嵌入式互联网设备渐从工业级应用渗透到日常生活中
日期：2011-1-14 21:21:11 点击：
来源：中华工控网
作者： 未知
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当前行业内有一种普遍共识：在未来几年内，越来越多的互联网设备将不再以电脑为主导，而会以嵌入式产品的形式出现，也就是我们称之为的“嵌入式互联网设备”。事实上，从网络视频监控系统、智能家庭远程控制到智能电视机顶盒、互联网电视以及数以百万辆拥有互联网接入能力的汽车，嵌入式互联网设备正逐渐从工业级应用渗透到普通消费者的日常生活中。作为嵌入式系统的主体，嵌入式硬件处理平台是否在未来几年内会以多内核架构为主，目前业界仍存在讨论；但是从功能性出发，毫无疑问，借助IBM智慧地球战略的全球影响力，在2011年，我们将看到更多具有联网能力的嵌入式处理器产品。
集成以太网MAC或硬件TCP/IP协议栈
对于设计人员来说，将其嵌入式设备连入互联网的传统方法，是选用一款MCU和一个以太网MAC。以往的MCU产品中很少内置IP和以太网接口，设计人员首先需要一个jack(插孔)，将以太网信号转换成MCU可读取信号；然后，需要TCP/IP协议栈，在其上运行DHCP、DNS和任何想要使用的其他协议。TCP/IP协议栈通常由C语言编写并移植到MCU内。在实际设计中，选用哪种MCU对设计结果并无太大影响。如果所选用的是带Linux的ARM那么强大的MCU，那么在开发产品的时候就会非常简单。或者，设计人员还可以选择功能没有那么强大，但是价格更为便宜的AVR或者是PIC。
然而，利用软件实现整个TCP/IP协议栈是一项复杂的工作。针对于此，设计人员可以选用适合的硬件TCP/IP协议栈产品，如韩国微知网络(WIZnet)公司的固件网络芯片W5100。该产品集TCP/IP协议栈、以太网MAC和PHY为一体。Lantronix也提供类似的模块，功能更为强大且更简单易用，但是价格也更高。
事实上，一直以来市场上用于嵌入式控制的以太网接口器件都非常稀少，而且这些器件大都是为PC应用而定制。为了形成更加紧凑的解决方案，现在越来越多的MCU制造商，开始把MAC部件集成到标准的8位或16位MCU架构中，甚至有些厂商将硬件TCP/IP协议栈与单片机相结合。
Microchip很早就提供专为嵌入式控制市场设计的10Mbps以太网解决方案，而现在，更有集成10/100 MAC的PIC32单片机、集成MAC / PHY的PIC18单片机、独立的以太网器件以及免费的TCP-IP软件栈。Microchip的PIC18是一款使用非常广泛的以太网MCU产品，只需添加一个magjack并从Microchip网站下载TCP/IP协议栈即可执行工作。
ST最近也增强了其基于ARM Cortex的STM32产品线，加入了片上以太网功能(STM32F107系列增加了一个10/100以太网MAC)，以完整的硬件支持IEEE1588精确时间协议，使设计人员能够为实时应用开发以太网连接功能。
而我们在文章中最先提到的专注于以太网系列产品的WIZnet公司，新近在W5100全硬件网络芯片功能的延伸和升级上，推出了结合主控芯片的W7100，集成了8051标准单片机和全硬件解码TCP/IP以太网协议栈。
事实证明，虽然以太网是网络和系统-系统协议，但它已经为其它应用所采用，包括背板。因为具有很高的灵活性、可靠性和性能，不但MCU供应商正在积极布局相关产品，其也是FPGA内的常见协议选择。
Altera公司结合其最新一代高端器件推出的全新嵌入式开发系统CvcloneII，就在其中集成了完整的千兆以太网硬核，其中包括MAC模块以及可选择的物理层PCS模块和PMA模块，MAC模块支持l0/100/1000 Mbps。
Xilinx则提供面向低成本10/100以太网应用的Spartan-3和面向多端口千兆位级以太网应用的Virtex-5 FPGA。Virtex-5 FPGA利用65-nm工艺技术制造，整合了4个三态以太网MAC硬模块，支持各种PHY 接口，从采用SelectIO技术的MII到采用GTP收发器的SGMII。
集成Zigbee等无线功能
“物联网(Internet Of Things, IOT)与智慧地球不是概念炒作，是互联网与嵌入式系统在高级阶段的融合。”北京航空航天大学何立民教授在近日于深圳举行的“MCU技术创新与嵌入式应用大会”中特别指出。
