使用行业标准化接口解决这些挑战
作者：Tim McKee
自1770 年代创建第一个现代工业工厂系统以来，工业制造流程一直在不断创新，迅速采用最新技术以确保更高的效率、生产力和产品质量。随着互联工业物联网（IIoT）解决方案在下一代工业流程中的采用，这一趋势一直持续到今天，推动了汽车、化工、电子、食品和饮料以及制药等所有大规模、重复、流程驱动型制造业生产力的阶跃变化。
行业分析师预测，IIoT 市场将从 2021 年的 767 亿美元增长到 2026 年的 1061 亿美元以上，这是由半导体和电子设备的技术进步、云计算平台的使用增加、5G 连接的发展、机器人技术的进步、人工智能/机器学习的采用以及政府财政刺激等因素推动的。
嵌入式命令和控制接口是所有工业物联网设备的核心
在本文中，我们将探讨IIoT器件设计的主要趋势，特别是对更高数据带宽和更低功耗的需求，以及小型化的驱动力，并考虑当前的嵌入式命令、控制和数据接口是否满足这些挑战，或者是否需要过渡到更新的接口。
IIoT 设备示例
所有工业物联网设备，包括生产线上的先进机器人、装配工人使用的智能工具、仓库中的自动导引车或跟踪供应链中材料状况的简单监控设备，都是使用微控制器、传感器、执行器、摄像头、显示器和其他基本电子元件构建的。与这些基本构建模块同样重要的是嵌入式命令、控制和数据接口，这些接口将这些组件连接在一起，在外围设备及其相关的主机微控制器之间提供基本的内部连接。
嵌入式命令和控制接口挑战
当今许多IIoT设备使用I2C（内部集成电路），SPI（串行外设接口）和UART（通用异步收发器）等接口，在过去的30年中，这些接口已成为嵌入式硬件工程师工具包中的“首选”接口。
I2C 和 SPI 配置示例
自 1970 年代末和 80 年代初推出以来，这些接口一直为嵌入式电子行业提供良好的服务。但从那时起，一些行业进步，不仅在IIoT中，而且在更广泛的电子行业中都很普遍，给这些传统接口带来了越来越大的压力：
增加数据带宽 – 命令和控制接口的总数据带宽需求是由两个主要因素的组合推动的。首先，内置在IIoT设备中的传感器、执行器和其他外围组件的数量不断增加。如今的设备不仅包含服务于设备核心功能的基本组件，而且还越来越多地包含辅助组件，用于监控设备本身的性能和环境，以确保其正常运行并执行设备的远程管理。其次，内置在IIoT设备中的传感器和其他外围组件正变得越来越先进，由于灵敏度、准确性和采样率的提高，产生的数据量明显增加。
需要小型化 – 紧凑型设备设计对于许多 IIoT 设备至关重要，尤其是那些必须在预先存在的工业流程中不显眼地适应的设备。随着IIoT设备包含越来越多的外围组件，连接这些组件的命令和控制接口所需的电线和引脚数量必须保持在绝对最小值。
低功耗 – 许多 IIoT 设备的一个关键要求是超低功耗，以实现电池或其他类型的受限电源的不受限制的操作。命令和控制接口不仅本身具有高能效，而且具有“智能”性，也就是说，它们可以使设备内的子系统以最有效的方式上电和断电，以实现整个系统尽可能低的功耗。
使用行业标准化接口解决这些挑战
为了解决这些挑战，开发人员需要实现新的嵌入式命令、控制和数据接口，以提供更高的带宽，使用最少数量的电线和引脚，消耗最少的功率，并使整个系统能够最大限度地降低功耗。
与专有或供应商主导的接口相比，使用行业标准接口可以解决这些挑战并提供许多额外的好处。这在手机等邻近行业中得到了证明，嵌入式摄像头和显示接口的行业标准已经解决了类似的挑战。
在这些行业中使用标准创造了接口的规模经济，降低了集成成本，并使开发人员能够将工程成本摊销到大量组件上。标准化接口还促进了增强支持服务的可用性，例如来自广泛的行业贡献者生态系统的测试和软件资源。标准化还可以更快地改进技术，因为供应商开发了更有效的方法来实施规范，然后将其集成到未来的版本中。标准化接口还可以简化正在进行的产品维护和更新，这要归功于向后和向前兼容性，同时还鼓励开发人员的长期支持。
最重要的是，标准的使用消除了设计（或选择）专有接口的负担，使开发人员能够专注于协议栈中更高位置并提供产品差异化的“更高价值”技术，例如利用机器学习和人工智能提供增强产品功能的应用程序。
MIPI I3C：下一代行业标准命令、控制和数据接口
MIPI I3C 是 I2C 的后继产品，提供经济高效、简单且灵活的双线接口，可用于将传感器、执行器、控件和简单的 UI 组件连接到主机处理器。与 I2C、SPI 和 UART 实现相比，它的性能、功耗和引脚数都有所改进。MIPI I3C Basic捆绑了嵌入式开发人员最常用的I3C功能，也可在免版税许可环境中为所有实施者提供。
结合 I3C 和 I2C 目标的 I3C 控制器
为了应对上述关键挑战，I3C已被开发以提供以下功能：
支持 10 Mbps 的典型数据速率，并提供更高性能、高数据速率模式选项，提供超过 30 Mbps 的速度（适用于单通道模式）。
使用互补金属氧化物半导体 （CMOS） I/O 实现，使用双线接口，以最大限度地减少引脚数和组件之间的信号路径数量。
支持带内中断 （IBI），无需为中断信号提供额外的物理通道。
每传输比特消耗少量能量。
提供高能效、高速的批处理数据传输，并允许组件发送不频繁的数据突发，同时最大限度地降低能耗。
包括“睡眠模式”和 IBI，使外围组件能够仅在必要时唤醒主机处理器，以节省功耗。
提供同步和异步时间戳，以提高使用来自各种传感器的信号的应用程序的准确性。
向后兼容 I2C，并允许在设备中混合使用 I2C 和 I3C 组件。
由标准一致性测试套件补充，确保不同供应商解决方案之间的互操作性和兼容性。
I3C 由一个活跃的行业工作组提供支持，该工作组继续增强规范，寻求开发更长的路径长度、降低功耗并为实施者实现更低的引脚数。
I3C 和 I2C 能耗和原始比特率
结论
嵌入式命令、控制和数据接口是所有IIoT设备中必不可少的构建模块。随着IIoT设备集成越来越强大的功能，现有的命令和控制接口可能难以跟上下一代物联网设备的带宽、超低功耗和小型化需求。开发人员需要通过实现更新的命令和控制接口来解决这些挑战。采用行业标准不仅可以帮助开发人员应对这些挑战，还可以提供许多其他好处，例如互操作性、向后兼容性和降低成本。MIPI I3C 是下一代行业主导的命令、控制和数据接口标准的示例，可应对下一代 IIoT 设备的挑战。
