消費者透過行動設備、家用電子產品和運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。如今的許多資訊娛樂系統都是以資訊娛樂處理器(及既定的生態系統平台)為基礎,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。

隨著系統複雜性的增加,缺乏通用輸入輸出(GPIO)實現周邊控制或電路板佈線問題開始出現。本文重點介紹了資訊娛樂和集群系統融合,以便打造整合式駕駛艙。I2C GPIO擴展器提供了一種重用現有設計的重要途徑,並且整合了新功能集來滿足消費者的需求。

系統整合

資訊娛樂是資訊和娛樂的呈現,包括工作和娛樂。如今的資訊娛樂系統以內容和互聯為中心。為了滿足消費者的期望,業界致力於透過數位技術來保持駕駛和乘客之間的互通。雖然這為駕駛帶來了新的干擾,但汽車製造商正採取措施來使駕駛將注意力重新集中於道路上。

資訊娛樂子系統變得越來越複雜,這主要是因為在有效處理這些資訊的同時還需要與外界保持聯繫。大多數汽車製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,內建的汽車身歷聲或音響主機已成為資訊娛樂系統的中心,用於儲存、傳送內容和處理資料,以增強使用者體驗。隨著時間的推移,藍牙技術已融入這些音響主機中,以說明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,任何擁有入門級智慧型手機的人都可以體驗到功能豐富的整合導航環境,那些曾經被視為奢侈的選擇現如今正在變得司空見慣。

隨著這些高階功能遷移至中低階車輛,汽車製造商正在超越現有架構的局侷限性,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組(BCM)功能,可為駕駛和乘客提供無縫整合的駕駛艙體驗。資訊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體和軟體,儘管汽車電子產品的開發時間可能會延續好幾年,但資訊娛樂是汽車產業發展最快的領域之一。若能在通透過無縫添加新功能和能力來區分最終產品的同時重複利用硬體和軟體,則符合資訊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資訊娛樂進行了簡化。有幾個精選出來的功能非常強大,足以應對整合式駕駛艙的需求。經驗豐富的工程師通常會將大部分時間投入到這些高階系統中,然而,這些系統需要縮減到中低階的大眾市場體系,其軟體通常會被移植到具有較少GPIO的小型、低級別的處理器上,並且需要連接到周邊,這就是GPIO擴展器為工程師提供靈活性的之處。I2C是一種在大多數資訊娛樂系統中都有的、透過共用匯流排提供的通用介面,工程師可以輕鬆恢復控制任意數量周邊所需的GPIO。

類似於行動電話,這些資訊娛樂系統是基於平台的。這意味著從低到高階都有一個通用的基礎平台設計來實現基本功能。高階平台具有擴展周邊以實現專有功能和性能,隨著這些系統變得更加模組化,具有能夠在不同子系統之間進行通訊的公共匯流排顯得至關重要。

I2C的一個關鍵優點是該介面標準是一種基於主從協定的共用匯流排。這種通用性有助於I2C匯流排在整個系統中佈線——要注意的是,節點的最大數量受到位址空間和400pF匯流排總電容的限制。I2C IO擴展器最常見的用途之一是控制位於PCB遠端的輸入,這些周邊的佈線可能構成挑戰。圖1中的示例突顯一個典型的資訊娛樂系統,其中周邊的控制輸入由主處理器控制。

20170922TA01P1 圖1 控制輸入由主處理器直接控制。

I2C IO擴展器可以透過使用已有I2C系統匯流排來大大降低電路板佈線的複雜度。由於其可以使電路板層數量減少,進而使電路板製造成本最小化,優點變得顯而易見,圖2所示為採用I2C GPIO擴展器的相同系統。GPIO擴展器與現有的I2C匯流排相連,而不是從處理器到周邊佈設8條線路,由於GPIO擴展器現在更接近周邊,因此可以減少總佈線面積。

20170922TA01P2 圖2 控制輸入透過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。當資訊娛樂系統基於通用處理器平台時,工程師可以根據目標功能集選擇添加或刪除周邊。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,成本最佳化的處理器通常具有較低的接腳數,這減少了處理器本身的GPIO接腳數。圖3是一個將I2C GPIO擴展器與低階處理器搭配使用的方框圖。

