適用于汽車的USB連接技術(shù)新概念

USB（通用串行總線）正逐步發(fā)展成為一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的傳輸協(xié)議。毫無疑問，這種發(fā)展得益于USB接口在眾多電子產(chǎn)品中的廣泛應(yīng)用。因此，在車輛上配置這類通用總線設(shè)備是非常合理和明智的選擇。

在過去的十多年中，集成化的通信技術(shù)在各類車輛上的應(yīng)用得以迅猛發(fā)展。汽車無線電裝置無疑已成為汽車中的“主體單元”，負(fù)責(zé)對大量應(yīng)用和功能設(shè)備進(jìn)行中央?yún)f(xié)調(diào)。

與此同時(shí)，電子產(chǎn)品（如筆記本電腦、iPods、移動電話、MP3播放器和存儲棒等）在汽車中的應(yīng)用范圍也在不斷增加，因此，必須確保電子產(chǎn)品與現(xiàn)有車載設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?；另外，?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)不僅在中高檔和豪華型車輛上進(jìn)行裝配，而且還將逐步發(fā)展到標(biāo)準(zhǔn)配置車輛上，這已經(jīng)成為當(dāng)前的主流趨勢。

USB正逐步發(fā)展成為一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的傳輸協(xié)議。雖然目前市場上已能提供大量相關(guān)的傳輸配件，特別是在連接技術(shù)方面（如連接器和傳輸線），而且這些配件使用起來也很方便和快捷，但在某些場合下，使用這些產(chǎn)品會使應(yīng)用變得復(fù)雜且具有風(fēng)險(xiǎn)性。

對于目前車內(nèi)逐漸開始使用的USB接口設(shè)備，其連接器和線纜往往不是根據(jù)車載惡劣環(huán)境設(shè)計(jì)的。因此，最簡線路設(shè)計(jì)未必就是最成功的設(shè)計(jì)。設(shè)備上松散敷設(shè)的線纜、適配器導(dǎo)線，尤其是屏蔽較差的線路連接，會明顯惡化車輛內(nèi)部的電磁狀況。

基于多年量產(chǎn)化產(chǎn)品的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，泰科電子（Tyco Electronics）認(rèn)為這些產(chǎn)品設(shè)計(jì)還必須滿足許多其他在車輛使用中的邊界條件，包括非常苛刻的環(huán)境要求，例如在遭受振動、潮濕、氣體污染和機(jī)械應(yīng)力的情況下，相關(guān)部件必須能在指定的溫度范圍內(nèi)正常運(yùn)行。這些要求將確保車輛相關(guān)部件擁有15～20年左右的使用壽命。

當(dāng)然，這些功能也與汽車制造廠直接相關(guān)；另外，接插使用次數(shù)也是USB連接器非常重要的一項(xiàng)指標(biāo)。盡管移動電話、計(jì)算機(jī)等許多電子產(chǎn)品每兩三年便要更換一次，但經(jīng)測算，車輛用USB接口必須在大約20年的使用壽命里可保證接插20 000次。圖1所示為泰科電子的可靠的汽車USB連接技術(shù)。

在今后幾年內(nèi)接口將向小型化發(fā)展，因此使用小型或微型USB接口就只是時(shí)間問題了。泰科電子通過綜合的產(chǎn)品概念來解決這些問題，其原理是通過使用與車輛用途全面兼容的連接器和線纜，再結(jié)合可靈活更換的USB適配器來解決。

高速連接器在車輛上使用的基礎(chǔ)原理

在開發(fā)適用于高頻車用連接系統(tǒng)時(shí)，首要考慮其在惡劣環(huán)境下使用時(shí)的精確度、機(jī)械強(qiáng)度和總體適用性的設(shè)計(jì)問題。要實(shí)現(xiàn)對稱高頻電信號通過線纜和接口的無干擾數(shù)據(jù)通信，如下特性同樣非常重要：傳輸線路上的恒阻抗；絕緣材料介質(zhì)損耗?。贿B接器采用良好的低電阻的端子連接；成對信號導(dǎo)線規(guī)則絞線；屏蔽部分重復(fù)覆蓋。

很明顯，如果不做額外努力，這些特殊要求將無法實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，我們還必須注意到，有些條件還是互相矛盾的。更重要的是如何選擇端子連接系統(tǒng)，它必須能保證在車輛使用壽命內(nèi)端接良好。這里可能面臨的問題包括低接觸電阻和阻抗，以及插座和端子觸點(diǎn)的接插區(qū)的同質(zhì)性。

基于上述原因，泰科電子選擇MQS（Micro Quadlock）端子連接系列應(yīng)用于數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)已在各類車輛上經(jīng)多年驗(yàn)證，如果配上其對稱型連接器的設(shè)計(jì)，原則上也適用于數(shù)據(jù)傳輸。圖1上半部分顯示了基于MQS連接的4位屏蔽連接器系統(tǒng)。
 
圖1 泰科電子的可靠的汽車USB連接技術(shù)

