消费者通过移动设备、家用电子产品和计算的进步接触到最新的技术。现在他们希望在汽车上获得相同的用户体验。如今的许多信息娱乐系统都是以信息娱乐处理器（及既定的生态系统平台）为基础的。虽然系统工程师通常可以重用核心系统，但将下一代技术与传统子系统相连接依然存在着一些困难。随着系统复杂性的增加，缺乏通用输入/输出（GPIO）实现外设控制或电路板布线问题开始出现。本文重点介绍了信息娱乐和集群系统融合，以便打造集成式驾驶舱。I2C GPIO扩展器提供了一种重用现有设计的重要途径，并且集成了新功能集来满足消费者的需求。
信息娱乐是信息和娱乐的呈现，包括工作和娱乐。如今的信息娱乐系统以内容和互联为中心。为了满足消费者的期望，业界致力于通过数字技术来保持驾驶员和乘客之间的互通。虽然这为驾驶员带来了新的干扰，但汽车制造商正采取措施来使驾驶员将注意力重新集中于道路上。
信息娱乐子系统变得越来越复杂，这主要是因为在有效处理这些信息的同时还需要与外界保持联系。大多数汽车制造商不想对认证的系统架构进行大幅改变——这些架构已通过漫长且艰巨的资格认证过程。但是，我们必须提供一种途径来衔接现有设计，以跟上消费者的需求。
几十年来，内置的汽车立体声或音响主机已成为信息娱乐系统的中心，用于存储、传送内容和处理数据，以增强用户体验。随着时间的推移，蓝牙技术已融入这些音响主机中，以帮助驾驶员专注在道路上。到2022年，蓝牙将遍及全球90%以上的车辆。近来，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。曾经被视为奢侈的选择现如今正在变得司空见惯。
随着这些高端功能迁移至中低端车辆，汽车制造商正在超越现有架构的局限性，以适应下一代功能集。音响主体与仪表集群电子设备的组合，以及一些车身控制模块（BCM）功能，可为驾驶员和乘客提供无缝集成的驾驶舱体验。信息娱乐公司已投入大量工程资源和资格认证时间来概念化、设计和实施最新的系统硬件和软件。尽管汽车电子产品的开发时间可能会延续好几年，但信息娱乐是汽车行业发展最快的领域之一。若能在通过无缝添加新功能和能力来区分最终产品的同时重复利用硬件和软件，则符合信息娱乐工程师的最大利益。
系统的核心是处理器，其中有几种设计选项专为信息娱乐进行了简化。有几个精选出来的功能非常强大，足以应对集成式驾驶舱的需求。经验丰富的工程师通常会将大部分时间投入到这些高端系统中。然而，这些系统需要缩减到中低端的大众市场体系。其软件通常会被移植到具有较少GPIO的小型、低级别的处理器上，并且需要连接到外设。这就是GPIO扩展器为工程师提供灵活性的地方。I2C是一种在大多数信息娱乐系统中都有的、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设所需的GPIO。
类似于移动电话，这些信息娱乐系统是基于平台的。这意味着从低端到高端都有一个通用的基础平台设计来实现基本功能。高端平台具有扩展外设以实现专有功能和性能。随着这些系统变得更加模块化，具有能够在不同子系统之间进行通信的公共总线显得至关重要。
I2C的一个关键优点是该接口标准是一种基于主从协议的共享总线。这种通用性有助于I2C总线在整个系统中布线——要注意的是节点的最大数量受到地址空间和400pF总线总电容的限制。I2C IO扩展器最常见的用途之一是控制位于PCB远端的输入。这些外设的布线可能构成挑战。图1中的示例凸显了一个典型的信息娱乐系统，其中外设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。
I2C IO扩展器可以通过使用已有I2C系统总线来大大降低电路板布线的复杂度。由于其可以使电路板层数量减少，进而使电路板制造成本最小化，优点变得显而易见。图2所示为采用I2C GPIO扩展器的相同系统。GPIO扩展器与现有的I2C总线相连，而不是从处理器到外设布设8条线路。由于GPIO扩展器现在更接近外设，因此可以减少总布线面积。
图2：控制输入通过I2C GPIO扩展器进行控制。
这种方法的另一个关键优点是可扩展性。当信息娱乐系统基于通用处理器平台时，工程师可以根据目标功能集选择添加或删除外设。为了获得最优的成本结构，工程师必须能够找到具有足够处理能力的处理器来专门解决其目标终端产品需求。成本优化的处理器通常具有较低的引脚数，这减少了处理器本身的GPIO引脚数。图3是一个将I2C GPIO扩展器与低端处理器搭配使用的方框图。
图3：低端处理器使用GPIO扩展器来控制外设。
为了最大化系统重用，GPIO扩展器可以轻松连接到其他外设。图4增加了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节省功耗。由于不需要对处理器进行额外布线，添加这些器件相对简单，因此，现有的电路板设计可以重复使用。
