IS215UCVEM09B

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图 1. 工业以太网协议体系结构

　　图 1. 工业以太网协议体系结构

　　EtherCAT 和 Profinet IRT 是两种较新的协议，需要特殊的 MAC 设计。特别是EtherCAT 使用了创新的方法，在一个以太网帧中封装了更多的数据包。多个从机器件的数据被封装到一个以太网帧中。当从机器件读取以太网帧时，它为自己提取出数据包的内在含义，而忽略其他信息。更重要的是，它随时进行这种提取工作。

　　当连接了很多从机器件时，对数据包进行提取，以满足低延时要求。例如，如果您是网络上的第 256 个从机器件，会引起一个帧延时而不是 256 帧延时。典型的应用是运动控制以及多轴机器人驱动。

　　为支持所选择的协议，从机器件中的 MAC 设计不同于传统的以太网 MAC，需要 FPGA 或者 ASIC 中的特殊设计。从系统设计的角度看，如果您支持标准 MAC 实现以及特殊实现，那么，设计应包含 MAC 设计，或者是硬件可编程的。图 2 显示了不同的实时要求是怎样导致通信协议标准不同体系结构的。

　　图 2. 不同的实时要求导致不同的实现

　　图 2. 不同的实时要求导致不同的实现

　　关键趋势影响了系统设计

　　某些影响工业以太网系统设计的趋势包括嵌入式通信协议、工业以太网标准的快速发展，以及向千兆以太网的发展等。

　　嵌入式通信协议

　　驱动和 I/O 模块 （ 工厂自动化中典型的从机器件 ） 的第一个发展趋势是通信功能的深度嵌入，这是由于系统成本下降、外形减小以及功耗预算降低等因素造成的。过去，客户花费数百美元来购买商用通信模块，然后将其加入到驱动模块中。这类模块性价比不高，而且也不适用于小外形封装驱动设计。另一替代方案是包括单独的 ASSP 于实现通信功能。由于不同的客户会使用不同的工业以太网标准，因此，这种 ASSP 可能会被过度设计，以支持多种协议。

　　但是，供应商希望将他们所有的数字驱动功能集成到一个硅片中，要求通信协议功能规模不大，能够作为整个 “ 芯片驱动 ” 系统的组成部分来实现。图 3 显示了工业以太网功能实现的转变。

　　图 3. 从模块到器件，到芯片集成功能

　　图 3. 从模块到器件，到芯片集成功能

　　工业以太网标准的快速发展

　　第二个趋势是工业以太网标准的快速发展。与现场总线协议相似，有很多类型的工业以太网协议，重要的是，这些标准并没有在市场上合并。

　　驱动系统供应商能够支持 6 到 8 个标准，才能将其产品销售到不同的工厂中。

　　例如，如果您希望在亚洲和欧洲同时销售您的驱动设备，同时适应 Ethernet POWERLINK 和 EtherCAT，那么，您需要：1）设计、开发，并维持两组驱动设计；或者 2）包括 ASSP 以支持多种协议 —— 希望协议不会变化；或者 3）使用可编程平台表 1 列出了流行于全的某些竞争以太网标准。

　　表 1. 基于底层现场总线协议的竞争以太网标准

表 1. 基于底层现场总线协议的竞争以太网标准

　　过去，当工业以太网标准使用标准 MAC/ 交换时，很容易采用微处理器单元 （MPU） 进行通信。如果您需要支持新标准，您只需要交换协议栈 （ 软件 ）。但是，正如前面所讨论的，很多新标准需要特殊的 MAC 实现。很显然，应对这些新标准时，在标准 MPU 上采用标准以太网 MAC 和交换机对通信协议进行标准化处理是不够的。

　　某些 MPU 供应商开发了新方法，例如开发嵌入式处理器使用的定制微代码，用于仿真非标准 MAC。但这些是很深奥的方法，可能会有不知道的缺陷。需要特殊 MAC 实现的协议通常采用定制硬件方法，取决于产量以及要求的价格点而使用 ASIC 或者 FPGA。

　　此外，MAC 设计总是有可能随着标准的发展而改变。为保证您的设计今后不会过时，采用可编程方法是的。ARM Cortex-M0 处理器是目前小的 ARM 处理器。M0充分利用了ARM Thumb 技术、多级流水线技术、低功耗优化设计技术和新的高密度硅闪存工艺，是目前市场上现有的小、能耗低、节能的ARM处理器。该处理能耗非常低、门数量少、代码占用空间小，使得MCU开发人员能够以8位处理器的价位，获得32位处理器的性能。芯片制造商将M0产品针对某些特别应用而进行开发，分别有高集成32位微控制器、USB微控制器， CAN总线微控制器、带USB口和CAN总线控制器等等，广泛地应用在各个领域。

　　随着智能手机、移动互联网、云存储技术的高速发展，人们的生活也随之改变。从信息获取到购物、娱乐、生活，衣食住行游购娱无一不包，其中一种简单易用的底座音箱也逐渐走入人们的生活。

