在過去 20 年中，許多工業和自動化系統的趨勢是向單個節點添加越來越多的數字智能，以提高它們的響應速度。通過使用分布式智能將系統整合到系統系統（也稱為“物聯網”）中，系統可以變得更加靈活。通過網絡控制，可以提供對設備的遠程控制，讓它們更智能地工作，以節省能源并提供狀態和錯誤反饋。

　　使用從遠程節點收集的數據，云中的服務器可以在警報開始出現時主動安排維護。這些服務器還可以通過使用增強的控制算法使設備協同工作，以獲得更節能或更具成本效益的解決方案，這些算法不僅對來自一個設備的數據作出反應，而且還執行傳感器融合以使用來自多個設備的輸入。

　　自 1970 年代推出以來，以及隨后在 1980 年代更新為使用低成本雙絞線電纜，以太網已成為主要的有線網絡技術和許多互聯網協議 （IP） 網絡的基礎，這些網絡結合起來形成了全球互聯網。 這兩個標準在電信和數據通信應用中的全球普及鼓勵了工業領域的用戶接受它們。不斷增加的成本壓力和數據交換過程中對兼容性的需求使得以太網和 IP 的結合變得引人注目。

　　除了工業控制之外，城市范圍的網絡也開始出現，這些網絡匯集了一系列智能設備，這些設備可以監控路燈和安全門的狀態，并從閉路電視攝像機中捕獲視頻。通過 SmartSantander 等項目已經開始對這些網絡進行大規模試驗，其中傳感器甚至可以檢測停車位是否是空的。

　　為了向這些網絡中的服務器提供信息，可以將最小的 Web 服務器實現裝入相對較小的內存中?；蛘?，該設備可以實現常見的 Web 服務協議，例如 SOAP。可以找到極小的 Web 服務庫，甚至更大的面向嵌入式的庫也不到 0.5 兆字節。1 使用 SOAP 等協議與專有消息協議相比，消息大小往往會增加，但仍然可以通過相對資源受限的處理器。

　　圖 ：一項研究顯示了 SOAP 和 IP 對來自智能傳感器的響應的數據大小的相對開銷。1

　　為了降低整個系統的成本，一種常見的方法是使用服務網關。這些網關在一側使用標準 Internet 連接，通常通過以太網端口，另一側用于更簡單、低成本的工業網絡?？梢允褂靡蕴W供電標準向這些網關供電，從而更容易將設備插入網絡并立即啟動，而無需部署單獨的電源連接。

　　對配置的進一步幫助是動態主機配置協議 （DHCP），它允許節點自動獲得在 TCP/IP 網絡上作為對等點運行所需的 IP 地址。這減少了基于設備的系統的配置和安裝開銷。將 DHCP 與普通文件傳輸協議 （TFTP） 一起使用，可以在初始化時將新的引導代碼加載到設備中，從而降低安裝和維護成本。該設備只需連接到以太網電纜，即可從本地 DHCP 服務器獲取地址，然后下載引導代碼。

　　圖 ：使用 DHCP 協議獲取網絡地址所涉及的事件序列。該序列以設備發出的請求開始。服務器通過提供一個未使用的地址進行響應，如果設備接受該地址，服務器將確認，允許設備使用該 IP 地址。

　　為了支持分布式控制的演進，MPU 和 MCU 供應商正在為其產品添加網絡接口。其中許多設備都具有片上以太網媒體訪問控制器 （MAC）。

　　MAC 負責檢測以太網上哪些數據包應被捕獲以供處理器使用以及將數據包發送到服務器或另一個節點所需的處理。需要另一個設備，即物理層接口 （PHY） 將 MCU 連接到網絡。為了簡化集成，幾乎所有 MAC 都使用媒體獨立接口 （MII） 協議與 PHY 進行通信。這允許使用不同的 PHY 來適應不同的環境特性。例如，在安全關鍵環境中，PHY 可以配置為支持光纖通信，而不是傳統的電信號接口。

　　以太網支持不僅限于高端 32 位設備。越來越多的提供以太網接口的 8 位設備正在出現，其中一些設備增加了硬件支持以簡化數據包傳輸，并為工業產品和傳感器網關提供非常低成本的網絡支持。Maxim Integrated Products

