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Das Smarc Carrier Board für Smarc-2.0-Module, mit Intel-Atom-C3000-Prozessoren, bietet USB-C-Konnektivität.

Bild: Congatec

Ein Kabel mit vielen Funktionen Smarte USB-C-Verbindung

22.10.2018

Der Platz bei Embedded Designs, insbesondere bei mobilen SFF Designs ist sehr beschränkt. Hier sollten nur die Interfaces ausgeführt werden, die zwingend erforderlich sind. USB-C bietet die Möglichkeit, über ein Kabel mehrere Funktionen auszuführen. Was sind die Vorteile dieser neuen Möglichkeit und welche Fallstricke sollten Entwickler von Embedded Systemen vermeiden?

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Das USB-C ist in der Lage, alle USB-Leistungsstufen, von 12 Mbit/s mit USB 1.0 bis zu 10 Gbit/s mit USB 3.1 Gen 2, über einen neuen symmetrischen Stecker zu liefern, der jetzt reversibel ist. Der neue USB-C-Standard bietet zudem auch mehr Signalleitungen für eine deutlich erweiterte Plug & Play-Funktionalität. Damit werden neue Anwendungsfälle für USB möglich, zum Beispiel ein All-in-One Touch-Display zu steuern oder eine Hochleistungs-Stromversorgung umzusetzen, mit der man Geräte mit bis zu 100 W bei 5 A Stromstärke und
20 VDC versorgen oder sogar laden kann. Dies gilt in beide Richtungen, also als Verbraucher oder Energiequelle.

Die erhöhte Multifunktionalität von USB-C kann die Schnittstellenanforderungen eines ganzen Systems vereinheitlichen und standardisieren in Folge dessen lässt sich die Anzahl und Vielfalt der verwendeten Schnittstellen reduzieren. Diese Vorteile sind sehr attraktiv für das Design von räumlich sehr beschränkten Systemen.

Kosten reduzieren - Anforderungen erfüllen

Für Embedded Applikationen sind jetzt auch robuste und langfristig verfügbare Versionen auf dem Markt. Der Anwendungsfall ist hier mehr oder weniger gleich: Reduzierung der Kosten und Erfüllung so vieler Konnektivitätsanforderungen wie möglich mit einem universellen Steckertyp. Diese Konsolidierung zu einem einzigen Steckertyp ist in vielen Embedded Applikationen von Vorteil: für robuste mobile Geräte im Bereich Medical & Maintenance, für mobile Systeme für Services & Supervision sowie in portablen Systemen mit unterschiedlichen Einsatzorten. Aber auch stationäre Systemen, die darauf abzielen, einfachste Installationen mit universell anwendbaren smarten Konnektoren zu ermöglichen sind ein wichtiger
Anwendungsfall.

Herausforderungen von USB-C für Entwickler

Zunächst einmal ist es wichtig zu verstehen, dass USB-C im Grunde nur ein neuer Stecker ist, ohne spezifizierte Leistung oder Funktionen. Allerdings: Nur USB-C kann neben den USB-Signalen und Strom auch Grafik und Ton über ein einziges Kabel parallel transportieren – vorausgesetzt USB-C ist richtig implementiert und das ist keineswegs trivial, da sich USB-C stark von bisherigen US Implementierungen
unterscheidet.

Stromquelle oder Verbraucher?

So verfügt USB-C über 24 Lanes. Eine dieser Lanes ist dabei als Konfigurationskanal definiert, der erfasst, wie herum der Stecker in die Buchse gesteckt wird. Nur so kann das Hostgerät erkennen, welche Lanes verwendet werden sollen. Zudem können über USB-C nun bis zu 100 W elektrische Leistung transportiert werden. Auch können USB-C-Devices entweder als Stromquelle oder Verbraucher fungieren. In diesem Fall müssen Spannung und Strom aktiv zwischen Stromquelle und Verbraucher ausgehandelt werden. Das bedeutet, dass beide Geräte einen aktiven Mikrocontroller benötigen, um die Versorgungsspannung von 5V, 9V, 12V, oder sogar 20V und Maximalstrom, bis zu 5A, auszuhandeln.

Für diese Power-Distribution (PD) werden aktive Controller benötigt. Referenzdesigns zeigen, dass manche PD-Controller eine bessere Funktionalität bieten und einfacher zu konfigurieren sind als andere. Die größte Herausforderung besteht darin, eine Programmierung zu implementieren, die alle Hardwareanforderungen fehlerfrei abdeckt.

