网络连接实现机器对机器的连接

网络连接正成为嵌入式系统和移动/便携式设备通过点对点协议实现机器对机器（M2M）连接的默认方法。这些系统使用多种数据格式和网络方法，从无线选项到全高速LAN/WAN环境。

实现此连接有两种主要方法：添加到现有设计的现有连接的补充网络控制器;以及通过其微控制器和传感器子系统中的嵌入式功能将网络协议和接口结合在一起。这些应用程序的关键特性之一是开发这些接口及其相关开发环境所需的软件和固件控制。

遗留系统

现在部署在现场的大多数嵌入式系统需要连接到网络，以便自动监控其进度和系统运行状况。挑战在于如何在不必重新认证整个设计的情况下实现这一新功能，或者更糟糕的是，更改系统的固件并且必须重新验证正确的操作。对于这些当前设计来说最方便的两种方法涉及将网络功能添加到系统上的现有端口或将网络适配器芯片添加到直接与微控制器接口的PCB。

这些传统设计中的一个常见端口是串行端口。这些端口通常用于数据收集和数据传输，已从旧的RS-232接口转移到USB。 USB协议包括本地配置固件，允许系统自动配置并自我调整连接到端口的设备。除自动配置外，USB端口还支持自供电设备。此设置适用于Digi International的XStick®XU-A11 USB转XBee®收发器等产品。

提供XBee PRO和ZigBee®PRO协议（见图1），独立的无线收发器支持采用USB供电的802.15.4设备，带有集成的无线天线和模拟前端。 USB到XBee无线个域网适配器（WPAN）提供访问，配置和网络调试的本地连接，并提供自我修复，自配置ZigBee网状或快速802.15.4多点版本。

图1：Digi International的XStick®XU-A11 USB转XBee®收发器（由Digi International提供）。

对于可以支持电路板修改或插卡以增加连接性的系统，可以使用德州仪器（TI）的TLK1201IRCP以太网收发器等解决方案。该单芯片器件的工作电压低至2.5伏，并具有可热插拔的版本，适用于高可用性应用。

TLK1201IRCP以太网收发器旨在为基于标准微控制器的系统添加超高速，全双工，点对点数据传输。该器件支持IEEE 802.3千兆以太网规范下10位接口规范的时序要求，并符合ANSI X3.230-1994（FC-PH）光纤通道标准。该器件可支持0.6 Gbps至1.3 Gbps的数据速率。 TLK1201以太网收发器的框图如图2所示。

图2：德州仪器的TLK1201IRCP以太网控制器框图（由德州仪器公司提供）。

对于嵌入式应用，该芯片设计用于通过各种传输介质发送数据，包括印刷电路板走线，铜缆和光纤电缆。数据传输的数据速率和连接长度取决于介质的信号衰减特性和信号环境中的噪声耦合。

TLK1201为PHY器件执行所有必要的数据序列化，反序列化和时钟提取功能。收发器的工作速率为1.25 Gbps（典型值），可转换为铜缆或光纤介质上高达1 Gbps的数据带宽。为了最大限度地兼容当前和传统系统，TLK1201支持规范的10位接口（TBI）和利用双倍数据速率（DDR）时钟的简化5位接口。在TBI模式下，串行器/解串器（SERDES）接受10位宽的8b或10b并行编码数据字节。

其他连接选项

对于某些应用，例如汽车网络，没有主控制器来处理数据管理。结果，当没有主机控制器时，使用诸如CAN的通信方法。 CAN总线是一种基于消息的协议，专为汽车应用而设计，但现在也用于其他领域，如工业自动化和医疗设备。

CAN是用于连接电子控制单元（ECU）的多主广播串行总线标准。该协议允许每个节点能够通过总线发送和接收消息，但不能同时发送和接收消息。发送的消息由一个标识符组成，该标识符用作消息优先级的定义，以及最多八个数据字节。数据串行传输到总线上。总线采用信号模式进行管理，信号模式以非归零（NRZ）编码，并由所有节点同时检测。

通过CAN网络连接的设备通常是传感器，执行器和其他控制设备。这些器件不是直接连接到总线，而是通过主处理器和CAN控制器，如德州仪器的SN65HVD1050DR RMC CAN收发器。

如果CAN总线空闲，任何节点都可以开始发送数据。如果两个或多个节点同时开始发送消息，则具有更多显性ID或优先级（具有更多显性位，即零）的消息将覆盖其他节点的不太主导的ID。最终（在对ID进行仲裁之后）仅剩下主导消息并且所有节点都接收它。该机制称为基于优先级的总线仲裁。具有数值较小的ID值的消息具有较高的优先级并且首先被发送。

作为CAN收发器（见图3），这款德州仪器部件为总线提供差分传输能力，并为CAN控制器提供差分接收能力，信号速率高达每秒1兆位。 SNHVD1050DR专为在特别恶劣的环境中工作而设计，具有-27至40伏的交叉线，过压和失地保护功能。过热关闭; -12至12伏共模范围;根据ISO 7637，能够承受-200至200伏的瞬态电压。医疗电子界开始采用这种总线技术，因为它具有高电磁抗扰性（EMI）和极低的电磁辐射（EME）。