智能传感器网络与控制是物联网发展与获得市场广泛认可的主要推动因素。Microchip的Jason Tollefson对此表示：“我们看到了从工业和智能能源应用中发展起来的物联网。更多机器到机器(M2M)的通信会转为使用互联网，而且消费者需要能够通过智能电话监视和控制的产品。”
智能电网在物联网中的角色至关重要，爱特梅尔公司战略营销经理Pierre Roux认为：“在互联网向嵌入式领域渗透的过程中，移动互联网设备，比如智能手机和更时髦的平板电脑，显然起着举足轻重的作用。不过，如果我们把物联网看作是物体间相互通信的互联网，那么智能电网应该被视为向智能电器、智能家庭和电动汽车转换的主要使能者。”
“事实上，我们甚至可以说，若智能电网没有就绪，上面提到的转向根本没有意义。”Pierre Roux强调道。
无线技术是构建物联网最主要的方式之一，大量传感器或者传感网通过无线的方式来感知外界、采集信息。因此，众多无线技术联盟组织正积极投身物联网阵营。未来的嵌入式平台，该如何对各种无线技术进行强有力的支持，也是各大处理器供应商在进行产品规划时所关注的重点
各大联盟在智能电网的标准与应用领域，竞争尤为激烈。目前，ZigBee、RFID等传统传感器技术已然占得先机；Wi-Fi、Bluetooth等技术也正在积极参与。在家庭无线网络领域的采用方面，当前802.15.4和802.11居于领先地位，其中802.15.4和其即将推出并支持物联网的ZigBee Smart Energy 2.0堆栈稍胜一筹。
据Pierre Roux介绍，目前已批准及开发中的ZigBee应用规范包括：家庭自动化(Home Automation)，提高家庭的安全性、可靠性、可控制性以及便利性；楼宇自动化(Building Automatio)，提高楼宇在出入、安全和HVAC等控制方面的灵活性和智能性；智能能源，包括需求响应，电表净计量；RF4CE，如遥控(消费电子设备的先进遥控)及用于电信、医疗保健和零售应用的其它规范。
MCU厂商的Zigbee实现方案主要分为三类：(1)MCU和RF收发器分离的双芯片方案，ZigBee协议栈在MCU上运行；(2)集成RF和MCU的单芯片方案；(3)ZigBee协处理器和MCU的双芯片方案。
虽然三种方案各有优势，但单芯片方案显然是当前主要厂商的主推方案，也是重要的发展趋势。在主要的Zigbee芯片提供商中，德州仪器(TI)的Zigbee产品线覆盖了以上三种方案；飞思卡尔、Ember、Jennic等则都可以提供单芯片方案。
例如飞思卡尔最新的MC1323x系列，内含一个8位HCS08微控制器以及一个完全符合IEEE 802.15.4的收发器。除了RF监测和监控以外，这套新的系列器件还将允许消费者直接支持和使用传统红外线(IR)功能和器件。
而过去一贯提供MCU RF双芯片方案的爱特梅尔，近来也开始推出包括兼容IEEE 802.15.4和ZigBee标准的低成本、低功耗、低数据率MCU无线控制器件。其最新推出的AVR无线MCU ATmega128RFA1符合IEEE 802.15.4标准，集成了爱特梅尔基于AVR增强特性RISC架构的CMOS 8位MCU以及2.4GHz ISM频段的高数据速率收发器。该器件的吞吐量达到1MIPS/MHz，无线电收发器的数据数据速率从250kbps到高达2Mbps。
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当前行业内有一种普遍共识：在未来几年内，越来越多的互联网设备将不再以电脑为主导，而会以嵌入式产品的形式出现，也就是我们称之为的“嵌入式互联网设备”。事实上，从网络视频监控系统、智能家庭远程控制到智能电视机顶盒、互联网电视以及数以百万辆拥有互联网接入能力的汽车，嵌入式互联网设备正逐渐从工业级应用渗透到普通消费者的日常生活中。作为嵌入式系统的主体，嵌入式硬件处理平台是否在未来几年内会以多内核架构为主，目前业界仍存在讨论；但是从功能性出发，毫无疑问，借助IBM智慧地球战略的全球影响力，在2011年，我们将看到更多具有联网能力的嵌入式处理器产品。
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集成以太网MAC或硬件TCP/IP协议栈
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对于设计人员来说，将其嵌入式设备连入互联网的传统方法，是选用一款MCU和一个以太网MAC。以往的MCU产品中很少内置IP和以太网接口，设计人员首先需要一个jack(插孔)，将以太网信号转换成MCU可读取信号；然后，需要TCP/IP协议栈，在其上运行DHCP、DNS和任何想要使用的其他协议。TCP/IP协议栈通常由C语言编写并移植到MCU内。在实际设计中，选用哪种MCU对设计结果并无太大影响。如果所选用的是带Linux的ARM那么强大的MCU，那么在开发产品的时候就会非常简单。或者，设计人员还可以选择功能没有那么强大，但是价格更为便宜的AVR或者是PIC。
WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
然而，利用软件实现整个TCP/IP协议栈是一项复杂的工作。针对于此，设计人员可以选用适合的硬件TCP/IP协议栈产品，如韩国微知网络(WIZnet)公司的固件网络芯片W5100。该产品集TCP/IP协议栈、以太网MAC和PHY为一体。Lantronix也提供类似的模块，功能更为强大且更简单易用，但是价格也更高。
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事实上，一直以来市场上用于嵌入式控制的以太网接口器件都非常稀少，而且这些器件大都是为PC应用而定制。为了形成更加紧凑的解决方案，现在越来越多的MCU制造商，开始把MAC部件集成到标准的8位或16位MCU架构中，甚至有些厂商将硬件TCP/IP协议栈与单片机相结合。
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Microchip很早就提供专为嵌入式控制市场设计的10Mbps以太网解决方案，而现在，更有集成10/100 MAC的PIC32单片机、集成MAC / PHY的PIC18单片机、独立的以太网器件以及免费的TCP-IP软件栈。Microchip的PIC18是一款使用非常广泛的以太网MCU产品，只需添加一个magjack并从Microchip网站下载TCP/IP协议栈即可执行工作。
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ST最近也增强了其基于ARM Cortex的STM32产品线，加入了片上以太网功能(STM32F107系列增加了一个10/100以太网MAC)，以完整的硬件支持IEEE1588精确时间协议，使设计人员能够为实时应用开发以太网连接功能。
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而我们在文章中最先提到的专注于以太网系列产品的WIZnet公司，新近在W5100全硬件网络芯片功能的延伸和升级上，推出了结合主控芯片的W7100，集成了8051标准单片机和全硬件解码TCP/IP以太网协议栈。
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事实证明，虽然以太网是网络和系统-系统协议，但它已经为其它应用所采用，包括背板。因为具有很高的灵活性、可靠性和性能，不但MCU供应商正在积极布局相关产品，其也是FPGA内的常见协议选择。
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Altera公司结合其最新一代高端器件推出的全新嵌入式开发系统CvcloneII，就在其中集成了完整的千兆以太网硬核，其中包括MAC模块以及可选择的物理层PCS模块和PMA模块，MAC模块支持l0/100/1000 Mbps。
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Xilinx则提供面向低成本10/100以太网应用的Spartan-3和面向多端口千兆位级以太网应用的Virtex-5 FPGA。Virtex-5 FPGA利用65-nm工艺技术制造，整合了4个三态以太网MAC硬模块，支持各种PHY 接口，从采用SelectIO技术的MII到采用GTP收发器的SGMII。
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集成Zigbee等无线功能
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“物联网(Internet Of Things, IOT)与智慧地球不是概念炒作，是互联网与嵌入式系统在高级阶段的融合。”北京航空航天大学何立民教授在近日于深圳举行的“MCU技术创新与嵌入式应用大会”中特别指出。
