THine Value 无需使用FPGA就可以轻松解决I/O问题！将GPIO和I2C集成传输的串行收发器登场
2023.07.20
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目前，工业设备市场中的工厂自动化设备、办公设备、安防/监控设备、运输设备等电子设备上装载的相机模组和各种传感器的数量正在不断增加。这背后的原因是相机模组的价格下降和更易于使用，以及IoT（物联网）政策的强化。当然，安装多个相机模组和各种传感器，能极大地提高上述电子设备的功能和性能，并能大幅使其易于使用，能得到的好处是非常多的。
但另一方面，也遇到了设计难度增加的问题。例如，「由于生产线较长，影像数据传输距离不足以能用监控摄像头监控整条生产线。」「各种传感器上采集数据的线缆数量太多，增加了电子设备本身的重量。」「想将影像数据的传输距离延长到1km左右，以便于远程摄像头监控」「因工业设备的安装环境较差，希望连接传感器的高速传输路径能防尘并且容易拆装。」等。如何在解决这些问题的同时，使相机模组和各种传感器根据需求来提高电子设备的功能、性能和上手度，这些都是目前工业设备开发商所面临的问题。
但另一方面，也遇到了设计难度增加的问题。例如，「由于生产线较长，影像数据传输距离不足以能用监控摄像头监控整条生产线。」「各种传感器上采集数据的线缆数量太多，增加了电子设备本身的重量。」「想将影像数据的传输距离延长到1km左右，以便于远程摄像头监控」「因工业设备的安装环境较差，希望连接传感器的高速传输路径能防尘并且容易拆装。」等。如何在解决这些问题的同时，使相机模组和各种传感器根据需求来提高电子设备的功能、性能和上手度，这些都是目前工业设备开发商所面临的问题。
将并联传输替换为串联传输
为了解决这些问题，THine Electronics推出了新型串行收发器IC「THCS253/THCS254」。 新产品的名称是「IOHA:B」（发音为I-O-Hab）。
新产品是将发送（送信回路、串行器）和接收（收信回路、并行器）集成到一个芯片中。因此，它也被称为SerDes收发器IC。准备两片新产品，将其中一片作为主芯片，另一片作为副芯片设置其端子后使用。用两对差动线连接其间，一对用于Uplink（上行），另一对用于downlink（下行）。换句话说，就是仅通过分别设置上行和下行信号线，就能同时执行传送和接收的全双工通信。我们设想的是只利用两对差动信号线的串联传输来替代由众多信号线组成的并联传输（图1）。
具体的应用是电子设备之间或电子设备内部基板间的数据传输。可将设备或单板之间连接的30多条信号线集成为2对差动线（4条信号线），减少了布线线缆数量和总重量，并延长传输距离。也就是说，它可以解决一开始我们介绍的所有问题。
其实早在2019年底THine Electronics就已将几乎能以与此相同的方式使用的串行收发器IC「THCS251/THCS252」量产化。这次投入市场的新产品THCS253/THCS254是现有产品的后续产品。新产品在继承原产品基本功能的同时，又增加了重大的新变化。这一变化是除了集成多个 GPIO（通用输入/输出）信号线之外，还添加了一个或两个系统的I2C。THCS253最多有32条GPIO，THCS254最多有20条，两款产品均默认装载1个I2C系统。此外，如果用户进行指定的设置，还可以将两条GPIO分配给I2C。也就是说最多可以两系统的I2C与GPIO集成在一起进行串联传输。
新产品是将发送（送信回路、串行器）和接收（收信回路、并行器）集成到一个芯片中。因此，它也被称为SerDes收发器IC。准备两片新产品，将其中一片作为主芯片，另一片作为副芯片设置其端子后使用。用两对差动线连接其间，一对用于Uplink（上行），另一对用于downlink（下行）。换句话说，就是仅通过分别设置上行和下行信号线，就能同时执行传送和接收的全双工通信。我们设想的是只利用两对差动信号线的串联传输来替代由众多信号线组成的并联传输（图1）。
图1 将并联传输替换为串联传输
具体的应用是电子设备之间或电子设备内部基板间的数据传输。可将设备或单板之间连接的30多条信号线集成为2对差动线（4条信号线），减少了布线线缆数量和总重量，并延长传输距离。也就是说，它可以解决一开始我们介绍的所有问题。
其实早在2019年底THine Electronics就已将几乎能以与此相同的方式使用的串行收发器IC「THCS251/THCS252」量产化。这次投入市场的新产品THCS253/THCS254是现有产品的后续产品。新产品在继承原产品基本功能的同时，又增加了重大的新变化。这一变化是除了集成多个 GPIO（通用输入/输出）信号线之外，还添加了一个或两个系统的I2C。THCS253最多有32条GPIO，THCS254最多有20条，两款产品均默认装载1个I2C系统。此外，如果用户进行指定的设置，还可以将两条GPIO分配给I2C。也就是说最多可以两系统的I2C与GPIO集成在一起进行串联传输。
