消費者通過(guò)移動(dòng)設備、家用電子產(chǎn)品和計算的進(jìn)步接觸到最新的技術(shù)?，F在他們希望在汽車(chē)上獲得相同的用戶(hù)體驗。如今的許多信息娛樂(lè )系統都是以信息娛樂(lè )處理器(及既定的生態(tài)系統平臺)為基礎的。雖然系統工程師通?？梢灾赜煤诵南到y，但將下一代技術(shù)與傳統子系統相連接依然存在著(zhù)一些困難。

 

消費者通過(guò)移動(dòng)設備、家用電子產(chǎn)品和計算的進(jìn)步接觸到最新的技術(shù)?，F在他們希望在汽車(chē)上獲得相同的用戶(hù)體驗。如今的許多信息娛樂(lè )系統都是以信息娛樂(lè )處理器（及既定的生態(tài)系統平臺）為基礎的。雖然系統工程師通?？梢灾赜煤诵南到y，但將下一代技術(shù)與傳統子系統相連接依然存在著(zhù)一些困難。隨著(zhù)系統復雜性的增加，缺乏通用輸入/輸出（GPIO）實(shí)現外設控制或電路板布線(xiàn)問(wèn)題開(kāi)始出現。本文重點(diǎn)介紹了信息娛樂(lè )和集群系統融合，以便打造集成式駕駛艙。I2C GPIO擴展器提供了一種重用現有設計的重要途徑，并且集成了新功能集來(lái)滿(mǎn)足消費者的需求。

 

 

信息娛樂(lè )是信息和娛樂(lè )的呈現，包括工作和娛樂(lè )。如今的信息娛樂(lè )系統以?xún)热莺突ヂ?lián)為中心。為了滿(mǎn)足消費者的期望，業(yè)界致力于通過(guò)數字技術(shù)來(lái)保持駕駛員和乘客之間的互通。雖然這為駕駛員帶來(lái)了新的干擾，但汽車(chē)制造商正采取措施來(lái)使駕駛員將注意力重新集中于道路上。

 

信息娛樂(lè )子系統變得越來(lái)越復雜，這主要是因為在有效處理這些信息的同時(shí)還需要與外界保持聯(lián)系。大多數汽車(chē)制造商不想對認證的系統架構進(jìn)行大幅改變——這些架構已通過(guò)漫長(cháng)且艱巨的資格認證過(guò)程。但是，我們必須提供一種途徑來(lái)銜接現有設計，以跟上消費者的需求。

 

幾十年來(lái)，內置的汽車(chē)立體聲或音響主機已成為信息娛樂(lè )系統的中心，用于存儲、傳送內容和處理數據，以增強用戶(hù)體驗。隨著(zhù)時(shí)間的推移，藍牙技術(shù)已融入這些音響主機中，以幫助駕駛員專(zhuān)注在道路上。到2022年，藍牙將遍及全球90%以上的車(chē)輛。近來(lái)，隨著(zhù)Apple Carplay和Android Auto的出現，任何擁有入門(mén)級智能手機的人都可以體驗到功能豐富的集成導航環(huán)境。曾經(jīng)被視為奢侈的選擇現如今正在變得司空見(jiàn)慣。

 

隨著(zhù)這些高端功能遷移至中低端車(chē)輛，汽車(chē)制造商正在超越現有架構的局限性，以適應下一代功能集。音響主體與儀表集群電子設備的組合，以及一些車(chē)身控制模塊（BCM）功能，可為駕駛員和乘客提供無(wú)縫集成的駕駛艙體驗。信息娛樂(lè )公司已投入大量工程資源和資格認證時(shí)間來(lái)概念化、設計和實(shí)施最新的系統硬件和軟件。盡管汽車(chē)電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間可能會(huì )延續好幾年，但信息娛樂(lè )是汽車(chē)行業(yè)發(fā)展最快的領(lǐng)域之一。若能在通過(guò)無(wú)縫添加新功能和能力來(lái)區分最終產(chǎn)品的同時(shí)重復利用硬件和軟件，則符合信息娛樂(lè )工程師的最大利益。

 

 

