網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)現(xiàn)機(jī)器對(duì)機(jī)器的連接

網(wǎng)絡(luò)連接正成為嵌入式系統(tǒng)和移動(dòng)/便攜式設(shè)備通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議實(shí)現(xiàn)機(jī)器對(duì)機(jī)器（M2M）連接的默認(rèn)方法。這些系統(tǒng)使用多種數(shù)據(jù)格式和網(wǎng)絡(luò)方法，從無(wú)線選項(xiàng)到全高速LAN/WAN環(huán)境。

實(shí)現(xiàn)此連接有兩種主要方法：添加到現(xiàn)有設(shè)計(jì)的現(xiàn)有連接的補(bǔ)充網(wǎng)絡(luò)控制器;以及通過其微控制器和傳感器子系統(tǒng)中的嵌入式功能將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和接口結(jié)合在一起。這些應(yīng)用程序的關(guān)鍵特性之一是開發(fā)這些接口及其相關(guān)開發(fā)環(huán)境所需的軟件和固件控制。

遺留系統(tǒng)

現(xiàn)在部署在現(xiàn)場(chǎng)的大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)需要連接到網(wǎng)絡(luò)，以便自動(dòng)監(jiān)控其進(jìn)度和系統(tǒng)運(yùn)行狀況。挑戰(zhàn)在于如何在不必重新認(rèn)證整個(gè)設(shè)計(jì)的情況下實(shí)現(xiàn)這一新功能，或者更糟糕的是，更改系統(tǒng)的固件并且必須重新驗(yàn)證正確的操作。對(duì)于這些當(dāng)前設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)最方便的兩種方法涉及將網(wǎng)絡(luò)功能添加到系統(tǒng)上的現(xiàn)有端口或?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)適配器芯片添加到直接與微控制器接口的PCB。

這些傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)常見端口是串行端口。這些端口通常用于數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)傳輸，已從舊的RS-232接口轉(zhuǎn)移到USB。 USB協(xié)議包括本地配置固件，允許系統(tǒng)自動(dòng)配置并自我調(diào)整連接到端口的設(shè)備。除自動(dòng)配置外，USB端口還支持自供電設(shè)備。此設(shè)置適用于Digi International的XStick?XU-A11 USB轉(zhuǎn)XBee?收發(fā)器等產(chǎn)品。

提供XBee PRO和ZigBee?PRO協(xié)議（見圖1），獨(dú)立的無(wú)線收發(fā)器支持采用USB供電的802.15.4設(shè)備，帶有集成的無(wú)線天線和模擬前端。 USB到XBee無(wú)線個(gè)域網(wǎng)適配器（WPAN）提供訪問，配置和網(wǎng)絡(luò)調(diào)試的本地連接，并提供自我修復(fù)，自配置ZigBee網(wǎng)狀或快速802.15.4多點(diǎn)版本。

圖1：Digi International的XStick?XU-A11 USB轉(zhuǎn)XBee?收發(fā)器（由Digi International提供）。

對(duì)于可以支持電路板修改或插卡以增加連接性的系統(tǒng)，可以使用德州儀器（TI）的TLK1201IRCP以太網(wǎng)收發(fā)器等解決方案。該單芯片器件的工作電壓低至2.5伏，并具有可熱插拔的版本，適用于高可用性應(yīng)用。

TLK1201IRCP以太網(wǎng)收發(fā)器旨在為基于標(biāo)準(zhǔn)微控制器的系統(tǒng)添加超高速，全雙工，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸。該器件支持IEEE 802.3千兆以太網(wǎng)規(guī)范下10位接口規(guī)范的時(shí)序要求，并符合ANSI X3.230-1994（FC-PH）光纖通道標(biāo)準(zhǔn)。該器件可支持0.6 Gbps至1.3 Gbps的數(shù)據(jù)速率。 TLK1201以太網(wǎng)收發(fā)器的框圖如圖2所示。

