【導(dǎo)讀】隨著系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，缺乏通用輸入/輸出(GPIO)實現(xiàn)外設(shè)控制或電路板布線問題開始出現(xiàn)。本文重點介紹了信息娛樂和集群系統(tǒng)融合，以便打造集成式駕駛艙。I2C GPIO擴展器提供了一種重用現(xiàn)有設(shè)計的重要途徑，并且集成了新功能集來滿足消費者的需求。
消費者通過移動設(shè)備、家用電子產(chǎn)品和計算的進(jìn)步接觸到最新的技術(shù)。現(xiàn)在他們希望在汽車上獲得相同的用戶體驗。如今的許多信息娛樂系統(tǒng)都是以信息娛樂處理器(及既定的生態(tài)系統(tǒng)平臺)為基礎(chǔ)的。雖然系統(tǒng)工程師通?？梢灾赜煤诵南到y(tǒng)，但將下一代技術(shù)與傳統(tǒng)子系統(tǒng)相連接依然存在著一些困難。
消費者通過移動設(shè)備、家用電子產(chǎn)品和計算的進(jìn)步接觸到最新的技術(shù)?，F(xiàn)在他們希望在汽車上獲得相同的用戶體驗。如今的許多信息娛樂系統(tǒng)都是以信息娛樂處理器（及既定的生態(tài)系統(tǒng)平臺）為基礎(chǔ)的。雖然系統(tǒng)工程師通常可以重用核心系統(tǒng)，但將下一代技術(shù)與傳統(tǒng)子系統(tǒng)相連接依然存在著一些困難。隨著系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，缺乏通用輸入/輸出（GPIO）實現(xiàn)外設(shè)控制或電路板布線問題開始出現(xiàn)。本文重點介紹了信息娛樂和集群系統(tǒng)融合，以便打造集成式駕駛艙。I2C GPIO擴展器提供了一種重用現(xiàn)有設(shè)計的重要途徑，并且集成了新功能集來滿足消費者的需求。
系統(tǒng)集成
信息娛樂是信息和娛樂的呈現(xiàn)，包括工作和娛樂。如今的信息娛樂系統(tǒng)以內(nèi)容和互聯(lián)為中心。為了滿足消費者的期望，業(yè)界致力于通過數(shù)字技術(shù)來保持駕駛員和乘客之間的互通。雖然這為駕駛員帶來了新的干擾，但汽車制造商正采取措施來使駕駛員將注意力重新集中于道路上。
信息娛樂子系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，這主要是因為在有效處理這些信息的同時還需要與外界保持聯(lián)系。大多數(shù)汽車制造商不想對認(rèn)證的系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行大幅改變——這些架構(gòu)已通過漫長且艱巨的資格認(rèn)證過程。但是，我們必須提供一種途徑來銜接現(xiàn)有設(shè)計，以跟上消費者的需求。
幾十年來，內(nèi)置的汽車立體聲或音響主機已成為信息娛樂系統(tǒng)的中心，用于存儲、傳送內(nèi)容和處理數(shù)據(jù)，以增強用戶體驗。隨著時間的推移，藍(lán)牙技術(shù)已融入這些音響主機中，以幫助駕駛員專注在道路上。到2022年，藍(lán)牙將遍及全球90%以上的車輛。近來，隨著Apple Carplay和Android Auto的出現(xiàn)，任何擁有入門級智能手機的人都可以體驗到功能豐富的集成導(dǎo)航環(huán)境。曾經(jīng)被視為奢侈的選擇現(xiàn)如今正在變得司空見慣。
隨著這些高端功能遷移至中低端車輛，汽車制造商正在超越現(xiàn)有架構(gòu)的局限性，以適應(yīng)下一代功能集。音響主體與儀表集群電子設(shè)備的組合，以及一些車身控制模塊（BCM）功能，可為駕駛員和乘客提供無縫集成的駕駛艙體驗。信息娛樂公司已投入大量工程資源和資格認(rèn)證時間來概念化、設(shè)計和實施最新的系統(tǒng)硬件和軟件。盡管汽車電子產(chǎn)品的開發(fā)時間可能會延續(xù)好幾年，但信息娛樂是汽車行業(yè)發(fā)展最快的領(lǐng)域之一。若能在通過無縫添加新功能和能力來區(qū)分最終產(chǎn)品的同時重復(fù)利用硬件和軟件，則符合信息娛樂工程師的最大利益。
遷移到下一代處理器
