Eingebettete Befehls- und Steuerungsschnittstellen sind das Herzstück aller industriellen IoT-Geräte (IIoT). Sie stellen die grundlegende interne Konnektivität zwischen Peripheriegeräten wie Sensoren, Aktoren und UI-Komponenten und den zugehörigen Host-Prozessoren sicher.
Viele der heutigen IIoT-Geräte verwenden Schnittstellen wie I2C (Inter-Integrated Circuit), SPI (Serial Peripheral Interface) und UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter), die in den letzten 30 Jahren zu den „Go-to“-Schnittstellen im Werkzeugkasten des Embedded-Hardware-Ingenieurs geworden sind.
In diesem Beitrag beleuchten wir die wichtigsten Trends bei der Entwicklung von IIoT-Geräten – insbesondere den Bedarf an höherer Datenbandbreite und immer geringerem Stromverbrauch sowie das Streben nach Miniaturisierung – und prüfen, ob die aktuellen eingebetteten Befehls- und Steuerungsschnittstellen diesen Herausforderungen gerecht werden oder ob ein Umstieg auf neuere Schnittstellen erforderlich ist.
Interne Befehls- und Steuerungsschnittstellen
Etablierte Schnittstellen wie I2C, SPI und UART haben der eingebetteten Elektronikindustrie seit ihrer Einführung in den späten 1970er und frühen 80er Jahren gute Dienste geleistet. Seitdem haben jedoch mehrere industrielle Fortschritte, die nicht nur im IIoT, sondern auch in der gesamten Elektronikindustrie vorherrschen, den Druck auf diese alten Schnittstellen erhöht:
Steigende Datenbandbreiten: Der Gesamtbedarf an Datenbandbreite für Befehls- und Steuerungsschnittstellen wird durch das Zusammenspiel von zwei entscheidende Hauptfaktoren in die Höhe getrieben. Erstens nimmt die Zahl der Sensoren, Aktoren und anderen peripheren Komponenten, die in IIoT-Geräte eingebaut werden, weiter zu. Heutige Geräte enthalten nicht nur wesentliche Komponenten für die Kernfunktion des Geräts, sondern zunehmend auch Zusatzkomponenten zur Überwachung der Leistung und der Umgebung des Geräts selbst, um sicherzustellen, dass es ordnungsgemäß funktioniert, sowie zur Fernverwaltung des Geräts. Zweitens werden die Sensoren und andere periphere Komponenten, die in IIoT-Geräte eingebaut werden, immer fortschrittlicher und generieren so größere Datenmengen.
Notwendigkeit der Miniaturisierung: Kompakte Gerätedesigns sind für viele IIoT-Geräte unerlässlich, insbesondere für solche, die unauffällig in einem bereits bestehenden industriellen Prozess untergebracht werden müssen. Bei IIoT-Geräten, die eine ständig wachsende Anzahl von Peripheriekomponenten enthalten, ist es unerlässlich, dass die Anzahl der Drähte und Pins, die von den Befehls- und Steuerungsschnittstellen benötigt werden auf ein absolutes Minimum reduziert wird.
Immer geringerer Stromverbrauch: Eine wichtige Anforderung vieler IIoT-Geräte ist ein extrem niedriger Stromverbrauch, um einen autarken Betrieb mit einer Batterie oder einer anderen Energiequelle zu ermöglichen. Es wird immer wichtiger, dass Befehls- und Steuerungsschnittstellen nicht nur selbst energieeffizient sind, sondern auch "smart" sind – das heißt, dass sie es den Teilsystemen innerhalb eines Geräts ermöglichen können, sich so effizient wie möglich ein- und auszuschalten, um den geringstmöglichen Stromverbrauch des Gesamtsystems zu erreichen
Auf standardisierte Schnittstellen setzen
Um mit den wachsenden Anforderungen Schritt zu halten, müssen Entwickler neue Embedded Command-, Control- und Datenübertragungsschnittstellen implementieren, die höhere Bandbreiten bieten, möglichst wenige Kabel und Pins verwenden, die minimale Menge an Strom verbrauchen und es dem gesamten System ermöglichen, seinen Stromverbrauch zu minimieren. Die Verwendung von Industriestandardschnittstellen im Gegensatz zu proprietären Schnittstellen kann diese Herausforderungen lösen und viele zusätzliche Vorteile bieten. Dies hat sich in angrenzenden Branchen wie etwa bei Mobiltelefonen bewährt, wo Industrienormen für eingebettete Kamera- und Displayschnittstellen ähnliche Herausforderungen gelöst haben.
Die Verwendung von Standards in diesen Branchen hat zu Skaleneffekten bei Schnittstellen geführt, die Integrationskosten gesenkt und es Entwicklern ermöglicht, Engineering-Kosten über größere Mengen von Komponenten zu amortisieren. Standardisierte Schnittstellen fördern auch die Verfügbarkeit von erweiterten Unterstützungsleistungen wie Test- und Softwareressourcen von einem breiten Ökosystem von Industriepartnern.
