Maschine-zu-Maschine-Kommunikation 8-Bit-MCU-Kommunikationsschnittstellen für das IoT

Internet-of-Things-Anwendungen, die deterministisches Verhalten und eine Echtzeitsteuerung benötigen, können von einer 8-Bit-Engine und deren Kommunikationsschnittstellen profitieren.

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Kommunikationsschnittstellen lassen sich in zwei Anwendungsfallmodelle unterteilen: Machine-to-Machine (M2M) und Human-Machine-Interfaces (HMI). M2M-Schnittstellen gibt es in verschiedenen Arten: von den üblichen seriellen Schnittstellen SPI/I²C/UART bis zu kundenspezifischen seriellen Schnittstellen und quarzlosen USB- und Funk-Schnittstellen.

Zu den HMI-Funktionen, die sich vornehmlich in Mikrocontrollern (MCUs) finden, zählen Schnittstellen wie kapazitive Berührungstechnik, LCD, Grafiktreiber und Gesten-/Näherungserfassung. M2M- und HMI-Funktionen – sowie die MCUs, die sie unterstützen – sind entscheidend für die vielen vernetzten Anwendungen, die heute das Internet der Dinge (IoT) möglich machen.

Cyber Physical Systems

Das Internet der Dinge ist mehr als die Summe seiner Teile

Eine 8-Bit-Engine mit M2M- und HMI-Schnittstellen mag nicht die optimale Lösung für alle Embedded-Systeme sein, vor allem, wenn es sich um rechenintensive Systeme mit ARM-basierten MCUs handelt, die 32 Bit Codegröße und großen Flash-Speicher erfordern. Anwendungen, die jedoch deterministisches Verhalten sowie eine Steuerung in Echtzeit verlangen, können von einer hochleistungsfähigen 8-Bit-Engine und diesen Kommunikationsschnittstellen profitieren.

Die Kommunikationsschnittstellen im Überblick

Generische Schnittstellen: Viele 8051-MCUs bieten mindestens einen UART, eine I²C- und eine SPI-Schnittstelle. Erweiterte 8-Bit-MCU-Architekturen wie die von Silicon Labs ermöglichen den gleichzeitigen Einsatz dieser Schnittstellen, da sie durch eine I/O-Crossbar auf externe Pins gemultiplext werden können.

Die I/O-Crossbar verbindet über einen Prioritäts-Crossbar-Multiplexer jede Peripherie mit jedem Pin. Silicon Labs’ 8-Bit-MCUs enthalten einen 2% genauen Oszillator, der einen Betrieb ohne Quarz und mit ausreichender Genauigkeit für den UART-Datenverkehr ermöglicht.

Bei Bausteinen mit höherer Taktfrequenz erlauben Prescaler der Peripherie, vernünftige Datenraten zu erzielen. Anspruchsvollere Versionen dieses UART enthalten Baudraten-Generatoren, um die Anforderungen an die Timer zu mindern und Zugriff auf eine Vielzahl von Baudraten zu bieten.

Für viele Highspeed-8-Bit-MCUs gibt es eine Reihe von Busschnittstellen, mit denen ein „Bit-Banging“ möglich ist. Mit der 8051-Architektur und deren Reaktionszeit ist es möglich, einen externen Pin innerhalb von 30 ns zu ändern. In anderen Modi kann die Interrupt-Hierarchie Verzögerungen einfügen, die eine Bit-Banging-Schnittstelle, die einen schnellem Bus-Turnaround erfordert, unpraktisch macht.

Quarzloser USB: Zu den komplexeren Kommunikationsschnittstellen gehört der quarzlose USB – eine Neuerung, die von Silicon Labs entwickelt und patentiert wurde. Dabei wird der externe Quarz für eine einfache Full-Speed-USB-Device-Schnittstelle entfernt, was die Kosten für die Stückliste in vielen Embedded-Anwendungen reduziert.

Die quarzlose USB-Implementierung basiert auf einer Taktrückgewinnungstechnik. Eine analoge Lösung mit Phase-Locked Loop (PLL) ist anfällig für eine durch Leckstrom verursachte Drift, und eine digitale Lösung erfordert einen schnellen Takt vor Ort, um Ausgangsjitter und Aliasing zu verringern. Optimal wäre ein hybrider Mixed-Signal-Ansatz, der aus einem Controller für die digitale Rückkopplung und einem justierbaren Analog-Oszillator besteht.

Dies setzt voraus, dass der relative Fehler zwischen dem lokalen Takt und dem Referenztakt nie zunimmt. Der Ansatz ist zudem vollständig datenunabhängig (d. h., es ist kein spezieller USB-Datenverkehr erforderlich) und hat den Vorteil, dass er im Vergleich zu quarzbasierten Lösungen stromsparend ist.

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