כיום, יותר מידע מאי פעם מועבר לכלי הרכב שלנו, ו – USB 3.1 מספק את מהירות העברת הנתונים הגבוהה ביותר על מנת להפחית את זמני המיפתוח של מערכות המידע-בידור. מאמר זה בוחן שיקולי מפתח בעיצוב כדי לסייע למפתחים להטמיע USB 3.1 בפיתוחים שלהם.
במהלך 10 השנים האחרונות, התכונות של מערכות המידע-בידור ברכבים השתנו באופן משמעותי. בשנת 2009, פרסומים מובילים בתעשיית הרכב דירגו הן מערכות ניווט מובנות (built-in) ונגני DVD בחמישייה הראשונה של המוצרים החשובים ביותר ברכב. הודות להפיכתם של הטלפונים החכמים לנפוצים יותר ויותר, מערכות ניווט מובנות נפלו מיוקרתן, ומוצרים המאפשרים נוחות בעת הנהיגה – כגון ממשקי טלפונים חכמים (כלומר, Android Auto, Apple CarPlay) ומטעני USB (Universal Serial Bus) מהירים עלו לראש הרשימה.
במרכז המאפיינים\מוצרים הללו טמונה טכנולוגיה אחת – USB. כל צרכן מכיר את הטכנולוגיה הזאת והפורום (USB-IF) של מיישמי USB ממשיך לפרסם מפרטים חדשים עבורה, ובמקביל מעצבי מערכות ממשיכים למצוא ערך בטכנולוגיה. מהנדסים של יצרני ציוד מקורי וספקים מהשורה הראשונה כבר משלבים מאפייני נוחות כאלה לתוך עיצובי המוצר שלהם מזה שנים מספר. מגמה זו תמשיך להתפתח ככל שיישומים של טלפונים חכמים ממשיכים להתפתח, פס רחב יותר מועבר לכלי רכב והצרכנים רוצים מטענים מהירים יותר עבור המכשירים האלקטרוניים שלהם.
במקרה של ממשק הטלפון החכם ברכב, ה- USB משמש כצינור המזרים את תצוגת המכשיר או הנתונים ליחידה הראשית ברכב. כשמדובר בטעינה מהירה יותר, מפרט ה- USB Power Supply – PD הוא זה שמחליט כיצד תעבוד העברת האנרגיה ואת רמת ההספק שתעבור למכשיר צורך האנרגיה. בעוד שמפרטי ה- USB, בדיקות תאימות ושבבי USB בנויים על מנת לבצע את רוב העבודה הקשה, על המפתח לתכנן
את שילוב כל הרכיבים, כולל החומרה והתוכנה של היחידה הראשית ושל רכזות המדיה.
שיקולים מרכזיים בעיצובי מערכת עבור USB 3.1
על מנת לעלות לרמת הטכנולוגיה הבאה ולגבש סופית את המערכת, יש לקחת בחשבון גורמים רבים:
דרישות רוחב פס (USB 2.0 Hi-Speed או USB 3.1 SuperSpeed)
* מה נדרש על מנת לתמוך במכשירים ניידים (יכולת החלפה של המכשיר הנייד/ההתקן המארח)
* מספר וסוגי היציאות הדרושים (1, 2, 3 או 4 / סוג A או סוג™ C)
* סוג ממשק חומרה (מארח USB או יציאת USB/התקן USB)
* רמת ההספק של המטען: 1.5A, 2.0A, 3.0A וכו’
איור 1: גורמים שיש להביא בחשבון בעת תכנון מערכת USB
מסיבה זו, חשוב כי יצרני ציוד מקורי יוכלו להוסיף יכולות מבלי לשנות את הארכיטקטורה של המערכת. Microchip, למשל, פיתחה פורטפוליו USB נרחב לתעשיית הרכב התומך בשילוב מערכות עקבי, כך שיצרני ציוד מקורי יוכלו להעביר מערכות תוך תמיכה בארכיטקטורה.
לדוגמה, אם יצרן ציוד מקורי משתמש בפתרון USB 2.0 שבו הוא מתחבר ליציאת USB שנמצאת ביחידה הראשית ומשמשת כמארחת בלבד, הוא יכול לעבור בקלות לפתרון USB 3.1 הדורש רק פתרון ליציאת USB מארחת (כלומר, תכונה של המארח). שני הפתרונות הללו ישתמשו באותו קלאס מקורי של מנהל ההתקן של ה- USB (כלומר, הקלאס של התקן התקשורת, מודל בקרת רשת) כדי לתמוך ב- Apple CarPlay. לכן, העבודה שנעשתה בפתרון ל- USB 2.0, כולל השקת יישומי הממשק הניידים, יכולה להיות זהה בשני השבבים. כמו כן, Microchip מציעה תמיכה לחיבור USB מארח / התקן על היחידה הראשית עם התקן בשם FlexConnect שיכול להחליף את הפונקציונליות של המרכזת מהמכשיר למארח ובחזרה.