USB-Typ-C bietet alternative Modi

Als nächste Herausforderung bietet USB-C zudem verschiedene Alternate Modes an, bei denen die acht High-Speed-Pins und Side Band Lanes unterschiedliche Funktionen aufweisen. Diese sind spezifiziert als DisplayPort-Alternate-Mode (DP-Alt), MHL-Alternate-Mode, ein Mobile High-Definition-Link zur Übertragung von Audio- und Videosignalen, Thunderbolt-3-Alternate-Mode (TB-Alt) zur Übertragung von 4x PCIe Gen 3 und DisplayPort-Signalen sowie HDMI-Alternate-
Mode (HDMI-Alt) zur Übertragung von HDMI 1.4b Video- und Audiosignalen.

Über einen Configuration Channel (CC) wird definiert, welcher Modus verwendet wird und welche Signale über die Daten-Lanes übertragen werden. Um festzulegen, welche Alternate Modes verfügbar sind, wird wiederum der USB PD-Mikrocontroller genutzt. Zudem müssen Entwickler auch auf das Signal-Routing auf ihrem PCB achten. Sie sollten ein Routing vermeiden, das elektrische Dämpfungen, Überlagerungen und Interferenzen erhöht. Aber auch die Sicherheit ist eine Herausforderung für USB-Verbindungen. Dieses könnte in Zukunft immer wichtiger werden, vor allem im Hinblick auf die USB-C-Ladefunktion. Hier muss in Zukunft sichergestellt sein, dass ein USB-Ladegerät eben nur als Ladegerät fungiert und das Device nicht kompromittiert, indem es auch die Daten-Lanes verwendet. Diese Aufgabenstellung wird derzeit diskutiert; ein Mechanismus zur verschlüsselten USB-Authentifizierung über den PD-Bus und oder den USB-Datenbus ist seit Juli 2017 in der USB Authentication Specification definiert.

Darüber könnten Geräte Host-Devices sicherstellen, dass das Peripheriegerät auch genau das ist, als was es sich ausgibt. Es soll sichergestellt werden, dass ein Netzteil also wirklich ein Netzteil ist. So können auch Kameras für ein biometrisches Login oder USB-Speicherauthentifiziert werden.

Der ideale Weg USB-C zu implementieren

Es zeigt sich vermehrt: Je smarter und einfacher nutzbar eine Schnittstelle ist, desto mehr Design-Aufwand und Intelligenz sind von Seiten der Entwickler gefragt. Schließlich wirft dies dann die Frage auf, wie Entwickler den Design-Aufwand für vollwertige USB-C-Implementierungen reduzieren
können.

Am einfachsten wäre es natürlich, ein Embedded Board zu verwenden, das bereits eine vollständig integrierte USB-C-Implementierung bietet. Ein perfekter Start sind anwendungsfertige Motherboards und SBCs oder Computer-on-Modules mit entsprechenden Carrierboards, mit voll integrierter USB-C Funktionalität. OEMs und Entwickler können diese Optionen als anwendungsfertige Design-In-Lösung zur standardmäßigen Evaluation dieser neuen Technologie nutzen. Um die Entwicklung kundenspezifischer USB-C-Implementierungen weiter zu vereinfachen, sollten OEMs darauf achten, dass der Lieferant ihrer Boards auf Anfrage auch alle verbauten und erforderlichen USB-C-Schaltpläne liefert.

Alternativ sollten sie auch Customization-Services bieten, wenn der Entwicklungsaufwand und die Time-to-Market beim OEM auf ein Minimum reduziert werden sollen. Es gibt mittlerweile bereits erste Referenzdesigns mit USB-C-Implementierungen für COM Express Computer-on-Modules mit Datenraten von bis zu 40 Gbit/s über Thunderbolt 3 für leistungsstarke Designs.

Fazit

Jeder Entwickler, der sich nun nach all den Informationen immernoch fragt, ob USB-Typ-C denn auch für besonders robuste Applikationen geeignet ist, sollte sich daran erinnern, was bereits in der Vergangenheit gemacht wurde: Der Anschluss USB wurde in verschiedenen Konnektivitätsformaten verfügbar, von internen und externen Standardsteckern und -konnektoren bis zu MIL-spezifizierten M12-Konnektoren. Er wurde permanent entwickelt.

Damit können auch für den 24-Pin USB-Typ-C äußerst robuste Konnektivitätsoptionen zur Verfügung gestellt werden. OEMs sollten also evaluieren, welche Anforderungen sie in Sachen USB-C-Konnektivität haben, und gedanklich mit den verschiedenen Möglichkeiten spielen, bestehende Schnittstellen auf USB-C zu portieren. Passende Embedded Plattformen gibt es ja bereits.

Bildergalerie

  • Der USB-Typ-C-Stecker ist ein platzsparender reversibler Stecker mit 24 Pins. Die Buchse ist für 10.000 Steckvorgänge spezifiziert.

    Bild: Congatec

  • Das congatec Pico-ITX-Board mit Intel Atom C3000 Prozessoren bietet bereits USB-C basierten Display- und Stromversorgungssupport.

    Bild: Congatec

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