MCU网络接口方案的自由选择

摘要：单片机（微控制器，MCU）的连通性正成为带一个或多个网络接口MCU的附加标准。本文介绍国外带一个或多个网络接口MCU的发展、网络构成、芯片选择、嵌入式无线网络及其应用情况。     关键词：MCU网络 网络接口 嵌入式系统网络 嵌入式无线网络 微控制器不再工作于隔离状态，从工厂楼层到汽车内部，到处都有分布计算驻留。带双以太网或CAN（控制局域网）总线接口的MCU是很有用的，而这还只是冰山一角。 当今，有各种形式和大小的网络。许多嵌入式系统已有多种网络。随着TCA（电信计算架构）的新进展，其开关结构网络（switch-fabric network）引人注意。它可以是以太网，使用了一对I2C(内部集成电路)总线来支持IPM（综合功率管理）控制器（IPMC），这是架构管理支持的一部分。 今天，虽然获得通信软件相当复杂，但是选择一种与网络匹配的MCU是相当容易的。在多节点或多网络中采用分区（或分块）应用，可以解决耐用性方面的问题。与分布处理器相比，联网还能减少电缆需求，并允许系统由廉价的MCU阵列组成，从而代替一对高性能的处理器。     MCU网络覆盖了广泛的嵌入式环境。以太网是最流行的网络，特别是对因特网与局域网的连通。RS-232接口很流行，但它的速度慢，主要用来控制的装置；而应用于网络的网关，则对接口的要求更高。对许多嵌入式设计问题。研发者可选一个或多个合适的网络接口来解决。 1 网络与外设 很多流行的网络接口都是装在MCU上的（见表1和表2所列）。串行接口很流行，它主要用于串行接口设备，但并不支持网络。有些接口执行SLIP（串行链路接口协议）或PPP（点对点协议），通过调制解调器（MODEM）与因特网连接。 表1 连接总线用在MCU网络的情况 总线名称 所占百分比/（%） RS-232 57.5 以太网 39.3 USB（通用串行总线） 20.0 CAN（控制域网络） 17.8 802.11（无线） 7.9 蓝牙（短距离无线） 8.6 火线/1394（高速串行总线） 5.7 专门的 15.8 其它 20.4 无名 4.7 表2 网络接口 接 口 性能说明 传输速度/距离 架  构 协  议 连线数 以太 10/100/1000BaseT局域网（LAN） 10、100、1000Mb/s 100以上 多主机，CSMA/CD IPv4,IPv6, TPP/IP 4(Cat5) 光 1394b 火线LAN/外设网络 8002400Mb/s 100mUTP（未屏蔽双绞线） 多主机 1394 TCP/IP 6 光 USB 通用串行总线外设网络 12Mb/s sv1.1 480Mb/s sv2,0 25m 主/从 星形 127个设备 USB 4 SPI 串行外设接口设备网络 1Mb/s 5m 主/从 - 3加线地和片选 I2C 内部集成电路设备网络 1000kb/s 标准 400kb/s 快速 3.4Mb/s 高速 10m 主/从 多个主机 - 2加地线 CAN 控制域网络设备网络 1Mb/s 40m 10kb/s 5000m 主/从 多个主机 CANopen 1加地线 差分 光 LIN 局部互连网络设备网络 20kb/s 80m 主/从 16个设备 LIN 触发时间 1加地线 1Wire Maxim(专用) 16kb/s 140kb/s 600m 主/从 1Wire 1加地线 以太网是现在最通用的，其高速硬件很容易插入片上系统（SoC）。为把多种设备与因特网连接起来，增加以太网已变得很重要。 后来，USB（通用串行总线）在MCU中更多地出现。最初，是把MCU当成一个USB外设来处理。支持USB的主机总是有用的，MCU被用作像键盘一样带有PC风格的设备，而且与存储设备和其它USB外设一起工作得非常好。USB在那些靠近主机的外部嵌入式网络中变得更加重要。 正在慢慢嵌入MCU的接口有1394（高速总线接口）。这种情况可能随着1394b的出现而变化，它强调是作为多媒体网络的基础设施。 CAN总线是一种网络接口，其流行的程序与以太网相同，尤其是当它进入汽车和过程控制环境后，就更是这样了。 2 设备网络 MCU更通用的是与CAN、LIN（局部互连网络）、SPI（串行外设接口）、I2C和单线（1Wire）总线相连接。虽然这些接口的运行速度比以太网慢，但它们更容易实现。有些设备的主装置，像单线协议，能完全用软件实现，而以太网则很少有能这样做的设备。 CAN已在汽车和过程控制工业中找到了自己的位置。它受到广泛支持，并适合嵌入式应用范围，常用于LIN的分级网络。 速度为20kb/s的LIN适合低性能网络。虽然瞄准的是汽车工业，但LIN可作为传感器，方便地进入其它嵌入式应用网络。CAN和LIN都有单线设计的优点。