使用高集成度MCU实现网络支持的技术

　　在过去 20 年中，许多工业和自动化系统的趋势是向单个节点添加越来越多的数字智能，以提高它们的响应速度。通过使用分布式智能将系统整合到系统系统（也称为“物联网”）中，系统可以变得更加灵活。通过网络控制，可以提供对设备的远程控制，让它们更智能地工作，以节省能源并提供状态和错误反馈。

　　使用从远程节点收集的数据，云中的服务器可以在警报开始出现时主动安排维护。这些服务器还可以通过使用增强的控制算法使设备协同工作，以获得更节能或更具成本效益的解决方案，这些算法不仅对来自一个设备的数据作出反应，而且还执行传感器融合以使用来自多个设备的输入。

　　自 1970 年代推出以来，以及随后在 1980 年代更新为使用低成本双绞线电缆，以太网已成为主要的有线网络技术和许多互联网协议 （IP） 网络的基础，这些网络结合起来形成了全球互联网。 这两个标准在电信和数据通信应用中的全球普及鼓励了工业领域的用户接受它们。不断增加的成本压力和数据交换过程中对兼容性的需求使得以太网和 IP 的结合变得引人注目。

　　除了工业控制之外，城市范围的网络也开始出现，这些网络汇集了一系列智能设备，这些设备可以监控路灯和安全门的状态，并从闭路电视摄像机中捕获视频。通过 SmartSantander 等项目已经开始对这些网络进行大规模试验，其中传感器甚至可以检测停车位是否是空的。

　　为了向这些网络中的服务器提供信息，可以将最小的 Web 服务器实现装入相对较小的内存中。或者，该设备可以实现常见的 Web 服务协议，例如 SOAP。可以找到极小的 Web 服务库，甚至更大的面向嵌入式的库也不到 0.5 兆字节。¹ 使用 SOAP 等协议与专有消息协议相比，消息大小往往会增加，但仍然可以通过相对资源受限的处理器。

　　图 ：一项研究显示了 SOAP 和 IP 对来自智能传感器的响应的数据大小的相对开销。¹

　　为了降低整个系统的成本，一种常见的方法是使用服务网关。这些网关在一侧使用标准 Internet 连接，通常通过以太网端口，另一侧用于更简单、低成本的工业网络。可以使用以太网供电标准向这些网关供电，从而更容易将设备插入网络并立即启动，而无需部署单独的电源连接。

　　对配置的进一步帮助是动态主机配置协议 （DHCP），它允许节点自动获得在 TCP/IP 网络上作为对等点运行所需的 IP 地址。这减少了基于设备的系统的配置和安装开销。将 DHCP 与普通文件传输协议 （TFTP） 一起使用，可以在初始化时将新的引导代码加载到设备中，从而降低安装和维护成本。该设备只需连接到以太网电缆，即可从本地 DHCP 服务器获取地址，然后下载引导代码。

　　图 ：使用 DHCP 协议获取网络地址所涉及的事件序列。该序列以设备发出的请求开始。服务器通过提供一个未使用的地址进行响应，如果设备接受该地址，服务器将确认，允许设备使用该 IP 地址。

　　为了支持分布式控制的演进，MPU 和 MCU 供应商正在为其产品添加网络接口。其中许多设备都具有片上以太网媒体访问控制器 （MAC）。

　　MAC 负责检测以太网上哪些数据包应被捕获以供处理器使用以及将数据包发送到服务器或另一个节点所需的处理。需要另一个设备，即物理层接口 （PHY） 将 MCU 连接到网络。为了简化集成，几乎所有 MAC 都使用媒体独立接口 （MII） 协议与 PHY 进行通信。这允许使用不同的 PHY 来适应不同的环境特性。例如，在安全关键环境中，PHY 可以配置为支持光纤通信，而不是传统的电信号接口。

　　以太网支持不仅限于高端 32 位设备。越来越多的提供以太网接口的 8 位设备正在出现，其中一些设备增加了硬件支持以简化数据包传输，并为工业产品和传感器网关提供非常低成本的网络支持。Maxim Integrated Products