圖2：德州儀器的TLK1201IRCP以太網(wǎng)控制器框圖（由德州儀器公司提供）。

對(duì)于嵌入式應(yīng)用，該芯片設(shè)計(jì)用于通過各種傳輸介質(zhì)發(fā)送數(shù)據(jù)，包括印刷電路板走線，銅纜和光纖電纜。數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率和連接長(zhǎng)度取決于介質(zhì)的信號(hào)衰減特性和信號(hào)環(huán)境中的噪聲耦合。

TLK1201為PHY器件執(zhí)行所有必要的數(shù)據(jù)序列化，反序列化和時(shí)鐘提取功能。收發(fā)器的工作速率為1.25 Gbps（典型值），可轉(zhuǎn)換為銅纜或光纖介質(zhì)上高達(dá)1 Gbps的數(shù)據(jù)帶寬。為了最大限度地兼容當(dāng)前和傳統(tǒng)系統(tǒng)，TLK1201支持規(guī)范的10位接口（TBI）和利用雙倍數(shù)據(jù)速率（DDR）時(shí)鐘的簡(jiǎn)化5位接口。在TBI模式下，串行器/解串器（SERDES）接受10位寬的8b或10b并行編碼數(shù)據(jù)字節(jié)。

其他連接選項(xiàng)

對(duì)于某些應(yīng)用，例如汽車網(wǎng)絡(luò)，沒有主控制器來(lái)處理數(shù)據(jù)管理。結(jié)果，當(dāng)沒有主機(jī)控制器時(shí)，使用諸如CAN的通信方法。 CAN總線是一種基于消息的協(xié)議，專為汽車應(yīng)用而設(shè)計(jì)，但現(xiàn)在也用于其他領(lǐng)域，如工業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)療設(shè)備。

CAN是用于連接電子控制單元（ECU）的多主廣播串行總線標(biāo)準(zhǔn)。該協(xié)議允許每個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠通過總線發(fā)送和接收消息，但不能同時(shí)發(fā)送和接收消息。發(fā)送的消息由一個(gè)標(biāo)識(shí)符組成，該標(biāo)識(shí)符用作消息優(yōu)先級(jí)的定義，以及最多八個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)。數(shù)據(jù)串行傳輸?shù)娇偩€上?？偩€采用信號(hào)模式進(jìn)行管理，信號(hào)模式以非歸零（NRZ）編碼，并由所有節(jié)點(diǎn)同時(shí)檢測(cè)。

通過CAN網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備通常是傳感器，執(zhí)行器和其他控制設(shè)備。這些器件不是直接連接到總線，而是通過主處理器和CAN控制器，如德州儀器的SN65HVD1050DR RMC CAN收發(fā)器。

如果CAN總線空閑，任何節(jié)點(diǎn)都可以開始發(fā)送數(shù)據(jù)。如果兩個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)開始發(fā)送消息，則具有更多顯性ID或優(yōu)先級(jí)（具有更多顯性位，即零）的消息將覆蓋其他節(jié)點(diǎn)的不太主導(dǎo)的ID。最終（在對(duì)ID進(jìn)行仲裁之后）僅剩下主導(dǎo)消息并且所有節(jié)點(diǎn)都接收它。該機(jī)制稱為基于優(yōu)先級(jí)的總線仲裁。具有數(shù)值較小的ID值的消息具有較高的優(yōu)先級(jí)并且首先被發(fā)送。

作為CAN收發(fā)器（見圖3），這款德州儀器部件為總線提供差分傳輸能力，并為CAN控制器提供差分接收能力，信號(hào)速率高達(dá)每秒1兆位。 SNHVD1050DR專為在特別惡劣的環(huán)境中工作而設(shè)計(jì)，具有-27至40伏的交叉線，過壓和失地保護(hù)功能。過熱關(guān)閉; -12至12伏共模范圍;根據(jù)ISO 7637，能夠承受-200至200伏的瞬態(tài)電壓。醫(yī)療電子界開始采用這種總線技術(shù)，因?yàn)樗哂懈唠姶趴箶_性（EMI）和極低的電磁輻射（EME）。