Durch die Nutzung von Standards können Technologien auch schneller verbessert werden, da die Anbieter effizientere Wege zur Implementierung der Spezifikationen entwickeln, die dann in zukünftige Versionen integriert werden. Zudem können standardisierte Schnittstellen dank Abwärts- und Aufwärtskompatibilität auch die kontinuierliche Wartung und Aktualisierung von Produkten erleichtern und gleichzeitig die langfristige Unterstützung von Entwicklern den langfristigen Entwicklersupport fördern.
Vor allem aber entfällt durch die Verwendung von Standards der Aufwand für den Entwurf (oder die Auswahl) einer proprietären Schnittstelle, so dass sich die Entwickler auf höherwertige Technologien konzentrieren können, die im Protokoll-Stack weiter oben angesiedelt sind und für eine Produktdifferenzierung sorgen, wie zum Beispiel Anwendungen, die maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz nutzen, um erweiterte Produktfunktionen bereitzustellen.
I3C – eine neue Schnittstellengeneration
I3C (auch bekannt als SenseWire oder MIPI I3C) ist der Nachfolger von I2C und bietet eine kostengünstige, einfache und flexible Zweidrahtschnittstelle, mit der Sensoren, Aktoren, Steuerungen und einfache UI-Komponenten an Host-Prozessoren angebunden werden können. Es bietet Leistungs-, Leistungs- und Pin-Count-Verbesserungen gegenüber I2C-, SPI- und UART-Implementierungen. MIPI I3C Basic ist auch unter einer lizenzfreien Lizenzierungsumgebung für alle Implementierer verfügbar.
Zur Bewältigung neuen Herausforderungen wurde I3C auf die folgenden Fähigkeiten entwickelt. Es unterstützt eine typische Datenrate von 10 Mbit/s mit Optionen für leistungsstärkere Modi mit hoher Datenrate, die Geschwindigkeiten von über 30 Mbit/s (für den Single-Lane-Modus) ermöglichen. I3C wird unter Verwendung von CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) E/A mit einer Zweidrahtschnittstelle implementiert, um die Anzahl der Pins und die Anzahl der Signalpfade zwischen den Komponenten zu minimieren. Zudem unterstützt es In-Band-Interrupts (IBIs), um den Bedarf an zusätzlichen physikalischen Verbindungen (Lanes) für Interrupt-Signale zu negieren.
Ein Vorteil der neuen Schnittstelle ist der geringe Verbrauch von Energie pro übertragenem Bit. Auch bietet es stromsparende Hochgeschwindigkeits-Stapeldatenübertragungen und ermöglicht es den Komponenten, unregelmäßige Datenimpulse zu senden und dabei den Energieverbrauch zu minimieren.
Die I3C-Schnittstelle umfasst einen „Schlafmodus“ und IBIs, die es Peripheriekomponenten ermöglichen, Host-Prozessoren nur bei Bedarf zu aktivieren, um den Stromverbrauch zu senken. Es ermöglicht synchrone und asynchrone Zeitstempel zur Verbesserung der Genauigkeit von Anwendungen, die Signale von verschiedenen Sensoren verwenden. Der Neuling ist abwärtskompatibel mit I2C und ermöglicht die gemischte Verwendung von I2C- und I3C-Komponenten innerhalb eines Geräts. Darüber hinaus wird es durch eine Standardkonformitätstestsuite ergänzt, die für Interoperabilität und Kompatibilität zwischen den Lösungen verschiedener Anbieter sorgt. I3C wird von einer Industriearbeitsgruppe unterstützt, die die Spezifikation weiter verbessert und versucht etwa den Stromverbrauch zu senken und die Anzahl der Pins für Implementierer weiter zu verringern.
Fazit
Eingebettete Befehls-, Steuerungs- und Datenschnittstellen sind wesentliche Bausteine in allen IIoT-Geräten. Da IIoT-Geräte immer leistungsfähigere Funktionen integrieren, können bestehende Befehls- und Steuerungsschnittstellen den Anforderungen der nächsten Generation von IoT-Geräten in Bezug auf Bandbreite, extrem niedrigen Stromverbrauch und Miniaturisierung nicht mehr gerecht werden. Entwickler müssen diese Herausforderungen lösen, indem sie neuere Befehls- und Steuerungsschnittstellen implementieren.
Die Übernahme von Industriestandards hilft ihnen nicht nur bei der Bewältigung dieser Herausforderungen, sondern bietet auch viele andere Vorteile wie Interoperabilität, Rückwärtskompatibilität und Kostensenkung. MIPI I3C ist ein Beispiel für einen von der Industrie unterstützten Standard der kommenden Generation von Befehls-, Steuer- und Datenschnittstellen, der den Herausforderungen zukünftiger IIoT-Geräte gerecht wird.
