自1770 年代創(chuàng)建第一個(gè)現(xiàn)代工業(yè)工廠系統(tǒng)以來，工業(yè)制造流程一直在不斷創(chuàng)新，迅速采用最新技術(shù)以確保更高的效率、生產(chǎn)力和產(chǎn)品質(zhì)量。隨著互聯(lián)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）解決方案在下一代工業(yè)流程中的采用，這一趨勢一直持續(xù)到今天，推動了汽車、化工、電子、食品和飲料以及制藥等所有大規(guī)模、重復(fù)、流程驅(qū)動型制造業(yè)生產(chǎn)力的階躍變化。

行業(yè)分析師預(yù)測，IIoT 市場將從 2021 年的 767 億美元增長到 2026 年的 1061 億美元以上，這是由半導(dǎo)體和電子設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步、云計(jì)算平臺的使用增加、5G 連接的發(fā)展、機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步、人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)的采用以及政府財(cái)政刺激等因素推動的。

嵌入式命令和控制接口是所有工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的核心

在本文中，我們將探討IIoT器件設(shè)計(jì)的主要趨勢，特別是對更高數(shù)據(jù)帶寬和更低功耗的需求，以及小型化的驅(qū)動力，并考慮當(dāng)前的嵌入式命令、控制和數(shù)據(jù)接口是否滿足這些挑戰(zhàn)，或者是否需要過渡到更新的接口。

IIoT 設(shè)備示例

所有工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，包括生產(chǎn)線上的先進(jìn)機(jī)器人、裝配工人使用的智能工具、倉庫中的自動導(dǎo)引車或跟蹤供應(yīng)鏈中材料狀況的簡單監(jiān)控設(shè)備，都是使用微控制器、傳感器、執(zhí)行器、攝像頭、顯示器和其他基本電子元件構(gòu)建的。與這些基本構(gòu)建模塊同樣重要的是嵌入式命令、控制和數(shù)據(jù)接口，這些接口將這些組件連接在一起，在外圍設(shè)備及其相關(guān)的主機(jī)微控制器之間提供基本的內(nèi)部連接。

嵌入式命令和控制接口挑戰(zhàn)

當(dāng)今許多IIoT設(shè)備使用I2C（內(nèi)部集成電路），SPI（串行外設(shè)接口）和UART（通用異步收發(fā)器）等接口，在過去的30年中，這些接口已成為嵌入式硬件工程師工具包中的“首選”接口。

I2C 和 SPI 配置示例

自 1970 年代末和 80 年代初推出以來，這些接口一直為嵌入式電子行業(yè)提供良好的服務(wù)。但從那時(shí)起，一些行業(yè)進(jìn)步，不僅在IIoT中，而且在更廣泛的電子行業(yè)中都很普遍，給這些傳統(tǒng)接口帶來了越來越大的壓力：

增加數(shù)據(jù)帶寬 – 命令和控制接口的總數(shù)據(jù)帶寬需求是由兩個(gè)主要因素的組合推動的。首先，內(nèi)置在IIoT設(shè)備中的傳感器、執(zhí)行器和其他外圍組件的數(shù)量不斷增加。如今的設(shè)備不僅包含服務(wù)于設(shè)備核心功能的基本組件，而且還越來越多地包含輔助組件，用于監(jiān)控設(shè)備本身的性能和環(huán)境，以確保其正常運(yùn)行并執(zhí)行設(shè)備的遠(yuǎn)程管理。其次，內(nèi)置在IIoT設(shè)備中的傳感器和其他外圍組件正變得越來越先進(jìn)，由于靈敏度、準(zhǔn)確性和采樣率的提高，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量明顯增加。

需要小型化 – 緊湊型設(shè)備設(shè)計(jì)對于許多 IIoT 設(shè)備至關(guān)重要，尤其是那些必須在預(yù)先存在的工業(yè)流程中不顯眼地適應(yīng)的設(shè)備。隨著IIoT設(shè)備包含越來越多的外圍組件，連接這些組件的命令和控制接口所需的電線和引腳數(shù)量必須保持在絕對最小值。

低功耗 – 許多 IIoT 設(shè)備的一個(gè)關(guān)鍵要求是超低功耗，以實(shí)現(xiàn)電池或其他類型的受限電源的不受限制的操作。命令和控制接口不僅本身具有高能效，而且具有“智能”性，也就是說，它們可以使設(shè)備內(nèi)的子系統(tǒng)以最有效的方式上電和斷電，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)盡可能低的功耗。

使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化接口解決這些挑戰(zhàn)

為了解決這些挑戰(zhàn)，開發(fā)人員需要實(shí)現(xiàn)新的嵌入式命令、控制和數(shù)據(jù)接口，以提供更高的帶寬，使用最少數(shù)量的電線和引腳，消耗最少的功率，并使整個(gè)系統(tǒng)能夠最大限度地降低功耗。

