在過去 20 年中，許多工業(yè)和自動(dòng)化系統(tǒng)的趨勢(shì)是向單個(gè)節(jié)點(diǎn)添加越來越多的數(shù)字智能，以提高它們的響應(yīng)速度。通過使用分布式智能將系統(tǒng)整合到系統(tǒng)系統(tǒng)（也稱為“物聯(lián)網(wǎng)”）中，系統(tǒng)可以變得更加靈活。通過網(wǎng)絡(luò)控制，可以提供對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，讓它們更智能地工作，以節(jié)省能源并提供狀態(tài)和錯(cuò)誤反饋。

　　使用從遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)，云中的服務(wù)器可以在警報(bào)開始出現(xiàn)時(shí)主動(dòng)安排維護(hù)。這些服務(wù)器還可以通過使用增強(qiáng)的控制算法使設(shè)備協(xié)同工作，以獲得更節(jié)能或更具成本效益的解決方案，這些算法不僅對(duì)來自一個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)作出反應(yīng)，而且還執(zhí)行傳感器融合以使用來自多個(gè)設(shè)備的輸入。

　　自 1970 年代推出以來，以及隨后在 1980 年代更新為使用低成本雙絞線電纜，以太網(wǎng)已成為主要的有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和許多互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 （IP） 網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，這些網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來形成了全球互聯(lián)網(wǎng)。 這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在電信和數(shù)據(jù)通信應(yīng)用中的全球普及鼓勵(lì)了工業(yè)領(lǐng)域的用戶接受它們。不斷增加的成本壓力和數(shù)據(jù)交換過程中對(duì)兼容性的需求使得以太網(wǎng)和 IP 的結(jié)合變得引人注目。

　　除了工業(yè)控制之外，城市范圍的網(wǎng)絡(luò)也開始出現(xiàn)，這些網(wǎng)絡(luò)匯集了一系列智能設(shè)備，這些設(shè)備可以監(jiān)控路燈和安全門的狀態(tài)，并從閉路電視攝像機(jī)中捕獲視頻。通過 SmartSantander 等項(xiàng)目已經(jīng)開始對(duì)這些網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大規(guī)模試驗(yàn)，其中傳感器甚至可以檢測(cè)停車位是否是空的。

　　為了向這些網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器提供信息，可以將最小的 Web 服務(wù)器實(shí)現(xiàn)裝入相對(duì)較小的內(nèi)存中?；蛘?，該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)常見的 Web 服務(wù)協(xié)議，例如 SOAP?？梢哉业綐O小的 Web 服務(wù)庫(kù)，甚至更大的面向嵌入式的庫(kù)也不到 0.5 兆字節(jié)。1 使用 SOAP 等協(xié)議與專有消息協(xié)議相比，消息大小往往會(huì)增加，但仍然可以通過相對(duì)資源受限的處理器。

　　圖 ：一項(xiàng)研究顯示了 SOAP 和 IP 對(duì)來自智能傳感器的響應(yīng)的數(shù)據(jù)大小的相對(duì)開銷。1

　　為了降低整個(gè)系統(tǒng)的成本，一種常見的方法是使用服務(wù)網(wǎng)關(guān)。這些網(wǎng)關(guān)在一側(cè)使用標(biāo)準(zhǔn) Internet 連接，通常通過以太網(wǎng)端口，另一側(cè)用于更簡(jiǎn)單、低成本的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)?？梢允褂靡蕴W(wǎng)供電標(biāo)準(zhǔn)向這些網(wǎng)關(guān)供電，從而更容易將設(shè)備插入網(wǎng)絡(luò)并立即啟動(dòng)，而無(wú)需部署單獨(dú)的電源連接。

