为什么下一代嵌入式命令、控制和数据接口是未来工业物联网设备成功的关键

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。这一趋势在今天仍在继续，随着互联工业物联网解决方案在下一代工业流程中的应用，推动了汽车、化工、电子、食品等所有大规模、重复性、流程驱动的制造行业的生产力发生阶跃变化和饮料，和制药，仅举几例。

行业分析师预测，受半导体和电子设备技术进步、云计算平台使用增加、5G 连接发展、技术进步等因素的推动，工业物联网市场将从2021年的767亿美元增长到2026年的1061亿美元以上。在机器人技术、人工智能、机器学习的采用和政府财政刺激方面。

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，我们着眼于工业物联网设备设计的主要趋势——尤其是对更高数据带宽和更低功耗的需求，以及对小型化的推动——我们会考虑当前的嵌入式命令、控制和数据接口是否能够应对这些挑战，或者是否需要转换到较新的接口。

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、相机、显示器和其他基本电子元件。与这些基本构建块同等重要的是嵌入式命令、控制和数据接口，它们将这些组件链接在一起，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。

嵌入式命令和控制接口挑战

当今许多工业物联网设备使用I2C（内部集成电路）、SPI（串行外设接口）和UART（通用异步接收器-发送器）等接口，在过去 30 年中，这些接口已成为“首选”嵌入式硬件工程师工具包中的接口。

自1970年代末和80年代初推出以来，这些接口一直很好地服务于嵌入式电子行业。但从那时起，不仅在工业物联网而且在更广泛的电子行业中普遍存在的几项行业进步对这些传统接口施加了越来越大的压力：

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共同推动的。首先，内置于工业物联网设备中的传感器、执行器和其他外围组件的数量不断增加。今天的设备不仅包含为设备核心功能服务的基本组件，而且还越来越多地包含辅助组件，以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，内置于工业物联网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，生成的数据量显着增加。

小型化的需求——紧凑的设备设计对于许多工业物联网设备来说是必不可少的，尤其是那些必须在预先存在的工业过程中不显眼地适应的设备。随着工业物联网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低限度。

更低的功耗——许多工业物联网设备的一个关键要求是超低功耗，以实现从电池或其他类型的受限电源不受束缚的操作。至关重要的是，命令和控制接口不仅本身是节能的，而且是“智能的”——也就是说，它们可以使设备中的子系统以最有效的方式上下电，以实现最低整个系统可能的功耗。

使用行业标准化接口解决这些挑战

为了解决这些挑战，开发人员将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，使用最少的电线和引脚，消耗最少的功率，并使整个系统的功耗最小化。

与专有或供应商主导的接口相反，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。这已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解决了类似的挑战。

在这些行业中使用标准创造了围绕接口的规模经济，降低了集成成本，并使开发人员能够将工程成本摊销到更大量的组件上。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。由于向后和向前兼容性，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专有接口的负担，使开发人员可以专注于协议栈中较高的“更高价值”技术并提供产品差异化，例如利用机器的应用程序学习和人工智能提供增强的产品功能。

MIPI I3C：下一代行业标准命令、控制和数据接口

MIPI I3C是 I2C 的继任者，提供经济高效、简单且灵活的两线接口，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 实施相比，它提供了性能、功耗和引脚数的改进。MIPI I3C Basic 捆绑了嵌入式开发人员最常用的 I3C 功能，在免版税许可环境下也可供所有实施者使用。

具有I3C和I2C目标组合的I3C控制器

为应对上述关键挑战，I3C已被开发以提供以下功能：

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

使用互补金属氧化物半导体(CMOS) I/O实现，使用两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)，无需额外的物理通道用于中断信号。

传输的每比特消耗少量能量。

提供高能效、高速批量数据传输，并允许组件发送不频繁的数据突发，同时最大限度地减少能源消耗。

包括“睡眠模式”和 IBI，以使外围组件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并允许在设备内混合使用I2C和I3C组件。

辅以标准一致性测试套件，确保不同供应商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，该工作组继续增强规范，寻求开发不断扩展的路径长度、降低功耗并为实施者实现更少的引脚数。

结论

嵌入式命令、控制和数据接口是所有工业物联网设备中必不可少的构建块。随着工业物联网设备集成了越来越强大的功能，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。开发人员将需要通过实施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，可应对下一代工业物联网设备的挑战。