光传输/无线化皆能轻松对应
这次的新产品可以在保持原有产品THCS251/THCS252的优点的同时为用户提供新的优势。首先我们来看看继承自原有产品的优点，主要有6点。
第一，可用串联传输代替并联传输，可以减少布线线缆的数量。例如，这次的新产品THCS253，能将34条信号线（32条GPIO+1系统I2C）减少至仅2对（4条）差动线；也就是说布线的线缆数量最多可减少88%。这样就能通过原本34条布线线缆无法通过的狭窄空间；比如喷墨打印机等电子设备，就对其小型化很有帮助。
第二，可减轻布线线缆的总重量。这是因为能大大减少布线线缆的数量，这个效果非常大。就比如说，可以减轻无人机本身的重量，因此就可以延长电池的驱动时间，延长飞行时间。
第三，简化了布线线缆的连接工作。因为需要连接的线缆数减少，结果就能减少布线上的错误，提高作业效率。
第四，可在维持信号质量（信号完整性）的同时延长传输距离。并联传输下，时钟频率为100MHz的情况下可传输距离最多只有1m。而串联传输时，由于接收回路装载了连续时间直线均衡器（CTLE：Continues Time Linear Equalizer），能补偿接收到的信号的频率特性并调整波形。虽然传输距离取决于使用的布线线缆的品质，但在时钟频率为100MHz的情况下（传输速度为3.0Gbit/秒）时大约能延长至10m。
第五，可以抑制电磁噪声（EMI：Electro-Magnetic Interference）的辐射量。原因有两个：一是使用了嵌入式时钟信号的SerDes回路。二是传输介质是由2条信号线构成的差动线，这样每条信号线的辐射噪音会相互抵消。
第六，可以标准化设计。原有的THCS251最多有35条GPIO，但几乎没有会完全使用到的案例，因此就会产生多余的端子（空闲端子）。有效利用这一点就能实现标准化设计。例如事先用多余的端子连接外微型计算机/FPGA与连接器。这样即使多种机型的功能略有不同，也能不动信号传输路线的硬件设计就通过向多余的端子分配新信号来吸收功能上的差异。且原有产品THCS251/THCS252具有能分4个阶段来设置通用输入(GPI)和通用输出(GPO)线数比率的功能。使用这个功能就能进一步扩大所能吸收的功能差异的范围。也就是说可以仅靠将一个硬件设计标准化，来实现多种机型的设计。
因此，分别在两个路径中连接光电转换装置或近距离无线通信装置(毫米波通信装置)，就能将设备或单板间的连接转化为光传输或无线传输。如此一来就可以大大扩展应用范围。光传输技术，可以应用于两个电子设备之间距离长达数十米～数百米的用途上；或是噪音环境较差、需要电气绝缘的用途上（图2）。
另一方面无线传输技术可用于工厂等需要防尘的用途、以及需要电气绝缘的用途上（图３）。
第一，可用串联传输代替并联传输，可以减少布线线缆的数量。例如，这次的新产品THCS253，能将34条信号线（32条GPIO+1系统I2C）减少至仅2对（4条）差动线；也就是说布线的线缆数量最多可减少88%。这样就能通过原本34条布线线缆无法通过的狭窄空间；比如喷墨打印机等电子设备，就对其小型化很有帮助。
第二，可减轻布线线缆的总重量。这是因为能大大减少布线线缆的数量，这个效果非常大。就比如说，可以减轻无人机本身的重量，因此就可以延长电池的驱动时间，延长飞行时间。
第三，简化了布线线缆的连接工作。因为需要连接的线缆数减少，结果就能减少布线上的错误，提高作业效率。
第四，可在维持信号质量（信号完整性）的同时延长传输距离。并联传输下，时钟频率为100MHz的情况下可传输距离最多只有1m。而串联传输时，由于接收回路装载了连续时间直线均衡器（CTLE：Continues Time Linear Equalizer），能补偿接收到的信号的频率特性并调整波形。虽然传输距离取决于使用的布线线缆的品质，但在时钟频率为100MHz的情况下（传输速度为3.0Gbit/秒）时大约能延长至10m。
第五，可以抑制电磁噪声（EMI：Electro-Magnetic Interference）的辐射量。原因有两个：一是使用了嵌入式时钟信号的SerDes回路。二是传输介质是由2条信号线构成的差动线，这样每条信号线的辐射噪音会相互抵消。
第六，可以标准化设计。原有的THCS251最多有35条GPIO，但几乎没有会完全使用到的案例，因此就会产生多余的端子（空闲端子）。有效利用这一点就能实现标准化设计。例如事先用多余的端子连接外微型计算机/FPGA与连接器。这样即使多种机型的功能略有不同，也能不动信号传输路线的硬件设计就通过向多余的端子分配新信号来吸收功能上的差异。且原有产品THCS251/THCS252具有能分4个阶段来设置通用输入(GPI)和通用输出(GPO)线数比率的功能。使用这个功能就能进一步扩大所能吸收的功能差异的范围。也就是说可以仅靠将一个硬件设计标准化，来实现多种机型的设计。
