自1770 年代創建第一個現代工業工廠系統以來，工業制造流程一直在不斷創新，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采用，這一趨勢一直持續到今天，推動了汽車、化工、電子、食品和飲料以及制藥等所有大規模、重復、流程驅動型制造業生產力的階躍變化。

行業分析師預測，IIoT 市場將從 2021 年的 767 億美元增長到 2026 年的 1061 億美元以上，這是由半導體和電子設備的技術進步、云計算平臺的使用增加、5G 連接的發展、機器人技術的進步、人工智能/機器學習的采用以及政府財政刺激等因素推動的。

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，我們將探討IIoT器件設計的主要趨勢，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，并考慮當前的嵌入式命令、控制和數據接口是否滿足這些挑戰，或者是否需要過渡到更新的接口。

IIoT 設備示例

所有工業物聯網設備，包括生產線上的先進機器人、裝配工人使用的智能工具、倉庫中的自動導引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、攝像頭、顯示器和其他基本電子元件構建的。與這些基本構建模塊同樣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，在外圍設備及其相關的主機微控制器之間提供基本的內部連接。

嵌入式命令和控制接口挑戰

當今許多IIoT設備使用I2C（內部集成電路），SPI（串行外設接口）和UART（通用異步收發器）等接口，在過去的30年中，這些接口已成為嵌入式硬件工程師工具包中的“首選”接口。

I2C 和 SPI 配置示例

自 1970 年代末和 80 年代初推出以來，這些接口一直為嵌入式電子行業提供良好的服務。但從那時起，一些行業進步，不僅在IIoT中，而且在更廣泛的電子行業中都很普遍，給這些傳統接口帶來了越來越大的壓力：

增加數據帶寬 – 命令和控制接口的總數據帶寬需求是由兩個主要因素的組合推動的。首先，內置在IIoT設備中的傳感器、執行器和其他外圍組件的數量不斷增加。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，用于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，內置在IIoT設備中的傳感器和其他外圍組件正變得越來越先進，由于靈敏度、準確性和采樣率的提高，產生的數據量明顯增加。

需要小型化 – 緊湊型設備設計對于許多 IIoT 設備至關重要，尤其是那些必須在預先存在的工業流程中不顯眼地適應的設備。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電線和引腳數量必須保持在絕對最小值。

低功耗 – 許多 IIoT 設備的一個關鍵要求是超低功耗，以實現電池或其他類型的受限電源的不受限制的操作。命令和控制接口不僅本身具有高能效，而且具有“智能”性，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斷電，以實現整個系統盡可能低的功耗。

使用行業標準化接口解決這些挑戰

為了解決這些挑戰，開發人員需要實現新的嵌入式命令、控制和數據接口，以提供更高的帶寬，使用最少數量的電線和引腳，消耗最少的功率，并使整個系統能夠最大限度地降低功耗。

與專有或供應商主導的接口相比，使用行業標準接口可以解決這些挑戰并提供許多額外的好處。這在手機等鄰近行業中得到了證明，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。

在這些行業中使用標準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攤銷到大量組件上。標準化接口還促進了增強支持服務的可用性，例如來自廣泛的行業貢獻者生態系統的測試和軟件資源。標準化還可以更快地改進技術，因為供應商開發了更有效的方法來實施規范，然后將其集成到未來的版本中。標準化接口還可以簡化正在進行的產品維護和更新，這要歸功于向后和向前兼容性，同時還鼓勵開發人員的長期支持。

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，使開發人員能夠專注于協議棧中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提供增強產品功能的應用程序。

MIPI I3C：下一代行業標準命令、控制和數據接口

MIPI I3C 是 I2C 的后繼產品，提供經濟高效、簡單且靈活的雙線接口，可用于將傳感器、執行器、控件和簡單的 UI 組件連接到主機處理器。與 I2C、SPI 和 UART 實現相比，它的性能、功耗和引腳數都有所改進。MIPI I3C Basic捆綁了嵌入式開發人員最常用的I3C功能，也可在免版稅許可環境中為所有實施者提供。

結合 I3C 和 I2C 目標的 I3C 控制器

為了應對上述關鍵挑戰，I3C已被開發以提供以下功能：

支持 10 Mbps 的典型數據速率，并提供更高性能、高數據速率模式選項，提供超過 30 Mbps 的速度（適用于單通道模式）。

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

支持帶內中斷 （IBI），無需為中斷信號提供額外的物理通道。

每傳輸比特消耗少量能量。

提供高能效、高速的批處理數據傳輸，并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。

包括“睡眠模式”和 IBI，使外圍組件能夠僅在必要時喚醒主機處理器，以節省功耗。

提供同步和異步時間戳，以提高使用來自各種傳感器的信號的應用程序的準確性。

向后兼容 I2C，并允許在設備中混合使用 I2C 和 I3C 組件。

由標準一致性測試套件補充，確保不同供應商解決方案之間的互操作性和兼容性。

I3C 由一個活躍的行業工作組提供支持，該工作組繼續增強規范，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 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設備中必不可少的構建模塊。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接口來解決這些挑戰。采用行業標準不僅可以幫助開發人員應對這些挑戰，還可以提供許多其他好處，例如互操作性、向后兼容性和降低成本。MIPI I3C 是下一代行業主導的命令、控制和數據接口標準的示例，可應對下一代 IIoT 設備的挑戰。

審核編輯：郭婷