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MCU網(wǎng)絡(luò)接口方案的自由選擇
摘要：單片機(jī)（微控制器，MCU）的連通性正成為帶一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口MCU的附加標(biāo)準(zhǔn)。本文介紹國(guó)外帶一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口MCU的發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成、芯片選擇、嵌入式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用情況。關(guān)鍵詞：MCU網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)接口 嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò) 嵌入式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)
微控制器不再工作于隔離狀態(tài)，從工廠樓層到汽車內(nèi)部，到處都有分布計(jì)算駐留。帶雙以太網(wǎng)或CAN（控制局域網(wǎng)）總線接口的MCU是很有用的，而這還只是冰山一角。
當(dāng)今，有各種形式和大小的網(wǎng)絡(luò)。許多嵌入式系統(tǒng)已有多種網(wǎng)絡(luò)。隨著TCA（電信計(jì)算架構(gòu)）的新進(jìn)展，其開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（switch-fabric network）引人注意。它可以是以太網(wǎng)，使用了一對(duì)I2C(內(nèi)部集成電路)總線來(lái)支持IPM（綜合功率管理）控制器（IPMC），這是架構(gòu)管理支持的一部分。
今天，雖然獲得通信軟件相當(dāng)復(fù)雜，但是選擇一種與網(wǎng)絡(luò)匹配的MCU是相當(dāng)容易的。在多節(jié)點(diǎn)或多網(wǎng)絡(luò)中采用分區(qū)（或分塊）應(yīng)用，可以解決耐用性方面的問(wèn)題。與分布處理器相比，聯(lián)網(wǎng)還能減少電纜需求，并允許系統(tǒng)由廉價(jià)的MCU陣列組成，從而代替一對(duì)高性能的處理器。
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MCU網(wǎng)絡(luò)覆蓋了廣泛的嵌入式環(huán)境。以太網(wǎng)是最流行的網(wǎng)絡(luò)，特別是對(duì)因特網(wǎng)與局域網(wǎng)的連通。RS-232接口很流行，但它的速度慢，主要用來(lái)控制的裝置；而應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，則對(duì)接口的要求更高。對(duì)許多嵌入式設(shè)計(jì)問(wèn)題。研發(fā)者可選一個(gè)或多個(gè)合適的網(wǎng)絡(luò)接口來(lái)解決。
1 網(wǎng)絡(luò)與外設(shè)
很多流行的網(wǎng)絡(luò)接口都是裝在MCU上的（見(jiàn)表1和表2所列）。串行接口很流行，它主要用于串行接口設(shè)備，但并不支持網(wǎng)絡(luò)。有些接口執(zhí)行SLIP（串行鏈路接口協(xié)議）或PPP（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議），通過(guò)調(diào)制解調(diào)器（MODEM）與因特網(wǎng)連接。
表1 連接總線用在MCU網(wǎng)絡(luò)的情況
表2 網(wǎng)絡(luò)接口
接 口 性能說(shuō)明 傳輸速度/距離 架 構(gòu) 協(xié) 議 連線數(shù) 以太 10/100/1000BaseT局域網(wǎng)（LAN） 10、100、1000Mb/s100以上 多主機(jī)，CSMA/CD IPv4,IPv6,
TPP/IP 4(Cat5)
光 1394b 火線LAN/外設(shè)網(wǎng)絡(luò) 8002400Mb/s
100mUTP（未屏蔽雙絞線） 多主機(jī) 1394
TCP/IP 6
光 USB 通用串行總線外設(shè)網(wǎng)絡(luò) 12Mb/s sv1.1
480Mb/s sv2,0
25m 主/從 星形
127個(gè)設(shè)備 USB 4 SPI 串行外設(shè)接口設(shè)備網(wǎng)絡(luò) 1Mb/s
5m 主/從 - 3加線地和片選 I2C 內(nèi)部集成電路設(shè)備網(wǎng)絡(luò) 1000kb/s 標(biāo)準(zhǔn)
400kb/s 快速
3.4Mb/s 高速
10m 主/從
多個(gè)主機(jī) - 2加地線 CAN 控制域網(wǎng)絡(luò)設(shè)備網(wǎng)絡(luò) 1Mb/s 40m
10kb/s 5000m 主/從
多個(gè)主機(jī) CANopen 1加地線
差分
光 LIN 局部互連網(wǎng)絡(luò)設(shè)備網(wǎng)絡(luò) 20kb/s
80m 主/從
16個(gè)設(shè)備 LIN
