自1770年代创建第一个现代工业工厂系统以来，工业制造工艺不断创新，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应用，在嵌入式开发中，这一趋势今天仍在继续，这推动了所有大规模、重复性、流程驱动的制造业（如汽车、化工、电子、食品和饮料以及制药等）生产力的逐步变化。

 

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，我们研究了IIoT设备设计的关键趋势，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，或者是否需要向新的接口过渡。

 

所有工业物联网设备，包括生产线上的高级机器人、装配工人使用的智能工具、仓库中的自动引导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、相机、显示器和其他基本电子组件构建的。与这些基本构建模块同等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，提供外围设备及其相关主机微控制器之间的基本内部连接。

 

嵌入式命令和控制界面挑战

当今许多IIoT设备使用I2C（集成电路间）、SPI（串行外围接口）和UART（通用异步收发器）等接口，在过去30年中，这些接口已成为嵌入式开发硬件工程师工具包中的“首选”接口。

I2C和SPI配置示例

 

自20世纪70年代末和80年代初推出以来，这些接口很好地服务于嵌入式电子行业。但从那时起，不仅在IIoT，而且在更广泛的电子行业中普遍存在的一些行业进步给这些传统接口带来了越来越大的压力：

l 增加数据带宽——指挥和控制接口的总数据带宽需求是由两个主要因素共同推动的。首先，IIoT设备中内置的传感器、致动器和其他外围组件的数量持续增加。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来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，IIoT设备中内置的传感器和其他外围组件变得越来越先进，由于灵敏度、精确度和采样率的提高，产生的数据量显著增加。

l 小型化需求——紧凑的设备设计对于许多IIoT设备至关重要，尤其是那些必须不引入注目地适应现有工业流程的设备。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导线和引脚数量必须保持绝对最小。

l 更低的功耗——许多IIoT设备的一个关键要求是超低功耗，以便能够通过电池或其他类型的受限电源进行无线操作。越来越重要的是，命令和控制接口不仅本身节能，而且“智能”，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关断，以实现整个系统的最低功耗。

 

使用行业标准化界面解决这些挑战

为了解决这些挑战，嵌入式开发人员需要实施新的嵌入式命令、控制和数据接口，以提供更高的带宽，使用最少的导线和引脚，消耗最少的功率，并使整个系统的功耗降至最低。

使用行业标准接口，而不是专有或供应商主导的接口，可以解决这些挑战，并提供许多额外的好处。这一点已经在移动电话等相邻行业得到证明，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。

 

这些行业中标准的使用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分摊到更大数量的组件上。标准化接口还促进了增强支持服务的可用性，例如来自行业贡献者的广泛生态系统的测试和软件资源。标准化也更快地改进了技术，因为供应商开发了更有效的方法来实现规范，然后集成到未来的版本中。由于向后和向前兼容，标准化接口还可以简化持续的产品维护和更新，同时还鼓励长期的开发人员支持。

 

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，允许开发人员专注于位于协议栈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来提供增强产品功能的应用程序。

 

MIPI·I3C：下一代工业标准指挥、控制和数据接口

MIPI I3C是I2C的继任者，提供一种经济高效、简单灵活的双线接口，可用于将传感器、执行器、控制器和简单的UI组件连接到主机处理器。与I2C、SPI和UART相比，它在性能、功耗和引脚数方面都有所改进。MIPI I3C基础版捆绑了嵌入式开发人员最常用的I3C特性，也可以在免版税的许可环境下为所有实现者提供。

具有I3C和I2C目标组合的I3C控制器

 

为了应对上述关键挑战，I3C已被开发为提供以下功能：

l 支持10 Mbps的典型数据速率，可选择更高性能、高数据速率模式，提供超过30 Mbps的速度(单通道模式)。

l 使用双线接口的互补金属氧化物半导体(CMOS) I/O来实现，以最大限度地减少引脚数和元件之间的信号路径数。

l 支持带内中断(IBIs )，无需为中断信号提供额外的物理通道。

l 每传输一位消耗少量能量。

l 提供高能效的高速批量数据传输，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。

l 包括“睡眠模式”和IBIs，支持外设组件仅在必要时唤醒主机处理器以节省功耗。

l 提供同步和异步时间戳，以提高使用各种传感器信号的应用的精度。

l 向后兼容I2C，并允许在一个设备中混合使用I2C和I3C组件。

l 由标准一致性测试套件补充，确保不同供应商的解决方案之间的互操作性和兼容性。

 

I3C得到了一个活跃的行业工作组的支持，该工作组继续改进规范，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的能耗和原始比特率

 

结论

嵌入式命令、控制和数据接口是所有IIoT设备的基本构建模块。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界面来解决这些挑战。采用行业标准不仅能帮助嵌入式开发人员应对这些挑战，还能带来许多其他好处，如互操作性、向后兼容性和成本降低。MIPI I3C是下一代工业主导的命令、控制和数据接口标准的一个例子，它满足了下一代IIoT设备的挑战。