Ajoneuvoihin toimitetaan datansiirtoa varten enemmän kaistanleveyttä kuin koskaan aiemmin. USB 3.1 -väylä tarjoaa tähän erittäin nopeat tiedonsiirtoyhteydet, joita tarvitaan viihde- ja infojärjestelmien suoritusnopeuden varmistamiseen.

Ajoneuvoihin sijoitettujen viihde- ja infojärjestelmien ominaisuudet ovat muuttuneet merkittävästi viimeisen 10 vuoden aikana. Kymmenen vuotta sitten autoalan julkaisut sijoittivat sekä ajoneuvoon valmiiksi rakennetut navigointijärjestelmät että DVD-soittimet viiden tärkeimmän ominaisuuden joukkoon. Älypuhelinten nousun myötä valmiiksi asennetut navigointijärjestelmät ovat väistyneet, ja erilaiset kuljettajan mukavuutta lisäävät ominaisuudet ovat nousseet kärkisijoille. Näitä ovat esimerkiksi älypuhelimen liitäntäsovellukset Android Auto ja Apple CarPlay sekä laitteiden nopea lataus USB-väylän kautta.

Näitä ominaisuuksia yhdistää yksi keskeinen tekniikka – USB. Kuluttajien hyvin tuntema tekniikka saa jatkuvasti uusia spesifikaatioita teollisuuspuolen USB-IF-organisaatiosta, ja tämän ansiosta järjestelmien suunnittelijat löytävät yhä uutta lisäarvoa tästä väylätekniikasta. Autoteollisuuden huippuluokan OEM-valmistajien ja ykköstason tavarantoimittajien suunnittelijat ovat integroineet tällaisia mukavuusominaisuuksia tuotteisiinsa jo muutaman vuoden ajan. Tämä suuntaus jatkuu varmasti, kun älypuhelinsovellukset kehittyvät edelleen, ajoneuvoihin tarvitaan yhä enemmän kaistanleveyttä ja kuluttajat haluavat nopeita latausjärjestelmiä elektronisille laitteilleen.

Ajoneuvoon liitetyn älypuhelimen tapauksessa USB-väylää käytetään kuljetuskerroksena puhelimen näyttönäkymän ja datavirran siirtämiseksi järjestelmän pääyksikköön. Nopeaa latausta varten spesifioitu USB PD (Power Delivery) puolestaan määrittää, kuinka tehonsyöttömuodot valitaan ja viimeistellään, ja minkälaisia tehotasoja voidaan syöttää kuluttajien laitteisiin. Vaikka USB-spesifikaatiot, vaatimustenmukaisuuden testaukset ja USB-mikropiirit on suunniteltu hoitamaan suurimman osan raskaasta työstä, kaikkien komponenttien järjestelmäintegraatio on laadittava huolellisesti, mukaan lukien pääyksikön laitteistot ja ohjelmistot sekä mediakeskittimet.

USB 3.1 -suunnittelun avainkohdat

Kun tekniikassa siirrytään seuraavalle tasolle, järjestelmän rakentamiseksi on otettava huomioon monia eri tekijöitä:

• Kaistanleveystarpeet (USB 2.0 Hi-Speed tai USB 3.1 SuperSpeed)
• Tarvittavan mobiilisovelluksen tuki (kyky isäntä/laite-vaihtoon tarvitaan)
• Tarvittavien porttien lukumäärä ja tyyppi (1, 2, 3 tai 4/tyyppi A tai tyyppi C)
• Laiteliitännän tyyppi (USB-isäntä tai USB-isäntä/laiteportti)
• USB-latausvirran taso (1,5 A, 2 A, 3 A jne.)

Kuva 1. USB-järjestelmän suunnittelussa huomioon otettavat tekijät.

