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為什么下一代嵌入式命令、控制和數據接口是未來工業物聯網設備成功的關鍵


1770年代創建第一個現代工業工廠系統以來,工業制造流程一直在不斷創新,迅速采用最新技術以確保更高的效率、生產力和產品質量。這一趨勢在今天仍在繼續,隨著互聯工業物聯網解決方案在下一代工業流程中的應用,推動了汽車、化工、電子、食品等所有大規模、重復性、流程驅動的制造行業的生產力發生階躍變化和飲料,和制藥,僅舉幾例。

行業分析師預測,受半導體和電子設備技術進步、云計算平臺使用增加、5G 連接發展、技術進步等因素的推動,工業物聯網市場將從2021年的767億美元增長到2026年的1061億美元以上。在機器人技術、人工智能、機器學習的采用和政府財政刺激方面。

嵌入式命令和控制接口是所有工業物聯網設備的核心

在本文中,我們著眼于工業物聯網設備設計的主要趨勢——尤其是對更高數據帶寬和更低功耗的需求,以及對小型化的推動——我們會考慮當前的嵌入式命令、控制和數據接口是否能夠應對這些挑戰,或者是否需要轉換到較新的接口。

工業物聯網.jpg

所有工業物聯網設備,包括生產線上的先進機器人、裝配工人使用的智能工具、倉庫中的自動導引車或跟蹤供應鏈中材料狀況的簡單監控設備,都是使用微控制器、傳感器、執行器、相機、顯示器和其他基本電子元件。與這些基本構建塊同等重要的是嵌入式命令、控制和數據接口,它們將這些組件鏈接在一起,提供外圍設備及其相關主機微控制器之間的基本內部連接。

嵌入式命令和控制接口挑戰

當今許多工業物聯網設備使用I2C(內部集成電路)、SPI(串行外設接口)和UART(通用異步接收器-發送器)等接口,在過去 30 年中,這些接口已成為首選嵌入式硬件工程師工具包中的接口。

1970年代末和80年代初推出以來,這些接口一直很好地服務于嵌入式電子行業。但從那時起,不僅在工業物聯網而且在更廣泛的電子行業中普遍存在的幾項行業進步對這些傳統接口施加了越來越大的壓力:

增加數據帶寬——命令和控制接口的總數據帶寬需求是由兩個主要因素共同推動的。首先,內置于工業物聯網設備中的傳感器、執行器和其他外圍組件的數量不斷增加。今天的設備不僅包含為設備核心功能服務的基本組件,而且還越來越多地包含輔助組件,以監控設備本身的性能和環境,以確保其正常運行并執行設備的遠程管理。其次,內置于工業物聯網設備中的傳感器和其他外圍組件正變得越來越先進,由于靈敏度、準確性和采樣率的提高,生成的數據量顯著增加。

小型化的需求——緊湊的設備設計對于許多工業物聯網設備來說是必不可少的,尤其是那些必須在預先存在的工業過程中不顯眼地適應的設備。隨著工業物聯網設備包含越來越多的外圍組件,連接這些組件的命令和控制接口所需的電線和引腳數量必須保持在絕對最低限度。

更低的功耗——許多工業物聯網設備的一個關鍵要求是超低功耗,以實現從電池或其他類型的受限電源不受束縛的操作。至關重要的是,命令和控制接口不僅本身是節能的,而且是智能的”——也就是說,它們可以使設備中的子系統以最有效的方式上下電,以實現最低整個系統可能的功耗。

使用行業標準化接口解決這些挑戰

為了解決這些挑戰,開發人員將需要實施新的嵌入式命令、控制和數據接口,以提供更高的帶寬,使用最少的電線和引腳,消耗最少的功率,并使整個系統的功耗最小化。

與專有或供應商主導的接口相反,使用行業標準接口可以解決這些挑戰并提供許多額外的好處。這已在移動電話等相鄰行業得到證明,嵌入式攝像頭和顯示接口的行業標準解決了類似的挑戰。

在這些行業中使用標準創造了圍繞接口的規模經濟,降低了集成成本,并使開發人員能夠將工程成本攤銷到更大量的組件上。標準化接口還促進了增強支持服務的可用性,例如來自廣泛的行業貢獻者生態系統的測試和軟件資源。標準化還可以更快地改進技術,因為供應商開發了更有效的方法來實施規范 - 然后將其集成到未來的版本中。由于向后和向前兼容性,標準化接口還可以簡化持續的產品維護和更新,同時還鼓勵長期的開發人員支持。

最重要的是,標準的使用消除了設計專有接口的負擔,使開發人員可以專注于協議棧中較高的更高價值技術并提供產品差異化,例如利用機器的應用程序學習和人工智能提供增強的產品功能。

MIPI I3C:下一代行業標準命令、控制和數據接口

MIPI I3CI2C 的繼任者,提供經濟高效、簡單且靈活的兩線接口,可用于將傳感器、執行器、控件和簡單的 UI 組件連接到主機處理器。與 I2C、SPI UART 實施相比,它提供了性能、功耗和引腳數的改進。MIPI I3C Basic 捆綁了嵌入式開發人員最常用的 I3C 功能,在免版稅許可環境下也可供所有實施者使用。

具有I3CI2C目標組合的I3C控制器

為應對上述關鍵挑戰,I3C已被開發以提供以下功能:

支持10 Mbps的典型數據速率,可選擇提供超過30 Mbps的速度的更高性能、高數據速率模式(對于單通道模式)。

使用互補金屬氧化物半導體(CMOS) I/O實現,使用兩線接口以最大限度地減少引腳數和組件之間的信號路徑數量。

支持帶內中斷(IBI),無需額外的物理通道用于中斷信號。

傳輸的每比特消耗少量能量。

提供高能效、高速批量數據傳輸,并允許組件發送不頻繁的數據突發,同時最大限度地減少能源消耗。

包括睡眠模式IBI,以使外圍組件僅在必要時喚醒主機處理器以節省功耗。

提供同步和異步時間戳,以提高使用來自各種傳感器的信號的應用程序的準確性。

向后兼容I2C并允許在設備內混合使用I2CI3C組件。

輔以標準一致性測試套件,確保不同供應商解決方案之間的互操作性和兼容性。

I3C得到了一個活躍的行業工作組的支持,該工作組繼續增強規范,尋求開發不斷擴展的路徑長度、降低功耗并為實施者實現更少的引腳數。

結論

嵌入式命令、控制和數據接口是所有工業物聯網設備中必不可少的構建塊。隨著工業物聯網設備集成了越來越強大的功能,現有的命令和控制接口可能難以跟上下一代物聯網設備的帶寬、超低功耗和小型化需求。開發人員將需要通過實施更新的命令和控制界面來解決這些挑戰。采用行業標準不僅可以幫助開發人員應對這些挑戰,還可以提供許多其他好處,例如互操作性、向后兼容性和降低成本。MIPI I3C是下一代行業主導的命令、控制和數據接口標準的示例,可應對下一代工業物聯網設備的挑戰。


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