图4：GPIO扩展器被用于增加音频数字信号处理器和负载开关。
随着工程师专注于更高级的核心处理器，处理器的I/O可能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VI/O）。该总线可以连接到1.8V和3.3V外设组合，这需要添加如图5所示的通用电平转换器。
图5：混合电压系统使用电平转换器来转换GPIO电压。
I/O合并，以及执行电平转换功能以便对传统器件提供连接支持，会用到几个I2C GPIO扩展器。图6中采用双电源GPIO扩展器将电平从1.8V转换到3.3V，同时将GPIO合并成了单根I2C总线。这又引入了一定的灵活度，因为它腾出了处理器的GPIO，进而可以对处理器附近的器件进行接口。
图6：混合电压系统使用GPIO扩展器进行电平转换和简化布线。
在过去几年中，汽车原始设备制造商（OEM）尝试将人机界面（HMI）引入，专用于触摸屏和手势控制等。然而，消费者仍然喜欢使用物理按钮来控制信息娱乐系统。迫使驾驶员俯视触摸屏和寻找按钮，可能会对需要他们避免碰撞或突然停车的关键时刻造成干扰。例如，福特汽车公司就收到了有关其MyFord Touch用户界面的投诉。尽管其界面光滑清晰，但客户仍然希望使用物理按钮来控制系统，因此福特增加了八个控制按钮来补救此问题。
当添加这些按钮时——重新加入系统或从新的设计开始——GPIO扩展器对检测这些按钮按压提供了有效方式。这在信息娱乐系统中尤其重要——其核心电压相对较低，为5V、3.3V、1.8V。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压动作。图7是GPIO扩展器检测按钮按压时一个常见示例。
图7：使用GPIO扩展器检测信息娱乐系统中的按钮按压。
随着这些信息娱乐系统的复杂性增加，主处理器可能不再是显示器的一部分。其通常被称为“远程显示器”——从根本上讲，该显示器是汽车当中采用全分离式PCB的一个监视器。所幸，I2C是一种常见协议，既被用于低速辅助信号路径（如HDMI）又被用于反向通道（如平板显示器链路或FPD链路）。HDMI是消费类电子产品中事实的视频接口标准，而FPD链路已成为汽车显示器和数字LCD集群中可以重新配置的最常见的视频标准。这些远程显示器仍然需要物理按钮来进行音量控制或配置。I2C I/O扩展器是这些远程应用的首选解决方案。
图8：该按钮接口在远程显示器上使用了GPIO扩展器，通过I2C反向通道与主处理器进行通信。
图8显示了使用FPD链路将视频发送到远程显示器的典型系统。通过使用大多数FPD链路SerDes（串行器/解串器）中提供的I2C反向通道，GPIO扩展器仍然能够通过FPD链路与主处理器进行通信。如果主系统负责远程显示器和群集的内容，那么这一点尤其有用。只要点击按钮，其他内容（如导航方向）就可以在远程显示器或群集上显示。显示的内容性质可以动态配置。物理按钮为驾驶员提供了一致的接口来执行这些配置功能。
设计人员在设计信息娱乐系统时面临着许多挑战。无论是迁移到较低成本的处理器还是与传统系统进行接口，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。这种不显眼的扩展方式为信息娱乐设计工程师提供了可扩展性，并加快了上市时间。
选择最佳的GPIO扩展器取决于所需的电压范围和所连接的GPIO数量。低电压低功耗IO扩展器TCA9539-Q1，是一款完全符合汽车资质的I2C控制的GPIO扩展器，它的电源电压范围为1.65V至3.6V。它可以与当代处理器进行成功通信，并使设计满足未来最低1.65V规格。该器件允许16位或可以单独配置的输入和输出通道。这些I/O可用于补充处理器上的I/O及检测按钮按压，或驱动LED状态灯。如果工程师仅需要为设计补充8个I/O，那么它还提供8位的TCA6408A-Q1版本。此外，TCA6408A-Q1能够使用独立的I2C电压轨（VCCI）和P端口电压轨（VCCP）进行电平转换。这一额外好处对混合电压系统至关重要。
集成式驾驶舱提供了功能丰富的环境，但是如果使用不当，可能会在驾驶时引起过多分心。考虑到我们经常长时间上下班往返，以及我们想要与世界保持联系的渴望，信息量过大加剧了这些分心。通过提供我们所熟悉的物理接口，驾驶员可以在使用这些功能的同时将注意力集中在道路上。显而易见，在系统设计人员研究下一个项目时，GPIO扩展器将为其提供更大的灵活性。
《电子技术设计》2017年9月刊版权所有，转载请注明来源及链接。
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