作为大多数单线设计，对设备采取共地是有效的。 国家半导体和摩托罗拉公司开发了SPI，它使用主/从架构方式，与从机的数据收集、整理系统链接在一起（daisy-chain together），如力所示。要实现串行外设接口是相当简单的，为保持靠近主机的SPI从机，使用单独的芯片选择。 I2C使用双线时钟总线，支持主/从和多架构。从先进的TCA到电池的监视。I2C已在广泛的嵌入式应用范围内找到了自己的位置。一个运行在3.4Mb/s下的高速能版本工作在100kb/s范围内时也同样的好。飞利浦是I2C的支持者之一。 I2C的同步特性及其每个字节的证实（per-byteacknowledgement），使它能相当容易地用硬件实现。如没有大量的软件开销，它本身对UART（通用异步收发器）的执行是没有帮助的。与以太网、CAN和LIN比较、I2C有广泛的零售商支持。 单线架构是专用的只有一条连线的主/从网络。主网络可由任何人开发，但从网络必注册。有各种消息来源（source）提供给单线从设备。此架构对简单、低功耗设备是很有用的。 在MCU上，单独的网络接口已成功一段时间了。后来，更多出现的是多于一个接口的MCU。这允许MCU作网络之间连接的网关。 3 网关芯片 带有一对网络接口的MCU，在从Ubicom公司的低价IP3023网络处理器（它能支持6种网络）到NEC公司的400MHz、64位Vr7701处理器（它带有一对10/100Mb/s的以太网接口）上都能运行。这些MCU能轻松地支持常驻的网关和机顶盒应用。许多MCU零售商正推动在此范围应用的解决方法。以太网的网关保持了在SOHO（小型办公和家庭办公）环境的流行。借助于装运（shipment），CAN到CAN的网关却领选于以太网，这是因为它位于大多数汽车内。 网桥应用构成了另一领域，在那里MCU已应用于娱乐、玩耍和表演。在这些应用中，不同的网络连接在一起。CAN到LIN的网桥，比如三菱电子公司的M16C产品，就用在了汽车环境。在该环境中，可能要支持多个网桥来隔离汽车电子设备的不同部分。CAN到LIN网桥能接入廉价的LIN从处理器进行存取。虽然CAN是相当便宜的网络，但LIN设备更加便宜。二者都采用了单线连接，使得关键选择因素的成本变得较低，如图2所示。 今天，以太网到I2C和以太网到SPI，实际上是在计算机系统管理下完成的。类似的，CAN设备都在过程控制环境中流行。有几个例子，包括Microchip公司的PIC MCU和日本日六公司的H8产品都带有CAN 2.0b，并支持SPI或I2C网络。甚至有单个的设备，像Lan-tronix Xport，它使用了X186（基于DSTNI LX）的MCU，带内置桥接串行设备的以太网，整个系统内部装配置有扩展的RJ45插座（即水晶头）。 4 嵌入式无线网络 至今，无线网络可以肯定会流行，但事例了MCU的流行无线解决方案尚未出现，如802.11、蓝牙和ZigBee(802.15)全都需要在MCU外有大量的硬件电路块。支持的网络协议和以太网是相同级别的，要把协议集成到小的网络内困难更多。ZigBee要整合到MCU内，看起来是最容易的，因为它的工作速度更慢，所需的功耗更低，协议更简单。 驻留的网关，特别是那些无线网关，在嵌入式网络中对安全的要求比对隔离的要求更高一些。这就是为什么像IDT公司的RC32365芯片整合了加密硬件的原理。为支持VPN（Virtual Person Network，虚拟个人网络）设计提供的MCU，还需要包括一对以太网MAC（媒体存取控制）和SPI。 分布嵌入式系统的解决方法，容易用这样的MCU来构成，这些MCU内整合了大部分（如果说不是全部的话）一个或多个网络所需的硬件。选择正确的网络可能是一个更困难的任务，但至少有相当大的范围可自由选择，这是有益的。 5 单线网络 单线是Maxim公司集成产品专用网络架构。其获益来自廉价的主/从架构，包括给通信所用的小线路上提供小功率的能力。 单线主机在MCU上仅使用单根I/O线，通过软件很容易实现。许多MCU已有单线主机路由。USB-单线和串行-单线的网桥芯片也都已出现。 主机没有注册限制，注册随从机进入运行，每个从机有一个唯一的64位串行号。初始握手协议允许主机单独地识别每台从机。 在戴尔半导体/Maxim公司工作的自动化信息产品经理Hal Kurkowski指出：单线方法能给从设备供电（如图3所示）。当数据传输时，电容器维持设备上的电压。 在必要时，结构主机有可能通过总线提供更大的功率。在此情况，主机必须能编程，这样在请求送到从设备后，22Ω电源电阻被交替切换。有一个基于快闪存储器设备的例子，对存储器编程时需要更多的功率。此时主机将对设备发送请求，切入电源，等待规定的时间到后，再切回到1.2kΩ电阻。