MCU網(wǎng)絡(luò )接口方案的自由選擇

    摘要：單片機（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的附加標準。本文介紹國外帶一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò )接口MCU的發(fā)展、網(wǎng)絡(luò )構成、芯片選擇、嵌入式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )及其應用情況。

    關(guān)鍵詞：MCU網(wǎng)絡(luò ) 網(wǎng)絡(luò )接口 嵌入式系統網(wǎng)絡(luò ) 嵌入式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )

微控制器不再工作于隔離狀態(tài)，從工廠(chǎng)樓層到汽車(chē)內部，到處都有分布計算駐留。帶雙以太網(wǎng)或CAN（控制局域網(wǎng)）總線(xiàn)接口的MCU是很有用的，而這還只是冰山一角。

當今，有各種形式和大小的網(wǎng)絡(luò )。許多嵌入式系統已有多種網(wǎng)絡(luò )。隨著(zhù)TCA（電信計算架構）的新進(jìn)展，其開(kāi)關(guān)結構網(wǎng)絡(luò )（switch-fabric network）引人注意。它可以是以太網(wǎng)，使用了一對I2C(內部集成電路)總線(xiàn)來(lái)支持IPM（綜合功率管理）控制器（IPMC），這是架構管理支持的一部分。

今天，雖然獲得通信軟件相當復雜，但是選擇一種與網(wǎng)絡(luò )匹配的MCU是相當容易的。在多節點(diǎn)或多網(wǎng)絡(luò )中采用分區（或分塊）應用，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，并允許系統由廉價(jià)的MCU陣列組成，從而代替一對高性能的處理器。

    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；而應用于網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)關(guān)，則對接口的要求更高。對許多嵌入式設計問(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

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備，但并不支持網(wǎng)絡(luò )。有些接口執行SLIP（串行鏈路接口協(xié)議）或PPP（點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議），通過(guò)調制解調器（MODEM）與因特網(wǎng)連接。

表1 連接總線(xiàn)用在MCU網(wǎng)絡(luò )的情況

表2 網(wǎng)絡(luò )接口

以太網(wǎng)是現在最通用的，其高速硬件很容易插入片上系統（SoC）。為把多種設備與因特網(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(xiàn)）在MCU中更多地出現。最初，是把MCU當成一個(gè)USB外設來(lái)處理。支持USB的主機總是有用的，MCU被用作像鍵盤(pán)一樣帶有PC風(fēng)格的設備，而且與存儲設備和其它USB外設一起工作得非常好。USB在那些靠近主機的外部嵌入式網(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(xiàn)接口）。這種情況可能隨著(zhù)1394b的出現而變化，它強調是作為多媒體網(wǎng)絡(luò )的基礎設施。

CAN總線(xiàn)是一種網(wǎng)絡(luò )接口，其流行的程序與以太網(wǎng)相同，尤其是當它進(jìn)入汽車(chē)和過(guò)程控制環(huán)境后，就更是這樣了。

2 設備網(wǎng)絡(luò )

MCU更通用的是與CAN、LIN（局部互連網(wǎng)絡(luò )）、SPI（串行外設接口）、I2C和單線(xiàn)（1Wire）總線(xiàn)相連接。雖然這些接口的運行速度比以太網(wǎng)慢，但它們更容易實(shí)現。有些設備的主裝置，像單線(xiàn)協(xié)議，能完全用軟件實(shí)現，而以太網(wǎng)則很少有能這樣做的設備。

CAN已在汽車(chē)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，并適合嵌入式應用范圍，常用于LIN的分級網(wǎng)絡(luò )。

速度為20kb/s的LIN適合低性能網(wǎng)絡(luò )。雖然瞄準的是汽車(chē)工業(yè)，但LIN可作為傳感器，方便地進(jìn)入其它嵌入式應用網(wǎng)絡(luò )。CAN和LIN都有單線(xiàn)設計的優(yōu)點(diǎn)。作為大多數單線(xiàn)設計，對設備采取共地是有效的。

國家半導體和摩托羅拉公司開(kāi)發(fā)了SPI，它使用主/從架構方式，與從機的數據收集、整理系統鏈接在一起（daisy-chain together），如力所示。要實(shí)現串行外設接口是相當簡(jiǎn)單的，為保持靠近主機的SPI從機，使用單獨的芯片選擇。