圖3：德州儀器（TI）的SN65HVD1050DR EMC CAN收發(fā)器框圖（由德州儀器公司提供）。

處理小數(shù)據(jù)長(zhǎng)度傳輸?shù)倪z留系統(tǒng)的另一個(gè)選擇是使用無(wú)線藍(lán)牙?連接。該系統(tǒng)類似于Wi-Fi?和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樗鼈冃枰碳?lái)處理所有數(shù)據(jù)接口，模擬前端，天線系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。 Microchip的RN-220XP藍(lán)牙適配器等完整解決方案可用于標(biāo)準(zhǔn)的9針RS232連接（參見圖4）。獨(dú)立單元可以在連接后立即開始發(fā)送數(shù)據(jù)。它包括一個(gè)集成的鋰聚合物可充電電池，可運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)32小時(shí)。這使得該單元可用于維護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)升級(jí)期間的數(shù)據(jù)監(jiān)控和信號(hào)傳輸，而無(wú)需手動(dòng)配置主設(shè)備或提供外部電源。該連接支持1200至232.4 Kbps的波特率。該設(shè)備可通過藍(lán)牙連接在串行接口上進(jìn)行遠(yuǎn)程配置。該器件還支持高級(jí)觸發(fā)模式，可以檢測(cè)輸入數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要自動(dòng)連接和斷開以節(jié)省電量。

圖4：Microchip RN-220XP RS232藍(lán)牙適配器（由Microchip提供）。

集成系統(tǒng)

對(duì)于基于微控制器的新系統(tǒng)，首選的通信方法是使用具有集成通信端口和協(xié)議處理程序的MCU。由于最終應(yīng)用程序在創(chuàng)建MCU之前是未知的，因此它們往往包括多種通信協(xié)議和連接功能。最常見的是USB 2.0，10/100Mbps以太網(wǎng)，CAN和JTAG。示例包括Microchip的帶有嵌入式閃存的PIC32MX764F128H和瑞薩的RX62N。

Microchip的PIC32MX5/6/7XX微控制器系列使用MIPS32?M4K?處理器作為核心。該內(nèi)核具有簡(jiǎn)單的雙總線接口，具有獨(dú)立的32位地址和數(shù)據(jù)總線。在此接口中，可以中止事務(wù)以改善中斷延遲。該內(nèi)核還具有EJTAG調(diào)試和指令跟蹤，支持單步執(zhí)行，虛擬指令和數(shù)據(jù)地址/值，斷點(diǎn)以及跟蹤壓縮的PC跟蹤。

通信接口以六個(gè)UART模塊的標(biāo)準(zhǔn)功能開始，支持RS-232，RS-485和LIN;帶有片上硬件編碼器和解碼器的IrDA接口;最多四個(gè)SPI模塊和五個(gè)I2C模塊。 USB，CAN，JTAG和以太網(wǎng)補(bǔ)充了這些標(biāo)準(zhǔn)MCU接口模塊。

PIC32?MCU具有USB DMA控制器，可在RAM和SIE中的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)之間傳輸數(shù)據(jù)。寄存器接口允許CPU配置模塊并與之通信。 PIC32 USB模塊包括對(duì)主機(jī)和設(shè)備的USB全速支持，低速主機(jī)支持，USB OTG支持，集成信號(hào)電阻，用于VBUS監(jiān)控的集成模擬比較器，集成USB收發(fā)器，硬件事務(wù)握手，端點(diǎn)緩沖等任何地方在系統(tǒng)RAM中，以及用于訪問系統(tǒng)RAM和Flash的集成DMA。該USB接口允許PIC32 CPU處理不屬于核心SoC的無(wú)線數(shù)據(jù)通信協(xié)議。

