用于嵌入式控制的以太网

将各个嵌入式控制模块连接在一起的方法有很多，而以太网具有较好的可靠性、速度和大量成熟的基础架构

20世纪80年代，当个人电脑开始在全球的办公室中普及的时候，人们不禁吃惊的发现，一场正在兴起的计算革命能够发掘并大大提高人们的生产效率。20世纪90年代，所有的电脑开始通过Modem和小型办公网络连接在一起，然后通过Internet实现了互连，从此互连网的计算和通信功能开始明显地提高人们工作的效率。

随着越来越多的嵌入式应用系统开始相互连接并与网络计算基础架构连接在一起，我们有可能会在嵌入式控制应用的ROI（投资回报）中看到与网络应用类似的阶跃式增长。

互连的方案

将某一应用系统中（或者分离的应用系统中）的各个嵌入式控制模块连接在一起的方法有很多。表1列出了几种主要的嵌入式系统接口的特性。（注：本文不讨论无线互连技术。）

表1 主要的嵌入式系统互连技术的特性

挖掘基础架构

相对USB的普及，以太网最有可能为嵌入式控制应用的互连带来革命。几乎在每一栋大楼、家庭、办公室和工厂车间里都遍布着网络电缆、集线器和交换机，网络基础架构的普及为嵌入式控制的互连提供了巨大的机遇。通过挖掘网络基础架构的潜力，可以提高嵌入式控制的应用效率，降低其成本，并催生新型的应用。

以太网具有惊人的寻址能力，能够将数以亿计的设备连接在一起。10/100Base-T以太网接口通过便宜的双绞电缆，能够提供成本低廉的互连，并且具有很多不错的特性：

• 使用差分信号，具有较高的抗噪性；
  
• 通过使用微型变压器（常常集成在标准的RJ-45连接器中），实现了高达1500V的导线绝缘性能；
  
• 低工作电压；
  
• 高速。

以太网规范规定以太网需要两种接口部件：MAC（Media Access Controller，媒体访问控制器）和PHY（Physical transceiver，物理收发器）。MAC是一种纯数字的设备，负责数据流的同步处理。而PHY在很大程度上是一种模拟器件，负责将数据转换成在特定的媒体上（常用双绞线）传输所需的信号电平。

到目前为止，嵌入式控制设计者所能够找到的以太网接口器件非常稀少，而且这些器件都是为PC应用而定制的。8位和16位接口的器件常常都采用大型封装，有几百个引脚，需要嵌入式应用为PC总线的仿真预留大量的I/O接口（24个以上）。

近来，很多微控制器厂商已经开始关注嵌入式控制的应用领域，并且认识到这一领域对更灵活和更专用解决方案的需求。有些厂商已经开始把MAC部件集成到标准的8位或16位微控制器架构中，形成了非常紧凑的解决方案。

另外一些厂商则将MAC和PHY都集成到引脚个数较少的以太网控制器中。这些以太网控制器一般都采用RAM缓冲器和一个简单的SPI接口，使得整个器件可以进行小型封装（参见图1）。

图1 带SPI接口的28脚封装的以太网控制器

成本问题

通过SPI接口连接的低引脚数以太网控制器从根本上改变了接入以太网的总成本。以前，MAC和PHY的成本仅仅是接入以太网总成本的一部分。而大部分应用的成本源于PC总线和作为缓冲存储的系统存储器。另外，管理收发缓冲器的数据传输、错误检测和消息过滤还需要用到处理器。

现在，我们可以在一个非常小的8位微控制器中就可以实现小容量板上RAM和18/14脚封装的单片以太网控制器。这些成本低廉的微控制器为新一代低成本的嵌入式应用发掘以太网技术和基础架构打开了方便之门。

性能问题

成本最低的以太网标准设备是10Base-T（IEEE 802.3i），其性能与全速USB相当，并且高于表1中所列举的所有接口的性能。目前最常见的平台是100Mb/s的100Base-T（IEEE 802.3u）。这两种标准是可以同时工作的，因此廉价的10Base-T设备可以直接连接到100Base-T标准的基础架构上。

当前，10/100Base-T交换机每个端口的成本不足1美元，性能较高，常用于大部分网络中，用来代替普通的集线器。在大部分嵌入式控制的应用中，100Base-T派不上用场，10Base-T的性能就足够了，而且具有更低的功耗。

以太网供电

最近出现的一种技术强有力的推进了POE（Power over Ethernet，以太网供电）的标准化进程。10/100Base-T标准授权可以使用微型变压器进行电绝缘，同时所有标准电缆中都包含多余的双绞线，这就为现有的网络基础架构供电提供了两种简单而廉价的替代方案，不需要或者仅仅需要增加很少的成本。

这种替代的供电方案对于嵌入式控制的设计者来说可谓是一个好消息，这样一来，通过去掉局部电源，代之以更加有效和集中的供电设备，可以抵消应用接口所新增的部分成本。而且在取消电源连线之后，人们可以在之前没有供电或者无法有效供电的地方部署新型的远程应用系统了。