【導讀】隨著系統復雜性的增加，缺乏通用輸入/輸出(GPIO)實現外設控制或電路板布線問題開始出現。本文重點介紹了信息娛樂和集群系統融合，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滿足消費者的需求。
消費者通過移動設備、家用電子產品和計算的進步接觸到最新的技術。現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都是以信息娛樂處理器(及既定的生態系統平臺)為基礎的。雖然系統工程師通常可以重用核心系統，但將下一代技術與傳統子系統相連接依然存在著一些困難。
消費者通過移動設備、家用電子產品和計算的進步接觸到最新的技術。現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都是以信息娛樂處理器（及既定的生態系統平臺）為基礎的。雖然系統工程師通常可以重用核心系統，但將下一代技術與傳統子系統相連接依然存在著一些困難。隨著系統復雜性的增加，缺乏通用輸入/輸出（GPIO）實現外設控制或電路板布線問題開始出現。本文重點介紹了信息娛樂和集群系統融合，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滿足消費者的需求。
系統集成
信息娛樂是信息和娛樂的呈現，包括工作和娛樂。如今的信息娛樂系統以內容和互聯為中心。為了滿足消費者的期望，業界致力于通過數字技術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。
信息娛樂子系統變得越來越復雜，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系。大多數汽車制造商不想對認證的系統架構進行大幅改變——這些架構已通過漫長且艱巨的資格認證過程。但是，我們必須提供一種途徑來銜接現有設計，以跟上消費者的需求。
幾十年來，內置的汽車立體聲或音響主機已成為信息娛樂系統的中心，用于存儲、傳送內容和處理數據，以增強用戶體驗。隨著時間的推移，藍牙技術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，藍牙將遍及全球90%以上的車輛。近來，隨著Apple Carplay和Android Auto的出現，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航環境。曾經被視為奢侈的選擇現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證時間來概念化、設計和實施最新的系統硬件和軟件。盡管汽車電子產品的開發時間可能會延續好幾年，但信息娛樂是汽車行業發展最快的領域之一。若能在通過無縫添加新功能和能力來區分最終產品的同時重復利用硬件和軟件，則符合信息娛樂工程師的最大利益。
遷移到下一代處理器
系統的核心是處理器，其中有幾種設計選項專為信息娛樂進行了簡化。有幾個精選出來的功能非常強大，足以應對集成式駕駛艙的需求。經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中。然而，這些系統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。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系統中都有的、通過共享總線提供的通用接口。工程師可以輕松恢復控制任意數量外設所需的GPIO。
類似于移動電話，這些信息娛樂系統是基于平臺的。這意味著從低端到高端都有一個通用的基礎平臺設計來實現基本功能。高端平臺具有擴展外設以實現專有功能和性能。隨著這些系統變得更加模塊化，具有能夠在不同子系統之間進行通信的公共總線顯得至關重要。
I2C的一個關鍵優點是該接口標準是一種基于主從協議的共享總線。這種通用性有助于I2C總線在整個系統中布線——要注意的是節點的最大數量受到地址空間和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遠端的輸入。這些外設的布線可能構成挑戰。圖1中的示例凸顯了一個典型的信息娛樂系統，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擴展器可以通過使用已有I2C系統總線來大大降低電路板布線的復雜度。由于其可以使電路板層數量減少，進而使電路板制造成本最小化，優點變得顯而易見。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總線相連，而不是從處理器到外設布設8條線路。由于GPIO擴展器現在更接近外設，因此可以減少總布線面積。
圖2：控制輸入通過I2C GPIO擴展器進行控制。
這種方法的另一個關鍵優點是可擴展性。當信息娛樂系統基于通用處理器平臺時，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專門解決其目標終端產品需求。成本優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。
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增加了一個音頻數字信號處理器（DSP）和負載開關，分別用于音頻處理和節省功耗。由于不需要對處理器進行額外布線，添加這些器件相對簡單，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關。
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，進而可以對處理器附近的器件進行接口。
圖6：混合電壓系統使用GPIO擴展器進行電平轉換和簡化布線。
按鈕的重新出現
在過去幾年中，汽車原始設備制造商（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。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鍵時刻造成干擾。例如，福特汽車公司就收到了有關其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，因此福特增加了八個控制按鈕來補救此問題。
當添加這些按鈕時——重新加入系統或從新的設計開始——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中的按鈕按壓。
隨著這些信息娛樂系統的復雜性增加，主處理器可能不再是顯示器的一部分。其通常被稱為“遠程顯示器”——從根本上講，該顯示器是汽車當中采用全分離式PCB的一個監視器。所幸，I2C是一種常見協議，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是消費類電子產品中事實的視頻接口標準，而FPD鏈路已成為汽車顯示器和數字LCD集群中可以重新配置的最常見的視頻標準。這些遠程顯示器仍然需要物理按鈕來進行音量控制或配置。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I2C反向通道與主處理器進行通信。
圖8顯示了使用FPD鏈路將視頻發送到遠程顯示器的典型系統。通過使用大多數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FPD鏈路與主處理器進行通信。如果主系統負責遠程顯示器和群集的內容，那么這一點尤其有用。只要點擊按鈕，其他內容（如導航方向）就可以在遠程顯示器或群集上顯示。顯示的內容性質可以動態配置。物理按鈕為駕駛員提供了一致的接口來執行這些配置功能。
總結
設計人員在設計信息娛樂系統時面臨著許多挑戰。無論是遷移到較低成本的處理器還是與傳統系統進行接口，I2C GPIO擴展器都可以快速有效地解決問題，而不會干擾現有的系統架構。這種不顯眼的擴展方式為信息娛樂設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數量。低電壓低功耗IO擴展器TCA9539-Q1，是一款完全符合汽車資質的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行成功通信，并使設計滿足未來最低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LED狀態燈。如果工程師僅需要為設計補充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）進行電平轉換。這一額外好處對混合電壓系統至關重要。
集成式駕駛艙提供了功能豐富的環境，但是如果使用不當，可能會在駕駛時引起過多分心。考慮到我們經常長時間上下班往返，以及我們想要與世界保持聯系的渴望，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，在系統設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。
本文轉載自電子技術設計。
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