依托电子信息技术的快速发展和汽车制造业的不断变革，近10年来，汽车领域的发展也可谓“花开两朵，各表一枝”，一些老牌车企向着更低燃油消耗乃至于混动方向发展，而一些具有代表性的新能源车企如国外知名的特斯拉，国内的比亚迪，则是朝着电动汽车方向不断前进，虽然看似不同的方向，但是在汽车电子方向，两者又是出奇的一致，都在不断提高汽车的安全性、舒适性、娱乐性等驾乘体验。
汽车电子中不可或缺的组成部分——开关状态检测
众所周知，在汽车电子中，车身控制模块（BCM）是整个汽车系统中的一个电子控制单元，主要负责检测和控制车身内各种电子器件，如电动车窗、电动后视镜、空调、车辆中控系统等，为了实现这些功能，在汽车的不同位置都使用了大量的开关，并且由BCM负责检测这些开关的状态。
这些开关状态直接反应了车辆的功能情况，让车主能在第一时间了解车身情况，其重要性不言而喻。
车辆中的开关一般会有两种不同类型。如果一个开关只有两个状态，打开和关闭，我们简单把它归为数字开关，例如安全带开关，前后雾按钮，后备箱开关和门锁开关；而如果开关具有多个状态或多个位置，我们则可以将其归为模拟开关，当开关切换到不同位置时，模拟开关通常由不同的电阻值来实现，所以有时候叫做电阻编码开关，例如点火钥匙开关，尾灯和大灯控制开关以及雨刮器控制开关。
再者，不同车辆之间的开关数量也是不同的，最简单的例子：同样系列的车，配置越低开关数肯定越少，而一辆高配置或者豪车上面的开关数可能达到上百个。可想而知，要构建一个如此多数量的开关状态监测系统所面临的挑战有多困难。那么问题来了，在BCM的整个系统设计中，开关状态检测的解决方案是如何实现的？
传统解决方案
对于数字开关，最容易想到的方式就是通过微控制器的IO口来监控，如下图所示，这是一个使用分立元件和微控制器实现开关检测功能的典型设计图。
为了检测开关的状态，通常将偏置电流提供给开关以建立可被采样的电压，一个数字开关只有两个状态，所以检测功能上非常容易实现。但是作为汽车电子，为了保证设计可靠性，需要设计不少保护电路，比如在接口处需要一个ESD器件用于系统保护；增加隔离二极管，防止电流回流至电源；增加电阻分压器电路将输入电压降低到微控制器可以容忍和采样的电平。
再进一步，我们还需要考虑湿性电流，还是以上图为例，RWETT是一个用于调节进入开关的湿性电流量的电阻，为了降低功耗，需要定期关闭湿性电流，这里通过FET和电阻组合来实现的。
这样算下来，原本一个数字开关通道的检测需要高达五个电阻，两个电容，一个二极管，两个FET和一个单独的GPIO连接（如果是模拟开关，可能还需要用到ADC功能）。假设汽车上有24个开关，那采用这些分立元器件设计将面临什么样的挑战可想而知：
首先肯定是元器件数量增多，增加设计难度。
其次是GPIO口数量要求多。每个开关都要占用一个GPIO口，如果再通过GPIO用于FET的时序控制，那无疑需要更多的GPIO口，扩展的GPIO口越多，会同时增加选型MCU的成本。
第三是高功耗。为了快速切换响应，MCU需要始终处于激活状态或者定期唤醒以确保持续的开关监控，这会增加电路的功耗，尤其在汽车熄火状态下，许多汽车制造商对可从电平获得的最大静态电流有着非常严格的限制以延长电池寿命，如果MCU持续工作，这个目标有时是难以满足的。
第四是湿性电流的变化。汽车电平的电压可能会由于启动，负载转变，瞬态尖峰等因素而突然改变，由于湿性电流是由电阻调节的，电压的变化也因此导致湿性电流发生变化；尤其是在使用模拟开关时，湿性电流的变化会使系统设计更加复杂。在最坏的情况下，车辆可能会报告错误的开关状态，这不仅会给司机、乘客造成直接的麻烦，甚至导致系统故障。
综合看来，虽然传统解决方案也可以实现汽车电子系统多开关状态的检测，但那无疑在成本、功耗、可靠性、设计复杂度等都给工程师提出了巨大的挑战。面临这样的困境，有没有一种行之有效的解决方案呢？
TIC12400-Q1——事半功倍实现汽车电子系统多开关状态检测
- 多开关检测接口器件（MSDI）TIC12400-Q1
TIC12400-Q1（规格书），这是一个多开关状态检测接口器件（Multi-switch Detection Interface ），简称MSDI，你可以理解为这是一种架设在汽车开关和微控制器之间的接口设备，是TI最新推出的一款具有24通道的开关监测解决方案，集成了节能轮询架构、可配置比较器阈值、具有可编程阈值的集成型 ADC，以及适用于瞬态/故障状况的各种集成保护。
TIC12400-Q1硬件系统框图如下所示，在24个输入检测接口中，其中10个通道是可编程为支持连接到地或电池的开关，其余14个通道可专用于检测接地连接的开关，方便工程师灵活设计；另外，所有的开关输入都能实现+/-8KV的ESD保护，集成了反向电压保护，这就大大减少了传统方案中的元器件数量，降低了设计复杂度。