與專有或供應(yīng)商主導(dǎo)的接口相比，使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口可以解決這些挑戰(zhàn)并提供許多額外的好處。這在手機(jī)等鄰近行業(yè)中得到了證明，嵌入式攝像頭和顯示接口的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)解決了類似的挑戰(zhàn)。

在這些行業(yè)中使用標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)造了接口的規(guī)模經(jīng)濟(jì)，降低了集成成本，并使開發(fā)人員能夠?qū)⒐こ坛杀緮備N到大量組件上。標(biāo)準(zhǔn)化接口還促進(jìn)了增強(qiáng)支持服務(wù)的可用性，例如來自廣泛的行業(yè)貢獻(xiàn)者生態(tài)系統(tǒng)的測試和軟件資源。標(biāo)準(zhǔn)化還可以更快地改進(jìn)技術(shù)，因?yàn)楣?yīng)商開發(fā)了更有效的方法來實(shí)施規(guī)范，然后將其集成到未來的版本中。標(biāo)準(zhǔn)化接口還可以簡化正在進(jìn)行的產(chǎn)品維護(hù)和更新，這要?dú)w功于向后和向前兼容性，同時(shí)還鼓勵(lì)開發(fā)人員的長期支持。

最重要的是，標(biāo)準(zhǔn)的使用消除了設(shè)計(jì)（或選擇）專有接口的負(fù)擔(dān)，使開發(fā)人員能夠?qū)Ｗ⒂趨f(xié)議棧中更高位置并提供產(chǎn)品差異化的“更高價(jià)值”技術(shù)，例如利用機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能提供增強(qiáng)產(chǎn)品功能的應(yīng)用程序。

MIPI I3C：下一代行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)命令、控制和數(shù)據(jù)接口

MIPI I3C 是 I2C 的后繼產(chǎn)品，提供經(jīng)濟(jì)高效、簡單且靈活的雙線接口，可用于將傳感器、執(zhí)行器、控件和簡單的 UI 組件連接到主機(jī)處理器。與 I2C、SPI 和 UART 實(shí)現(xiàn)相比，它的性能、功耗和引腳數(shù)都有所改進(jìn)。MIPI I3C Basic捆綁了嵌入式開發(fā)人員最常用的I3C功能，也可在免版稅許可環(huán)境中為所有實(shí)施者提供。

結(jié)合 I3C 和 I2C 目標(biāo)的 I3C 控制器

為了應(yīng)對上述關(guān)鍵挑戰(zhàn)，I3C已被開發(fā)以提供以下功能：

支持 10 Mbps 的典型數(shù)據(jù)速率，并提供更高性能、高數(shù)據(jù)速率模式選項(xiàng)，提供超過 30 Mbps 的速度（適用于單通道模式）。

使用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 （CMOS） I/O 實(shí)現(xiàn)，使用雙線接口，以最大限度地減少引腳數(shù)和組件之間的信號路徑數(shù)量。

支持帶內(nèi)中斷 （IBI），無需為中斷信號提供額外的物理通道。

每傳輸比特消耗少量能量。

提供高能效、高速的批處理數(shù)據(jù)傳輸，并允許組件發(fā)送不頻繁的數(shù)據(jù)突發(fā)，同時(shí)最大限度地降低能耗。

包括“睡眠模式”和 IBI，使外圍組件能夠僅在必要時(shí)喚醒主機(jī)處理器，以節(jié)省功耗。

提供同步和異步時(shí)間戳，以提高使用來自各種傳感器的信號的應(yīng)用程序的準(zhǔn)確性。

向后兼容 I2C，并允許在設(shè)備中混合使用 I2C 和 I3C 組件。

由標(biāo)準(zhǔn)一致性測試套件補(bǔ)充，確保不同供應(yīng)商解決方案之間的互操作性和兼容性。

I3C 由一個(gè)活躍的行業(yè)工作組提供支持，該工作組繼續(xù)增強(qiáng)規(guī)范，尋求開發(fā)更長的路徑長度、降低功耗并為實(shí)施者實(shí)現(xiàn)更低的引腳數(shù)。

I3C 和 I2C 能耗和原始比特率

結(jié)論

嵌入式命令、控制和數(shù)據(jù)接口是所有IIoT設(shè)備中必不可少的構(gòu)建模塊。隨著IIoT設(shè)備集成越來越強(qiáng)大的功能，現(xiàn)有的命令和控制接口可能難以跟上下一代物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的帶寬、超低功耗和小型化需求。開發(fā)人員需要通過實(shí)現(xiàn)更新的命令和控制接口來解決這些挑戰(zhàn)。采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不僅可以幫助開發(fā)人員應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，還可以提供許多其他好處，例如互操作性、向后兼容性和降低成本。MIPI I3C 是下一代行業(yè)主導(dǎo)的命令、控制和數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)的示例，可應(yīng)對下一代 IIoT 設(shè)備的挑戰(zhàn)。

審核編輯：郭婷