利用I2C GPIO扩展器最大限度地提高信息娱乐系统设计的重用率

过移动设备,家用电子产品和计算技术的进步,消费者接触到最新技术。现在期望在汽车中具有相同的用户体验。今天的许多信息娱乐系统都基于信息娱乐处理器和已建立的生态系统平台。虽然系统工程师通常可以重用核心系统,但仍然存在将下一代技术与传统子系统接口的一些挑战。随着系统复杂性的增加,缺乏用于控制外围设备或板路由问题的通用输入/输出(GPIO)。本文重点介绍了信息娱乐系统和集群系统的融合,以形成一个集成的驾驶舱。I2C GPIO扩展器为重用现有设计提供了一个很好的途径,

系统集成

信息娱乐是一种包含工作和娱乐的信息和娱乐。今天的信息娱乐系统围绕着内容和连接。为了满足消费者的期望,该行业痴迷于通过数字技术保持驾驶员和乘客的联系。虽然这给驾驶员带来了新的干扰,但汽车制造商正在采取措施重新将驾驶员的注意力重新集中在路上。

信息娱乐子系统越来越复杂,主要是因为需要在有效处理这些信息的同时保持与世界的联系。大多数汽车制造商不希望对已经过长期艰苦的认证过程的成熟系统架构进行重大改变。但是,必须有一条途径来连接现有设计以满足消费者需求。

几十年来,车载立体声或头部装置一直处于信息娱乐系统的中心,存储和传送内容并处理数据以增强用户体验。随着时间的推移,蓝牙已被整合到这些主机中,以帮助保持驾驶员专注于道路。到2022年,蓝牙将占全球所有车辆的90%以上。1最近,随着Apple Carplay和Android Auto的出现,任何拥有入门级智能手机的人都可以体验到功能丰富的集成导航环境。曾经被认为是奢侈品的选择现在变得司空见惯。

随着这些高端功能向中端和低端车辆迁移,汽车制造商正在推动现有架构的极限,以适应下一代功能集。将头部单元与仪表组电子设备相结合,以及一些车身控制模块(BCM)功能,为驾驶员和乘客提供无缝集成驾驶舱体验。信息娱乐公司已投入大量工程和资格时间来概念化,设计和实施最新的系统硬件和软件。虽然汽车电子产品的开发时间可以延续数年,但信息娱乐是汽车发展最快和不断发展的方面之一。

迁移到下一代处理器

系统的核心是处理器,其中几个设计选项专门用于信息娱乐。少数几个足以满足集成驾驶舱的需求。经验丰富的工程师经常将大部分时间投入到这些高端系统中。但是,这些系统需要缩小到中低端大众市场系统。该软件通常移植到较小,较低等级的处理器,具有较少的GPIO,同时需要连接到外围设备。这就是GPIO扩展器为工程师提供灵活性的地方。I2C是大多数信息娱乐系统中通过共享总线提供的通用接口。工程师可以轻松恢复控制任意数量外围设备所需的GPIO。

与移动电话非常相似,这些信息娱乐系统基于平台。这意味着从低端到高端都有一个共同的基础平台设计来实现基本功能。高端平台将具有附加外设,以实现独特的功能和功能。随着这些系统变得更加模块化,拥有能够在不同子系统之间通信的公共总线至关重要。

I2C的一个关键优势是该接口标准是基于主协议和从协议的共享总线。这种通用性有助于I2C总线可以在整个系统中进行路由,注意到最大节点数受地址空间和400 pF总总线电容的限制。I2C IO扩展器最常见的用途之一是控制远程位于PCB上的输入。路由到这些外围设备可能是一个挑战。图1中的示例突出显示了典型的信息娱乐系统,其中外围设备的控制输入由主处理器控制。


图1控制输入​​由主处理器直接控制。

通过使用预先存在的I2C系统总线,I2C IO扩展器可显着降低电路板布线复杂性。优点变得明显,因为这可以减少板层数量,从而最小化板的制造成本。图2表示具有I2C GPIO扩展器的相同系统。GPIO扩展器不是将8条线路从处理器路由到外围设备,而是连接到现有的I2C总线。这减少了整个布线区域,因为GPIO扩展器现在更接近外围设备。


图2控制输入​​通过I2C GPIO扩展器控制。

这种方法的另一个关键优势是可扩展性。当信息娱乐系统基于通用处理器平台时,工程师可以选择基于目标功能集添加或删除外围设备。为了获得最佳的成本结构,工程师必须能够找到具有足够处理能力的处理器,以专门满足其目标最终产品需求。经过成本优化的处理器通常具有较低的引脚数,从而减少了处理器原生GPIO引脚的数量。图3是使用带有低端处理器的I2C GPIO扩展器的框图。


图3低端处理器使用GPIO扩展器来控制外围设备。

为了最大化系统重用,GPIO扩展器可以轻松连接到其他外围设备。图4有一个音频数字信号处理器(DSP)和负载开关,分别用于音频处理和省电。添加这些设备相对简单,因为不需要额外的路由回到处理器,因此,现有的板设计可以重复使用。


