By: Chris A. Ciufo, Editor-in-Chief, Embedded, Extension Media Publishing
今天的新车获得了不错的里程，相对安全且被认为是时尚的，因此汽车OEM必须添加一些特别突出的东西。
汽车技术是许多汽车公司产品的基石差异化因素。
最近消费者想要并将支付额外费用的“杀手级功能”包括技术包，例如：带智能手机集成的车载信息娱乐系统（IVI），后座LCD和全方位安全摄像头（图1）。
图1：数字汽车中的“汽车技术”包括中控台和后座“信息娱乐”（IVI）系统，以及用于安全功能的摄像头。
请注意PCI Express，以太网和HDMI等常用高速数字通道的电缆和电线的迷宫。
这种板载嵌入式“信息娱乐”技术包括设计人员熟悉的数字标准，如USB，以太网，PCI Express，GPS和视频解码器。
就像任何其他嵌入式系统一样，设计人员也发现需要添加以下模拟组件：
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恢复时钟信号并减少定时抖动，
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增加数字扇出和输出驱动能力，以及
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提供符合PCI Express等规格的高精度时钟源。
超出这些要求，USB充电正成为“必备”功能。
最后，数字车也是恶劣的环境。
需要经过认证的汽车级组件，使用寿命长。
让我们来看看数字汽车如何在这个不断变化的市场中混合模拟和数字设备。
成长市场; 新挑战
数字汽车充满了运行Altera，AMD，ARM，英特尔，飞思卡尔，日立，瑞萨，TI，Xilinx等处理器的系统。
其中每一个都是嵌入式系统的核心，带有一个或多个LCD显示器，PCI Express，千兆以太网，GPS和USB I / O（图2）。
毫不奇怪，这些“汽车技术”嵌入式系统反映了那些在汽车中运行销售点（POS）终端，游戏机，移动设备和闭环伺服系统的系统。
图2：数字汽车的嵌入式系统依靠模拟组件进行时钟，数据传输和抖动改善，以及开关以改善扇出。
换句话说：这是一种典型的现代高速数字嵌入式系统。
提供挑战：处理器/ SoC和PCI Express（PCIe）的精确定时（时钟）发生器; 保持对GHz信号抖动和“眼睛”边缘的控制; 为所有外设提供足够的时钟源; 提供PCIe桥接和扇出; 并与远程传感器和显示器保持高质量视频。
但与其他嵌入式系统不同，数字汽车还必须通过USB连接到所有驾驶员和乘客的高电流移动设备并为其充电。
这里的技术挑战超越了“常规”嵌入式系统，因为汽车原始设备制造商及其典型供应商之前并不是这些高速，高数据速率设计的专家，因此需要组件供应商提供所需的设计专业知识。
汽车是一个嘈杂的EMI环境，有长电缆/电线，对数字定时造成严重破坏，从冬季到夏季的极端温度也是如此。
驱动信号的重新驱动器
亚微米前沿微处理器，SoC和FPGA对长走线和板间连接器的输出驱动能力有限。
在数字汽车的高EMI环境中，盒装子系统（或外部摄像机）之间的长电缆运行会通过衰减和噪声进一步降低信号质量。
最终结果是对于定义最新数字汽车系统的超高速信号（如PCI Express，USB或HDMI）的封闭“眼睛”。
该问题的解决方案是称为“转向驱动器”的有源信号放大器。
这些奇迹设计用于许多不同的信号类型，从PCIe到USB，HDMI等。
在长信号走线或电缆走线的每一端的转接驱动器将信号返回到规格范围内，并且是数字汽车的重要部分（图3）。
图3：Redriver是一个转发器/放大器，用于清除衰减和降级的信号。
由于长迹线或电缆线路，左侧开放的“眼睛”几乎闭合（中间）。
眼睛再次在右侧打开，信号恢复正常。
时间适合PCI Express
数字组件，尤其是那些驱动多千兆赫兹信号（如PCIe，GigE或USB 3.0）的数字组件，需要一个或多个高精度时钟源。
IVI系统强调实时图形和视频，已经开始将PCIe用于高带宽I / O连接外设和板载SSD存储。
每个PCIe设备都需要一个精确的100 MHz时钟发生器，以便为Gen 2和Gen 3创建最终的2.5到5.0 GHz数据速率。
汽车应用中使用的PCIe时钟发生器理想情况下可提供多个100 MHz输出，以驱动多个PCIe器件并节省电路板空间。
具有多个输出消除了对时钟缓冲器及其固有定时延迟的需求。
符合G2或G3的PCI-SIG规范，抖动低于3.1ps，以便在如此恶劣的环境中保持PCIe裕量。
PCIe时钟发生器也需要是汽车级的，并且符合汽车电子委员会质量（AEC）Q100标准。
由于大多数处理器不提供PCI时钟，因此具有多个输出可以驱动处理器或SoC和其他PCIe设备（图3）。
Intel CPU是一个例外，它们消耗两个引脚用于差分信号; 这增加了大引脚设备的布线挑战。
如上所述，提供多个输出可以消除缓冲，同时为构建数百万单位的汽车OEM节省资金。
图4：汽车信息娱乐系统中四输出（4）PCI Express时钟发生器的典型用途。
例如，汽车级Pericom PI6C557-03AQ / PI6C557-05Q扩频PCIe 2.0时钟发生器驱动两个或四个LVDS或HCSL输出（25 MHz，100 MHz，125 MHz或200 MHz），相位抖动为2.1 ps击败了PCIe规范，但只需要16/20引脚TSSOP封装旁边的低成本25 MHz晶振。
