嵌入式系统的新标准

出处:维库电子市场网 发布于:2024-06-26 17:20:38

  所有嵌入式系统制造商在营销产品时都合法地采取了符合自身利益的行动。这种市场趋势不必要地减缓了该行业的正常流动,而另一方面,该行业需要更快的步伐。正是出于这个原因,大多数制造商都成立了集成技术标准化小组,以标准化不同类别的嵌入式系统在安全、电力消耗等方面的规范。
  介绍
  设备标准化始终是双赢的,是定义和实施产品、服务或流程的标准和技术规范的过程。通过标准化,由于流程优化和使用通用组件和程序,成本得以降低。采用标准有助于程序的可复制性和更高效的执行,有利于提高生产率。从这个意义上讲,正在实施各种系统架构模型的许多交换格式。这些标准还保证了产品和服务的质量水平,从而增强了消费者的信任。所有这些都有助于提高安全水平,因为风险、错误和事故危险都减少了,促进了工作场所的安全和数据保护。
  标准化程序有助于公司遵守现行法规,避免制裁和法律问题。因此,它促进了不同系统和设备(甚至来自不同制造商)之间的通信和互操作性,从而允许进入更广阔的市场并鼓励国际竞争。标准化还为即将推出的超低功耗处理器提供了技术基础,并为专用应用程序提供了有针对性的规范。因此,明确的标准对于实现不同组织之间的沟通是必不可少的。
  现有的各种标准机构都特别关注某些应用领域,例如模块化标准规范、军事和航空航天应用、医疗应用、汽车应用等。因此,对于嵌入式行业,有各种专门制定其标准的机构。这个话题太过广泛,无法在短短几页内涵盖,因此以下段落将深入探讨嵌入式系统总线的主题,特别是相关协议。
  市场提供各种类型的集成系统,从小型到大型固定装置,用于公司或相当重要的结构。复杂性取决于所使用的系统类型和解决方案中存在的组件(CPU、外围设备、传感器等)。所有这些因素的共同点是各部分之间交换数据和信息,作为输入和输出。它们必须相互正确通信才能提供预期的结果。由于汽车电子产品正在呈指数级发展,而且预测非常乐观,如图 1 所示,专用于该领域的通信协议正在通过日益高效的总线管理不断完善。研究人员关注的焦点之一是数据传输速度,根据下表,该参数多年来取得了长足的进步:
  2000:25000 kB/秒
  2006 年:50000 kB/s
  2008 年:150000 kB/s
  2016 年:1000000 kB/s
  2020 年:10000000 kB/s

