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(lèi)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(chē)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?xún)|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(zhuān)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。