系統的核心是處理器，其中有幾種設計選項專(zhuān)為信息娛樂(lè )進(jìn)行了簡(jiǎn)化。有幾個(gè)精選出來(lái)的功能非常強大，足以應對集成式駕駛艙的需求。經(jīng)驗豐富的工程師通常會(huì )將大部分時(shí)間投入到這些高端系統中。然而，這些系統需要縮減到中低端的大眾市場(chǎng)體系。其軟件通常會(huì )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。這就是GPIO擴展器為工程師提供靈活性的地方。I2C是一種在大多數信息娛樂(lè )系統中都有的、通過(guò)共享總線(xiàn)提供的通用接口。工程師可以輕松恢復控制任意數量外設所需的GPIO。

 

類(lèi)似于移動(dòng)電話(huà)，這些信息娛樂(lè )系統是基于平臺的。這意味著(zhù)從低端到高端都有一個(gè)通用的基礎平臺設計來(lái)實(shí)現基本功能。高端平臺具有擴展外設以實(shí)現專(zhuān)有功能和性能。隨著(zhù)這些系統變得更加模塊化，具有能夠在不同子系統之間進(jìn)行通信的公共總線(xiàn)顯得至關(guān)重要。

 

I2C的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是該接口標準是一種基于主從協(xié)議的共享總線(xiàn)。這種通用性有助于I2C總線(xiàn)在整個(gè)系統中布線(xiàn)——要注意的是節點(diǎn)的最大數量受到地址空間和400pF總線(xiàn)總電容的限制。I2C IO擴展器最常見(jiàn)的用途之一是控制位于PCB遠端的輸入。這些外設的布線(xiàn)可能構成挑戰。圖1中的示例凸顯了一個(gè)典型的信息娛樂(lè )系統，其中外設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(guò)使用已有I2C系統總線(xiàn)來(lái)大大降低電路板布線(xiàn)的復雜度。由于其可以使電路板層數量減少，進(jìn)而使電路板制造成本最小化，優(yōu)點(diǎn)變得顯而易見(jiàn)。圖2所示為采用I2C GPIO擴展器的相同系統。GPIO擴展器與現有的I2C總線(xiàn)相連，而不是從處理器到外設布設8條線(xiàn)路。由于GPIO擴展器現在更接近外設，因此可以減少總布線(xiàn)面積。

 

圖2：控制輸入通過(guò)I2C GPIO擴展器進(jìn)行控制。

 

這種方法的另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是可擴展性。當信息娛樂(lè )系統基于通用處理器平臺時(shí)，工程師可以根據目標功能集選擇添加或刪除外設。為了獲得最優(yōu)的成本結構，工程師必須能夠找到具有足夠處理能力的處理器來(lái)專(zhuān)門(mén)解決其目標終端產(chǎn)品需求。成本優(yōu)化的處理器通常具有較低的引腳數，這減少了處理器本身的GPIO引腳數。圖3是一個(gè)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(lái)控制外設。

 

為了最大化系統重用，GPIO擴展器可以輕松連接到其他外設。圖4增加了一個(gè)音頻數字信號處理器（DSP）和負載開(kāi)關(guān)，分別用于音頻處理和節省功耗。由于不需要對處理器進(jìn)行額外布線(xiàn)，添加這些器件相對簡(jiǎn)單，因此，現有的電路板設計可以重復使用。

 

圖4：GPIO擴展器被用于增加音頻數字信號處理器和負載開(kāi)關(guān)。

 

隨著(zhù)工程師專(zhuān)注于更高級的核心處理器，處理器的I/O可能在內部連接到單個(gè)電壓域。例如，整個(gè)I/O總線(xiàn)連接到1.8V電源（通常稱(chēng)為VI/O）。該總線(xiàn)可以連接到1.8V和3.3V外設組合，這需要添加如圖5所示的通用電平轉換器。

 

圖5：混合電壓系統使用電平轉換器來(lái)轉換GPIO電壓。

 