觸發(fā)時(shí)間 1加地線 1Wire Maxim(專用) 16kb/s
140kb/s
600m 主/從 1Wire 1加地線
以太網(wǎng)是現(xiàn)在最通用的，其高速硬件很容易插入片上系統(tǒng)（SoC）。為把多種設(shè)備與因特網(wǎng)連接起來(lái)，增加以太網(wǎng)已變得很重要。
后來(lái)，USB（通用串行總線）在MCU中更多地出現(xiàn)。最初，是把MCU當(dāng)成一個(gè)USB外設(shè)來(lái)處理。支持USB的主機(jī)總是有用的，MCU被用作像鍵盤一樣帶有PC風(fēng)格的設(shè)備，而且與存儲(chǔ)設(shè)備和其它USB外設(shè)一起工作得非常好。USB在那些靠近主機(jī)的外部嵌入式網(wǎng)絡(luò)中變得更加重要。
正在慢慢嵌入MCU的接口有1394（高速總線接口）。這種情況可能隨著1394b的出現(xiàn)而變化，它強(qiáng)調(diào)是作為多媒體網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施。
CAN總線是一種網(wǎng)絡(luò)接口，其流行的程序與以太網(wǎng)相同，尤其是當(dāng)它進(jìn)入汽車和過(guò)程控制環(huán)境后，就更是這樣了。
2 設(shè)備網(wǎng)絡(luò)
MCU更通用的是與CAN、LIN（局部互連網(wǎng)絡(luò)）、SPI（串行外設(shè)接口）、I2C和單線（1Wire）總線相連接。雖然這些接口的運(yùn)行速度比以太網(wǎng)慢，但它們更容易實(shí)現(xiàn)。有些設(shè)備的主裝置，像單線協(xié)議，能完全用軟件實(shí)現(xiàn)，而以太網(wǎng)則很少有能這樣做的設(shè)備。
CAN已在汽車和過(guò)程控制工業(yè)中找到了自己的位置。它受到廣泛支持，并適合嵌入式應(yīng)用范圍，常用于LIN的分級(jí)網(wǎng)絡(luò)。
速度為20kb/s的LIN適合低性能網(wǎng)絡(luò)。雖然瞄準(zhǔn)的是汽車工業(yè)，但LIN可作為傳感器，方便地進(jìn)入其它嵌入式應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)。CAN和LIN都有單線設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。作為大多數(shù)單線設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)備采取共地是有效的。
國(guó)家半導(dǎo)體和摩托羅拉公司開(kāi)發(fā)了SPI，它使用主/從架構(gòu)方式，與從機(jī)的數(shù)據(jù)收集、整理系統(tǒng)鏈接在一起（daisy-chain together），如力所示。要實(shí)現(xiàn)串行外設(shè)接口是相當(dāng)簡(jiǎn)單的，為保持靠近主機(jī)的SPI從機(jī)，使用單獨(dú)的芯片選擇。
I2C使用雙線時(shí)鐘總線，支持主/從和多架構(gòu)。從先進(jìn)的TCA到電池的監(jiān)視。I2C已在廣泛的嵌入式應(yīng)用范圍內(nèi)找到了自己的位置。一個(gè)運(yùn)行在3.4Mb/s下的高速能版本工作在100kb/s范圍內(nèi)時(shí)也同樣的好。飛利浦是I2C的支持者之一。
I2C的同步特性及其每個(gè)字節(jié)的證實(shí)（per-byteacknowledgement），使它能相當(dāng)容易地用硬件實(shí)現(xiàn)。如沒(méi)有大量的軟件開(kāi)銷，它本身對(duì)UART（通用異步收發(fā)器）的執(zhí)行是沒(méi)有幫助的。與以太網(wǎng)、CAN和LIN比較、I2C有廣泛的零售商支持。
單線架構(gòu)是專用的只有一條連線的主/從網(wǎng)絡(luò)。主網(wǎng)絡(luò)可由任何人開(kāi)發(fā)，但從網(wǎng)絡(luò)必注冊(cè)。有各種消息來(lái)源（source）提供給單線從設(shè)備。此架構(gòu)對(duì)簡(jiǎn)單、低功耗設(shè)備是很有用的。
在MCU上，單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)接口已成功一段時(shí)間了。后來(lái)，更多出現(xiàn)的是多于一個(gè)接口的MCU。這允許MCU作網(wǎng)絡(luò)之間連接的網(wǎng)關(guān)。
3 網(wǎng)關(guān)芯片
帶有一對(duì)網(wǎng)絡(luò)接口的MCU，在從Ubicom公司的低價(jià)IP3023網(wǎng)絡(luò)處理器（它能支持6種網(wǎng)絡(luò)）到NEC公司的400MHz、64位Vr7701處理器（它帶有一對(duì)10/100Mb/s的以太網(wǎng)接口）上都能運(yùn)行。這些MCU能輕松地支持常駐的網(wǎng)關(guān)和機(jī)頂盒應(yīng)用。許多MCU零售商正推動(dòng)在此范圍應(yīng)用的解決方法。以太網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)保持了在SOHO（小型辦公和家庭辦公）環(huán)境的流行。借助于裝運(yùn)（shipment），CAN到CAN的網(wǎng)關(guān)卻領(lǐng)選于以太網(wǎng)，這是因?yàn)樗挥诖蠖鄶?shù)汽車內(nèi)。
