扬声器和麦克风之间的全双工音频通信，如图2所示。

　　使用通用USB驱动器和传输类型可进一步简化这类系统的开发。在PCM音频桥接例子中，使用标准USB音频设备类（如0x01）能大大降低定制音频驱动器所需的软件开发难度。实际上，利用一个预定义类，原始设备制造商能开发与车载智能通信系统控制台兼容的、基于不同操作系统的模块（如Windows CE、Linux，等等），这将进一步降低总开发成本，使之对各种用户更有吸引力。

　　汽车的挑战

　　USB2.0标准支持三个传输速度类型，即低速、全速和高速。这些不同类型的串行传输速率分别为1.5Mbps、12Mbps和480Mbps。

　　USB信号是用两线配置进行传输的，在有线连接中通常采用双绞线，阻抗为90Ω ±15%，标定为D+和D−。这些共同使用半双工差分信号，以抵抗较长线路上的电磁干扰效应。对于低逻辑，发射信号水平定义为0.0–0.3V，对于高逻辑，发射信号水平定义为2.8–3.6V。在低速和全速模式中，电缆是没有端接的，但是，高速模式对地的端接为45Ω，或90Ω差分，以匹配与数据电缆阻抗。

　　在汽车生态系统中采用USB的一些最大挑战就是使物理接口适应汽车的高可靠性环境。大多数有线互连需要遵循与USCAR-30类似的设计指南，或者类似的地区标准。在汽车USB系统的设计和物理应用方面，必须要考虑振动、温度周期变化、冲击和其他环境危险。诸如Delphi的汽车供应商提供了能解决这些许多设计挑战的物理接口。

　　对于用于汽车的半导体元件，诸如AEC-Q100的电气认证是强制性的。此外，它也是对符合ISO/TS16949标准的整个供应链的一个要求，从而进一步加大USB元件汽车供应商及其较小商业竞争对手的差异化。

　　在汽车环境中，ESD、EMI、EMC和高压保护也是满足USB设备要求所必须解决的技术挑战。在这些应用中，也非常需要具有集成保护、稳压器、时钟恢复机制和物理层端接的单片解决方案。

　　结论

　　消费电子和汽车电子的汇聚，包括作为系统内串行总线的USB协议也将会继续地保持下去。USB提供了一个具有成本效益的而且使用广泛的接口，在消费者和汽车系统之间建立了联系。