PIC32的CAN接口滿足所有CAN 2.0B一致性規(guī)范，數(shù)據(jù)額定速率高達(dá)每秒1兆位。 CAN消息接收和傳輸功能包括32個(gè)消息FIFO，其中每個(gè)FIFO最多可以有32條消息，總共1024條消息;每個(gè)FIFO可以是發(fā)送消息FIFO或接收消息FIFO;用戶定義的消息優(yōu)先級(jí);三十二個(gè)用于消息過濾的接收過濾器;四個(gè)接收過濾掩碼寄存器用于消息過濾;對(duì)遠(yuǎn)程傳輸請(qǐng)求的自動(dòng)響應(yīng);和低功耗運(yùn)行模式。 CAN模塊是PIC32系統(tǒng)總線上的總線主控制器。

PIC32具有以太網(wǎng)控制器作為總線主模塊。它需要與片外物理層（PHY）連接，以在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)完整的以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，如圖5所示。內(nèi)部以太網(wǎng)控制器支持以下功能，這些功能是外部PHY的驅(qū)動(dòng)程序：10/100 Mbps數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移率;全雙工和半雙工操作; RMII和MII PHY接口，MIIM PHY管理接口;手動(dòng)和自動(dòng)流量控制;基于RAM描述符的DMA操作，用于接收和發(fā)送路徑;和完全可配置的中斷。

圖5：Microchip的PIC32MX5XX內(nèi)部以太網(wǎng)控制器框圖（由Microchip提供）。

該設(shè)備還具有可配置的接收數(shù)據(jù)包過濾功能?？膳渲眠x項(xiàng)包括CRC校驗(yàn);廣播，組播和單播數(shù)據(jù)包的64字節(jié)模式匹配; Magic Packet?;一個(gè)64位的哈希表; runt數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)包有效負(fù)載校驗(yàn)和計(jì)算。

高級(jí)微控制器

嵌入式控制器的高端產(chǎn)品是瑞薩的RX62N。這是一個(gè)完整的32位CPU，帶有單精度32位IEEE-754浮點(diǎn)處理器;一個(gè)累加器，配置為一個(gè)32×32到64位的結(jié)果，在一個(gè)指令周期內(nèi)運(yùn)行;一個(gè)乘法/除法單元，在一個(gè)CPU時(shí)鐘內(nèi)具有32×32乘法，用于多個(gè)指令;以及具有5級(jí)管道的CISC/哈佛建筑。 SoC具有內(nèi)置邏輯，支持高達(dá)WQVGA分辨率的TFT-LCD和多達(dá)20個(gè)擴(kuò)展功能定時(shí)器。

該芯片的一個(gè)關(guān)鍵特性是支持多達(dá)14個(gè)與外部連接的通信接口。它們包括帶有PHY（2個(gè)通道）的USB 2.0全速接口，支持主機(jī)/功能/OTG和10個(gè)端點(diǎn)（控制，中斷，批量和等時(shí)）;以太網(wǎng)MAC 10/100 Mbps，支持一個(gè)通道的半雙工或全雙工;一個(gè)帶有兩千字節(jié)發(fā)送和接收FIFO的專用DMA;外部10/100 Mbps PHY的RMII或MII接口;符合ISO11898-1標(biāo)準(zhǔn)的CAN系統(tǒng)，支持一個(gè)帶有32個(gè)郵箱的通道;異步，時(shí)鐘同步，智能卡和9位模式（六個(gè)通道）SCI通道; I2C通過SMBus支持（兩個(gè)通道）接口，每秒最高可達(dá)1兆位;最后是兩個(gè)頻道的RSPI。

這些SoC的架構(gòu)如圖6所示。這些模塊包括128個(gè)GPIO通道，兩個(gè)10位DAC通道，以及一個(gè)可配置為一個(gè)12位x 8通道且單個(gè)采樣和保持的ADC或者作為兩個(gè)10位x 4通道ADC，每個(gè)ADC都有一個(gè)采樣和保持。

圖6：瑞薩的RX62N微控制器（由Renesas提供）。