I/O合并，以及執行電平轉換功能以便對傳統器件提供連接支持，會(huì )用到幾個(gè)I2C GPIO擴展器。圖6中采用雙電源GPIO擴展器將電平從1.8V轉換到3.3V，同時(shí)將GPIO合并成了單根I2C總線(xiàn)。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：混合電壓系統使用GPIO擴展器進(jìn)行電平轉換和簡(jiǎn)化布線(xiàn)。

 

 

在過(guò)去幾年中，汽車(chē)原始設備制造商（OEM）嘗試將人機界面（HMI）引入，專(zhuān)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(lái)控制信息娛樂(lè )系統。迫使駕駛員俯視觸摸屏和尋找按鈕，可能會(huì )對需要他們避免碰撞或突然停車(chē)的關(guān)鍵時(shí)刻造成干擾。例如，福特汽車(chē)公司就收到了有關(guān)其MyFord Touch用戶(hù)界面的投訴。盡管其界面光滑清晰，但客戶(hù)仍然希望使用物理按鈕來(lái)控制系統，因此福特增加了八個(gè)控制按鈕來(lái)補救此問(wèn)題。

 

當添加這些按鈕時(shí)——重新加入系統或從新的設計開(kāi)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(lè )系統中尤其重要——其核心電壓相對較低，為5V、3.3V、1.8V。與通常用于車(chē)身控制的開(kāi)關(guān)不同，這些按鈕未連接到車(chē)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(dòng)作。圖7是GPIO擴展器檢測按鈕按壓時(shí)一個(gè)常見(jiàn)示例。

 

圖7：使用GPIO擴展器檢測信息娛樂(lè )系統中的按鈕按壓。

 

隨著(zhù)這些信息娛樂(lè )系統的復雜性增加，主處理器可能不再是顯示器的一部分。其通常被稱(chēng)為“遠程顯示器”——從根本上講，該顯示器是汽車(chē)當中采用全分離式PCB的一個(gè)監視器。所幸，I2C是一種常見(jiàn)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(lèi)電子產(chǎn)品中事實(shí)的視頻接口標準，而FPD鏈路已成為汽車(chē)顯示器和數字LCD集群中可以重新配置的最常見(jiàn)的視頻標準。這些遠程顯示器仍然需要物理按鈕來(lái)進(jìn)行音量控制或配置。I2C I/O擴展器是這些遠程應用的首選解決方案。

 

圖8：該按鈕接口在遠程顯示器上使用了GPIO擴展器，通過(guò)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)送到遠程顯示器的典型系統。通過(guò)使用大多數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(guò)FPD鏈路與主處理器進(jìn)行通信。如果主系統負責遠程顯示器和群集的內容，那么這一點(diǎn)尤其有用。只要點(diǎn)擊按鈕，其他內容（如導航方向）就可以在遠程顯示器或群集上顯示。顯示的內容性質(zhì)可以動(dòng)態(tài)配置。物理按鈕為駕駛員提供了一致的接口來(lái)執行這些配置功能。

 

 

設計人員在設計信息娛樂(lè )系統時(shí)面臨著(zhù)許多挑戰。無(wú)論是遷移到較低成本的處理器還是與傳統系統進(jìn)行接口，I2C GPIO擴展器都可以快速有效地解決問(wèn)題，而不會(huì )干擾現有的系統架構。這種不顯眼的擴展方式為信息娛樂(lè )設計工程師提供了可擴展性，并加快了上市時(shí)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數量。低電壓低功耗IO擴展器TCA9539-Q1，是一款完全符合汽車(chē)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。它可以與當代處理器進(jìn)行成功通信，并使設計滿(mǎn)足未來(lái)最低1.65V規格。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，或驅動(dòng)LED狀態(tài)燈。如果工程師僅需要為設計補充8個(gè)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)行電平轉換。這一額外好處對混合電壓系統至關(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，可能會(huì )在駕駛時(shí)引起過(guò)多分心?？紤]到我們經(jīng)常長(cháng)時(shí)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(guò)大加劇了這些分心。通過(guò)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(shí)將注意力集中在道路上。顯而易見(jiàn)，在系統設計人員研究下一個(gè)項目時(shí)，GPIO擴展器將為其提供更大的靈活性。

 

本文轉載自電子技術(shù)設計。

 

 



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