图3：德州仪器（TI）的SN65HVD1050DR EMC CAN收发器框图（由德州仪器公司提供）。

处理小数据长度传输的遗留系统的另一个选择是使用无线蓝牙®连接。该系统类似于Wi-Fi®和网状网络，因为它们需要固件来处理所有数据接口，模拟前端，天线系统和数据传输协议。 Microchip的RN-220XP蓝牙适配器等完整解决方案可用于标准的9针RS232连接（参见图4）。独立单元可以在连接后立即开始发送数据。它包括一个集成的锂聚合物可充电电池，可运行长达32小时。这使得该单元可用于维护和现场系统升级期间的数据监控和信号传输，而无需手动配置主设备或提供外部电源。该连接支持1200至232.4 Kbps的波特率。该设备可通过蓝牙连接在串行接口上进行远程配置。该器件还支持高级触发模式，可以检测输入数据，并根据需要自动连接和断开以节省电量。

图4：Microchip RN-220XP RS232蓝牙适配器（由Microchip提供）。

集成系统

对于基于微控制器的新系统，首选的通信方法是使用具有集成通信端口和协议处理程序的MCU。由于最终应用程序在创建MCU之前是未知的，因此它们往往包括多种通信协议和连接功能。最常见的是USB 2.0，10/100Mbps以太网，CAN和JTAG。示例包括Microchip的带有嵌入式闪存的PIC32MX764F128H和瑞萨的RX62N。

Microchip的PIC32MX5/6/7XX微控制器系列使用MIPS32®M4K®处理器作为核心。该内核具有简单的双总线接口，具有独立的32位地址和数据总线。在此接口中，可以中止事务以改善中断延迟。该内核还具有EJTAG调试和指令跟踪，支持单步执行，虚拟指令和数据地址/值，断点以及跟踪压缩的PC跟踪。

通信接口以六个UART模块的标准功能开始，支持RS-232，RS-485和LIN;带有片上硬件编码器和解码器的IrDA接口;最多四个SPI模块和五个I²C模块。 USB，CAN，JTAG和以太网补充了这些标准MCU接口模块。

PIC32®MCU具有USB DMA控制器，可在RAM和SIE中的数据缓冲区之间传输数据。寄存器接口允许CPU配置模块并与之通信。 PIC32 USB模块包括对主机和设备的USB全速支持，低速主机支持，USB OTG支持，集成信号电阻，用于VBUS监控的集成模拟比较器，集成USB收发器，硬件事务握手，端点缓冲等任何地方在系统RAM中，以及用于访问系统RAM和Flash的集成DMA。该USB接口允许PIC32 CPU处理不属于核心SoC的无线数据通信协议。

PIC32的CAN接口满足所有CAN 2.0B一致性规范，数据额定速率高达每秒1兆位。 CAN消息接收和传输功能包括32个消息FIFO，其中每个FIFO最多可以有32条消息，总共1024条消息;每个FIFO可以是发送消息FIFO或接收消息FIFO;用户定义的消息优先级;三十二个用于消息过滤的接收过滤器;四个接收过滤掩码寄存器用于消息过滤;对远程传输请求的自动响应;和低功耗运行模式。 CAN模块是PIC32系统总线上的总线主控制器。

PIC32具有以太网控制器作为总线主模块。它需要与片外物理层（PHY）连接，以在系统中实现完整的以太网节点，如图5所示。内部以太网控制器支持以下功能，这些功能是外部PHY的驱动程序：10/100 Mbps数据转移率;全双工和半双工操作; RMII和MII PHY接口，MIIM PHY管理接口;手动和自动流量控制;基于RAM描述符的DMA操作，用于接收和发送路径;和完全可配置的中断。

图5：Microchip的PIC32MX5XX内部以太网控制器框图（由Microchip提供）。

该设备还具有可配置的接收数据包过滤功能。可配置选项包括CRC校验;广播，组播和单播数据包的64字节模式匹配; Magic Packet™;一个64位的哈希表; runt数据包和数据包有效负载校验和计算。

高级微控制器

嵌入式控制器的高端产品是瑞萨的RX62N。这是一个完整的32位CPU，带有单精度32位IEEE-754浮点处理器;一个累加器，配置为一个32×32到64位的结果，在一个指令周期内运行;一个乘法/除法单元，在一个CPU时钟内具有32×32乘法，用于多个指令;以及具有5级管道的CISC/哈佛建筑。 SoC具有内置逻辑，支持高达WQVGA分辨率的TFT-LCD和多达20个扩展功能定时器。

该芯片的一个关键特性是支持多达14个与外部连接的通信接口。它们包括带有PHY（2个通道）的USB 2.0全速接口，支持主机/功能/OTG和10个端点（控制，中断，批量和等时）;以太网MAC 10/100 Mbps，支持一个通道的半双工或全双工;一个带有两千字节发送和接收FIFO的专用DMA;外部10/100 Mbps PHY的RMII或MII接口;符合ISO11898-1标准的CAN系统，支持一个带有32个邮箱的通道;异步，时钟同步，智能卡和9位模式（六个通道）SCI通道; I²C通过SMBus支持（两个通道）接口，每秒最高可达1兆位;最后是两个频道的RSPI。

这些SoC的架构如图6所示。这些模块包括128个GPIO通道，两个10位DAC通道，以及一个可配置为一个12位x 8通道且单个采样和保持的ADC或者作为两个10位x 4通道ADC，每个ADC都有一个采样和保持。

图6：瑞萨的RX62N微控制器（由Renesas提供）。