Sensylink GPIO EXPANDAR Introduction

Time: 2023-10-11 Scan:

背景介绍

Background/

在工业复杂系统和汽车等产品中，主控芯片上有大量的I/O口，用于接收和控制外部的传感器和执行器信号。主控芯片架构师对于这些I/O口资源的态度是“够用就好”，期望用尽可能少的I/O口覆盖主流应用的需求，在芯片功能和芯片成本上找到一个平衡点。然而基于二八定律，仍有少量但重要的高端产品，由于功能强大、系统复杂，需要更多的I/O端口。为解决这个问题，研发工程师往往会在产品中引入I/O扩展芯片作为外援，帮助主控芯片获取更多的端口资源。

此外，由于各分系统和主系统距离较远，依靠主控芯片的I/O口对遥远的子系统“发号施令”将引入电磁干扰、功耗增大、走线面积增加等问题，就近布置I/O扩展芯片将是一个更优的选择。

最后，设计经验丰富的研发工程师也会采用I/O扩展芯片完成一些精妙的功能（例如芯片在位检测、金手指热拔插检测、端口扩展+电平转换、中断检测）。这些灵活的任务只能由合适的I/O扩展芯片承担。

I/O扩展芯片属于ASIC，工程师使用时仅需要对内部寄存器进行简单的设定或者读取，生产时也不需要对芯片进行固件烧写，相较CPLD或FPGA等需要编程的器件更为简单友好。

产品概述

Product Introduction/

以较为流行的16路I/O扩展芯片申矽凌CA9555为例介绍此类芯片。

CA9555的产品功能实现依靠内部四组寄存器：Input Port、Output Port、Polarity Inversion Port和Configuration Port。每组寄存器由2个byte共16bit数据构成（4路和8路的I/O扩展产品每组寄存器只有1个byte共8bit）。

表1 寄存器说明

Input Port
用于放置输入数据，每位对应相应I/O口输入。只读寄存器；
Output Port
用于用户写入待输出数据，每位对应相应I/O口输出，默认状态全1（0xFF）。读写寄存器；
Polarity Inversion Port
用于对输入数据加入反相器操作，每位对应相应I/O口输入，对应位设置为1时，Input Port寄存器对应位与实际输入的信号极性相反（例如实际接收为低电平，而Input Port显示为1，反之亦然）。默认状态为不做反相操作（0x00）。读写寄存器；
Configuration Port
用于配置端口的方向，每位对应相应的I/O口，置1为输入（输出驱动电路高阻），置0为输出。系统默认初始状态为全输入（0xFF，全1）。读写寄存器。

图1 十六通道I/O 扩展芯片CA9555内部架构图

如图1所示，I/O端口可被配置为输入或者输出状态。

当端口被设定为输出时，内部两个MOS管（Q1和Q2）构成推挽结构，当输出状态寄存器置1时，Q1打开Q2关闭，端口被上拉到VCC，实现高电平输出操作；当输出状态寄存器为0时，Q2打开Q1关闭，端口被导通到GND，实现低电平输出操作；

当端口被设定为输入时，内部两个MOS管（Q1和Q2）均关闭，I/O Pin进入高阻输入状态。由于CA9555在I/O PIN上内置了上拉电阻（100kohm），因此无外部驱动时，I/O Pin被拉高。需注意这个上拉电阻在大多数产品内是没有的（申矽凌产品仅有CA9555，CA9554两个产品带内置上拉电阻，可以省去外部上拉电阻，降低系统BOM成本），在一些特殊场景下（例如I/O口只单纯作为输出口使用），无内部上拉电阻的产品（例如CA9535，CA9536，CA9557等），有更低的功耗！

在图1中，端口状态的设定主要依靠内部四个DQ触发器及一些门电路的组合逻辑完成。从外部管脚来看，I/O扩展芯片还有是否带中断管脚，是否支持复位管脚，是否支持双电平供电等不同组合供产品工程师选择。

针对有大量I/O端口资源需求的系统，单颗CA9555可能无法满足需求。工程师可通过并联多颗CA9555实现I/O口扩容。CA9555有3个地址设置管脚A₂、A₁和A₀，同个系统内，最多可容纳8个（=2³）不同I2C地址的CA9555同时工作，即扩展出最多128个（=8X16）I/O端口。