網(wǎng)橋應(yīng)用構(gòu)成了另一領(lǐng)域，在那里MCU已應(yīng)用于娛樂(lè)、玩耍和表演。在這些應(yīng)用中，不同的網(wǎng)絡(luò)連接在一起。CAN到LIN的網(wǎng)橋，比如三菱電子公司的M16C產(chǎn)品，就用在了汽車環(huán)境。在該環(huán)境中，可能要支持多個(gè)網(wǎng)橋來(lái)隔離汽車電子設(shè)備的不同部分。CAN到LIN網(wǎng)橋能接入廉價(jià)的LIN從處理器進(jìn)行存取。雖然CAN是相當(dāng)便宜的網(wǎng)絡(luò)，但LIN設(shè)備更加便宜。二者都采用了單線連接，使得關(guān)鍵選擇因素的成本變得較低，如圖2所示。
今天，以太網(wǎng)到I2C和以太網(wǎng)到SPI，實(shí)際上是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)管理下完成的。類似的，CAN設(shè)備都在過(guò)程控制環(huán)境中流行。有幾個(gè)例子，包括Microchip公司的PIC MCU和日本日六公司的H8產(chǎn)品都帶有CAN 2.0b，并支持SPI或I2C網(wǎng)絡(luò)。甚至有單個(gè)的設(shè)備，像Lan-tronix Xport，它使用了X186（基于DSTNI LX）的MCU，帶內(nèi)置橋接串行設(shè)備的以太網(wǎng)，整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部裝配置有擴(kuò)展的RJ45插座（即水晶頭）。
4 嵌入式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)
至今，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以肯定會(huì)流行，但事例了MCU的流行無(wú)線解決方案尚未出現(xiàn)，如802.11、藍(lán)牙和ZigBee(802.15)全都需要在MCU外有大量的硬件電路塊。支持的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和以太網(wǎng)是相同級(jí)別的，要把協(xié)議集成到小的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)困難更多。ZigBee要整合到MCU內(nèi)，看起來(lái)是最容易的，因?yàn)樗墓ぷ魉俣雀�，所需的功耗更低，協(xié)議更簡(jiǎn)單。
駐留的網(wǎng)關(guān)，特別是那些無(wú)線網(wǎng)關(guān)，在嵌入式網(wǎng)絡(luò)中對(duì)安全的要求比對(duì)隔離的要求更高一些。這就是為什么像IDT公司的RC32365芯片整合了加密硬件的原理。為支持VPN（Virtual Person Network，虛擬個(gè)人網(wǎng)絡(luò)）設(shè)計(jì)提供的MCU，還需要包括一對(duì)以太網(wǎng)MAC（媒體存取控制）和SPI。
分布嵌入式系統(tǒng)的解決方法，容易用這樣的MCU來(lái)構(gòu)成，這些MCU內(nèi)整合了大部分（如果說(shuō)不是全部的話）一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)所需的硬件。選擇正確的網(wǎng)絡(luò)可能是一個(gè)更困難的任務(wù)，但至少有相當(dāng)大的范圍可自由選擇，這是有益的。
5 單線網(wǎng)絡(luò)
單線是Maxim公司集成產(chǎn)品專用網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。其獲益來(lái)自廉價(jià)的主/從架構(gòu)，包括給通信所用的小線路上提供小功率的能力。
單線主機(jī)在MCU上僅使用單根I/O線，通過(guò)軟件很容易實(shí)現(xiàn)。許多MCU已有單線主機(jī)路由。USB-單線和串行-單線的網(wǎng)橋芯片也都已出現(xiàn)。
主機(jī)沒(méi)有注冊(cè)限制，注冊(cè)隨從機(jī)進(jìn)入運(yùn)行，每個(gè)從機(jī)有一個(gè)唯一的64位串行號(hào)。初始握手協(xié)議允許主機(jī)單獨(dú)地識(shí)別每臺(tái)從機(jī)。
在戴爾半導(dǎo)體/Maxim公司工作的自動(dòng)化信息產(chǎn)品經(jīng)理Hal Kurkowski指出：?jiǎn)尉�方法能給從設(shè)備供電（如圖3所示）。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，電容器維持設(shè)備上的電壓。
在必要時(shí)，結(jié)構(gòu)主機(jī)有可能通過(guò)總線提供更大的功率。在此情況，主機(jī)必須能編程，這樣在請(qǐng)求送到從設(shè)備后，22Ω電源電阻被交替切換。有一個(gè)基于快閃存儲(chǔ)器設(shè)備的例子，對(duì)存儲(chǔ)器編程時(shí)需要更多的功率。此時(shí)主機(jī)將對(duì)設(shè)備發(fā)送請(qǐng)求，切入電源，等待規(guī)定的時(shí)間到后，再切回到1.2kΩ電阻。
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