　　對(duì)配置的進(jìn)一步幫助是動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議 （DHCP），它允許節(jié)點(diǎn)自動(dòng)獲得在 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)上作為對(duì)等點(diǎn)運(yùn)行所需的 IP 地址。這減少了基于設(shè)備的系統(tǒng)的配置和安裝開銷。將 DHCP 與普通文件傳輸協(xié)議 （TFTP） 一起使用，可以在初始化時(shí)將新的引導(dǎo)代碼加載到設(shè)備中，從而降低安裝和維護(hù)成本。該設(shè)備只需連接到以太網(wǎng)電纜，即可從本地 DHCP 服務(wù)器獲取地址，然后下載引導(dǎo)代碼。

　　圖 ：使用 DHCP 協(xié)議獲取網(wǎng)絡(luò)地址所涉及的事件序列。該序列以設(shè)備發(fā)出的請(qǐng)求開始。服務(wù)器通過提供一個(gè)未使用的地址進(jìn)行響應(yīng)，如果設(shè)備接受該地址，服務(wù)器將確認(rèn)，允許設(shè)備使用該 IP 地址。

　　為了支持分布式控制的演進(jìn)，MPU 和 MCU 供應(yīng)商正在為其產(chǎn)品添加網(wǎng)絡(luò)接口。其中許多設(shè)備都具有片上以太網(wǎng)媒體訪問控制器 （MAC）。

　　MAC 負(fù)責(zé)檢測(cè)以太網(wǎng)上哪些數(shù)據(jù)包應(yīng)被捕獲以供處理器使用以及將數(shù)據(jù)包發(fā)送到服務(wù)器或另一個(gè)節(jié)點(diǎn)所需的處理。需要另一個(gè)設(shè)備，即物理層接口 （PHY） 將 MCU 連接到網(wǎng)絡(luò)。為了簡(jiǎn)化集成，幾乎所有 MAC 都使用媒體獨(dú)立接口 （MII） 協(xié)議與 PHY 進(jìn)行通信。這允許使用不同的 PHY 來適應(yīng)不同的環(huán)境特性。例如，在安全關(guān)鍵環(huán)境中，PHY 可以配置為支持光纖通信，而不是傳統(tǒng)的電信號(hào)接口。

　　以太網(wǎng)支持不僅限于高端 32 位設(shè)備。越來越多的提供以太網(wǎng)接口的 8 位設(shè)備正在出現(xiàn)，其中一些設(shè)備增加了硬件支持以簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)包傳輸，并為工業(yè)產(chǎn)品和傳感器網(wǎng)關(guān)提供非常低成本的網(wǎng)絡(luò)支持。Maxim Integrated Products

　　制造的 DSC80C400是一款高度集成的基于 8051 的 MCU，包括用于汽車和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的 CAN 接口和 10/100 Mb/s 以太網(wǎng) MAC。為了提供完整的網(wǎng)絡(luò)支持，ROM 具有完整的 TCP/IP v4/v6 堆棧和支持多達(dá) 32 個(gè)同時(shí) TCP/IP 連接的操作系統(tǒng)。該堆棧包括對(duì) DHCP 和 TFTP 的支持，以允許在設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)時(shí)進(jìn)行自我配置和遠(yuǎn)程啟動(dòng)。

　　當(dāng)以 75 MHz 的最大時(shí)鐘頻率運(yùn)行 TCP/IP 時(shí)，MCU 能夠通過以太網(wǎng)端口維持高達(dá) 5 Mb/s 的數(shù)據(jù)速率。

　　雖然核心架構(gòu)是 8 位主力 8051 的架構(gòu)，但 DS80C400 包含的功能使其適合作為分層網(wǎng)絡(luò)中的中央控制器，為在實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)（如 CAN 或串行總線）上通信的設(shè)備提供網(wǎng)關(guān)功能企業(yè)網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)。通過使用 24 位尋址方案和四個(gè)專用數(shù)據(jù)指針來訪問外部存儲(chǔ)器中的大數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，這些數(shù)據(jù)指針可以在數(shù)據(jù)傳入和傳出內(nèi)存時(shí)自動(dòng)遞增和遞減。Zilog Acclaim

