THine Value 無需使用FPGA就可以輕鬆解決I/O問題！推出將GPIO和I2C集成的Serial transceiver傳輸
2023.07.20
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目前，工業設備市場中工廠自動化設備、辦公設備、安全/監控設備、運輸設備等電子設備上安裝相機鏡頭模組和各種傳感器的數量正在不斷增加。這背後原因是相機鏡頭模組的價格下降和使用的方便性提高，以及IoT（物聯網）政策的強化。當然，如果安裝多個相機鏡頭模組和傳感器，則可以極大化的提高上述電子設備的功能和性能，並可以讓使用上的方便性大幅提高吧。得到的好處是非常多的。
但另一方面，也遇到了設計難度增加的問題。例如，「由於生產線較長，影像數據傳輸距離不足以用相機鏡頭監控整條生產線。」「各種傳感器採集數據的Cable數量太多，增加了電子設備本身的重量。」「想將影像數據的傳輸距離延長到1km左右，以便用相機鏡頭監控遠端」「因工業設備的安裝環境較差，希望連接傳感器的高速傳輸路徑能夠防塵並且容易拆裝。」在解決這些問題的同時，相機鏡頭模組和各種傳感器根據需要來提高電子設備的功能、性能和上手度，這些都是目前工業設備開發商所面臨的問題。
但另一方面，也遇到了設計難度增加的問題。例如，「由於生產線較長，影像數據傳輸距離不足以用相機鏡頭監控整條生產線。」「各種傳感器採集數據的Cable數量太多，增加了電子設備本身的重量。」「想將影像數據的傳輸距離延長到1km左右，以便用相機鏡頭監控遠端」「因工業設備的安裝環境較差，希望連接傳感器的高速傳輸路徑能夠防塵並且容易拆裝。」在解決這些問題的同時，相機鏡頭模組和各種傳感器根據需要來提高電子設備的功能、性能和上手度，這些都是目前工業設備開發商所面臨的問題。
將Parallel傳輸替換為Serial傳輸
為了解決這些問題，THine推出了新型serial transceiver IC「THCS253/THCS254」。 新產品的名稱是「IOHA:B」（發音為I-O-Hab）。
新產品將transmitter（傳送迴路、Serializer）和receiver（接收迴路、deserializer）集成到一個IC中。因此，它也被稱為SerDes transceiver IC。透過對這兩個新產品的設定端子，一個作為主芯片，另一個作為副芯片。它們透過兩對差動線連接，一個用於Uplink（上行），另一個用於downlink（下行）。換句話說，透過提供分離設計的上行和下行訊號線，可以同時執行傳送和接收的全雙工通訊。舉例來說僅使用兩對差動訊號線的serial傳輸來替代由眾多訊號線組成的parallel傳輸（圖1）。
一個具體的應用是電子設備中的設備之間或電子設備內的基板之間的數據傳輸。可將設備或單板之間連接的30多條訊號線集成為2對差動線（4條訊號線），減少了佈線Cable數量和總重量，並延長傳輸距離。也就是說，它可以解決一開始我們介紹的所有問題。
其實早在2019年底THine就能以幾乎相同方式使用serial transceiver IC「THCS251/THCS252」並將其產品化。此次推出市場的新產品THCS253/THCS254是現有產品的後繼產品。新產品在繼承原產品基本功能的同時，又增加了重大的新變化。變化是除了集成多個 GPIO（汎用輸入/輸出）訊號線之外，還添加了一個或兩個系統的I2C。THCS253最多有32條GPIO，THCS254最多有20條，兩款產品均基本搭載1個I2C系統。此外，如果用戶進行預定設置，還可以將兩條GPIO分配給I2C。換句話說，最多可以將兩個系統的I2C與GPIO束在一起進行serial傳輸。