图4 GPIO扩展器用于控制添加音频数字信号处理器和负载开关。

随着工程师迁移到更先进的核心处理器,处理器的I / O可以在内部连接到单个电压域。例如,整个I / O总线连接到1.8V电源(通常称为V I / O)。该总线可以连接到1.8V和3.3V外设的混合,这需要添加一个通用的电平转换器,如图5所示


图5混合电压系统使用电平转换器来转换GPIO电压。

将使用多个I2C GPIO扩展器来整合I / O,并执行电平转换功能以连接回传统设备。图6中,双电源GPIO扩展器用于从1.8V电平转换到3.3V,同时还将GPIO整合到单个I2C总线中。这引入了另一层次的灵活性,因为它释放了处理器的GPIO,这些GPIO将与处理器附近的设备连接。


图6混合电压系统使用GPIO扩展器进行电平转换并简化布线。
按钮重新出现

在过去几年中,汽车原始设备制造商(OEM)已尝试将人机界面(HMI)专门迁移到触摸屏,手势控制等。然而,消费者仍然更喜欢使用物理按钮来控制他们的信息娱乐系统。被迫俯视触摸屏并搜索按钮可能会干扰需要驾驶员避免碰撞或突然停止的关键时刻。例如,福特汽车公司收到有关其MyFord Touch用户界面的投诉。2尽管其界面时尚且干净,但客户仍然需要物理按钮来控制系统,因此福特添加了8个控制按钮来解决这个问题。3

将这些按钮添加回系统或从新设计开始时,GPIO扩展器是检测这些按钮的有效方法。这在核心电压相对较低(5V,3.3V,1.8V)的信息娱乐系统中尤为重要。与通常用于车身控制的开关不同,这些按钮未连接到车辆电池; 因此,GPIO扩展器足以检测并向处理器报告这些按钮按下。图7是GPIO扩展器的常见示例,因为它正在检测按钮按下。



图7使用GPIO扩展器检测信息娱乐系统中的按钮按下。

随着这些信息娱乐系统的复杂性增加,主处理器可能不是显示器的一部分。这通常被称为“远程显示器”,其中显示器基本上是具有完全独立的PCB的汽车中的监视器。幸运的是,I2C是一种常见的协议,它既可以作为低速辅助信号路径(如HDMI),也可以作为后置通道(如平板显示器链路或FPD-Link)。HDMI是消费电子产品中事实上的视频接口标准,FPD-Link已成为汽车显示器和可重新配置的数字LCD集群中最常用的视频标准。这些远程显示器仍需要用于音量控制或配置的物理按钮。I2C I / O扩展器是这些远程应用程序的首选解决方案。


图8使用远程显示器上的GPIO扩展器的此按钮接口通过I2C反向通道与主机处理器通信。

图8显示了使用FPD-link将视频发送到远程显示器的典型系统。使用大多数FPD链路SerDes(串行器/解串器)中提供的I2C反向通道,GPIO扩展器仍然可以通过FPD链路与主机处理器通信。如果主系统负责远程显示器和群集的内容,这尤其有用。只需单击按钮,即可将其他内容(如导航方向)显示在远程显示器或群集中。显示的内容的性质可以动态配置。物理按钮为驱动程序提供了一致的接口来执行这些配置功能。

结论

设计人员在构建信息娱乐系统时面临许多挑战。无论是迁移到低成本处理器还是与传统系统接口,I2C GPIO扩展器都可以快速有效地解决问题,而不会干扰现有的系统架构。这种不引人注目的扩展方式为信息娱乐设计工程师提供了可扩展性,并缩短了产品上市时间。  

选择最佳的GPIO扩展器取决于所需的电压范围和连接的GPIO数量。所述TCA9539-Q1,低电压,低功耗IO膨胀机,是一个完全符合汽车行业标准I2C控制GPIO扩展与1.65V至3.6V的电源电压范围。TCA9539-Q1允许与当前一代处理器成功通信,以及将您的设计降至1.65V。该器件允许16位或通道输入和输出,可单独配置。这些I / O可用于补充处理器上的I / O和检测按钮按下,或驱动状态LED。如果工程师需要仅使用8个I / O来补充设计,那么TCA6408A-Q1也可提供8位版本此外,TCA6408A-Q1还可以利用独立的I2C电压轨(VCCI)和P端口电压轨(VCCP)进行电平转换。这种额外的好处对于混合电压系统至关重要。

集成式驾驶舱是一个功能丰富的环境,如果操作不当,可能会在驾驶时造成过多的干扰。鉴于我们往往长途往返上班和我们希望与世界保持联系,这些分心因信息过载而被放大。通过提供熟悉的物理接口,驾驶员可以保持眼睛在路上,同时仍然可以访问这些功能。显然,GPIO扩展器为系统设计人员提供了下一个项目范围的额外灵活性。

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