　　EZ80F91 使用類似的方法來處理在內(nèi)存和片上以太網(wǎng) MAC 之間移動(dòng)的數(shù)據(jù)包。指針管理數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)的讀取和寫入，從而減輕 CPU 的負(fù)擔(dān)。仲裁器控制對(duì)以太網(wǎng) MAC 外設(shè)的內(nèi)存塊的訪問。

　　除以太網(wǎng) MAC 外，Acclaim 還包括用于連接各種外圍設(shè)備的 I2C、SPI 和 UART 串??行端口，因此 MCU 可用作傳感器和執(zhí)行器系統(tǒng)到 Internet 的網(wǎng)關(guān)。處理器架構(gòu)基于 eZ80 指令集。

　　許多 32 位 MCU 提供片上以太網(wǎng) MAC，包括Atmel的AVR UC3系列和飛思卡爾半導(dǎo)體的Kinetis。

　　AVR UC3 器件上的外設(shè)事件系統(tǒng)通過允許處理器內(nèi)核在外設(shè)繼續(xù)運(yùn)行、緩沖數(shù)據(jù)包或從 ADC 輸入捕獲模擬數(shù)據(jù)時(shí)休眠，從而有助于降低功耗。向 UC3 內(nèi)核添加浮點(diǎn)數(shù)學(xué)運(yùn)算使這些設(shè)備能夠以高速捕獲和處理模擬輸入，并將警報(bào)或壓縮樣本數(shù)據(jù)中繼到 Internet 服務(wù)器以進(jìn)行進(jìn)一步處理。同樣，Kinetis 采用的 Cortex-M4 內(nèi)核也提供浮點(diǎn)數(shù)學(xué)和 DSP 支持。Texas Instruments Stellaris

　　的許多成員采用以太網(wǎng) MAC 和 PHY 的組合，無(wú)需購(gòu)買單獨(dú)的 MII 兼容 PHY 設(shè)備并提供更高程度的集成。

　　對(duì)于需要定制邏輯和網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)計(jì)，Microsemi 的SmartFusion片上系統(tǒng) （SoC） 設(shè)備提供以太網(wǎng) MAC 以及一系列可編程邏輯門、ARM Cortex-M3 處理器內(nèi)核和智能模擬捕獲系統(tǒng)。這種外圍設(shè)備的組合使得構(gòu)建連接互聯(lián)網(wǎng)的電機(jī)和執(zhí)行器控制器成為可能，這些控制器需要相對(duì)較少的主機(jī)處理器干預(yù)。脈寬調(diào)制 （PWM） 例程可以下載到可編程邏輯和用于預(yù)處理傳入傳感器數(shù)據(jù)的模擬捕獲引擎中。如果條件超出容限，邏輯塊可以提醒處理器進(jìn)行干預(yù)。

　　然后，處理器可以組裝一個(gè)狀態(tài)更新數(shù)據(jù)包，可能使用可編程邏輯的另一部分來執(zhí)行數(shù)據(jù)壓縮，然后通過以太網(wǎng) MAC 將該數(shù)據(jù)傳遞到網(wǎng)絡(luò)。

　　隨著網(wǎng)絡(luò)支持成為許多行業(yè)的關(guān)鍵要求，越來越多的 MCU 和 SoC 供應(yīng)商正在做出響應(yīng)，不僅在其產(chǎn)品中添加以太網(wǎng)接口，還添加參考軟件。

　　對(duì)于嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等功能，提到的許多 MCU 已經(jīng)提供了參考實(shí)現(xiàn)。例如，包含網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器代碼的開源 IwIP 堆棧已被移植到 AVR UC3、SmartFusion 和 Stellaris 等 MCU，并在各自供應(yīng)商提供的應(yīng)用說明中進(jìn)行了描述。這些有助于簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備和網(wǎng)關(guān)的過程。

　　總結(jié)

　　本文概述了使用高集成度 MCU 為工業(yè)和嵌入式產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)支持的技術(shù)。討論的器件包括 Atmel、Maxim Integrated Products、Freescale Semiconductor、Microsemi、Maxim Integrated Products、德州儀器和 Zilog 的產(chǎn)品。