此外，通过上图硬件系统框图，我们也可以发现24通道的开关输入都可以复用到ADC或者比较器，这就意味着TIC12400-Q1器件可以支持模拟开关或数字开关。再看TIC12400-Q1手册，发现器件可以支持在低至4.5V的电源电压下正常工作，并能保证在最低2.8V的电源电压下保持寄存器设置。
更值得一提的是，工程师还可以为每个开关输入单独编程，设置特殊电压，当开关输入电压超过预定义阈值时会产生一个中断，以提醒微控制器一个开关已经改变了状态。TIC12400-Q1器件与微控制器的通信方式是通过SPI接口来实现的，而SPI是一个常用的微控制器接口，对于微控制器的选择难度也大大减少，同时也降低了成本。
综合以上内容，我们完全可以看出在使用TI TIC12400-Q1 代替传统方案所带来的优势：
采用TIC12400-Q1实现汽车电子系统多开关状态检测的硬件系统框图
首先，TIC12400-Q1器件是一个完全集成的前端设备，它替代了传统实现开关检测电路所需的许多分立元件，大大减少元件数量，并且开关数量越多，减少的器件相应也越多，从另一方便来看同时也大大降低PCB设计难度。
其次，TIC12400-Q1器件利用中断信号以及SPI接口与微控制器进行通信，总共使用5个GPIO线路，与传统方案一个开关需要一个GPIO对比，大大释放了微控制器的GPIO资源。
第三，这是在上文TIC12400-Q1的硬件框图中无法直接看出来的，TIC12400-Q1具备不同的工作模式，除了连续模式外，还提供了一种称为轮询模式的特殊操作模式。在轮询模式下，提供给每个开关输入的等待电流仅在非常短的时间内被激活，这足以对输入端的电压进行采样用于判断状态；其中等待电流激活时间以及每个输入的采样频率都可以被配置到设备以支持各种不同的使用情况，由于等待激活时间的占空比较小，整体平均电流消耗也大大减少了，如下图所示，轮询模式下，平均电流消耗仅在68~75微安的范围内。
第四，TIC12400-Q1所有的输入引脚都具备用于HBM，CDM和系统级接触放电的集成ESD保护，根据ESD要求，工程师在设计外部系统安全防护的时候完全可以减少外部电容，在节省成本的同时还可以使输入采样速度更快，并减少开关的响应时间，同样是一举多得的措施。
除了本文所描述的TIC12400Q-1器件，事实上，TI还具备同类型差异化功能作用的其它两个系列的开关状态的检测产品，TIC10024-Q1以及TIC12400。
相比TIC12400，TIC10024-Q1增加了供电电压范围宽度以及工作温度范围宽度；而相比TIC10024-Q1，则增加ADC功能，并且增加了湿性电流诊断以及ADC自检功能。本文例举这两个产品说明主要是方便工程师定位选型，选择更适合自己所需的开关检测方案。
从以上方案来看，微控制器与TIC10024-Q1的组合实现了比传统分立元器件的开关检测电路更为简单的方案，这不仅能有效的降低设计复杂度，降低功耗，提升可靠性等，更能让工程师节省宝贵的开发周期，让产品迅速面世。
当然，实际开发中，TIC12400Q-1在PCB设计中还是有几点需要注意的，虽然目前此器件只有38-Pin TSSOP一种封装形式：
参考下图，VDD与VS pin脚的去耦电容在摆放的时候尽量靠近这两个pin脚，尽量不要将高速数字信号与模拟信号交叉，如果不得已交叉，需要做到垂直交叉。TIC12400Q-1底部的themal pad确保接地散热。
- 基于TIC12400/TIC12400-Q1的参考设计平台
对于TIC12400Q-1这颗器件，准确的说，应该是对于TIC12400这颗器件（不过两者是PIN-TO-PIN兼容的），TI官方提供了一个灵活的开发平台TIC12400EVM-KIT， 并且配套了集成易于定义的阈值、湿性电流、轮询次数和开关状态轮询等功能GUI，既能展示出TIC12400/TIC12400-Q1 器件的优势，又可供用户评估TIC12400/ TIC12400-Q1的广泛功能，可谓一举多得。
TIC12400EVM-KIT开发平台的使用也相对简单，工程师通过USB线连接至计算机，即可对配置进行编程并读取状态信息，TIC12400EVM-KIT开发平台（硬件原理参考下图）可实现数字开关和电阻器编码开关操作，或者也可与用户自己的开关进行连接，适用性灵活，方便自定义评估。
- TIC12400Q-1在车身控制中实际应用