在這里，整個(gè)接插件都采用屏蔽設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)一方面能確保連接區(qū)域的穩(wěn)定阻抗，另一方面能滿足汽車電磁兼容性（照射、輻射）的高要求。

為汽車集成設(shè)計(jì)的USB接口連接器概念

當(dāng)今，幾乎每種電子消費(fèi)產(chǎn)品都擁有標(biāo)準(zhǔn)型A、B或迷你型的USB接口。在汽車中使用這種接口的一個(gè)不可忽視的問題是如何確保在長時(shí)間重復(fù)插拔后連接系統(tǒng)的可靠性。假設(shè)每天平均使用3次，每年約使用1 000次，那么在汽車20年的使用壽命中接插次數(shù)可高達(dá)20 000次。

不同的設(shè)備會要求不同種類的USB接口。如何選擇接口的安裝位置同樣需要考慮駕駛員的人機(jī)工程學(xué)的要求。

基于上述原因，泰科電子開發(fā)了一套能滿足以上所有要求，同時(shí)又為客戶進(jìn)一步改裝帶來便利的連接系統(tǒng)。此系統(tǒng)的開發(fā)核心在于USB接口的易換性，此技術(shù)也稱為USB適配器。它什么時(shí)候都可以更換，比如每年一次。

在車內(nèi)信號通過屏蔽的USB線纜傳輸至相關(guān)的USB控制單元，如“主體單元”。這種連接方式是經(jīng)過各種汽車應(yīng)用規(guī)范測試的。在完全屏蔽的情況下，這種連接器同樣能滿足480MBit/s的USB高速傳輸標(biāo)準(zhǔn)。這樣就能確保USB接口到控制單元阻抗的穩(wěn)定性和良好的電磁兼容性。與“主體單元”連接的4位連接器和本文中提及的MQS接插件原理相同。此便捷又經(jīng)濟(jì)的可替換USB適配器設(shè)計(jì)原理，在其他接口上也同樣適用，如迷你型USB接口。

測試和鑒定

所有提及部件已根據(jù)SAE/USCAR-30草案/08-2006規(guī)范進(jìn)行過相關(guān)測試。特別值得一提的是，對連接器進(jìn)行溫度循環(huán)和環(huán)境測試相結(jié)合的測試。USCAR-30規(guī)范要求綜合測試這些接插件，可以說，既要滿足“用戶”的需求，又要滿足“車輛”的要求。因此每5 000次才有替換USB適配器的必要，也就是約每5年一次。

電磁兼容性能對于接插件技術(shù)的質(zhì)量也是至關(guān)重要的。為證明這項(xiàng)性能，在運(yùn)行中的USB接口已根據(jù)相應(yīng)的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。考慮到數(shù)據(jù)傳輸速率，應(yīng)根據(jù)高頻參數(shù)開發(fā)相應(yīng)的USB高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

根據(jù)SAE/USCAR-30草案/08-2006規(guī)范所涉及USB2.0修訂本說明的一些主要的高頻參數(shù)如下：

1. 阻抗范圍（90±15%）；
2. 傳播時(shí)延（<26ns）；
3. 傳播時(shí)延差（<100ps）；
4. 衰減率（<5.8dB，f=400MHz）；
5. 屏蔽范圍（最小20dB，30MHz～1GHz）。

傳播通路中阻抗不連續(xù)性將會導(dǎo)致反射損失和信號失真。借助時(shí)域反射計(jì)（TDR），阻抗值可用時(shí)間函數(shù)直接顯示出來（見圖2），以便時(shí)刻監(jiān)測該數(shù)值是否符合USB系統(tǒng)的規(guī)定系統(tǒng)公差。

 
 
圖2 可替換的USB適配器的阻抗圖

泰科電子的USB連接器系統(tǒng)同時(shí)滿足阻抗、傳播時(shí)延（兩個(gè)設(shè)備間信號傳輸?shù)臅r(shí)間）和傳播時(shí)延差（差分對內(nèi)偏移）的要求。除了這些參數(shù)，衰減率也是具有重要影響的標(biāo)稱值之一?；ミB衰減將引起信號失真并影響系統(tǒng)的功率設(shè)計(jì)。

電子數(shù)據(jù)鏈路必須完成兩項(xiàng)主要任務(wù)：一是數(shù)據(jù)傳輸，二是不影響周圍環(huán)境。因此，必須注意保證電線和接插件屏蔽以及接插件和接插件屏蔽間極低的感應(yīng)互連。通過屏蔽效能參數(shù)，可以看出如連接器、線纜和連接器組件等無源元件的屏蔽質(zhì)量。屏蔽效能提供了電磁干擾的可消除的參數(shù)范圍。絕對輻射值的最小化和抗干擾性的最大化，不僅取決于連接器的設(shè)計(jì)，同樣也取決于屏蔽層之間的連接概念。泰科電子可替換的USB適配器能完全滿足上述所有USB高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的限定條件。