　　制造的 DSC80C400是一款高度集成的基于 8051 的 MCU，包括用于汽車和工業網絡的 CAN 接口和 10/100 Mb/s 以太網 MAC。為了提供完整的網絡支持，ROM 具有完整的 TCP/IP v4/v6 堆棧和支持多達 32 個同時 TCP/IP 連接的操作系統。該堆棧包括對 DHCP 和 TFTP 的支持，以允許在設備連接到網絡時進行自我配置和遠程啟動。

　　當以 75 MHz 的最大時鐘頻率運行 TCP/IP 時，MCU 能夠通過以太網端口維持高達 5 Mb/s 的數據速率。

　　雖然核心架構是 8 位主力 8051 的架構，但 DS80C400 包含的功能使其適合作為分層網絡中的中央控制器，為在實時網絡（如 CAN 或串行總線）上通信的設備提供網關功能企業網絡或互聯網。通過使用 24 位尋址方案和四個專用數據指針來訪問外部存儲器中的大數據緩沖區，這些數據指針可以在數據傳入和傳出內存時自動遞增和遞減。Zilog Acclaim

　　EZ80F91 使用類似的方法來處理在內存和片上以太網 MAC 之間移動的數據包。指針管理數據包數據的讀取和寫入，從而減輕 CPU 的負擔。仲裁器控制對以太網 MAC 外設的內存塊的訪問。

　　除以太網 MAC 外，Acclaim 還包括用于連接各種外圍設備的 I2C、SPI 和 UART 串??行端口，因此 MCU 可用作傳感器和執行器系統到 Internet 的網關。處理器架構基于 eZ80 指令集。

　　許多 32 位 MCU 提供片上以太網 MAC，包括Atmel的AVR UC3系列和飛思卡爾半導體的Kinetis。

　　AVR UC3 器件上的外設事件系統通過允許處理器內核在外設繼續運行、緩沖數據包或從 ADC 輸入捕獲模擬數據時休眠，從而有助于降低功耗。向 UC3 內核添加浮點數學運算使這些設備能夠以高速捕獲和處理模擬輸入，并將警報或壓縮樣本數據中繼到 Internet 服務器以進行進一步處理。同樣，Kinetis 采用的 Cortex-M4 內核也提供浮點數學和 DSP 支持。Texas Instruments Stellaris

　　的許多成員采用以太網 MAC 和 PHY 的組合，無需購買單獨的 MII 兼容 PHY 設備并提供更高程度的集成。

　　對于需要定制邏輯和網絡連接的設計，Microsemi 的SmartFusion片上系統 （SoC） 設備提供以太網 MAC 以及一系列可編程邏輯門、ARM Cortex-M3 處理器內核和智能模擬捕獲系統。這種外圍設備的組合使得構建連接互聯網的電機和執行器控制器成為可能，這些控制器需要相對較少的主機處理器干預。脈寬調制 （PWM） 例程可以下載到可編程邏輯和用于預處理傳入傳感器數據的模擬捕獲引擎中。如果條件超出容限，邏輯塊可以提醒處理器進行干預。

　　然后，處理器可以組裝一個狀態更新數據包，可能使用可編程邏輯的另一部分來執行數據壓縮，然后通過以太網 MAC 將該數據傳遞到網絡。

　　隨著網絡支持成為許多行業的關鍵要求，越來越多的 MCU 和 SoC 供應商正在做出響應，不僅在其產品中添加以太網接口，還添加參考軟件。

　　對于嵌入式網絡服務器等功能，提到的許多 MCU 已經提供了參考實現。例如，包含網絡服務器代碼的開源 IwIP 堆棧已被移植到 AVR UC3、SmartFusion 和 Stellaris 等 MCU，并在各自供應商提供的應用說明中進行了描述。這些有助于簡化實現驅動物聯網的網絡連接設備和網關的過程。

　　總結

　　本文概述了使用高集成度 MCU 為工業和嵌入式產品實現網絡支持的技術。討論的器件包括 Atmel、Maxim Integrated Products、Freescale Semiconductor、Microsemi、Maxim Integrated Products、德州儀器和 Zilog 的產品。