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架構

20世紀80年代，當個(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，一場(chǎng)正在興起的計算革命能夠發(fā)掘并大大提高人們的生產(chǎn)效率。20世紀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)現了互連，從此互連網(wǎng)的計算和通信功能開(kāi)始明顯地提高人們工作的效率。

隨著(zhù)越來(lái)越多的嵌入式應用系統開(kāi)始相互連接并與網(wǎng)絡(luò )計算基礎架構連接在一起，我們有可能會(huì )在嵌入式控制應用的ROI（投資回報）中看到與網(wǎng)絡(luò )應用類(lèi)似的階躍式增長(cháng)。

互連的方案

將某一應用系統中（或者分離的應用系統中）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接口的特性。（注：本文不討論無(wú)線(xiàn)互連技術(shù)。）

表1 主要的嵌入式系統互連技術(shù)的特性

挖掘基礎架構

相對USB的普及，以太網(wǎng)最有可能為嵌入式控制應用的互連帶來(lái)革命。幾乎在每一棟大樓、家庭、辦公室和工廠(chǎng)車(chē)間里都遍布著(zhù)網(wǎng)絡(luò )電纜、集線(xiàn)器和交換機，網(wǎng)絡(luò )基礎架構的普及為嵌入式控制的互連提供了巨大的機遇。通過(guò)挖掘網(wǎng)絡(luò )基礎架構的潛力，可以提高嵌入式控制的應用效率，降低其成本，并催生新型的應用。

以太網(wǎng)具有驚人的尋址能力，能夠將數以?xún)|計的設備連接在一起。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，并且具有很多不錯的特性：

• 使用差分信號，具有較高的抗噪性；
  
• 通過(guò)使用微型變壓器（常常集成在標準的RJ-45連接器中），實(shí)現了高達1500V的導線(xiàn)絕緣性能；
  
• 低工作電壓；
  
• 高速。

以太網(wǎng)規范規定以太網(wǎng)需要兩種接口部件：MAC（Media Access Controller，媒體訪(fǎng)問(wèn)控制器）和PHY（Physical transceiver，物理收發(fā)器）。MAC是一種純數字的設備，負責數據流的同步處理。而PHY在很大程度上是一種模擬器件，負責將數據轉換成在特定的媒體上（常用雙絞線(xiàn)）傳輸所需的信號電平。

到目前為止，嵌入式控制設計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，需要嵌入式應用為PC總線(xiàn)的仿真預留大量的I/O接口（24個(gè)以上）。

近來(lái)，很多微控制器廠(chǎng)商已經(jīng)開(kāi)始關(guān)注嵌入式控制的應用領(lǐng)域，并且認識到這一領(lǐng)域對更靈活和更專(zhuān)用解決方案的需求。有些廠(chǎng)商已經(jīng)開(kāi)始把MAC部件集成到標準的8位或16位微控制器架構中，形成了非常緊湊的解決方案。

另外一些廠(chǎng)商則將MAC和PHY都集成到引腳個(gè)數較少的以太網(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。而大部分應用的成本源于PC總線(xiàn)和作為緩沖存儲的系統存儲器。另外，管理收發(fā)緩沖器的數據傳輸、錯誤檢測和消息過(guò)濾還需要用到處理器。

現在，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用發(fā)掘以太網(wǎng)技術(shù)和基礎架構打開(kāi)了方便之門(mén)。

性能問(wèn)題

成本最低的以太網(wǎng)標準設備是10Base-T（IEEE 802.3i），其性能與全速USB相當，并且高于表1中所列舉的所有接口的性能。目前最常見(jiàn)的平臺是100Mb/s的100Base-T（IEEE 802.3u）。這兩種標準是可以同時(shí)工作的，因此廉價(jià)的10Base-T設備可以直接連接到100Base-T標準的基礎架構上。

當前，10/100Base-T交換機每個(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(xiàn)器。在大部分嵌入式控制的應用中，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

最近出現的一種技術(shù)強有力的推進(jìn)了POE（Power over Ethernet，以太網(wǎng)供電）的標準化進(jìn)程。10/100Base-T標準授權可以使用微型變壓器進(jìn)行電絕緣，同時(shí)所有標準電纜中都包含多余的雙絞線(xiàn)，這就為現有的網(wǎng)絡(luò )基礎架構供電提供了兩種簡(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于嵌入式控制的設計者來(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備，可以抵消應用接口所新增的部分成本。而且在取消電源連線(xiàn)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程應用系統了。