  2030年:25000000 kB/s。

  图 1:电动汽车市场正在持续增长(来源:VP Solar)。
  通信协议
  这些是系统之间通过物理介质交换数据和信息的通信规则。协议管理要传输的信号的特性、发送和接收速度、传输中的单词和命令的语法、同步以及许多其他特性。如今,有几十种有效且高效的协议,它们的使用取决于所用系统的需求。让我们简要介绍一下其中的一些:
  SPI 协议:串行外设接口 (SPI) 协议支持总线上主设备和从设备之间的全双工同步串行通信,是嵌入式系统中短距离通信的标准。它基于由四条线路连接的主设备和从设备。其中两条线路承载数据信号,第三条线路表示时钟,第四条线路决定目标从设备。该协议支持高速,非常简单高效
  I 2 C 协议:它是一种串行通信协议,特别适用于相对较慢的设备,例如 RTC 和 ADC。对于通信,它使用两根线:SCL(串行时钟)用于同步两部分之间的数据传输,SDA(串行数据)。I 2 C 是一种同步但双向的半双工串行协议。仅使用两条线有助于减小封装尺寸和能耗
  CAN 协议:它是一种基于消息的协议,允许系统之间无需中央计算机即可进行通信。它用于各种不同的应用,但重要的是在汽车行业,它使车辆微控制器之间的通信非常高效。复杂系统中的效率是其强项之一,它可以轻松承受与摄像头和 GPS 的连接。
  上面列出的这些协议构成了一些传统协议,无论如何,这些协议对于理解汽车以太网都很重要。其他广泛使用的协议包括 MOST、FlexRay 和 LIN。
  如今,电动汽车的技术水平已经非常高,尤其是内部电子系统。随着新车内智能传感器和执行器的增加,必须相互通信的设备数量也在增加,即使在温度、振动或其他方面的恶劣条件下也是如此。电动汽车越来越复杂,电子控制单元 (ECU) 必须实时共享大量数据,这加大了对??网络带宽的需求。不难理解,在这些情况下,车辆中配备越来越复杂功能的电子元件之间需要一个极其安全、可靠和高速的数据通信系统。
  汽车以太网是一种新兴技术,它为新型汽车系统等的需求提供了有效的解决方案。它是一种允许在各种设备之间传输数据的网络系统。如今,各种控制系统之间的通信变得更加复杂,需要很大的带宽。这种通信方式实际上保证了高带宽以及云服务和其他服务的更大灵活性。因此,以太网的使用是联网汽车的新趋势,正在取代上一段列出的传统汽车总线系统。网络速度允许开发越来越先进的车辆功能,例如自动停车系统和全自动驾驶汽车。IEEE 802.3 以太网标准保证了非常高的速度,但至少在开始时,它无法保证汽车行业对延迟、带宽或拥塞情况的严格要求,因此无法保证实时应用。
  传统以太网会产生大量干扰,尤其是对于汽车应用而言。因此,IEEE 802.3 以太网标准的某些部分与其他标准的部分一起使用。单向四对电缆已被单对双向 UTP 电缆取代,主要创新发生在物理层,采用 Broadcom BroadR-Reach 技术。以太网在汽车行业的采用得益于它已经成为各行业局域网 (LAN) 的标准。这意味着它是一种成熟、可靠的技术,拥有广泛的支持基础。
  通过该协议,可以实现各种解决方案,旨在实现安全可靠的驾驶;例如,确保以下系统:
  娱乐系统,例如卫星导航和音响设备
  先进的安全系统,例如自动紧急制动和巡航控制
  诊断系统,实时监控车辆性能,及时发现问题并将其传达给救援人员
  定位系统,提供有关车辆位置、速度和方向的信息。
  虽然各种标准都相当完善,但它们仍在不断发展,并不断出现更具创新性和效率的想法和建议。世界各地的各种标准化过程由不同的协会和批准协会共同进行,这意味着技术委员会共享测试程序,以确保协议完美运行。汽车以太网是一种具有物理层的以太网网络,适用于汽车行业。它可以节省大量成本,因为在大多数情况下,数据传输不是通过电缆进行的,而是通过满足电磁兼容性和汽车抗扰度要求的特殊发射器进行的,具有高传输速度和高 IT 安全性。
  如上所述,传统以太网和汽车以太网之间的差异在于物理层。通信通过 IP 进行,并经过优化,但收发器和电缆不同,因为它使用单对双绞线进行全双工通信。因此,车辆必须实施专门为汽车以太网设计的硬件。IEEE 802.3bw (100BASE-T1) 是一种专为汽车应用开发的新型物理层通信协议。它在非屏蔽单对双绞线上的通信速度为 100 Mbps。
  该协议采用一些特殊技术,降低了电磁干扰和成本,因为系统重量更轻,从而提高了燃料成本效率。100BASE-T1 是全双工标准,传输和接收发生在同一对双绞线上,如图 2 所示。它使用点对点拓扑直接连接两个节点。与传统以太网 (100Base-Tx) 不同,100Base-T1 是全双工信号,因此同一对双绞线将传输从主设备到从设备的双向信号。通过使用示波器观察信号,无法区分来自主设备和从设备的信号,因为它们同时传输。


  图 2:100Base-T1 的点对点拓扑
  结论
  汽车领域的新协议具有多项显著优势,首先是传输大量数据的成本低。这对于汽车制造商来说是一个重要因素,因为他们必须始终控制生产成本。它们用途广泛,可以适应不同的需求,并可以连接车辆中的各种系统和组件,从安全系统到娱乐系统。此外,它们可用于不同规模和复杂程度的网络,使其适用于任何类型的交通工具。与传统汽车通信协议相比,汽车以太网具有众多优势,但必须精心设计和调整才能发挥其潜力。随着汽车技术的不断发展,汽车以太网有望成为未来汽车的关键组成部分。
关键词:嵌入式

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