汽車的當前發(fā)展趨勢是轉向整合設計，使用區(qū)域架構通過半導體設計配電。這種轉變帶來了諸多優(yōu)勢，例如優(yōu)化 ECU 之間的布線、增強的軟件控制和區(qū)域配電。通過將分配給更多負載、傳感器和傳動器的電力組合到區(qū)域模塊中，將更多輸入和輸出連接到單個汽車微控制器 (MCU)、微處理器或片上系統(tǒng) (SoC) 的難題變得更為普遍。

之所以編寫本文是為了介紹輸入和輸出端的輸入/輸出 (IO) 擴展方法。本文討論了 IO 擴展的主要注意事項，包括從 MCU 到 IO 接口器件的信號延遲、軟件開銷、設計尺寸以及自主監(jiān)控、中斷引腳、濕性電流和接口類型等器件特性；即通用 IO (GPIO)、串行外設接口 (SPI)、內(nèi)部集成電路 (I2C)。

開關和傳感器的輸入擴展

區(qū)域模塊中通常使用的輸入示例包括：分立式高壓開關（高電平有效、低電平有效、推挽）、來自其他控制模塊的分立式高壓信號、電阻編碼開關、矩陣開關和模擬傳感器。有 6 種可能的硬件設計用于處理輸入并為 MCU 提供幫助：

1. 移位寄存器
2. 多路復用器 (MUX)
3. 模數(shù)轉換器 (ADC)
4. IO 擴展器
5. 多開關檢測接口 (MSDI)
6. 支持 MCU

本文檔以應用中需要的 24 個開關或傳感器輸入為例。輸入可以是電池開關、接地開關、三態(tài)開關或模擬傳感器。某些器件只能識別高或低離散狀態(tài)，因此無法適應三態(tài)開關或模擬傳感器。對于這些特定的輸入，IO 擴展器件的輸出端必須與 MCU 上的 ADC 引腳連接，或者 IO 擴展器件必須具有集成 ADC。根據(jù)開關的類型，需要一個上拉和/或下拉電阻器將開關保持在已知狀態(tài)。還可能需要一個額外的分壓器來降低 IO 擴展器件所見的輸入電壓。此外，系統(tǒng)中還需要反向電壓保護、電池短路保護或接地短路保護。如果需要濕性電流，則需要額外的#SECTION_F25_VDG_VVB，或者 IO 擴展器件具有集成式濕性電流。

負載驅動器的輸出擴展

每個區(qū)域模塊可以有大量負載驅動器來控制系統(tǒng)中的負載。通常，大多數(shù)負載驅動器都是高側開關，通常由系統(tǒng) MCU 的 GPIO 控制。但是，MCU 可使用有限的 GPIO 與系統(tǒng)內(nèi)的所有高側開關和其他電路連接。對于基于 SPI 的高側開關，需要通過 IO 擴展來處理大量片選 (CS)。有兩種可能的硬件設計可用于處理高側開關并減輕 MCU 的負擔：

1. IO 擴展器
2. 支持 MCU

本簡報的其余部分將分析每個硬件 IO 設計。

移位寄存器

當可用的 GPIO 受到限制、需要更少的功能和更少的軟件開銷時，最好使用移位寄存器。移位寄存器僅需要來自 MCU 的 4 個 GPIO，并且能夠以菊花鏈形式讓器件將數(shù)據(jù)輸出到單個 GPIO 數(shù)據(jù)輸出端。另外 3 個 GPIO 用于驅動 CLK、SH/LD、SER。通過采用菊花鏈配置移位寄存器，連接 GPIO 的數(shù)量始終為四個，這使得該設計極其靈活，可用于距離設計過程更遠的附加項。但是，雖然菊花鏈是一個很好的設計，但通過菊花鏈連接的移位寄存器越多，延時增加的就越多。在軟件開銷方面，移位寄存器只需要應用 CLK、SH/LD 和 SER 信號，但需要定期輪詢數(shù)據(jù)輸出以了解狀態(tài)變化。此輪詢過程會影響所需的軟件開銷量。如需詳細了解移位寄存器，請參閱使用移位寄存器進行設計 應用手冊。

圖 1 中的 TI 提議顯示了使用 3 個 SN74HCS165-Q1 的設計，這是一個 8 通道移位寄存器。移位寄存器以菊花鏈實現(xiàn)方式顯示，將 24 個開關輸入減少為 4 個 MCU GPIO。

模數(shù)轉換器 (ADC)

當需要 SPI、MCU 內(nèi)的模擬輸入多于可用的 ADC 引腳，以及需要使用中斷引腳進行自主監(jiān)控時，最好使用 ADC。設置 SPI 通信和配置寄存器需要一些軟件開銷?？紤]到延遲，ADS7038-Q1 是一款具有不同配置模式的逐次逼近 (SAR) ADC。根據(jù)配置模式的不同，使用手動 模式時，ADC 可以具有零延遲（使用動態(tài) 模式）至 2 周期延遲。總體而言，延遲在很大程度上取決于器件應用、采樣率和器件的模式配置。