新產品將transmitter（傳送迴路、Serializer）和receiver（接收迴路、deserializer）集成到一個IC中。因此，它也被稱為SerDes transceiver IC。透過對這兩個新產品的設定端子，一個作為主芯片，另一個作為副芯片。它們透過兩對差動線連接，一個用於Uplink（上行），另一個用於downlink（下行）。換句話說，透過提供分離設計的上行和下行訊號線，可以同時執行傳送和接收的全雙工通訊。舉例來說僅使用兩對差動訊號線的serial傳輸來替代由眾多訊號線組成的parallel傳輸（圖1）。
圖1 將Parallel傳輸替換為Serial傳輸
一個具體的應用是電子設備中的設備之間或電子設備內的基板之間的數據傳輸。可將設備或單板之間連接的30多條訊號線集成為2對差動線（4條訊號線），減少了佈線Cable數量和總重量，並延長傳輸距離。也就是說，它可以解決一開始我們介紹的所有問題。
其實早在2019年底THine就能以幾乎相同方式使用serial transceiver IC「THCS251/THCS252」並將其產品化。此次推出市場的新產品THCS253/THCS254是現有產品的後繼產品。新產品在繼承原產品基本功能的同時，又增加了重大的新變化。變化是除了集成多個 GPIO（汎用輸入/輸出）訊號線之外，還添加了一個或兩個系統的I2C。THCS253最多有32條GPIO，THCS254最多有20條，兩款產品均基本搭載1個I2C系統。此外，如果用戶進行預定設置，還可以將兩條GPIO分配給I2C。換句話說，最多可以將兩個系統的I2C與GPIO束在一起進行serial傳輸。
光電化/無線化皆能輕鬆對應
這次新產品可以為用戶提供新的優勢，同時保持原本THCS251/THCS252的優點。首先我們來看看繼承傳統產品的六大優點。
第一,因為可以用serial傳輸代替parallel傳輸,所以可以減少佈線Cable的數量。例如，這次的新產品THCS253，因為有34條訊號線（32條GPIO+1系統I2C）可減少至僅2 pair差動訊號（4條）。也就是說佈線Cable的數量最多可減少88%。如此一來34條的佈線Cable現在可以穿過原本無法通過的狹窄空間。將有助於噴墨印表機等小型化的電子設備。
第二個是可以減輕佈線Cable的總重量。這是因為大大減少佈線Cable的數量。這個效果非常大。例如，可以減輕無人機本身的重量，從而可以延長電池壽命並延長飛行時間。
第三個是簡化了連接佈線的工作。因為需要連接的Cable數量減少了。這樣能夠減少佈線錯誤且提高作業效率。
第四個是，可以在保持訊號品質（signal integrity）的同時延長傳輸距離。在parallel傳輸，clock頻率為100 MHz時，最大可能傳輸距離為1m。另一方面，對於serial傳輸，接收迴路因為搭載了連續時間linear equalizer（CTLE：Continues Time Linear Equalizer），可補償傳輸訊號的頻率特性並調整波形，雖然傳輸距離取與所使用Cable的品質息息相關，但在clock頻率為100MHz（傳輸速度為3.0Gbit/秒）時可以延長至約10m。
第五個是，可以抑制電磁noise (EMI：Electro-Magnetic Interference)的放射量。有兩個原因，一是它使用帶有嵌入式clock訊號的SerDes迴路。另一個原因是傳輸介質是由兩條訊號線組成的差動線，因此每條訊號線的輻射noise會相互抵銷。
第六個是，可以標準化設計。傳統的THCS251最多有35條GPIO，但幾乎沒有全部使用的案例。 於是產生剩餘端子（空端子）,透過有效利用這一點，可以實現設計的標準化。例如，預先使用多餘的端子連接Micro Computer/FPGA和連接器。這樣即使多個機種的功能略有不同，只要將訊號傳輸線等硬體設計保持原樣，透過向其餘端子分配新訊號即可吸收功能差異。此外，傳統的THCS251/THCS252具有允許透過四個階段來設置汎用輸入(GPI)和汎用輸出(GPO)數量比率的功能。一旦使用的話，可以擴大可以吸收功能差異的範圍。換句話說，可以透過標準化設計來僅用一個硬體設計實現各種不同的機種。
