应对互联世界中的通信挑战

不久前，嵌入式技术以单点解决方案为代表，这些单点解决方案旨在作为独立设备执行单个或少量功能。即使在 PC 普及时，网络也是封闭系统，旨在连接少数设备或位置。今天，越来越少的设备单独运行；连通性已经变得如此普遍，即使是最小的设备也能够包含一定程度的连通性。事实上，正是这一概念推动了物联网 （IoT）、M2M 和工业 4.0，以及智能电网和楼宇自动化。

连接性现在在社会的各个方面无处不在，为人和数据提供了更大的移动性，这反过来又提高了商业和消费主义的效率。但是，快速接受连接并非没有挑战，尤其是在充分利用最新发展的同时解决对传统协议的支持问题。

数据驱动连接

这种看似无法满足的连接“事物”的欲望是各种形式的数据价值的结果。除了前面提到的对嵌入式电子行业产生重大影响的趋势外，还有一个更大的总体趋势，虽然可能不会直接推动发展，但正在发挥其影响力：大数据。

大数据的概念涉及在不同的数据集中寻找价值。这需要两件事：大量的处理能力和大量的数据。前者由服务器场和基于云的处理服务提供，而后者由几乎所有可测量的活动产生。

将大量数据从设备中取出并输入云端需要连接；然而，虽然网络世界有一个明确采用的基础设施——即以太网——但嵌入式领域却没有那么统一。对于嵌入式开发人员来说，对以太网连接的需求并不总是显而易见的，因为在成本不断降低的同时，添加以太网的费用并非为零，因此必须是合理的。此外，将以太网添加到资源受限的嵌入式设备的复杂性可能很大，尤其是因为增加了软件负担。

除了传输数据的需要，对现代设备的安全访问对于控制、支持物联网、M2M 和工业 4.0 变得越来越重要；在这方面，各种形式的以太网正迅速成为标准。作为互联网的骨干，它为本地联网设备带来了广域网 （WAN） 访问，允许从任何地方访问和控制它们。

嵌入式设计师挑战

今天的板级工程师面临着支持传统连接标准和满足对更新连接技术不断增长的需求的挑战。

更常见的是，某种形式的本地连接将以行业标准串行总线的形式指定，例如 RS232/485 CAN 总线等。大多数低成本微控制器 （MCU） 提供这种或其他形式的 UART 或通用可用于此目的的 I/O （GPIO）。然而，GPIO 很少用于将数据传输到更广泛的网络，尤其是在非工业应用中。

USB 越来越多地被指定为嵌入式设备中的板级互连。就像 GPIO 或简单的串行总线一样，它提供了更大的灵活性以及普遍接受的标准。此外，USB 连接越来越容易在低成本 MCU 中实现；许多制造商现在提供 USB 变体，进一步说明了在更广泛的设备中连接的趋势，这些设备以前作为独立设备运行。但也许最重要的是，USB 协议允许单个设备作为集线器运行，从而显着扩展了支持 USB 的设备的 I/O 能力。在这方面，USB 为其他更简单的串行接口提供了更加灵活的解决方案，特别是在提供“面向未来”的接口时。

USB 提供的主要优势之一是能够实现分层层次结构，另一个是使单个控制器能够枚举多个设备。反过来，这些设备可以是提供一系列扩展功能的物理设备，而协议为这些设备提供了一定程度的自主权和对主机系统的控制。

例如，使用 USB 协议，嵌入式系统可以扩展为包括远远超过其原始硬件规范的功能级别，特别是当该设备的软件托管在具有现场升级准备的 MCU 上时。从概念上讲，这将允许配备 USB 接口的各种嵌入式设备成为更广泛网络的活跃成员，从而可以从任何联网设备访问。如果要进行设计，提供这种级别的连接可能成本高昂，但通过使用 USB 作为网关，它变得既实用又实惠。

跨越障碍

通过选择提供大量接口的功能更强大的 MCU，可以实现与嵌入式设备的连接。在某些应用中，这将是最佳选择，但该数量可能会受到限制，主要是由于成本、尺寸或功率预算。此外，较大的设备可能会引入特定应用不需要的冗余 GPIO，从而不必要地增加系统成本和系统功率。

虽然从概念上讲，USB 提供了适应一系列接口标准的灵活性，但在实践中实施这些标准仍可能对此类资源有限的平台提出挑战。例如，虽然有许多扩展 IC 可以有效增加低成本 MCU 提供的 GPIO 数量，但适用于广泛的控制或监控应用，添加高速接口（如 USB）或以太网等网络连接可以迅速显着增加分立 IC 的数量，远远超出空间和/或成本预算。

在大批量应用中，可以开发集成一系列接口标准的定制 ASIC。这样的 ASIC 可以设计为低功耗和体积小，但是，ASIC 设计的 NRE 成本将禁止这种方法，除了最大量。ASIC 开发的实际替代方案是使用特定应用标准部件 （ASSP） - 实际上是专用于特定功能的设备。典型的端口扩展器可能被认为是 ASSP，然而，历史上没有半导体制造商开发针对广泛通信标准的单一 ASSP，迫使 OEM 选择高端 MCU、FPGA 或多个 ASSP。

通过利用 USB 的优势，开发了一种集成 I2C、UART 和以太网接口以及灵活 GPIO 的 ASSP。所有功能都被枚举为 USB 端点，并且可以使用嵌入在主机 MCU 固件中的标准 USB 驱动程序进行控制。使用标准 USB 命令、特定类命令或特定 Exar 命令可以完全控制通信外围设备，而这些外围设备又可以使用专用寄存器进行配置。片上 OTP 内存还允许 OEM 修改供应商 ID 和供应商字符串等功能，并且每个设备都有一个唯一分配的以太网 MAC 地址。功能框图如图 1 所示。

Exar 的 XR2280x 系列 USB 转以太网和 U 桥设备解决了当今互联世界带来的多格式通信挑战。

使用一个低成本设备为嵌入式设计添加各种通信接口的能力可以为 OEM 提供解决方案，即为资源受限的应用程序增加灵活性。

随着越来越多的供应商意识到连接的价值，嵌入式领域对更灵活的通信选项的需求正在增长。他们面临的问题是选择正确的通信接口，但情况并非如此。通过更高的集成度和创新设计，OEM 可以有效地为当今的设计提供面向未来的设计——必要时通过软件升级——“按需”提供更高水平的连接性。以太网正日益推动连接革命，现在将它和许多其他通信标准集成到小型、资源受限的嵌入式设备中比以往任何时候都容易。

审核编辑：郭婷