וגם אם ניקח את כל האמור לעיל בחשבון, למפתח יש אפשרות להשתמש במתודולוגיה של ה – FlexConnect על מנת לתמוך בהחלפת המארח/התקן של iPhone שמפעיל CarPlay, או מתודולוגיה של רפלקטור מרובה מארחים. אחד ההבדלים העיקריים בין המתודולוגיות הוא כמות רוחב הפס שתהיה זמינה עבור הפעלת CarPlay. עם FlexConnect, ה- iPhone – אשר הופך למארח USB במהלך הפעלת CarPlay – יקבל את כל רוחב הפס (480 מגביט לשניה) של USB 2. עם רפלקטור מרובה מארחים, ה – iPhone יחלוק את רוחב פס של 480 מגביט לשניה עם מארח ה – USB ביחידה הראשית. ההחלטה נשארת בידי אדריכלי המערכת לבחור את המתודולוגיה המתאימה ביותר לצורכי המערכת שלהם. בשני המקרים, לא נדרשים מנהלי התקן מיוחדים. גם הרפלקטור מרובה המארחים וגם ה – FlexConnect מוצעים בשני המוצרים לתעשיית הרכב – USB 2.0 ו- USB 3.1.
בגלל זה, ניתן בקלות להעביר יחידת מידע-בידור ראשית הכוללת מרכזת מדיה, מ- USB 2.0 Hi-Speed ל- USB 3.1 SuperSpeed במונחים של צ’יפ בלוק פונקציונלי. ערכות של מאפיינים עקביים ומקבצים (classes) של מנהל התקנים של USB מספקים תמיכת משתמש זהה תוך הפחתת משימות לאימות המערכת, סיכון של עיצוב לא מתאים וזמן הגעה לשוק.
שקלול תמורות במעבר מ- USB 2.0 ל USB 3.1
בעוד מעבר פשוט מ- USB 2.0 ל- USB 3 הינו אפשרי, ישנם כמה תחומים שדורשים מחשבה כאשר בוחנים מעבר לפתרון USB SuperSpeed 3.1. בראש ובראשונה יש להעריך את ההבדל הבסיסי של תמיכה בזרם נתונים של 5 גיגהביט לשניה לעומת זרם נתונים של 480 מגהביט לשניה. עיצוב מעגלים מודפסים, מיקום הרכיבים, איכות המתאמים ומרחק הכבל יכולים להשפיע על שלמות האות. עבור יישומים ראשוניים, יש לקחת בחשבון עלות גבוהה יותר לכבלים ורכיבים עד שאפשר יהיה להשיג יתרון גודל. יש למדוד את הביצועים הכוללים ורוחב הפס שניתן להשיג כנגד גורמים אלה.
עבור יציאות מסוג ™ -C המספקות USB Power Delivery 3.0, עם היכולת לטעון עד 100W ליציאה, קריטי להציע ארכיטקטורה עקבית עם פונקציות הבקרה המתאימות. יש לשלוט בטמפרטורה כדי להבטיח פעולה תקינה ואמינות לטווח ארוך, וכן מנגנוני כיבוי נאותים במידת הצורך. לדוגמה, Microchip פיתחה דיאגרמת מלבנים פונקציונלית עקבית עבור USB 2.0 ו- USB 3.1 ששמרה על אותה ארכיטקטורה. כאן, המיקרו-בקר המשולב במרכזת מבצע את ה-stack של אספקת החשמל, מתממשק לבקר היציאה ומנהל את משטח הכוח של מרכזת המדיה. ארכיטקטורה זו עם מיקרו-בקר מרכזי יכולה לבצע מספר פונקציות בו-זמנית, כולל ה-stack של אספקת החשמל, איזון כוח בזמן אמת בין יציאות ה- USB, כמו גם תגובה תרמית על ידי ויסות מתח בין מקורות כוח שונים.
איור 2: תרשים מלבנים עבור USB7002 של Microchip שהוכרז לאחרונה וכולל את אותה ארכיטקטורה של USB 2.0 SmartHubs, מה שמקל על העברת מערכות
לעומת זאת, פתרונות אספקת חשמל מסוג USB הנשלחים לכל יציאה חייבים לכלול פונקציית בקרה נפרדת, בדרך כלל במיקרו-בקר נפרד לביצוע איזון כוח, ויסות מתח ובקרת טמפרטורה. לכן משפחות SmartHub של Microchip כללו תמיד מיקרו-בקר משולב, שכן הם תומכים בפונקציות אלה בעלות מינימלית או ללא עלות נוספת לעץ המוצר (BOM). לבסוף, ניתן להעביר את איזון הכוח והאלגוריתמים התרמיים בין פלטפורמות או לכוון אותם לצרכים הספציפיים של מודל הרכב. לדוגמה, לטנדר יכול להיות מודל אחר של איזון כוח מאשר למכונית משפחתית.
הצורך לקחת בחשבון את שקלול תמורות המערכת הופך קריטי ככל שיישומי ממשק ניידים ממשיכים לצבור פופולריות ודורשים יותר ויותר רוחב פס. אלה כוללים את המהירות הכוללת של טכנולוגיית ה- USB הדרושה, את יציאות ה- USB של היחידה הראשית, את רוחב הפס הדרוש ליישומי ממשק נייד, את חווית אספקת החשמל שיש לתמוך בה, את מבנה התוכנה/מנהל ההתקן שיש לשמר, וכן את העלות הכוללת של המערכת וזמן ההגעה לשוק.
ל – Microchip יש פורטפוליו של מוצרי SmartHub USB לתעשיית הרכב שכולל USB 2.0 Hi-Speed ו US3 B3.1 SuperSpeed. בלב השבבים האלה יושבת ערכת מאפיינים עקביים עם הגדרות יישום משותפות המאפשרות למהנדסים להתאים את המערכת שלהם לצרכיהם תוך מזעור של הסיכון בעיצוב ואת זמן הגעה לשוק עבור מערכות מידע-בידור מתפתחות.