除了這些優點之外，還有一個很大的特徵。它可以很容易轉換為光傳輸和無線化。如上所述，新產品採用全雙工通訊系統，下行和上行傳輸線路分開。因此，透過光電轉換裝置或近距離無線通訊裝置(毫米波通訊裝置)連接，機器間或基板之間的連接可以是光傳輸或無線。如此一來就可以大大擴展應用範圍。如果採用光傳輸技術，可以適用於兩個電子設備之間距離長達數十米～數百米的應用、或noise環境較差、需要電氣絕緣的用途之上（圖2）。
另一方面，如果採用無線技術，則可以用於工廠中需要防塵和電氣絕緣的應用上（圖3）。
第一,因為可以用serial傳輸代替parallel傳輸,所以可以減少佈線Cable的數量。例如，這次的新產品THCS253，因為有34條訊號線（32條GPIO+1系統I2C）可減少至僅2 pair差動訊號（4條）。也就是說佈線Cable的數量最多可減少88%。如此一來34條的佈線Cable現在可以穿過原本無法通過的狹窄空間。將有助於噴墨印表機等小型化的電子設備。
第二個是可以減輕佈線Cable的總重量。這是因為大大減少佈線Cable的數量。這個效果非常大。例如，可以減輕無人機本身的重量，從而可以延長電池壽命並延長飛行時間。
第三個是簡化了連接佈線的工作。因為需要連接的Cable數量減少了。這樣能夠減少佈線錯誤且提高作業效率。
第四個是，可以在保持訊號品質（signal integrity）的同時延長傳輸距離。在parallel傳輸，clock頻率為100 MHz時，最大可能傳輸距離為1m。另一方面，對於serial傳輸，接收迴路因為搭載了連續時間linear equalizer（CTLE：Continues Time Linear Equalizer），可補償傳輸訊號的頻率特性並調整波形，雖然傳輸距離取與所使用Cable的品質息息相關，但在clock頻率為100MHz（傳輸速度為3.0Gbit/秒）時可以延長至約10m。
第五個是，可以抑制電磁noise (EMI：Electro-Magnetic Interference)的放射量。有兩個原因，一是它使用帶有嵌入式clock訊號的SerDes迴路。另一個原因是傳輸介質是由兩條訊號線組成的差動線，因此每條訊號線的輻射noise會相互抵銷。
第六個是，可以標準化設計。傳統的THCS251最多有35條GPIO，但幾乎沒有全部使用的案例。 於是產生剩餘端子（空端子）,透過有效利用這一點，可以實現設計的標準化。例如，預先使用多餘的端子連接Micro Computer/FPGA和連接器。這樣即使多個機種的功能略有不同，只要將訊號傳輸線等硬體設計保持原樣，透過向其餘端子分配新訊號即可吸收功能差異。此外，傳統的THCS251/THCS252具有允許透過四個階段來設置汎用輸入(GPI)和汎用輸出(GPO)數量比率的功能。一旦使用的話，可以擴大可以吸收功能差異的範圍。換句話說，可以透過標準化設計來僅用一個硬體設計實現各種不同的機種。
除了這些優點之外，還有一個很大的特徵。它可以很容易轉換為光傳輸和無線化。如上所述，新產品採用全雙工通訊系統，下行和上行傳輸線路分開。因此，透過光電轉換裝置或近距離無線通訊裝置(毫米波通訊裝置)連接，機器間或基板之間的連接可以是光傳輸或無線。如此一來就可以大大擴展應用範圍。如果採用光傳輸技術，可以適用於兩個電子設備之間距離長達數十米～數百米的應用、或noise環境較差、需要電氣絕緣的用途之上（圖2）。
圖2 輕鬆轉換為光傳輸
另一方面，如果採用無線技術，則可以用於工廠中需要防塵和電氣絕緣的應用上（圖3）。
圖3 輕鬆轉換為無線化
即使突然新增功能也無需重新設計硬體
即使是現有THine的serial transceiver IC產品，也能享受上述的多重優點。除此之外，新產品THCS253/THCS254的優點是透過對應I2C，大幅增加I/O（輸入/輸出interface）在設計上的靈活性。
