| 品牌：GE | 規格：IS215UCVEM09B | 材質：IS215UCVEM09B |
| 產地：美國 |
IS215UCVEM09B
圖 1. 工業以太網協議體係結構
圖 1. 工業以太網協議體係結構
EtherCAT 和 Profinet IRT 是兩種較新的協議，需要特殊的 MAC 設計。特別是EtherCAT 使用了創新的方法，在一個以太網幀中封裝了更多的數據包。多個從機器件的數據被封裝到一個以太網幀中。當從機器件讀取以太網幀時，它為自己提取出數據包的內在含義，而忽略其他信息。更重要的是，它隨時進行這種提取工作。
當連接了很多從機器件時，對數據包進行提取，以滿足低延時要求。例如，如果您是網絡上的第 256 個從機器件，會引起一個幀延時而不是 256 幀延時。典型的應用是運動控制以及多軸機器人驅動。
為支持所選擇的協議，從機器件中的 MAC 設計不同於傳統的以太網 MAC，需要 FPGA 或者 ASIC 中的特殊設計。從係統設計的角度看，如果您支持標準 MAC 實現以及特殊實現，那麼，設計應包含 MAC 設計，或者是硬件可編程的。圖 2 顯示了不同的實時要求是怎樣導致通信協議標準不同體係結構的。
圖 2. 不同的實時要求導致不同的實現
圖 2. 不同的實時要求導致不同的實現
關鍵趨勢影響了係統設計
某些影響工業以太網係統設計的趨勢包括嵌入式通信協議、工業以太網標準的快速發展，以及向千兆以太網的發展等。
嵌入式通信協議
驅動和 I/O 模塊 （ 工廠自動化中典型的從機器件 ） 的第一個發展趨勢是通信功能的深度嵌入，這是由於係統成本下降、外形減小以及功耗預算降低等因素造成的。過去，客戶花費數百美元來購買商用通信模塊，然後將其加入到驅動模塊中。這類模塊性價比不高，而且也不適用於小外形封裝驅動設計。另一替代方案是包括單獨的 ASSP 於實現通信功能。由於不同的客戶會使用不同的工業以太網標準，因此，這種 ASSP 可能會被過度設計，以支持多種協議。
但是，供應商希望將他們所有的數字驅動功能集成到一個硅片中，要求通信協議功能規模不大，能夠作為整個 “ 芯片驅動 ” 係統的組成部分來實現。圖 3 顯示了工業以太網功能實現的轉變。
圖 3. 從模塊到器件，到芯片集成功能
圖 3. 從模塊到器件，到芯片集成功能
工業以太網標準的快速發展
第二個趨勢是工業以太網標準的快速發展。與現場總線協議相似，有很多類型的工業以太網協議，重要的是，這些標準並沒有在市場上合並。
驅動係統供應商能夠支持 6 到 8 個標準，才能將其產品銷售到不同的工廠中。
例如，如果您希望在亞洲和歐洲同時銷售您的驅動設備，同時適應 Ethernet POWERLINK 和 EtherCAT，那麼，您需要：1）設計、開發，並維持兩組驅動設計；或者 2）包括 ASSP 以支持多種協議 —— 希望協議不會變化；或者 3）使用可編程平臺表 1 列出了流行於全的某些競爭以太網標準。
表 1. 基於底層現場總線協議的競爭以太網標準
表 1. 基於底層現場總線協議的競爭以太網標準
過去，當工業以太網標準使用標準 MAC/ 交換時，很容易採用微處理器單元 （MPU） 進行通信。如果您需要支持新標準，您只需要交換協議棧 （ 軟件 ）。但是，正如前面所討論的，很多新標準需要特殊的 MAC 實現。很顯然，應對這些新標準時，在標準 MPU 上採用標準以太網 MAC 和交換機對通信協議進行標準化處理是不夠的。
某些 MPU 供應商開發了新方法，例如開發嵌入式處理器使用的定制微代碼，用於倣真非標準 MAC。但這些是很深奧的方法，可能會有不知道的缺陷。需要特殊 MAC 實現的協議通常採用定制硬件方法，取決於產量以及要求的價格點而使用 ASIC 或者 FPGA。
此外，MAC 設計總是有可能隨著標準的發展而改變。為保證您的設計今後不會過時，採用可編程方法是的。ARM Cortex-M0 處理器是目前小的 ARM 處理器。M0充分利用了ARM Thumb 技術、多級流水線技術、低功耗優化設計技術和新的高密度硅閃存工藝，是目前市場上現有的小、能耗低、節能的ARM處理器。該處理能耗非常低、門數量少、代碼佔用空間小，使得MCU開發人員能夠以8位處理器的價位，獲得32位處理器的性能。芯片制造商將M0產品針對某些特別應用而進行開發，分別有高集成32位微控制器、USB微控制器， CAN總線微控制器、帶USB口和CAN總線控制器等等，廣泛地應用在各個領域。
隨著智能手機、移動互聯網、雲存儲技術的高速發展，人們的生活也隨之改變。從信息獲取到購物、娛樂、生活，衣食住行遊購娛無一不包，其中一種簡單易用的底座音箱也逐漸走入人們的生活。
設計一個高性價比的音箱，以M0為內核的USB微控制器作為這類電路係統主控芯片的不錯選擇。
Cortex-M0的USB接口在智能手機底座音響中的應用
