用于嵌入式控制的以太網(wǎng)
將各個(gè)嵌入式控制模塊連接在一起的方法有很多,而以太網(wǎng)具有較好的可靠性、速度和大量成熟的基礎(chǔ)架構(gòu)
20世紀(jì)80年代,當(dāng)個(gè)人電腦開(kāi)始在全球的辦公室中普及的時(shí)候,人們不禁吃驚的發(fā)現(xiàn),一場(chǎng)正在興起的計(jì)算革命能夠發(fā)掘并大大提高人們的生產(chǎn)效率。20世紀(jì)90年代,所有的電腦開(kāi)始通過(guò)Modem和小型辦公網(wǎng)絡(luò)連接在一起,然后通過(guò)Internet實(shí)現(xiàn)了互連,從此互連網(wǎng)的計(jì)算和通信功能開(kāi)始明顯地提高人們工作的效率。
隨著越來(lái)越多的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)始相互連接并與網(wǎng)絡(luò)計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)連接在一起,我們有可能會(huì)在嵌入式控制應(yīng)用的ROI(投資回報(bào))中看到與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用類似的階躍式增長(zhǎng)。
互連的方案
將某一應(yīng)用系統(tǒng)中(或者分離的應(yīng)用系統(tǒng)中)的各個(gè)嵌入式控制模塊連接在一起的方法有很多。表1列出了幾種主要的嵌入式系統(tǒng)接口的特性。(注:本文不討論無(wú)線互連技術(shù)。)
表1 主要的嵌入式系統(tǒng)互連技術(shù)的特性
挖掘基礎(chǔ)架構(gòu)
相對(duì)USB的普及,以太網(wǎng)最有可能為嵌入式控制應(yīng)用的互連帶來(lái)革命。幾乎在每一棟大樓、家庭、辦公室和工廠車間里都遍布著網(wǎng)絡(luò)電纜、集線器和交換機(jī),網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)的普及為嵌入式控制的互連提供了巨大的機(jī)遇。通過(guò)挖掘網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)的潛力,可以提高嵌入式控制的應(yīng)用效率,降低其成本,并催生新型的應(yīng)用。
以太網(wǎng)具有驚人的尋址能力,能夠?qū)?shù)以億計(jì)的設(shè)備連接在一起。10/100Base-T以太網(wǎng)接口通過(guò)便宜的雙絞電纜,能夠提供成本低廉的互連,并且具有很多不錯(cuò)的特性:
- 使用差分信號(hào),具有較高的抗噪性;
- 通過(guò)使用微型變壓器(常常集成在標(biāo)準(zhǔn)的RJ-45連接器中),實(shí)現(xiàn)了高達(dá)1500V的導(dǎo)線絕緣性能;
- 低工作電壓;
- 高速。
以太網(wǎng)規(guī)范規(guī)定以太網(wǎng)需要兩種接口部件:MAC(Media Access Controller,媒體訪問(wèn)控制器)和PHY(Physical transceiver,物理收發(fā)器)。MAC是一種純數(shù)字的設(shè)備,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的同步處理。而PHY在很大程度上是一種模擬器件,負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成在特定的媒體上(常用雙絞線)傳輸所需的信號(hào)電平。
到目前為止,嵌入式控制設(shè)計(jì)者所能夠找到的以太網(wǎng)接口器件非常稀少,而且這些器件都是為PC應(yīng)用而定制的。8位和16位接口的器件常常都采用大型封裝,有幾百個(gè)引腳,需要嵌入式應(yīng)用為PC總線的仿真預(yù)留大量的I/O接口(24個(gè)以上)。
近來(lái),很多微控制器廠商已經(jīng)開(kāi)始關(guān)注嵌入式控制的應(yīng)用領(lǐng)域,并且認(rèn)識(shí)到這一領(lǐng)域?qū)Ω`活和更專用解決方案的需求。有些廠商已經(jīng)開(kāi)始把MAC部件集成到標(biāo)準(zhǔn)的8位或16位微控制器架構(gòu)中,形成了非常緊湊的解決方案。
另外一些廠商則將MAC和PHY都集成到引腳個(gè)數(shù)較少的以太網(wǎng)控制器中。這些以太網(wǎng)控制器一般都采用RAM緩沖器和一個(gè)簡(jiǎn)單的SPI接口,使得整個(gè)器件可以進(jìn)行小型封裝(參見(jiàn)圖1)。
圖1 帶SPI接口的28腳封裝的以太網(wǎng)控制器
成本問(wèn)題
通過(guò)SPI接口連接的低引腳數(shù)以太網(wǎng)控制器從根本上改變了接入以太網(wǎng)的總成本。以前,MAC和PHY的成本僅僅是接入以太網(wǎng)總成本的一部分。而大部分應(yīng)用的成本源于PC總線和作為緩沖存儲(chǔ)的系統(tǒng)存儲(chǔ)器。另外,管理收發(fā)緩沖器的數(shù)據(jù)傳輸、錯(cuò)誤檢測(cè)和消息過(guò)濾還需要用到處理器。
現(xiàn)在,我們可以在一個(gè)非常小的8位微控制器中就可以實(shí)現(xiàn)小容量板上RAM和18/14腳封裝的單片以太網(wǎng)控制器。這些成本低廉的微控制器為新一代低成本的嵌入式應(yīng)用發(fā)掘以太網(wǎng)技術(shù)和基礎(chǔ)架構(gòu)打開(kāi)了方便之門(mén)。
性能問(wèn)題
成本最低的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備是10Base-T(IEEE 802.3i),其性能與全速USB相當(dāng),并且高于表1中所列舉的所有接口的性能。目前最常見(jiàn)的平臺(tái)是100Mb/s的100Base-T(IEEE 802.3u)。這兩種標(biāo)準(zhǔn)是可以同時(shí)工作的,因此廉價(jià)的10Base-T設(shè)備可以直接連接到100Base-T標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)架構(gòu)上。
當(dāng)前,10/100Base-T交換機(jī)每個(gè)端口的成本不足1美元,性能較高,常用于大部分網(wǎng)絡(luò)中,用來(lái)代替普通的集線器。在大部分嵌入式控制的應(yīng)用中,100Base-T派不上用場(chǎng),10Base-T的性能就足夠了,而且具有更低的功耗。
以太網(wǎng)供電
最近出現(xiàn)的一種技術(shù)強(qiáng)有力的推進(jìn)了POE(Power over Ethernet,以太網(wǎng)供電)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。10/100Base-T標(biāo)準(zhǔn)授權(quán)可以使用微型變壓器進(jìn)行電絕緣,同時(shí)所有標(biāo)準(zhǔn)電纜中都包含多余的雙絞線,這就為現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)供電提供了兩種簡(jiǎn)單而廉價(jià)的替代方案,不需要或者僅僅需要增加很少的成本。
這種替代的供電方案對(duì)于嵌入式控制的設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)可謂是一個(gè)好消息,這樣一來(lái),通過(guò)去掉局部電源,代之以更加有效和集中的供電設(shè)備,可以抵消應(yīng)用接口所新增的部分成本。而且在取消電源連線之后,人們可以在之前沒(méi)有供電或者無(wú)法有效供電的地方部署新型的遠(yuǎn)程應(yīng)用系統(tǒng)了。