系統(tǒng)的核心是處理器，其中有幾種設(shè)計選項專為信息娛樂進(jìn)行了簡化。有幾個精選出來的功能非常強大，足以應(yīng)對集成式駕駛艙的需求。經(jīng)驗豐富的工程師通常會將大部分時間投入到這些高端系統(tǒng)中。然而，這些系統(tǒng)需要縮減到中低端的大眾市場體系。其軟件通常會被移植到具有較少GPIO的小型、低級別的處理器上，并且需要連接到外設(shè)。這就是GPIO擴展器為工程師提供靈活性的地方。I2C是一種在大多數(shù)信息娛樂系統(tǒng)中都有的、通過共享總線提供的通用接口。工程師可以輕松恢復(fù)控制任意數(shù)量外設(shè)所需的GPIO。
類似于移動電話，這些信息娛樂系統(tǒng)是基于平臺的。這意味著從低端到高端都有一個通用的基礎(chǔ)平臺設(shè)計來實現(xiàn)基本功能。高端平臺具有擴展外設(shè)以實現(xiàn)專有功能和性能。隨著這些系統(tǒng)變得更加模塊化，具有能夠在不同子系統(tǒng)之間進(jìn)行通信的公共總線顯得至關(guān)重要。
I2C的一個關(guān)鍵優(yōu)點是該接口標(biāo)準(zhǔn)是一種基于主從協(xié)議的共享總線。這種通用性有助于I2C總線在整個系統(tǒng)中布線——要注意的是節(jié)點的最大數(shù)量受到地址空間和400pF總線總電容的限制。I2C IO擴展器最常見的用途之一是控制位于PCB遠(yuǎn)端的輸入。這些外設(shè)的布線可能構(gòu)成挑戰(zhàn)。圖1中的示例凸顯了一個典型的信息娛樂系統(tǒng)，其中外設(shè)的控制輸入由主處理器控制。
圖1：控制輸入由主處理器直接控制。
I2C IO擴展器可以通過使用已有I2C系統(tǒng)總線來大大降低電路板布線的復(fù)雜度。由于其可以使電路板層數(shù)量減少，進(jìn)而使電路板制造成本最小化，優(yōu)點變得顯而易見。圖2所示為采用I2C GPIO擴展器的相同系統(tǒng)。GPIO擴展器與現(xiàn)有的I2C總線相連，而不是從處理器到外設(shè)布設(shè)8條線路。由于GPIO擴展器現(xiàn)在更接近外設(shè)，因此可以減少總布線面積。
圖2：控制輸入通過I2C GPIO擴展器進(jìn)行控制。
這種方法的另一個關(guān)鍵優(yōu)點是可擴展性。當(dāng)信息娛樂系統(tǒng)基于通用處理器平臺時，工程師可以根據(jù)目標(biāo)功能集選擇添加或刪除外設(shè)。為了獲得最優(yōu)的成本結(jié)構(gòu)，工程師必須能夠找到具有足夠處理能力的處理器來專門解決其目標(biāo)終端產(chǎn)品需求。成本優(yōu)化的處理器通常具有較低的引腳數(shù)，這減少了處理器本身的GPIO引腳數(shù)。圖3是一個將I2C GPIO擴展器與低端處理器搭配使用的方框圖。
圖3：低端處理器使用GPIO擴展器來控制外設(shè)。
為了最大化系統(tǒng)重用，GPIO擴展器可以輕松連接到其他外設(shè)。圖4增加了一個音頻數(shù)字信號處理器（DSP）和負(fù)載開關(guān)，分別用于音頻處理和節(jié)省功耗。由于不需要對處理器進(jìn)行額外布線，添加這些器件相對簡單，因此，現(xiàn)有的電路板設(shè)計可以重復(fù)使用。
圖4：GPIO擴展器被用于增加音頻數(shù)字信號處理器和負(fù)載開關(guān)。
隨著工程師專注于更高級的核心處理器，處理器的I/O可能在內(nèi)部連接到單個電壓域。例如，整個I/O總線連接到1.8V電源（通常稱為VI/O）。該總線可以連接到1.8V和3.3V外設(shè)組合，這需要添加如圖5所示的通用電平轉(zhuǎn)換器。
圖5：混合電壓系統(tǒng)使用電平轉(zhuǎn)換器來轉(zhuǎn)換GPIO電壓。
I/O合并，以及執(zhí)行電平轉(zhuǎn)換功能以便對傳統(tǒng)器件提供連接支持，會用到幾個I2C GPIO擴展器。圖6中采用雙電源GPIO擴展器將電平從1.8V轉(zhuǎn)換到3.3V，同時將GPIO合并成了單根I2C總線。這又引入了一定的靈活度，因為它騰出了處理器的GPIO，進(jìn)而可以對處理器附近的器件進(jìn)行接口。
圖6：混合電壓系統(tǒng)使用GPIO擴展器進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和簡化布線。
按鈕的重新出現(xiàn)