一般的電子設備的開發現場，設計完成後突然改變設計內容的情況並不少見。例如，添加的新功能。在這種情況下，根據所追加的功能，與sub board等交流的訊號線數量可能會增加，從而迫使訊號傳輸線之類的硬體設計發生變化。所以如果我們進行重新設計，所花費的工時、時間和成本就會隨之增加。
一旦突然發生設計變更，我們也想避免重新設計硬體的情況發生吧。在這種情況下，這次的新產品將會發揮非常大的效果。因為它對應I2C，可以透過它到內部register並重寫數據來自由定制每個端子。也就是說，保持訊號傳輸線等硬體設計不變的同時,只需重寫內部register就可以極其靈活地添加新功能（圖4）。
現有的THCS251/THCS252還具有如上所述的用四個階段設置GPI和GPO數量比例的功能，透過使用此功能，可以在一定程度上應對突然的設計變更。然而，因為新產品的定制範圍比現有產品廣泛得多，如果使用新產品則可以大幅降低設計變更時硬體重新設計的可能性。
難道說在這款新品上市之前，就沒有有效的對策來防止硬體重新設計嗎？ 當然，也可以使用FPGA來實現這一點。但卻有一個很大的缺點，那就是FPGA內部的電路設計和印刷電路板layout設計等工作，從而增加了設計工作量，並且成本也會增加。可以說，很難提前做出在I/O部分導入FPGA的判斷，僅因為有可能在完成設計後發生諸如添加功能之類的變化。
然而，與FPGA不同的是，新產品在1chip上集成了可以透過I2C定制的迴路，因此在導入時幾乎沒有增加額外的設計工作。當增加功能時，只需重寫內部register即可處理，無需重新設計訊號傳輸等硬體部分。
在這篇文章（第一篇）中，我們解說了新產品THCS253/THCS254 與現有產品相比的變更點，它們除了對應GPIO之外還對應I2C，並介紹了能夠以高自由度定制I/O部分的優勢（圖 5）。
日後即將發表的第二篇,除了更詳細地解釋這一變化之外，我們還將說明另一個「同步/非同步模式的導入」的變化。
以上
一般的電子設備的開發現場，設計完成後突然改變設計內容的情況並不少見。例如，添加的新功能。在這種情況下，根據所追加的功能，與sub board等交流的訊號線數量可能會增加，從而迫使訊號傳輸線之類的硬體設計發生變化。所以如果我們進行重新設計，所花費的工時、時間和成本就會隨之增加。
一旦突然發生設計變更，我們也想避免重新設計硬體的情況發生吧。在這種情況下，這次的新產品將會發揮非常大的效果。因為它對應I2C，可以透過它到內部register並重寫數據來自由定制每個端子。也就是說，保持訊號傳輸線等硬體設計不變的同時,只需重寫內部register就可以極其靈活地添加新功能（圖4）。
圖4 增加硬體設計的靈活性
現有的THCS251/THCS252還具有如上所述的用四個階段設置GPI和GPO數量比例的功能，透過使用此功能，可以在一定程度上應對突然的設計變更。然而，因為新產品的定制範圍比現有產品廣泛得多，如果使用新產品則可以大幅降低設計變更時硬體重新設計的可能性。
難道說在這款新品上市之前，就沒有有效的對策來防止硬體重新設計嗎？ 當然，也可以使用FPGA來實現這一點。但卻有一個很大的缺點，那就是FPGA內部的電路設計和印刷電路板layout設計等工作，從而增加了設計工作量，並且成本也會增加。可以說，很難提前做出在I/O部分導入FPGA的判斷，僅因為有可能在完成設計後發生諸如添加功能之類的變化。
然而，與FPGA不同的是，新產品在1chip上集成了可以透過I2C定制的迴路，因此在導入時幾乎沒有增加額外的設計工作。當增加功能時，只需重寫內部register即可處理，無需重新設計訊號傳輸等硬體部分。
在這篇文章（第一篇）中，我們解說了新產品THCS253/THCS254 與現有產品相比的變更點，它們除了對應GPIO之外還對應I2C，並介紹了能夠以高自由度定制I/O部分的優勢（圖 5）。
圖５ IOHA:B（THCS253/254）的特徵
日後即將發表的第二篇,除了更詳細地解釋這一變化之外，我們還將說明另一個「同步/非同步模式的導入」的變化。
以上