I2C使用雙線(xiàn)時(shí)鐘總線(xiàn)，支持主/從和多架構。從先進(jìn)的TCA到電池的監視。I2C已在廣泛的嵌入式應用范圍內找到了自己的位置。一個(gè)運行在3.4Mb/s下的高速能版本工作在100kb/s范圍內時(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)字節的證實(shí)（per-byteacknowledgement），使它能相當容易地用硬件實(shí)現。如沒(méi)有大量的軟件開(kāi)銷(xiāo)，它本身對UART（通用異步收發(fā)器）的執行是沒(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(xiàn)架構是專(zhuān)用的只有一條連線(xiàn)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。有各種消息來(lái)源（source）提供給單線(xiàn)從設備。此架構對簡(jiǎn)單、低功耗設備是很有用的。

在MCU上，單獨的網(wǎng)絡(luò )接口已成功一段時(shí)間了。后來(lái)，更多出現的是多于一個(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10/100Mb/s的以太網(wǎng)接口）上都能運行。這些MCU能輕松地支持常駐的網(wǎng)關(guān)和機頂盒應用。許多MCU零售商正推動(dòng)在此范圍應用的解決方法。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（shipment），CAN到CAN的網(wǎng)關(guān)卻領(lǐng)選于以太網(wǎng)，這是因為它位于大多數汽車(chē)內。

網(wǎng)橋應用構成了另一領(lǐng)域，在那里MCU已應用于娛樂(lè )、玩耍和表演。在這些應用中，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(chē)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(chē)電子設備的不同部分。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是相當便宜的網(wǎng)絡(luò )，但LIN設備更加便宜。二者都采用了單線(xiàn)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)際上是在計算機系統管理下完成的。類(lèi)似的，CAN設備都在過(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)的設備，像Lan-tronix Xport，它使用了X186（基于DSTNI LX）的MCU，帶內置橋接串行設備的以太網(wǎng)，整個(gè)系統內部裝配置有擴展的RJ45插座（即水晶頭）。

4 嵌入式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )

至今，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可以肯定會(huì )流行，但事例了MCU的流行無(wú)線(xiàn)解決方案尚未出現，如802.11、藍牙和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)是相同級別的，要把協(xié)議集成到小的網(wǎng)絡(luò )內困難更多。ZigBee要整合到MCU內，看起來(lái)是最容易的，因為它的工作速度更慢，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(xiàn)網(wǎng)關(guān)，在嵌入式網(wǎng)絡(luò )中對安全的要求比對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 )）設計提供的MCU，還需要包括一對以太網(wǎng)MAC（媒體存取控制）和SPI。

分布嵌入式系統的解決方法，容易用這樣的MCU來(lái)構成，這些MCU內整合了大部分（如果說(shuō)不是全部的話(huà)）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)，但至少有相當大的范圍可自由選擇，這是有益的。

5 單線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )

單線(xiàn)是Maxim公司集成產(chǎn)品專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )架構。其獲益來(lái)自廉價(jià)的主/從架構，包括給通信所用的小線(xiàn)路上提供小功率的能力。

單線(xiàn)主機在MCU上僅使用單根I/O線(xiàn)，通過(guò)軟件很容易實(shí)現。許多MCU已有單線(xiàn)主機路由。USB-單線(xiàn)和串行-單線(xiàn)的網(wǎng)橋芯片也都已出現。

主機沒(méi)有注冊限制，注冊隨從機進(jìn)入運行，每個(gè)從機有一個(gè)唯一的64位串行號。初始握手協(xié)議允許主機單獨地識別每臺從機。

在戴爾半導體/Maxim公司工作的自動(dòng)化信息產(chǎn)品經(jīng)理Hal Kurkowski指出：?jiǎn)尉€(xiàn)方法能給從設備供電（如圖3所示）。當數據傳輸時(shí)，電容器維持設備上的電壓。

在必要時(shí)，結構主機有可能通過(guò)總線(xiàn)提供更大的功率。在此情況，主機必須能編程，這樣在請求送到從設備后，22Ω電源電阻被交替切換。有一個(gè)基于快閃存儲器設備的例子，對存儲器編程時(shí)需要更多的功率。此時(shí)主機將對設備發(fā)送請求，切入電源，等待規定的時(shí)間到后，再切回到1.2kΩ電阻。