Universal Serial Bus im Automobilbereich

Was ist der Unversal Serial Bus (USB)?

Es gibt kaum mehr Geräte, die ohne eine USB-Schnittstelle auskommen. Zur Datenübertragung und zur Stromversorgung unterstützt sie Kameras, Speichersticks, Mäuse, Drucker, MP3-Player, Smartphones und vieles mehr. Bereits 1996 führten namhafte Hersteller aus der Computerbranche, beispielsweise Intel, diesen Standard ein. Er setzt sich seitdem weltweit durch und wird den modernen Anforderungen an eine Schnittstelle, beispielsweise hinsichtlich Übertragungsraten, weiter angepasst. So gibt es mittlerweile die Versionen 3.0 und 3.1.

Wie funktioniert USB?

Der Universal Serial Bus basiert auf einer seriellen Architektur. Das bedeutet, dass die Daten Bit für Bit, in Serie, von einem Gerät auf das andere übertragen werden. Dies ermöglicht einen Datentransfer mit hoher Geschwindigkeit und einer geringen Fehlerquote. Darüber hinaus spart man sich ein zusätzliches Stromkabel, da die Schnittstelle auch der Energieübertragung dient. Daten werden außerdem in beide Richtungen gesendet und empfangen (I/O-Schnittstelle).

Seit 2001 ist die Datenübertragung zwischen zwei Peripheriegeräten, wie Kamera und Drucker möglich. Diese Technologie nennt sich USB On The Go (OTG) und ist im USB-Symbol durch einen grünen Pfeil mit dem Schriftzug "On-The-Go" gekennzeichnet. In der Regel sind bei dieser Art des Datentransfers die Funktionsmöglichkeiten eingeschränkt. Bevor diese Technologie eingeführt wurde wies USB eine Master-Slave Struktur auf. Ein PC (Master) steuert hierbei die an dessen USB-Buchse angeschlossen Peripheriegeräte, wie Tastatur, Maus etc. (Slave). Heutzutage ist es dank sogenannter Verteiler möglich mehrere Peripheriegeräte über eine USB-Buchse zu verbinden. Die Maximale Anzahl pro Buche (Port) liegt hierbei bei 127 Peripheriegeräten. Der maximale Abstand zwischen zwei USB Hubs sowie Anschlüssen darf hierbei nicht 5 Meter übersteigen, um die ordnungsgemäße Funktion zu gewährleisten. Zu beachten ist hierbei, dass umso verschachtelter die Hub Ebenen sind, desto langsamer der Transfer funktioniert.

USB-Spezifikationen in Automobilien

USB existiert seit Jahrzehnten und wird stetig weiterentwickelt. So gibt es verschiedene Spezifikationen, die die Strom- und Spannungsstärke sowie die Übertragungsgeschwindigkeit festlegen. In älteren Modellen eines KFZ kommt USB 2.0 zur Anwendung dessen Übertragungsgeschwindigkeit ausreicht, um MP3 Daten auf den Boardcomputer zur Musikwiedergabe zu übertragen. Die Ladespannung von 0,5 V ist allerdings zu gering, um moderne Geräte (Smartphone, Tablets) aufzuladen, die eine Ladespannung von mindestens 2,4 V benötigen. Heute dient die USB-Verbindung vielfach auch dazu, Apps und Inhalte von Smartphones auf den großen Displays der Fahrzeuge anzuzeigen (Apple CarPlay, Android Auto, MirrorLink). Da die Geschwindigkeiten von USB 2.0 hier an seine Grenzen stößt kommt bei solchen Anwendungen USB 3.0 zum Einsatz, das in Hinblick auf USB 2.0 eine mehr als 20-fache Übertragungsgeschwindigkeit ermöglicht. Eine weitere Neuerung der USB-Type C Anschluss, der bei heutigen Premium Smartphones zur Standard Ausstattung gehört, findet seit neuestem bei einigen KFZ-Herstellern Anwendung. Der Vorteil von USB-Type C in Automobilen ist die gleichzeitige Verfügbarkeit von USB Power Delivery, das eine signifikante höhere Ladeleistung ermöglicht. Dort wo noch USB 2.0 eingesetzt wird kann eine maximale Ladeleistung von 2,5 W abgerufen werden. Bei USB Power Delivery hingegen liegt diese bei rund 100 W. Dies ermöglicht das Anschließen einer ganzen Bandbreite von USB-Peripheriegeräten wie Monitore, Sitzheizungen und weitere Leistungshungrige Geräte.

Welche Hersteller bieten passende USB Systeme an?

Microchip bietet als einer der ersten Hersteller ein großes Produktspektrum von USB Systemen für den Automotive Bereich an. Sie reichen von USB 2.0 Anwendung bis zu USB 3.1 (Superspeed USB).

Das fortschrittlichste System USB7002 bietet integrierte Stromversorgungsschaltungen und einen 32-Bit-Mikrocontroller für schnelles Laden. Mit den USB Systemen UPD301A, UPD350, USB4916 und USB7050 bietet Microchip zudem Lösungen zum Laden mit USB Power Delivery in Automobilen.

Entwicklung und Testen von USB Designs im Automobilbereich

Die Kompatibilität mit dem Automobil USB-Controller müssen Hersteller von Peripheriegeräten gewährleisten. Dies stellt Test und Entwicklungsingenieure aufgrund der Vielfältigkeit der USB-Controller und USB-Spezifikationen vor eine große Herausforderung. Ein geeignetes Messmittel für solche Anforderung ist ein Protokoll Analyzer