最后，我们回到具体的应用中，随着汽车电子在汽车制造中的地位愈加重要，汽车制造商在追求动力、降低燃油消耗的的同时也在不断提升汽车的安全性、舒适性、娱乐性等驾乘体验，而各种功能的实现离不看似普普通通的开关状态的检测电路方案，比如车辆各种传感装置、雨刷、车门、大灯、启动钥匙、无线防盗等等，如果正遇到这方面难题的工程师不妨考虑TI的TIC12400Q-1解决方案，或许能解你燃眉之急。另外要说明的是，我们可以根据TIC12400-Q1提供的特点灵活运用到自动化系统的设计中去，而不仅限于汽车电子。
总结
TI TIC12400-Q1提供了一种更低功耗、更加可靠、更简单设计的开关状态检测方案，化繁为简的消除了传统开关状态检测方案中所遇到的诸多问题，让工程师在现在或未来汽车电子，包括自动驾驶、乃至各种自动化系统设计中都能做到游刃有余。
参考资料
- 购买TI TIC12400-Q1
- TI TIC12400-Q1资料
- TI TIC12400-Q1系统硬件框图
- 多开关状态检测参考设计方案
依托电子信息技术的快速发展和汽车制造业的不断变革，近10年来，汽车领域的发展也可谓“花开两朵，各表一枝”，一些老牌车企向着更低燃油消耗乃至于混动方向发展，而一些具有代表性的新能源车企如国外知名的特斯拉，国内的比亚迪，则是朝着电动汽车方向不断前进，虽然看似不同的方向，但是在汽车电子方向，两者又是出奇的一致，都在不断提高汽车的安全性、舒适性、娱乐性等驾乘体验。
汽车电子中不可或缺的组成部分——开关状态检测
众所周知，在汽车电子中，车身控制模块（BCM）是整个汽车系统中的一个电子控制单元，主要负责检测和控制车身内各种电子器件，如电动车窗、电动后视镜、空调、车辆中控系统等，为了实现这些功能，在汽车的不同位置都使用了大量的开关，并且由BCM负责检测这些开关的状态。
这些开关状态直接反应了车辆的功能情况，让车主能在第一时间了解车身情况，其重要性不言而喻。
车辆中的开关一般会有两种不同类型。如果一个开关只有两个状态，打开和关闭，我们简单把它归为数字开关，例如安全带开关，前后雾按钮，后备箱开关和门锁开关；而如果开关具有多个状态或多个位置，我们则可以将其归为模拟开关，当开关切换到不同位置时，模拟开关通常由不同的电阻值来实现，所以有时候叫做电阻编码开关，例如点火钥匙开关，尾灯和大灯控制开关以及雨刮器控制开关。
再者，不同车辆之间的开关数量也是不同的，最简单的例子：同样系列的车，配置越低开关数肯定越少，而一辆高配置或者豪车上面的开关数可能达到上百个。可想而知，要构建一个如此多数量的开关状态监测系统所面临的挑战有多困难。那么问题来了，在BCM的整个系统设计中，开关状态检测的解决方案是如何实现的？
传统解决方案
对于数字开关，最容易想到的方式就是通过微控制器的IO口来监控，如下图所示，这是一个使用分立元件和微控制器实现开关检测功能的典型设计图。
为了检测开关的状态，通常将偏置电流提供给开关以建立可被采样的电压，一个数字开关只有两个状态，所以检测功能上非常容易实现。但是作为汽车电子，为了保证设计可靠性，需要设计不少保护电路，比如在接口处需要一个ESD器件用于系统保护；增加隔离二极管，防止电流回流至电源；增加电阻分压器电路将输入电压降低到微控制器可以容忍和采样的电平。
再进一步，我们还需要考虑湿性电流，还是以上图为例，RWETT是一个用于调节进入开关的湿性电流量的电阻，为了降低功耗，需要定期关闭湿性电流，这里通过FET和电阻组合来实现的。
这样算下来，原本一个数字开关通道的检测需要高达五个电阻，两个电容，一个二极管，两个FET和一个单独的GPIO连接（如果是模拟开关，可能还需要用到ADC功能）。假设汽车上有24个开关，那采用这些分立元器件设计将面临什么样的挑战可想而知：
首先肯定是元器件数量增多，增加设计难度。
其次是GPIO口数量要求多。每个开关都要占用一个GPIO口，如果再通过GPIO用于FET的时序控制，那无疑需要更多的GPIO口，扩展的GPIO口越多，会同时增加选型MCU的成本。
第三是高功耗。为了快速切换响应，MCU需要始终处于激活状态或者定期唤醒以确保持续的开关监控，这会增加电路的功耗，尤其在汽车熄火状态下，许多汽车制造商对可从电平获得的最大静态电流有着非常严格的限制以延长电池寿命，如果MCU持续工作，这个目标有时是难以满足的。
第四是湿性电流的变化。汽车电平的电压可能会由于启动，负载转变，瞬态尖峰等因素而突然改变，由于湿性电流是由电阻调节的，电压的变化也因此导致湿性电流发生变化；尤其是在使用模拟开关时，湿性电流的变化会使系统设计更加复杂。在最坏的情况下，车辆可能会报告错误的开关状态，这不仅会给司机、乘客造成直接的麻烦，甚至导致系统故障。
综合看来，虽然传统解决方案也可以实现汽车电子系统多开关状态的检测，但那无疑在成本、功耗、可靠性、设计复杂度等都给工程师提出了巨大的挑战。面临这样的困境，有没有一种行之有效的解决方案呢？
