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2019年03月05日 | 基于NS1021/1021E的车载USB技术
2019-03-05
前言：USB接口基于标准化的传输协议，可以方便地实现设备间互联。USB 2.0标准最高支持480Mbps的传输速率。普通USB传输系统存在抗干扰性差和传输距离近的问题，对其应用场合带来了限制。本文以车载应用为例，提出车载USB传输方案，有效地解决了上述问题，可作为与车载以太网并列的下一代车载数据传输方案。
图1给出了车载视频与数据传输的典型应用，中控主机连接前/后视摄像头、激光雷达、DSM、行车记录仪、USB Hub扩展等设备。其中主机与很多设备间需要传输多种数据类型，USB 2.0作为使用最广泛的接口，在电子设备中无所不在，使用USB 2.0协议进行车载数据传输具有天然的优势。USB 2.0支持480Mbps的传输速率且功耗低，在传输速率、功耗及选择性上都远远超过100M车载以太网。并且车载USB可以与广泛的电子设备及芯片无缝对接，提供完美的设备兼容性。
然而车载数据传输线路需要穿过电磁环境复杂的区域，而普通USB传输系统存在抗干扰性差和传输距离近的问题，对其应用场合带来了限制。在车载设备中搭载基于NS1021/1021E的车载USB方案，就可以有效保证传输的可靠性和稳定性。
图1
车载USB（Automotive USB），是一种用于车载的USB传输协议，其提供与标准USB 2.0设备完全兼容的连接，但在物理层数据传输时通过专利技术，将标准USB 2.0的DC耦合信号，变为AC耦合信号，极大的提高了抗共模干扰能力，并通过数据编解码等技术使得传输距离长达30m。
标准USB线缆的长度不超过5m，但在车载应用中，由于复杂电磁环境的存在，即使1m也对可靠性有很大挑战，缩短距离并不能完全避免干扰。为彻底解决上述问题，图2给出了基于NS1021/NS1021E芯片的车载USB传输方案。在Host端的NS1021/NS1021E通过标准USB 2.0接口与主控SOC连接，在Device端的NS1021/NS1021E通过标准USB 2.0接口与USB Device芯片连接从而提供完全的USB 2.0兼容性。而在NS1021/NS1021E之间，则通过AC耦合的车载USB信号进行传输，使得传输距离可以长达30m，并具有强抗干扰能力。
图2
车载USB可以使用车载低频HSD连接器及线缆或车载USB连接器及线缆。其中标准HSD连接器已经广泛用于主机与分离屏的连接，但标准HSD连接器的带宽要求到2GHz以上，连接器阻抗要求为差分100欧姆+/-15%，一般搭配高质量进口线材使用，生产工艺复杂，价格高；而车载低频HSD连接器带宽要求为400MHz，连接器处的阻抗要求为差分100欧姆+/-25%即可，很多国产线材能达到性能要求，从而大幅降低线缆成本，并在30m长度范围内可靠传输。
NS1021/1021E是天津瑞发科半导体技术有限公司推出的基于专利技术的USB 2.0接口增强传输方案，已在业界得到广泛应用，累计出货超过一百万片。NS1021采用1对屏蔽双绞线传输，传输速率600Mbps；NS1021E采用2对屏蔽双绞线传输，传输速率300Mbps，NS1021E进一步降低了对连接器及线缆带宽的要求。用户可根据实际产品的需求选择合适的型号。
NS1021/1021E本身不解析USB 2.0协议，而是通过专利技术的AC耦合和编解码技术，来提升传输的距离与可靠性。NS1021/1021E的传输机制保证了零延时，其也实现了自动均衡技术，从而自适应线缆长度、类型及长期使用后的电特性变化。
一对NS1021/1021E从逻辑上可以认为等同于一条适于车载应用的高抗干扰性USB 2.0 High Speed线缆，其对USB 2.0协议为透明传输，可以兼容任何现有的USB 2.0 High Speed主机、设备或USB 2.0 Hub，也可以通过USB 2.0 Hub兼容任何USB 1.1 Full Speed或USB 1.1 Low Speed设备。
图3给出了连接USB 2.0 Hub时的应用实例。Host端或者Device端都可以通过USB 2.0 Hub进行连接，从而可以极大的提高系统设计的灵活性。
图3
目前，基于NS1021/1021E的车载USB方案已经应用于多个车厂/一级供应商量产的DSM和行车记录仪系统中。NS1021/1021E芯片的应用，使得传输距离不再受限，而且USB 2.0信号抗干扰性达到车载应用环境的要求。
结语：NS1021/NS1021E在两个互联的USB 2.0设备间提供了一条高速通道，而且对其两端的USB设备来说，通道是透明的，兼容任何USB 2.0主机、设备及Hub。NS1021/NS1021E自2017年引入车载市场，目前已经在多个车型的DSM和行车记录仪中使用。本文基于NS1021/NS1021E提出车载USB传输方案，可作为与车载以太网并列的下一代车载数据传输方案。
史海拾趣
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