　　设计一个高性价比的音箱，以M0为内核的USB微控制器作为这类电路系统主控芯片的不错选择。

Cortex-M0的USB接口在智能手机底座音响中的应用

　　除了音频的传输，为了达到产品丰富的功能，可以根据人们的需要增加相应的功能。如液晶显示屏幕、红外遥控板、各类的功能按键等等都是人们基本的选择，或者设计师可以展开丰富的想象力，将底座音箱设计成遥控的汽车模型，可爱的娃娃，威猛变形金刚… 这样则对MCU提出更多的要求。芯片厂商或者已经预料到在M0的应用上会面对各式各样的类型需求。那么M0为内核的MCU基本上都有准备了丰富的外设接口。如框图：

Cortex-M0的USB接口在智能手机底座音响中的应用

　　以上除了可运行至72 MHz Cortex？-M0内核， 还内建36K/68K字节的Flash存储器，以及12K/20K字节 SRAM，4K字节用于存储ISP引导代码的ROM，保证系统的流畅运行。

　　USB 2.0 全速设备控制器和收发器符合USB 2.0全速设备规范，支持控制/块/中断/等时传输类型。USB 设备控制器共有 8 个可配置的端点。每个端点可以配置为输入或者输出类型。所有的操作包括 控制传输、批量传输、 中断传输 和 同步传输都可以支持。端点控制模块还可以用来管理数据序列同步，端点状态，当前起始地址，当前事务状态和每个端点的数据缓存状态。恰好满足了底座音响 基本7个配置端点的需求。

　　I2S控制器由I2S协议与外部音频CODEC接口组成，两个8字节的FIFO分别用于读与写通道，可以处理8～32位字大小。DMA控制器处理数据在FIFO与内存之间的传输。

　　两组I2C控制器，I2C为双线，双向串行总线，通过简单有效的连线方式实现器件间的数据交换。I2C标准是多主机总线，包括冲突检测和仲裁以防止在两个或多个主机试图同时控制总线时发生的数据损坏。这样MCU在对音频解码器和加密芯片等外部设备作控制。

　　SPI接口可以外接如液晶显示屏等需要SPI通讯的外部设备。

　　集成了UART，PS/2，GPIO等接口更丰富了用户的需求。

　　MUC集成的时钟控制器为整个芯片提供时钟源，包括系统时钟和所有外围设备时钟。其中一个外部 4~24 MHz 高速晶振可以为USB等接口提供时钟源，一个22.1184MHz内部时钟可以应用到UART接口传输的时钟。另外还有一个内部 10 KHz 低速振荡器。因此，该MCU对于工作时钟的设定，提供了很大的灵活性。

　　该控制器还通过单独的时钟关或开、时钟源选择和分频器来进行功耗控制。CPU使能PWR_DOWN_EN位后，Cortex-M0 内核执行WFI指令，芯片将进入掉电模式。等唤醒中断发生，将退出掉电模式。在掉电模式下，时钟控制器关闭外部 4~24 MHz 高速晶振和内部 22.1184 MHz 高速振荡器，以降低整个系统的功耗。

　　根据这个MCU的资源我们可以搭建起一个的底座音响基本的系统。

Cortex-M0的USB接口在智能手机底座音响中的应用

　　首先，协议认证。协议数据通过MCU的USB输入后转到I2C传送到解码芯片解密后再由USB送回到上位机认证，通过了认证就可以进行下一步的音频传输。

　　USB输入的数字音频数据PCM码发送到NUC123 USB的512字节的SRAM中，通过PDMA1搬送到了系统的SRAM，再通过PDMA2把PCM码搬动到I2S的缓存中，再通过I2S传输到音频解码器进行播放。系统SRAM达到20K字节，有足够的空间做音频同步或音频数据的运算等等。由于系统集成有6通道的PDMA，提升了音频同步传输的效率。

　　通过上位机指定的HID协议，用MCU的GPIO接口设计相关按键，将上位机指定命令字符发送到上位机，实现播放器控制等功能。

　　这样一个低功耗的高性价比的底座音响平台就搭建起来了，根据不同需要可以选择不同的音频解码器、功放、箱体和喇叭，一个简单的底座音响就设计完成了。MCU还有很多空闲的接口，可以根据不同的要求，增加相关的功能，如蓝牙通讯、液晶显示、红外遥控…这就需要消费者和设计师的想象力了。

　　底座音响的音频流程为：

Cortex-M0的USB接口在智能手机底座音响中的应用

　　以Iphone底座音响为例，音频采用数字音频方式传输可以保证音源不受外界的干扰而失真，告别传统底座音箱音质差易干扰等问题。MCU获取数字音频通过USB，其USB 传输的端点要求是：协议占用有3个USB端点，另外2个控制端点和2个音频端点，这样基本需要7个端点以上的USB接口才能满足这类方案的设计需要。而音频解码器是通过I2S方式来接收，这样MCU同时具有I2S接口，而且还需通过I2C接口来控制。单片机控制板在设计过程中，需要遵循的如下原则：

　　（1） 在元器件的布局方面，应该把相互有关的元件尽量放得靠近一些，例如，时钟发生器、晶振、CPU的时钟输入端都易产生噪声，在放置的时候应把它们靠近些。对于那些易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路开关电路等，应尽量使其远离单片机的逻辑控制电路和存储电路（ROM、RAM），如果可能的话，可以将这些电路另外制成电路板，这样有利于抗干扰，提高电路工作的可靠性。

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