圖 5 展示了使用 3 個 ADS7038-Q1（一種 8 通道 ADC）將 24 路輸入轉換為 SPI 的設計。

多開關檢測接口 (MSDI)

當需要 SPI、集成式濕性電流、高電壓保護和自主監(jiān)控時，最好使用 MSDI。配置 SPI 通信和設置所需的寄存器需要一些軟件開銷。

信號的延遲可以指開關狀態(tài)變化與產(chǎn)生中斷信號之間的時間。該時間可能會根據(jù)器件配置而變化。TIC12400-Q1 是一款 24 通道 MSDI 器件，在輪詢循環(huán)中對輸入引腳進行順序采樣?？赏ㄟ^ POLL_TIME 寄存器將此循環(huán)的頻率配置為每 2ms 執(zhí)行一次到每 4096ms 執(zhí)行一次。延遲取決于開關轉換相對于內(nèi)部輪詢循環(huán)的發(fā)生位置，因為這些是異步的。因此，延遲幾乎是瞬時的，或者說幾乎是整個輪詢時間。其他因素也會影響延遲，例如濕性電流的應用方式（連續(xù)或輪詢模式）、測量類型（比較器或 ADC）、所配置的輸入通道數(shù)量、輪詢模式下主動應用濕性電流的時間等。

圖 6 中的 TI 設計使用 1 個 TIC12400-Q1（24 通道）來減少 SPI 的 24 路輸入。由于濕性電流集成到器件中，因此與其他設計相比，省去了一些無源器件。

支持微控制器

當主處理器上的處理帶寬受到限制或專用于某些功能時，最好使用支持微控制器。由于 GPIO、SPI 和 I2C 引腳可用于捕獲信號以及將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街魈幚砥?，因此提高了靈活性。與本應用簡報中描述的其他設計相比，軟件開銷要求更高；但是，一旦配置了與主處理器的通信，通信偏好設置將更加靈活，并且可以在將最終數(shù)據(jù)發(fā)送到主主機處理器之前完成本地處理。數(shù)據(jù)可通過 GPIO、SPI 或 I2C 發(fā)送到主處理器，從而使支持的 MCU 成為目前非常靈活的設計。

圖 7 中的 TI 設計使用支持的 MCU 來適應將在本地處理的 24 路輸入，最終數(shù)據(jù)將通過 GPIO、SPI 或 I2C 發(fā)送到主主機處理器。支持的 MCU 還可用于通過高側開關進行輸出擴展?？傮w而言，支持的 MCU 可作為易于配置的 IO 擴展的競爭性設計。

分立式濕性電流電路

前幾節(jié)討論了不同的 IO 擴展硬件設計。最后一節(jié)詳細介紹了分立式濕性電流電路。濕性電流是保持機械開關正常運行所需的最小直流電流，用于消除機械開關上可能積累的過度腐蝕。如果施加的濕性電流不足，開關可能會產(chǎn)生過高的電阻，從而導致開關發(fā)生故障。通常，濕性電流介于 1mA 至 20mA 之間。

如果前面列出的器件不提供集成式濕性電流，則需要分立式電路。該電路由兩個雙極結晶體管 (BJT)、電阻器和電容器組成。我們創(chuàng)建了一個模擬來顯示分立式電路的示例值。根據(jù)開關類型的不同，分立式濕性電路有不同的配置。

圖 8 顯示了開關接地的濕性電路原理圖。將第二個 BJT (Q2) 的柵極連接到 MCU 上的 GPIO。此 GPIO 可根據(jù)需要打開或關閉濕性電流。R5 和 R6 代表輸入開關被連接至 IO 擴展器件前的分壓器。R8 的值會改變濕性電流的值。通過將 R8 設置為 1kΩ，模擬的濕性電流為 11mA。電池電壓也會改變濕性電流的值。如果電池電壓上下波動，則濕性電流也會上下波動。

圖 1-8 接地開關的濕性電路

圖 9 顯示了具有電池開關的濕性電路原理圖。將第二個 BJT (Q4) 的柵極連接到 MCU 上的 GPIO。此 GPIO 可根據(jù)需要打開或關閉濕性電流。R3 和 R4 代表輸入開關被連接至 IO 擴展器件前的分壓器。在該電路中，R16 控制濕性電流的值。通過將 R16 設置為 1kΩ，模擬的濕性電流為 10.5mA。電池電壓也會影響該電路中的濕性電流值。

圖 1-9 用于切換到電池的濕性電路