在過去幾年中，汽車原始設(shè)備制造商（OEM）嘗試將人機界面（HMI）引入，專用于觸摸屏和手勢控制等。然而，消費者仍然喜歡使用物理按鈕來控制信息娛樂系統(tǒng)。迫使駕駛員俯視觸摸屏和尋找按鈕，可能會對需要他們避免碰撞或突然停車的關(guān)鍵時刻造成干擾。例如，福特汽車公司就收到了有關(guān)其MyFord Touch用戶界面的投訴。盡管其界面光滑清晰，但客戶仍然希望使用物理按鈕來控制系統(tǒng)，因此福特增加了八個控制按鈕來補救此問題。
當(dāng)添加這些按鈕時——重新加入系統(tǒng)或從新的設(shè)計開始——GPIO擴展器對檢測這些按鈕按壓提供了有效方式。這在信息娛樂系統(tǒng)中尤其重要——其核心電壓相對較低，為5V、3.3V、1.8V。與通常用于車身控制的開關(guān)不同，這些按鈕未連接到車輛電池；因此，GPIO擴展器足以檢測并向處理器報告這些按鈕按壓動作。圖7是GPIO擴展器檢測按鈕按壓時一個常見示例。
圖7：使用GPIO擴展器檢測信息娛樂系統(tǒng)中的按鈕按壓。
隨著這些信息娛樂系統(tǒng)的復(fù)雜性增加，主處理器可能不再是顯示器的一部分。其通常被稱為“遠(yuǎn)程顯示器”——從根本上講，該顯示器是汽車當(dāng)中采用全分離式PCB的一個監(jiān)視器。所幸，I2C是一種常見協(xié)議，既被用于低速輔助信號路徑（如HDMI）又被用于反向通道（如平板顯示器鏈路或FPD鏈路）。HDMI是消費類電子產(chǎn)品中事實的視頻接口標(biāo)準(zhǔn)，而FPD鏈路已成為汽車顯示器和數(shù)字LCD集群中可以重新配置的最常見的視頻標(biāo)準(zhǔn)。這些遠(yuǎn)程顯示器仍然需要物理按鈕來進(jìn)行音量控制或配置。I2C I/O擴展器是這些遠(yuǎn)程應(yīng)用的首選解決方案。
圖8：該按鈕接口在遠(yuǎn)程顯示器上使用了GPIO擴展器，通過I2C反向通道與主處理器進(jìn)行通信。
圖8顯示了使用FPD鏈路將視頻發(fā)送到遠(yuǎn)程顯示器的典型系統(tǒng)。通過使用大多數(shù)FPD鏈路SerDes（串行器/解串器）中提供的I2C反向通道，GPIO擴展器仍然能夠通過FPD鏈路與主處理器進(jìn)行通信。如果主系統(tǒng)負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程顯示器和群集的內(nèi)容，那么這一點尤其有用。只要點擊按鈕，其他內(nèi)容（如導(dǎo)航方向）就可以在遠(yuǎn)程顯示器或群集上顯示。顯示的內(nèi)容性質(zhì)可以動態(tài)配置。物理按鈕為駕駛員提供了一致的接口來執(zhí)行這些配置功能。
總結(jié)
設(shè)計人員在設(shè)計信息娛樂系統(tǒng)時面臨著許多挑戰(zhàn)。無論是遷移到較低成本的處理器還是與傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行接口，I2C GPIO擴展器都可以快速有效地解決問題，而不會干擾現(xiàn)有的系統(tǒng)架構(gòu)。這種不顯眼的擴展方式為信息娛樂設(shè)計工程師提供了可擴展性，并加快了上市時間。
選擇最佳的GPIO擴展器取決于所需的電壓范圍和所連接的GPIO數(shù)量。低電壓低功耗IO擴展器TCA9539-Q1，是一款完全符合汽車資質(zhì)的I2C控制的GPIO擴展器，它的電源電壓范圍為1.65V至3.6V。它可以與當(dāng)代處理器進(jìn)行成功通信，并使設(shè)計滿足未來最低1.65V規(guī)格。該器件允許16位或可以單獨配置的輸入和輸出通道。這些I/O可用于補充處理器上的I/O及檢測按鈕按壓，或驅(qū)動LED狀態(tài)燈。如果工程師僅需要為設(shè)計補充8個I/O，那么它還提供8位的TCA6408A-Q1版本。此外，TCA6408A-Q1能夠使用獨立的I2C電壓軌（VCCI）和P端口電壓軌（VCCP）進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。這一額外好處對混合電壓系統(tǒng)至關(guān)重要。
集成式駕駛艙提供了功能豐富的環(huán)境，但是如果使用不當(dāng)，可能會在駕駛時引起過多分心?？紤]到我們經(jīng)常長時間上下班往返，以及我們想要與世界保持聯(lián)系的渴望，信息量過大加劇了這些分心。通過提供我們所熟悉的物理接口，駕駛員可以在使用這些功能的同時將注意力集中在道路上。顯而易見，在系統(tǒng)設(shè)計人員研究下一個項目時，GPIO擴展器將為其提供更大的靈活性。
本文轉(zhuǎn)載自電子技術(shù)設(shè)計。
推薦閱讀：