Tämän vuoksi on tärkeää, että OEM-valmistajat voivat lisätä mukaan ominaisuuksia muuttamatta järjestelmän arkkitehtuuria. Esimerkiksi Microchip on kehittänyt ajoneuvoja varten laajan USB-ratkaisujen valikoiman, joka tukee järjestelmäintegraation yhdenmukaisia teemoja. Näin OEM-valmistajat voivat siirtää kohteisiinsa järjestelmiä säilyttäen samalla niiden arkkitehtuurit.

Jos laitevalmistaja käyttää esimerkiksi USB 2.0 -ratkaisua, joka liitetään ainoastaan pääyksikön USB-isäntäporttiin, on helppo siirtyä USB 3.1 -liitäntään, joka vaatii vain USB-isäntäporttiratkaisun (Host Reflector). Kumpikin ratkaisu käyttää samaa alkuperäistä USB-luokan ohjainta (siirtolaiteluokka, verkonhallintamalli) tukemaan Applen CarPlay-standardia. Siksi USB 2.0 -väylään perustuva ratkaisu voi olla sama molemmille siruille. Tämä koskee myös mobiililiittymän sovellusten käynnistämistä. Microchip tarjoaa tukea myös pääyksikön USB-isäntä/laiteyhteydelle FlexConnect-ominaisuuden avulla. Se kykenee vaihtamaan keskitinportin toimintamuodon laitteesta isännäksi ja takaisin.

Pitämällä kaiken tämän mielessä suunnittelijalla on mahdollisuus käyttää FlexConnect-menettelyä tukeakseen CarPlay-toimintoa suorittavan iPhonen isäntä/laite-vaihtoa tai moni-isäntäistä peilausmenettelyä. Yksi tärkeimmistä eroista menettelyjen välillä on kaistanleveys, joka on käytettävissä CarPlay-sessioon. FlexConnect-toiminnassa iPhone – josta tulee USB-isäntä CarPlay-session ajaksi – saa käyttöönsä koko USB2-väylän kaistanleveyden (480 Mb/s). Moni-isäntäisen peilausmenettelyn tapauksessa iPhone sen sijaan jakaa 480 Mb/s kaistanleveyden päälaitteen USB-isännän kanssa. Järjestelmäarkkitehtien päätettäväksi jää valita menettely, joka parhaiten vastaa kohdejärjestelmän tarpeisiin.

Kummassakaan tapauksessa ei tarvita räätälöityjä ohjaimia. Moni-isäntäinen peilaus ja FlexConnect-ominaisuus ovat käytettävissä sekä ajoneuvoihin tarkoitetuissa USB 2.0- että USB 3.1 -keskittimissä.

Tästä syystä mediakeskittimellä varustetun viihde- ja infojärjestelmän pääyksikkö voidaan sirulohkojen osalta siirtää helposti USB 2.0 Hi-Speed -järjestelmästä USB 3.1 SuperSpeed -pohjaiseen sovellukseen. Ominaisuuksien yhdenmukaiset valikoimat ja USB-luokan ohjaimet tarjoavat identtisen sovellustuen käyttäjille ja vähentävät samalla järjestelmän validointitarvetta ja suunnitteluriskejä sekä nopeuttavat tuotteen markkinoilla saattamista.

Siirtymiseen liittyvät valinnat

Vaikka helppo siirtyminen USB:n kakkosversiosta kolmoseen on mahdollista, joillakin alueilla on suoritettava tarkkaa arviointia, kun harkitaan siirtymistä USB 3.1 SuperSpeed -ratkaisuun. Tärkein ero on 5 Gb/s datavirran tukemisessa verrattuna 480 Mb/s datavirtaan. Piirilevyn suunnittelu, osien sijoittelu, liittimien laatu ja kaapelien pituudet voivat kaikki vaikuttaa signaalien eheyteen.

Alkuvaiheen toteutuksissa on syytä odottaa myös korkeampia komponentti- ja kaapelikustannuksia, kunnes suuren tuotantovolyymin ja mittakaavaetujen tuomia säästöjä voidaan saavuttaa. Paremman kokonaissuorituskyvyn ja kaistanleveyden myötä saavutettu hyöty on siksi arvioitava myös näiden tekijöiden pohjalta.

