自1770年代創建第一個現代工業工廠系統以來，工業制造工藝不斷創新，迅速采用最新技術，以確保更高的效率、生產力和產品質量。隨著互聯工業物聯網（IIoT）解決方案在下一代工業流程中的應用，在嵌入式開發中，這一趨勢今天仍在繼續，這推動了所有大規模、重復性、流程驅動的制造業（如汽車、化工、電子、食品和飲料以及制藥等）生產力的逐步變化。

 

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，我們研究了IIoT設備設計的關鍵趨勢，特別是對更高數據帶寬和更低功耗的需求，以及小型化的驅動力，并考慮當前嵌入式命令、控制和數據接口是否滿足這些挑戰，或者是否需要向新的接口過渡。

 

所有工業物聯網設備，包括生產線上的高級機器人、裝配工人使用的智能工具、倉庫中的自動引導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組件構建的。與這些基本構建模塊同等重要的是嵌入式命令、控制和數據接口，這些接口將這些組件連接在一起，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。

 

嵌入式命令和控制界面挑戰

當今許多IIoT設備使用I2C（集成電路間）、SPI（串行外圍接口）和UART（通用異步收發器）等接口，在過去30年中，這些接口已成為嵌入式開發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70年代末和80年代初推出以來，這些接口很好地服務于嵌入式電子行業。但從那時起，不僅在IIoT，而且在更廣泛的電子行業中普遍存在的一些行業進步給這些傳統接口帶來了越來越大的壓力：

l 增加數據帶寬——指揮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，IIoT設備中內置的傳感器、致動器和其他外圍組件的數量持續增加。如今的設備不僅包含服務于設備核心功能的基本組件，而且還越來越多地包含輔助組件來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，IIoT設備中內置的傳感器和其他外圍組件變得越來越先進，由于靈敏度、精確度和采樣率的提高，產生的數據量顯著增加。

l 小型化需求——緊湊的設備設計對于許多IIoT設備至關重要，尤其是那些必須不引入注目地適應現有工業流程的設備。隨著IIoT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導線和引腳數量必須保持絕對最小。

l 更低的功耗——許多IIoT設備的一個關鍵要求是超低功耗，以便能夠通過電池或其他類型的受限電源進行無線操作。越來越重要的是，命令和控制接口不僅本身節能，而且“智能”，也就是說，它們可以使設備內的子系統以最有效的方式上電和關斷，以實現整個系統的最低功耗。

 

使用行業標準化界面解決這些挑戰

為了解決這些挑戰，嵌入式開發人員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，使用最少的導線和引腳，消耗最少的功率，并使整個系統的功耗降至最低。

使用行業標準接口，而不是專有或供應商主導的接口，可以解決這些挑戰，并提供許多額外的好處。這一點已經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已經解決了類似的挑戰。

 

這些行業中標準的使用創造了接口的規模經濟，降低了集成成本，并使開發人員能夠將工程成本分攤到更大數量的組件上。標準化接口還促進了增強支持服務的可用性，例如來自行業貢獻者的廣泛生態系統的測試和軟件資源。標準化也更快地改進了技術，因為供應商開發了更有效的方法來實現規范，然后集成到未來的版本中。由于向后和向前兼容，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(或選擇)專有接口的負擔，允許開發人員專注于位于協議棧更高位置并提供產品差異化的“更高價值”技術，例如利用機器學習和人工智能來提供增強產品功能的應用程序。

 

MIPI·I3C：下一代工業標準指揮、控制和數據接口

MIPI I3C是I2C的繼任者，提供一種經濟高效、簡單靈活的雙線接口，可用于將傳感器、執行器、控制器和簡單的UI組件連接到主機處理器。與I2C、SPI和UART相比，它在性能、功耗和引腳數方面都有所改進。MIPI I3C基礎版捆綁了嵌入式開發人員最常用的I3C特性，也可以在免版稅的許可環境下為所有實現者提供。

具有I3C和I2C目標組合的I3C控制器

 

為了應對上述關鍵挑戰，I3C已被開發為提供以下功能：

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

l 使用雙線接口的互補金屬氧化物半導體(CMOS) I/O來實現，以最大限度地減少引腳數和元件之間的信號路徑數。

l 支持帶內中斷(IBIs )，無需為中斷信號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據傳輸，允許組件發送不頻繁的數據突發，同時最大限度地降低能耗。

l 包括“睡眠模式”和IBIs，支持外設組件僅在必要時喚醒主機處理器以節省功耗。

l 提供同步和異步時間戳，以提高使用各種傳感器信號的應用的精度。

l 向后兼容I2C，并允許在一個設備中混合使用I2C和I3C組件。

l 由標準一致性測試套件補充，確保不同供應商的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，該工作組繼續改進規范，尋求開發更長的路徑長度，降低功耗，并為實施者實現更低的引腳數。

I3C和I2C的能耗和原始比特率

 

結論

嵌入式命令、控制和數據接口是所有IIoT設備的基本構建模塊。隨著IIoT設備集成越來越強大的功能，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。開發人員需要通過實現更新的命令和控制界面來解決這些挑戰。采用行業標準不僅能幫助嵌入式開發人員應對這些挑戰，還能帶來許多其他好處，如互操作性、向后兼容性和成本降低。MIPI I3C是下一代工業主導的命令、控制和數據接口標準的一個例子，它滿足了下一代IIoT設備的挑戰。