自1770年代創(chuàng)建第一個(gè)現(xiàn)代工業(yè)工廠系統(tǒng)以來(lái)，工業(yè)制造工藝不斷創(chuàng)新，迅速采用最新技術(shù)，以確保更高的效率、生產(chǎn)力和產(chǎn)品質(zhì)量。隨著互聯(lián)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）解決方案在下一代工業(yè)流程中的應(yīng)用，在嵌入式開(kāi)發(fā)中，這一趨勢(shì)今天仍在繼續(xù)，這推動(dòng)了所有大規(guī)模、重復(fù)性、流程驅(qū)動(dòng)的制造業(yè)（如汽車、化工、電子、食品和飲料以及制藥等）生產(chǎn)力的逐步變化。
嵌入式命令和控制接口是所有工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的核心
在本文中，我們研究了IIoT設(shè)備設(shè)計(jì)的關(guān)鍵趨勢(shì)，特別是對(duì)更高數(shù)據(jù)帶寬和更低功耗的需求，以及小型化的驅(qū)動(dòng)力，并考慮當(dāng)前嵌入式命令、控制和數(shù)據(jù)接口是否滿足這些挑戰(zhàn)，或者是否需要向新的接口過(guò)渡。
所有工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，包括生產(chǎn)線上的高級(jí)機(jī)器人、裝配工人使用的智能工具、倉(cāng)庫(kù)中的自動(dòng)引導(dǎo)車或跟蹤供應(yīng)鏈中材料狀況的簡(jiǎn)單監(jiān)控設(shè)備，都是使用微控制器、傳感器、執(zhí)行器、相機(jī)、顯示器和其他基本電子組件構(gòu)建的。與這些基本構(gòu)建模塊同等重要的是嵌入式命令、控制和數(shù)據(jù)接口，這些接口將這些組件連接在一起，提供外圍設(shè)備及其相關(guān)主機(jī)微控制器之間的基本內(nèi)部連接。
嵌入式命令和控制界面挑戰(zhàn)
當(dāng)今許多IIoT設(shè)備使用I2C（集成電路間）、SPI（串行外圍接口）和UART（通用異步收發(fā)器）等接口，在過(guò)去30年中，這些接口已成為嵌入式開(kāi)發(fā)硬件工程師工具包中的“首選”接口。
I2C和SPI配置示例
自20世紀(jì)70年代末和80年代初推出以來(lái)，這些接口很好地服務(wù)于嵌入式電子行業(yè)。但從那時(shí)起，不僅在IIoT，而且在更廣泛的電子行業(yè)中普遍存在的一些行業(yè)進(jìn)步給這些傳統(tǒng)接口帶來(lái)了越來(lái)越大的壓力：
l 增加數(shù)據(jù)帶寬——指揮和控制接口的總數(shù)據(jù)帶寬需求是由兩個(gè)主要因素共同推動(dòng)的。首先，IIoT設(shè)備中內(nèi)置的傳感器、致動(dòng)器和其他外圍組件的數(shù)量持續(xù)增加。如今的設(shè)備不僅包含服務(wù)于設(shè)備核心功能的基本組件，而且還越來(lái)越多地包含輔助組件來(lái)監(jiān)控設(shè)備本身的性能和環(huán)境，以確保其正常運(yùn)行并執(zhí)行設(shè)備的遠(yuǎn)程管理。其次，IIoT設(shè)備中內(nèi)置的傳感器和其他外圍組件變得越來(lái)越先進(jìn)，由于靈敏度、精確度和采樣率的提高，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量顯著增加。
l 小型化需求——緊湊的設(shè)備設(shè)計(jì)對(duì)于許多IIoT設(shè)備至關(guān)重要，尤其是那些必須不引入注目地適應(yīng)現(xiàn)有工業(yè)流程的設(shè)備。隨著IIoT設(shè)備包含越來(lái)越多的外圍組件，連接這些組件的命令和控制接口所需的導(dǎo)線和引腳數(shù)量必須保持絕對(duì)最小。
l 更低的功耗——許多IIoT設(shè)備的一個(gè)關(guān)鍵要求是超低功耗，以便能夠通過(guò)電池或其他類型的受限電源進(jìn)行無(wú)線操作。越來(lái)越重要的是，命令和控制接口不僅本身節(jié)能，而且“智能”，也就是說(shuō)，它們可以使設(shè)備內(nèi)的子系統(tǒng)以最有效的方式上電和關(guān)斷，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的最低功耗。
使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化界面解決這些挑戰(zhàn)
為了解決這些挑戰(zhàn)，嵌入式開(kāi)發(fā)人員需要實(shí)施新的嵌入式命令、控制和數(shù)據(jù)接口，以提供更高的帶寬，使用最少的導(dǎo)線和引腳，消耗最少的功率，并使整個(gè)系統(tǒng)的功耗降至最低。
使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，而不是專有或供應(yīng)商主導(dǎo)的接口，可以解決這些挑戰(zhàn)，并提供許多額外的好處。這一點(diǎn)已經(jīng)在移動(dòng)電話等相鄰行業(yè)得到證明，嵌入式攝像頭和顯示接口的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)解決了類似的挑戰(zhàn)。