因此，分别在两个路径中连接光电转换装置或近距离无线通信装置(毫米波通信装置)，就能将设备或单板间的连接转化为光传输或无线传输。如此一来就可以大大扩展应用范围。光传输技术，可以应用于两个电子设备之间距离长达数十米～数百米的用途上；或是噪音环境较差、需要电气绝缘的用途上（图2）。
图２ 轻松转换为光传输
另一方面无线传输技术可用于工厂等需要防尘的用途、以及需要电气绝缘的用途上（图３）。
图３ 轻松转换为无线传输
即使突然新增功能也无需重新设计硬件
即使是现有的THine Electronics的串行收发器IC产品，也能享受上述的多重优点。在此基础上，新产品THCS253/THCS254的优点是对应I2C，大幅增加I/O（输入/输出接口）在设计上的灵活性。
一般来说电子设备的开发现场设计开始后突然改变设计内容的情况并不少见；例如添加新功能等。在这种情况下，根据所追加的功能不同，与子插件等交流信号的线数可能会增加，从而迫使信号传输路径等硬件设计发生变化。当然一旦需要重新设计，所花费的工时、时间与成本也会随之增加。
因此即便突然发生设计变更，我们也希望避免重新设计硬件的情况发生。在这种情况下，这次的新产品将会发挥非常大的效果。因为它对应I2C，可以通过它连接內部寄存器并重写数据来自由定制每个端子。也就是说，再保持信号传输路等硬件设计不变的同时，只重写內部寄存器就可以极为灵活地添加新功能（图4）。
原有的THCS251/THCS252还具有如上所述的分四个階段设置GPI和GPO线数比例的功能。使用此功能，可以在一定程度上应对突然的设计变更。然而，新产品的可定制范围比原有产品广泛得多。因此使用新产品则可以大幅降低设计变更时需重新设计硬件的可能性。
那么难道说在这款新品上市之前，就沒有有效对策来防止重新设计硬件吗？ 当然，使用FPGA也能实现这一点。但却有一个很大的缺点，那就是需要进行FPGA內部的电路设计和印刷电路板布局设计等工作，这就增加了设计工作量，且成本也会增加。可以说很难只因为有可能在设计开始后发生追加功能等变化这一理由，就提前做出在I/O部分导入FPGA的判断。
然而，与FPGA不同的是，新产品在1个芯片上集成了可以通过I2C定制的回路，因此在导入时几乎沒有增加额外的设计工作。当需要增加功能时，只需重写內部寄存器即可处理，无需重新设计信号传输路径等硬件。
在这篇文章（前篇）中，我们解说了新产品THCS253/THCS254 与原有产品相比的变化点。也就是除了对应GPIO之外还对应I2C，并介绍了能以高自由度定制I/O部分的优势（图 5）。
本篇的后篇中，会就这一变化点进行更详细的说明，此外还将就另一个变化点「同步/非同步模式的导入」进行解说。
以上
一般来说电子设备的开发现场设计开始后突然改变设计内容的情况并不少见；例如添加新功能等。在这种情况下，根据所追加的功能不同，与子插件等交流信号的线数可能会增加，从而迫使信号传输路径等硬件设计发生变化。当然一旦需要重新设计，所花费的工时、时间与成本也会随之增加。
因此即便突然发生设计变更，我们也希望避免重新设计硬件的情况发生。在这种情况下，这次的新产品将会发挥非常大的效果。因为它对应I2C，可以通过它连接內部寄存器并重写数据来自由定制每个端子。也就是说，再保持信号传输路等硬件设计不变的同时，只重写內部寄存器就可以极为灵活地添加新功能（图4）。
图４ 提高硬件设计的灵活性
原有的THCS251/THCS252还具有如上所述的分四个階段设置GPI和GPO线数比例的功能。使用此功能，可以在一定程度上应对突然的设计变更。然而，新产品的可定制范围比原有产品广泛得多。因此使用新产品则可以大幅降低设计变更时需重新设计硬件的可能性。
那么难道说在这款新品上市之前，就沒有有效对策来防止重新设计硬件吗？ 当然，使用FPGA也能实现这一点。但却有一个很大的缺点，那就是需要进行FPGA內部的电路设计和印刷电路板布局设计等工作，这就增加了设计工作量，且成本也会增加。可以说很难只因为有可能在设计开始后发生追加功能等变化这一理由，就提前做出在I/O部分导入FPGA的判断。
然而，与FPGA不同的是，新产品在1个芯片上集成了可以通过I2C定制的回路，因此在导入时几乎沒有增加额外的设计工作。当需要增加功能时，只需重写內部寄存器即可处理，无需重新设计信号传输路径等硬件。
在这篇文章（前篇）中，我们解说了新产品THCS253/THCS254 与原有产品相比的变化点。也就是除了对应GPIO之外还对应I2C，并介绍了能以高自由度定制I/O部分的优势（图 5）。
图５ IOHA:B（THCS253/254）的特长
本篇的后篇中，会就这一变化点进行更详细的说明，此外还将就另一个变化点「同步/非同步模式的导入」进行解说。
以上