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智能传感器网络与控制是物联网发展与获得市场广泛认可的主要推动因素。Microchip的Jason Tollefson对此表示：“我们看到了从工业和智能能源应用中发展起来的物联网。更多机器到机器(M2M)的通信会转为使用互联网，而且消费者需要能够通过智能电话监视和控制的产品。”
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智能电网在物联网中的角色至关重要，爱特梅尔公司战略营销经理Pierre Roux认为：“在互联网向嵌入式领域渗透的过程中，移动互联网设备，比如智能手机和更时髦的平板电脑，显然起着举足轻重的作用。不过，如果我们把物联网看作是物体间相互通信的互联网，那么智能电网应该被视为向智能电器、智能家庭和电动汽车转换的主要使能者。”
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“事实上，我们甚至可以说，若智能电网没有就绪，上面提到的转向根本没有意义。”Pierre Roux强调道。
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无线技术是构建物联网最主要的方式之一，大量传感器或者传感网通过无线的方式来感知外界、采集信息。因此，众多无线技术联盟组织正积极投身物联网阵营。未来的嵌入式平台，该如何对各种无线技术进行强有力的支持，也是各大处理器供应商在进行产品规划时所关注的重点
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各大联盟在智能电网的标准与应用领域，竞争尤为激烈。目前，ZigBee、RFID等传统传感器技术已然占得先机；Wi-Fi、Bluetooth等技术也正在积极参与。在家庭无线网络领域的采用方面，当前802.15.4和802.11居于领先地位，其中802.15.4和其即将推出并支持物联网的ZigBee Smart Energy 2.0堆栈稍胜一筹。
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据Pierre Roux介绍，目前已批准及开发中的ZigBee应用规范包括：家庭自动化(Home Automation)，提高家庭的安全性、可靠性、可控制性以及便利性；楼宇自动化(Building Automatio)，提高楼宇在出入、安全和HVAC等控制方面的灵活性和智能性；智能能源，包括需求响应，电表净计量；RF4CE，如遥控(消费电子设备的先进遥控)及用于电信、医疗保健和零售应用的其它规范。
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MCU厂商的Zigbee实现方案主要分为三类：(1)MCU和RF收发器分离的双芯片方案，ZigBee协议栈在MCU上运行；(2)集成RF和MCU的单芯片方案；(3)ZigBee协处理器和MCU的双芯片方案。
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虽然三种方案各有优势，但单芯片方案显然是当前主要厂商的主推方案，也是重要的发展趋势。在主要的Zigbee芯片提供商中，德州仪器(TI)的Zigbee产品线覆盖了以上三种方案；飞思卡尔、Ember、Jennic等则都可以提供单芯片方案。
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例如飞思卡尔最新的MC1323x系列，内含一个8位HCS08微控制器以及一个完全符合IEEE 802.15.4的收发器。除了RF监测和监控以外，这套新的系列器件还将允许消费者直接支持和使用传统红外线(IR)功能和器件。
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而过去一贯提供MCU RF双芯片方案的爱特梅尔，近来也开始推出包括兼容IEEE 802.15.4和ZigBee标准的低成本、低功耗、低数据率MCU无线控制器件。其最新推出的AVR无线MCU ATmega128RFA1符合IEEE 802.15.4标准，集成了爱特梅尔基于AVR增强特性RISC架构的CMOS 8位MCU以及2.4GHz ISM频段的高数据速率收发器。该器件的吞吐量达到1MIPS/MHz，无线电收发器的数据数据速率从250kbps到高达2Mbps。
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