On erittäin tärkeää tarjota yhdenmukainen arkkitehtuuri ja asianmukaiset ohjaustoiminnot C-tyyppisille liitäntäporteille, jotka täyttävät USB Power Delivery 3.0 -määritykset ja kykenevät syöttämään lataustehoa 100 W porttia kohti. Niiden lämpötilaa on jatkuvasti valvottava asianmukaisen toiminnan ja pitkäaikaisen luotettavuuden varmistamiseksi. Lisäksi on tarjottava järjestelmälle asianmukaiset sulkemismekanismit tarpeen vaatiessa.

Esimerkiksi Microchip on kehittänyt USB 2.0:lle ja USB 3.1:lle yhdenmukaisen toiminnallisen lohkokaavion, joka hyödyntää samaa arkkitehtuuria. Keskittimeen integroitu mikro-ohjain toteuttaa virranjakelupinon ja liitännät porttiohjaimeen sekä hallinnoi mediakeskittimen tehotasoa. Tämä keskitettyyn mikro-ohjaimeen perustuva arkkitehtuuri voi suorittaa useita toimintoja samanaikaisesti: virranjakelupino, tehon reaaliaikainen tasapainotus USB-porttien välillä sekä lämmönhallinta rajoittamalla tehonsyöttöä erillisten vara-akkujen välillä.

Kuva 2. Microchipin mediakeskittimen USB7002 lohkokaavio perustuu samaan arkkitehtuuriin kuin USB 2.0 SmartHub, mikä helpottaa järjestelmien siirtämistä.

Sen sijaan porttikohtaisesti suunniteltujen USB Power Delivery -ratkaisujen tulee sisältää erillinen ohjaustoiminto, tyypillisesti tehon tasapainotuksesta ja kytkennästä sekä lämmönhallinnasta vastaava erillinen mikro-ohjain. Tästä syystä Microchipin SmartHub-tuoteperheisiin on aina kuulunut integroitu mikro-ohjain, sillä sen avulla voidaan tukea näitä toimintoja lisäämättä juurikaan järjestelmän materiaalikustannuksia (BOM).

Lisäksi tehonbalansoinnin ja lämmönhallinnan algoritmit voidaan siirtää eri alustojen yli tai virittää kunkin ajoneuvomallin mukaan. Esimerkiksi pakettiautolla voisi olla erilainen tehonbalansoinnin malli kun sedan-tyyppisellä henkilöautolla.

Koska mobiililaitteiden liitäntäsovellusten suosio kasvaa jatkuvasti lisäten kaistanleveyden ja entistä nopeamman latauksen tarvetta, on tärkeää pohtia kaikkia järjestelmään liittyviä valintoja: tarvittavan USB-tekniikan kokonaisnopeus, käytettävissä olevat pääyksikön USB-portit, mobiililaitteiden liitäntäsovelluksiin tarvittava kaistanleveys, tarjottavat virransyöttömahdollisuudet, ylläpidettävä ohjelmisto-/ohjainrakenne sekä järjestelmän kokonaiskustannukset ja markkinoille saattamiseen kuluva aika.

Microchipillä on laaja valikoima ajoneuvoihin tarkoitettuja USB SmartHub -tuotteita, jotka kattavat USB 2.0 Hi-Speed ja USB 3.1 SuperSpeed -sovellukset. Näille siruille on rakennettu yhtenäinen joukko ominaisuuksia. Ne kattavat järjestelmän yleiset toteutustekijät, joiden avulla suunnittelijat voiva räätälöidä sovelluskohteen omien tarpeidensa mukaisesti. Samalla ne tarjoavat järjestelmille turvalliset siirtopolut, jotka minimoivat suunnitteluriskejä ja nopeuttavat kaupallistamista ripeästi edistyvillä ajoneuvojen viihde- ja infojärjestelmien markkinoilla.