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25. November 2021
Herausforderungen bei IIoT-Befehls- und Steuerungsschnittstellen-Auswahl

In dem folgenden Artikel will die MIPI Alliance die wichtigsten Trends bei der Entwicklung von IIoT-Geräten beleuchten – 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.

I3C-Controller mit Kombination aus I3C- und I2C-Targets
I3C-Controller mit Kombination aus I3C- und I2C-TargetsBild: MIPI Alliance

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.

Herausforderungen bei eingebetteten 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 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 aufgrund der höheren Empfindlichkeit, Genauigkeit und Abtastraten deutlich 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, die diese Komponenten verbinden, 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.

I3C-Controller mit Kombination aus I3C- und I2C-Targets – Bild: MIPI Alliance

Lösung dieser Herausforderungen mithilfe von standardisierten Schnittstellen

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 oder herstellergebundenen 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 z.B. Anwendungen, die maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz nutzen, um erweiterte Produktfunktionen bereitzustellen.

I3C- und I2C-Energieverbrauch und Rohbitraten – Bild: MIPI Alliance

I3C: Eine neue Generation von Standard-Befehls-, Steuerungs- und Datenschnittstellen

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, das die am häufigsten verwendeten I3C-Funktionen für Embedded-Entwickler bündelt, ist auch unter einer lizenzfreien Lizenzierungsumgebung für alle Implementierer verfügbar.

Zur Bewältigung der oben beschriebenen Herausforderungen wurde I3C im Hinblick auf die folgenden Fähigkeiten entwickelt. Es

  • unterstützt eine typische Datenrate von 10MBit/s mit Optionen für leistungsstärkere Modi mit hoher Datenrate, die Geschwindigkeiten von über 30MBit/s (für den Single-Lane-Modus) ermöglichen.
  • 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.
  • unterstützt In-Band-Interrupts (IBIs), um den Bedarf an zusätzlichen physikalischen Verbindungen (Lanes) für Interrupt-Signale zu negieren.
  • verbraucht wenig Energie pro übertragenem Bit.
  • bietet stromsparende Hochgeschwindigkeits-Stapeldatenübertragungen und ermöglicht es den Komponenten, unregelmäßige Datenimpulse zu senden und dabei den Energieverbrauch zu minimieren.
  • umfasst einen „Schlafmodus“ und IBIs, die es Peripheriekomponenten ermöglichen, Host-Prozessoren nur bei Bedarf zu aktivieren, um den Stromverbrauch zu senken.
  • bietet synchrone und asynchrone Zeitstempel zur Verbesserung der Genauigkeit von Anwendungen, die Signale von verschiedenen Sensoren verwenden.
  • ist abwärtskompatibel mit I2C und ermöglicht die gemischte Verwendung von I2C- und I3C-Komponenten innerhalb eines Geräts.
  • wird durch eine Standardkonformitätstestsuite ergänzt, die für Interoperabilität und Kompatibilität zwischen den Lösungen verschiedener Anbieter sorgt.

I3C wird von einer aktiven Industriearbeitsgruppe unterstützt, die die Spezifikation weiter verbessert und versucht, immer größere Pfadlängen zu entwickeln, 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.

Thematik: Allgemein | Lösungen
MIPI Alliance
http://www.mipi.org

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