这些特殊的基于PLL的器件很有意思，因为它具有多个输出频率，允许设计人员为PCIe或以太网外设提供时钟。
我们一直在描述PCI Express如何用作外围设备之间的通用系统内通信通道。
在某些情况下，后座LCD子系统可能由于其高数据速率而通过PCI Express连接。
在其他情况下，PCIe可能代表SPI或I2C慢速设备时代唯一可用的快速通道。
在所有这些情况下，需要将处理器的PCIe通道桥接到多个设备。
PCIe（数据包）交换机将一个PCIe通道桥接到多个PCIe通道，从而增加了处理器的扇出。
通过向网桥添加智能选择哪些数据包传递到哪个端口，简单的一对多网桥成为数据包交换机。
这种智能桥接符合汽车应用的AEC-Q100（IC）标准，可通过允许路由和通信决策卸载主机CPU或SoC，无需处理器干预。
水晶般清晰的时间
大多数数字系统都保持实时时钟，但用户可以看到汽车中有一个：它在IVI系统中。
虽然这只是汽车中许多依赖晶体振荡器（XO）作为基准时序参考的RTC之一，但IVI中的那个仍然至关重要。
该RTC显示时间，并唤醒驱动程序最关心的系统 - 例如仪表板，外部温度显示或备用摄像头。
到目前为止，最常见的参考振荡器是“32 kHz”XO（32.768 kHz），它为RTC，休眠中的处理器和其他外设提供基准时间参考。
在数百万单位汽车应用中，诱惑是使用超低成本的基于音叉的XO。
虽然业界认可且经过验证的音叉XO具有两个不适合汽车IVI系统的关键属性：温度漂移和非常长的启动时间。
图5显示了普通音叉晶体（左）和“AT Cut”晶体（右）之间的频率漂移（称为“ppm”）与温度的关系。
对于音叉XO，-20°C的ΔT导致160 Hz ppm，这对于需要更高精度的RTC和其他定时解决方案来说是很重要的，或者其PLL不能容忍这么大的变化。
AT切割晶体（“AT”指晶体切割的35.25度角）在约40℃下仅变化+ 25ppm。
这至少是温度精度的5倍。
图5：音叉XO（左）与AT Cut XO（右）。
音叉ppm（ΔF/ F）随温度变化很大。
例如，来自Diodes Incorporated的AT Cut晶体振荡器表现出右手曲线所示的ppm频率精度。
同样，与AT Cut XO相比，音叉XO需要很长时间才能启动 - 最多1000毫秒。
例如，Diodes Incorporated的器件可以在短短2 ms内启动，典型时间为10 ms。
如果他/她被迫等待几秒钟，因为音叉XO稳定并且一系列系统全部启动，这对驾驶员的体验有很大的不同。
AT切割XO是首选。
从无处不在的USB获取电量
USB不再仅仅用于将鼠标和键盘等外围设备连接到计算机或将iPhone同步到iTunes，而是为各种消费产品提供电源。
随着智能手机和平板电脑等移动设备迁移到汽车中，USB为移动中的IVI连接和设备充电提供了脐带。
汽车USB的变化超出了USB 1.1,2.0和3.0的数据速率; 事实上，有各种充电模式和当前采购选项，以及中国电信标准YD / T-1591等不同的国际标准。
一个关键指标是USB连接可提供的电流量，从毫安到Apple的iPad和许多新的英特尔/微软2：1设备所需的2.0A。
消费者希望在他们的汽车中使用（和充电）所有这些。
例如，Apple在其USB充电器中定义了Apple-1A和Apple-2A通信模式。
这就是为什么iPhone的小型充电器如此缓慢地为iPad充电：不仅源电流不同，而且充电器知道这一点并相应地调整充电曲线。
对于更广泛的市场，USB实施者论坛已经定义了USB充电规范（USB电池充电1.2），其中充电主题有多种变化。
表1中描述了一些模式。
| DCP | 专用充电器端口 | 枚举不可用时使用 |
| CDP | 为下游港口充电 | 在枚举可用且请求快速充电时使用 |
| SDP | 标准下游端口 | 用于具有标准USB主机端口的系统 |
表1：USB实施者论坛（USB-IF）电池充电规范（来自2011年10月的1.2合规计划文件）。
回头参考图2，汽车IVI嵌入式系统需要支持USB数据通信和多设备充电。
这包括表1中所示的所有USB-IF充电标准，以及Apple-1A和-2A等非标准（尽管广泛使用）的充电配置文件。
为了满足未来的IVI系统的未来需求，USB充电器还应具有可编程电流输出限制，使用单个5V DC-DC转换器输入，并且AEC-Q100适用于坚固耐用的汽车应用。
符合所有这些标准的设备是Diodes的PI5USB8000Q。
它支持CDP数据和1.5A充电，SDP数据和500 mA充电，DCP充电1.5A。
该器件还支持Apple-1A和-2A，可以确定何时插入设备（称为PowerNAP）并提高功率。
当器件断开时，电流检测将使IC处于低功耗模式。
这在永远在线的汽车“电源端口”（又名“点烟器”）应用中非常重要，这些应用在点火开关关闭时不会断开。
驾驶数字车
数字技术是汽车原始设备制造商的关键差异化因素，因为他们试图从人群中脱颖而出，并且他们急于为每种型号增加更多的IVI机舱技术。
随着设计人员使用PCI Express，以太网，HDMI，USB等标准部署更多高速数字系统，他们还需要添加配套模拟设备，用于定时，缓冲，重复和重新发送信号。
同样，USB充电 - 无论是哪种口味 - 都是当今汽车消费者的“必备品”。