這些行業(yè)中標(biāo)準(zhǔn)的使用創(chuàng)造了接口的規(guī)模經(jīng)濟(jì)，降低了集成成本，并使開(kāi)發(fā)人員能夠?qū)⒐こ坛杀痉謹(jǐn)偟礁髷?shù)量的組件上。標(biāo)準(zhǔn)化接口還促進(jìn)了增強(qiáng)支持服務(wù)的可用性，例如來(lái)自行業(yè)貢獻(xiàn)者的廣泛生態(tài)系統(tǒng)的測(cè)試和軟件資源。標(biāo)準(zhǔn)化也更快地改進(jìn)了技術(shù)，因?yàn)楣?yīng)商開(kāi)發(fā)了更有效的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)范，然后集成到未來(lái)的版本中。由于向后和向前兼容，標(biāo)準(zhǔn)化接口還可以簡(jiǎn)化持續(xù)的產(chǎn)品維護(hù)和更新，同時(shí)還鼓勵(lì)長(zhǎng)期的開(kāi)發(fā)人員支持。
最重要的是，標(biāo)準(zhǔn)的使用消除了設(shè)計(jì)(或選擇)專有接口的負(fù)擔(dān)，允許開(kāi)發(fā)人員專注于位于協(xié)議棧更高位置并提供產(chǎn)品差異化的“更高價(jià)值”技術(shù)，例如利用機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能來(lái)提供增強(qiáng)產(chǎn)品功能的應(yīng)用程序。
MIPI·I3C：下一代工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指揮、控制和數(shù)據(jù)接口
MIPI I3C是I2C的繼任者，提供一種經(jīng)濟(jì)高效、簡(jiǎn)單靈活的雙線接口，可用于將傳感器、執(zhí)行器、控制器和簡(jiǎn)單的UI組件連接到主機(jī)處理器。與I2C、SPI和UART相比，它在性能、功耗和引腳數(shù)方面都有所改進(jìn)。MIPI I3C基礎(chǔ)版捆綁了嵌入式開(kāi)發(fā)人員最常用的I3C特性，也可以在免版稅的許可環(huán)境下為所有實(shí)現(xiàn)者提供。
具有I3C和I2C目標(biāo)組合的I3C控制器
為了應(yīng)對(duì)上述關(guān)鍵挑戰(zhàn)，I3C已被開(kāi)發(fā)為提供以下功能：
l 支持10 Mbps的典型數(shù)據(jù)速率，可選擇更高性能、高數(shù)據(jù)速率模式，提供超過(guò)30 Mbps的速度(單通道模式)。
l 使用雙線接口的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS) I/O來(lái)實(shí)現(xiàn)，以最大限度地減少引腳數(shù)和元件之間的信號(hào)路徑數(shù)。
l 支持帶內(nèi)中斷(IBIs )，無(wú)需為中斷信號(hào)提供額外的物理通道。
l 每傳輸一位消耗少量能量。
l 提供高能效的高速批量數(shù)據(jù)傳輸，允許組件發(fā)送不頻繁的數(shù)據(jù)突發(fā)，同時(shí)最大限度地降低能耗。
l 包括“睡眠模式”和IBIs，支持外設(shè)組件僅在必要時(shí)喚醒主機(jī)處理器以節(jié)省功耗。
l 提供同步和異步時(shí)間戳，以提高使用各種傳感器信號(hào)的應(yīng)用的精度。
l 向后兼容I2C，并允許在一個(gè)設(shè)備中混合使用I2C和I3C組件。
l 由標(biāo)準(zhǔn)一致性測(cè)試套件補(bǔ)充，確保不同供應(yīng)商的解決方案之間的互操作性和兼容性。
I3C得到了一個(gè)活躍的行業(yè)工作組的支持，該工作組繼續(xù)改進(jìn)規(guī)范，尋求開(kāi)發(fā)更長(zhǎng)的路徑長(zhǎng)度，降低功耗，并為實(shí)施者實(shí)現(xiàn)更低的引腳數(shù)。
I3C和I2C的能耗和原始比特率
結(jié)論
嵌入式命令、控制和數(shù)據(jù)接口是所有IIoT設(shè)備的基本構(gòu)建模塊。隨著IIoT設(shè)備集成越來(lái)越強(qiáng)大的功能，現(xiàn)有的命令和控制接口可能難以跟上下一代物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的帶寬、超低功耗和小型化需求。開(kāi)發(fā)人員需要通過(guò)實(shí)現(xiàn)更新的命令和控制界面來(lái)解決這些挑戰(zhàn)。采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不僅能幫助嵌入式開(kāi)發(fā)人員應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，還能帶來(lái)許多其他好處，如互操作性、向后兼容性和成本降低。MIPI I3C是下一代工業(yè)主導(dǎo)的命令、控制和數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)例子，它滿足了下一代IIoT設(shè)備的挑戰(zhàn)。