20170922TA01P3 圖3 低階處理器使用GPIO擴展器來控制周邊。

為了最大化系統重用,GPIO擴展器可以輕鬆連接到其他周邊。圖4增加了一個音訊數位訊號處理器(DSP)和負載開關,分別用於音訊處理和節省功耗。由於不需要對處理器進行額外佈線,添加這些元件相對簡單,因此,現有的電路板設計可以重複使用。

20170922TA01P4 圖4 GPIO擴展器被用於增加音訊數位訊號處理器和負載開關。

隨著工程師專注於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匯流排連接到1.8V電源(通常稱為VI/O),該匯流排可以連接到1.8V和3.3V周邊組合,這需要添加如圖5所示的通用電平轉換器。

20170922TA01P5 圖5 混合電壓系統使用電平轉換器來轉換GPIO電壓。

I/O合併,以及執行電平轉換功能以便對傳統元件提供連接支援,會用到幾個I2C GPIO擴展器。圖6中採用雙電源GPIO擴展器將電平從1.8V轉換到3.3V,同時將GPIO合併成了單根I2C匯流排。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元件進行介面。

20170922TA01P6 圖6 混合電壓系統使用GPIO擴展器進行電平轉換和簡化佈線。

按鈕的重新出現

在過去幾年中,汽車原始設備製造商(OEM)嘗試將人機介面(HMI)導入,專用於觸控式螢幕和手勢控制等。然而,消費者仍然喜歡使用物理按鈕來控制資訊娛樂系統,迫使駕駛俯視觸控式螢幕和尋找按鈕,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(Ford)就收到了有關其MyFord Touch使用者介面的投訴。儘管其介面光滑清晰,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。這在資訊娛樂系統中尤其重要——其核心電壓相對較低,為5V、3.3V、1.8V。與通常用於車身控制的開關不同,這些按鈕未連接到車輛電池,因此,GPIO擴展器足以檢測並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。

20170922TA01P7 圖7 使用GPIO擴展器檢測資訊娛樂系統中的按鈕按壓。

隨著這些資訊娛樂系統的複雜性增加,主處理器可能不再是顯示器的一部分。其通常被稱為「遠端顯示器」——從根本上講,該顯示器是汽車當中採用全分離式PCB的一個監視器。所幸,I2C是一種常見協定,既被用於低速輔助訊號路徑(如HDMI),又被用於反向通道(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介面標準,而FPD鏈路已成為汽車顯示器和數位LCD集群中可以重新配置的最常見的視頻標準。這些遠端顯示器仍然需要物理按鈕來進行音量控制或配置,I2C I/O擴展器是這些遠端應用的首選解決方案。

20170922TA01P8 圖8 該按鈕介面在遠端顯示器上使用了GPIO擴展器,透過I2C反向通道與主處理器進行通訊。

圖8顯示了使用FPD鏈路將視頻發送到遠端顯示器的典型系統。透過使用大多數FPD鏈路串列器/解串器(SerDes)中提供的I2C反向通道,GPIO擴展器仍然能夠透過FPD鏈路與主處理器進行通訊。如果主系統負責遠端顯示器和群集的內容,那麼這一點尤其有用,只要點擊按鈕,其他內容(如導航方向)就可以在遠端顯示器或群集上顯示,顯示的內容性質可以動態配置。物理按鈕為駕駛提供了一致的介面來執行這些配置功能。

總結

設計人員在設計資訊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介面,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資訊娛樂設計工程師提供了可擴展性,並加快了上市時間。

選擇最佳的GPIO擴展器取決於所需的電壓範圍和所連接的GPIO數量。低電壓低功耗IO擴展器是一款完全符合汽車資質的I2C控制的GPIO擴展器,它的電源電壓範圍為1.65V~3.6V,可以與當代處理器進行成功通訊,並使設計滿足未來最低1.65V規格。該元件允許16位元或可以單獨配置的輸入和輸出通道。這些I/O可用於補充處理器上的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,那麼它還提供8位元的版本。此外,低電壓低功耗IO擴展器能夠使用獨立的I2C電壓軌(VCCI)和P埠電壓軌(VCCP)進行電平轉換,。這一額外好處對混合電壓系統至關重要。

整合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繫的渴望,訊息量過大加劇了這些分心。透過提供我們所熟悉的物理介面,駕駛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。