用于嵌入式控制的以太網(wǎng)

將各個嵌入式控制模塊連接在一起的方法有很多，而以太網(wǎng)具有較好的可靠性、速度和大量成熟的基礎架構

20世紀80年代，當個人電腦開始在全球的辦公室中普及的時候，人們不禁吃驚的發(fā)現(xiàn)，一場正在興起的計算革命能夠發(fā)掘并大大提高人們的生產(chǎn)效率。20世紀90年代，所有的電腦開始通過Modem和小型辦公網(wǎng)絡連接在一起，然后通過Internet實現(xiàn)了互連，從此互連網(wǎng)的計算和通信功能開始明顯地提高人們工作的效率。

隨著越來越多的嵌入式應用系統(tǒng)開始相互連接并與網(wǎng)絡計算基礎架構連接在一起，我們有可能會在嵌入式控制應用的ROI（投資回報）中看到與網(wǎng)絡應用類似的階躍式增長。

互連的方案

將某一應用系統(tǒng)中（或者分離的應用系統(tǒng)中）的各個嵌入式控制模塊連接在一起的方法有很多。表1列出了幾種主要的嵌入式系統(tǒng)接口的特性。（注：本文不討論無線互連技術。）

表1 主要的嵌入式系統(tǒng)互連技術的特性

挖掘基礎架構

相對USB的普及，以太網(wǎng)最有可能為嵌入式控制應用的互連帶來革命。幾乎在每一棟大樓、家庭、辦公室和工廠車間里都遍布著網(wǎng)絡電纜、集線器和交換機，網(wǎng)絡基礎架構的普及為嵌入式控制的互連提供了巨大的機遇。通過挖掘網(wǎng)絡基礎架構的潛力，可以提高嵌入式控制的應用效率，降低其成本，并催生新型的應用。

以太網(wǎng)具有驚人的尋址能力，能夠?qū)?shù)以億計的設備連接在一起。10/100Base-T以太網(wǎng)接口通過便宜的雙絞電纜，能夠提供成本低廉的互連，并且具有很多不錯的特性：

• 使用差分信號，具有較高的抗噪性；
  
• 通過使用微型變壓器（常常集成在標準的RJ-45連接器中），實現(xiàn)了高達1500V的導線絕緣性能；
  
• 低工作電壓；
  
• 高速。

以太網(wǎng)規(guī)范規(guī)定以太網(wǎng)需要兩種接口部件：MAC（Media Access Controller，媒體訪問控制器）和PHY（Physical transceiver，物理收發(fā)器）。MAC是一種純數(shù)字的設備，負責數(shù)據(jù)流的同步處理。而PHY在很大程度上是一種模擬器件，負責將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成在特定的媒體上（常用雙絞線）傳輸所需的信號電平。

到目前為止，嵌入式控制設計者所能夠找到的以太網(wǎng)接口器件非常稀少，而且這些器件都是為PC應用而定制的。8位和16位接口的器件常常都采用大型封裝，有幾百個引腳，需要嵌入式應用為PC總線的仿真預留大量的I/O接口（24個以上）。

近來，很多微控制器廠商已經(jīng)開始關注嵌入式控制的應用領域，并且認識到這一領域?qū)Ω`活和更專用解決方案的需求。有些廠商已經(jīng)開始把MAC部件集成到標準的8位或16位微控制器架構中，形成了非常緊湊的解決方案。

另外一些廠商則將MAC和PHY都集成到引腳個數(shù)較少的以太網(wǎng)控制器中。這些以太網(wǎng)控制器一般都采用RAM緩沖器和一個簡單的SPI接口，使得整個器件可以進行小型封裝（參見圖1）。

圖1 帶SPI接口的28腳封裝的以太網(wǎng)控制器

成本問題

通過SPI接口連接的低引腳數(shù)以太網(wǎng)控制器從根本上改變了接入以太網(wǎng)的總成本。以前，MAC和PHY的成本僅僅是接入以太網(wǎng)總成本的一部分。而大部分應用的成本源于PC總線和作為緩沖存儲的系統(tǒng)存儲器。另外，管理收發(fā)緩沖器的數(shù)據(jù)傳輸、錯誤檢測和消息過濾還需要用到處理器。

現(xiàn)在，我們可以在一個非常小的8位微控制器中就可以實現(xiàn)小容量板上RAM和18/14腳封裝的單片以太網(wǎng)控制器。這些成本低廉的微控制器為新一代低成本的嵌入式應用發(fā)掘以太網(wǎng)技術和基礎架構打開了方便之門。

性能問題

成本最低的以太網(wǎng)標準設備是10Base-T（IEEE 802.3i），其性能與全速USB相當，并且高于表1中所列舉的所有接口的性能。目前最常見的平臺是100Mb/s的100Base-T（IEEE 802.3u）。這兩種標準是可以同時工作的，因此廉價的10Base-T設備可以直接連接到100Base-T標準的基礎架構上。

當前，10/100Base-T交換機每個端口的成本不足1美元，性能較高，常用于大部分網(wǎng)絡中，用來代替普通的集線器。在大部分嵌入式控制的應用中，100Base-T派不上用場，10Base-T的性能就足夠了，而且具有更低的功耗。

以太網(wǎng)供電

最近出現(xiàn)的一種技術強有力的推進了POE（Power over Ethernet，以太網(wǎng)供電）的標準化進程。10/100Base-T標準授權可以使用微型變壓器進行電絕緣，同時所有標準電纜中都包含多余的雙絞線，這就為現(xiàn)有的網(wǎng)絡基礎架構供電提供了兩種簡單而廉價的替代方案，不需要或者僅僅需要增加很少的成本。

這種替代的供電方案對于嵌入式控制的設計者來說可謂是一個好消息，這樣一來，通過去掉局部電源，代之以更加有效和集中的供電設備，可以抵消應用接口所新增的部分成本。而且在取消電源連線之后，人們可以在之前沒有供電或者無法有效供電的地方部署新型的遠程應用系統(tǒng)了。