　　制造的 DSC80C400是一款高度集成的基于 8051 的 MCU，包括用于汽车和工业网络的 CAN 接口和 10/100 Mb/s 以太网 MAC。为了提供完整的网络支持，ROM 具有完整的 TCP/IP v4/v6 堆栈和支持多达 32 个同时 TCP/IP 连接的操作系统。该堆栈包括对 DHCP 和 TFTP 的支持，以允许在设备连接到网络时进行自我配置和远程启动。

　　当以 75 MHz 的最大时钟频率运行 TCP/IP 时，MCU 能够通过以太网端口维持高达 5 Mb/s 的数据速率。

　　虽然核心架构是 8 位主力 8051 的架构，但 DS80C400 包含的功能使其适合作为分层网络中的中央控制器，为在实时网络（如 CAN 或串行总线）上通信的设备提供网关功能企业网络或互联网。通过使用 24 位寻址方案和四个专用数据指针来访问外部存储器中的大数据缓冲区，这些数据指针可以在数据传入和传出内存时自动递增和递减。Zilog Acclaim

　　EZ80F91 使用类似的方法来处理在内存和片上以太网 MAC 之间移动的数据包。指针管理数据包数据的读取和写入，从而减轻 CPU 的负担。仲裁器控制对以太网 MAC 外设的内存块的访问。

　　除以太网 MAC 外，Acclaim 还包括用于连接各种外围设备的 I²C、SPI 和 UART 串行端口，因此 MCU 可用作传感器和执行器系统到 Internet 的网关。处理器架构基于 eZ80 指令集。

　　许多 32 位 MCU 提供片上以太网 MAC，包括Atmel的AVR UC3系列和飞思卡尔半导体的Kinetis。

　　AVR UC3 器件上的外设事件系统通过允许处理器内核在外设继续运行、缓冲数据包或从 ADC 输入捕获模拟数据时休眠，从而有助于降低功耗。向 UC3 内核添加浮点数学运算使这些设备能够以高速捕获和处理模拟输入，并将警报或压缩样本数据中继到 Internet 服务器以进行进一步处理。同样，Kinetis 采用的 Cortex-M4 内核也提供浮点数学和 DSP 支持。Texas Instruments Stellaris

　　的许多成员采用以太网 MAC 和 PHY 的组合，无需购买单独的 MII 兼容 PHY 设备并提供更高程度的集成。

　　对于需要定制逻辑和网络连接的设计，Microsemi 的SmartFusion片上系统 （SoC） 设备提供以太网 MAC 以及一系列可编程逻辑门、ARM Cortex-M3 处理器内核和智能模拟捕获系统。这种外围设备的组合使得构建连接互联网的电机和执行器控制器成为可能，这些控制器需要相对较少的主机处理器干预。脉宽调制 （PWM） 例程可以下载到可编程逻辑和用于预处理传入传感器数据的模拟捕获引擎中。如果条件超出容限，逻辑块可以提醒处理器进行干预。

　　然后，处理器可以组装一个状态更新数据包，可能使用可编程逻辑的另一部分来执行数据压缩，然后通过以太网 MAC 将该数据传递到网络。

　　随着网络支持成为许多行业的关键要求，越来越多的 MCU 和 SoC 供应商正在做出响应，不仅在其产品中添加以太网接口，还添加参考软件。

　　对于嵌入式网络服务器等功能，提到的许多 MCU 已经提供了参考实现。例如，包含网络服务器代码的开源 IwIP 堆栈已被移植到 AVR UC3、SmartFusion 和 Stellaris 等 MCU，并在各自供应商提供的应用说明中进行了描述。这些有助于简化实现驱动物联网的网络连接设备和网关的过程。

　　总结

　　本文概述了使用高集成度 MCU 为工业和嵌入式产品实现网络支持的技术。讨论的器件包括 Atmel、Maxim Integrated Products、Freescale Semiconductor、Microsemi、Maxim Integrated Products、德州仪器和 Zilog 的产品。