除了音頻的傳輸，為了達到產品豐富的功能，可以根據人們的需要增加相應的功能。如液晶顯示屏幕、紅外遙控板、各類的功能按鍵等等都是人們基本的選擇，或者設計師可以展開豐富的想象力，將底座音箱設計成遙控的汽車模型，可愛的娃娃，威猛變形金剛… 這樣則對MCU提出更多的要求。芯片廠商或者已經預料到在M0的應用上會面對各式各樣的類型需求。那麼M0為內核的MCU基本上都有準備了豐富的外設接口。如框圖：
Cortex-M0的USB接口在智能手機底座音響中的應用
以上除了可運行至72 MHz Cortex？-M0內核， 還內建36K/68K字節的Flash存儲器，以及12K/20K字節 SRAM，4K字節用於存儲ISP引導代碼的ROM，保證係統的流暢運行。
USB 2.0 全速設備控制器和收發器符合USB 2.0全速設備規範，支持控制/塊/中斷/等時傳輸類型。USB 設備控制器共有 8 個可配置的端點。每個端點可以配置為輸入或者輸出類型。所有的操作包括 控制傳輸、批量傳輸、 中斷傳輸 和 同步傳輸都可以支持。端點控制模塊還可以用來管理數據序列同步，端點狀態，當前起始地址，當前事務狀態和每個端點的數據緩存狀態。恰好滿足了底座音響 基本7個配置端點的需求。
I2S控制器由I2S協議與外部音頻CODEC接口組成，兩個8字節的FIFO分別用於讀與寫通道，可以處理8∼32位字大小。DMA控制器處理數據在FIFO與內存之間的傳輸。
兩組I2C控制器，I2C為雙線，雙向串行總線，通過簡單有效的連線方式實現器件間的數據交換。I2C標準是多主機總線，包括衝突檢測和仲裁以防止在兩個或多個主機試圖同時控制總線時發生的數據損壞。這樣MCU在對音頻解碼器和加密芯片等外部設備作控制。
SPI接口可以外接如液晶顯示屏等需要SPI通訊的外部設備。
集成了UART，PS/2，GPIO等接口更豐富了用戶的需求。
MUC集成的時鐘控制器為整個芯片提供時鐘源，包括係統時鐘和所有外圍設備時鐘。其中一個外部 4~24 MHz 高速晶振可以為USB等接口提供時鐘源，一個22.1184MHz內部時鐘可以應用到UART接口傳輸的時鐘。另外還有一個內部 10 KHz 低速振蕩器。因此，該MCU對於工作時鐘的設定，提供了很大的靈活性。
該控制器還通過單獨的時鐘關或開、時鐘源選擇和分頻器來進行功耗控制。CPU使能PWR_DOWN_EN位後，Cortex-M0 內核執行WFI指令，芯片將進入掉電模式。等喚醒中斷發生，將退出掉電模式。在掉電模式下，時鐘控制器關閉外部 4~24 MHz 高速晶振和內部 22.1184 MHz 高速振蕩器，以降低整個係統的功耗。
根據這個MCU的資源我們可以搭建起一個的底座音響基本的係統。
Cortex-M0的USB接口在智能手機底座音響中的應用
首先，協議認證。協議數據通過MCU的USB輸入後轉到I2C傳送到解碼芯片解密後再由USB送回到上位機認證，通過了認證就可以進行下一步的音頻傳輸。
USB輸入的數字音頻數據PCM碼發送到NUC123 USB的512字節的SRAM中，通過PDMA1搬送到了係統的SRAM，再通過PDMA2把PCM碼搬動到I2S的緩存中，再通過I2S傳輸到音頻解碼器進行播放。係統SRAM達到20K字節，有足夠的空間做音頻同步或音頻數據的運算等等。由於係統集成有6通道的PDMA，提升了音頻同步傳輸的效率。
通過上位機指定的HID協議，用MCU的GPIO接口設計相關按鍵，將上位機指定命令字符發送到上位機，實現播放器控制等功能。
這樣一個低功耗的高性價比的底座音響平臺就搭建起來了，根據不同需要可以選擇不同的音頻解碼器、功放、箱體和喇叭，一個簡單的底座音響就設計完成了。MCU還有很多空閒的接口，可以根據不同的要求，增加相關的功能，如藍牙通訊、液晶顯示、紅外遙控…這就需要消費者和設計師的想象力了。
底座音響的音頻流程為：
Cortex-M0的USB接口在智能手機底座音響中的應用
以Iphone底座音響為例，音頻採用數字音頻方式傳輸可以保證音源不受外界的幹擾而失真，告別傳統底座音箱音質差易幹擾等問題。MCU獲取數字音頻通過USB，其USB 傳輸的端點要求是：協議佔用有3個USB端點，另外2個控制端點和2個音頻端點，這樣基本需要7個端點以上的USB接口才能滿足這類方案的設計需要。而音頻解碼器是通過I2S方式來接收，這樣MCU同時具有I2S接口，而且還需通過I2C接口來控制。單片機控制板在設計過程中，需要遵循的如下原則：
（1） 在元器件的布局方面，應該把相互有關的元件盡量放得靠近一些，例如，時鐘發生器、晶振、CPU的時鐘輸入端都易產生噪聲，在放置的時候應把它們靠近些。對於那些易產生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路開關電路等，應盡量使其遠離單片機的邏輯控制電路和存儲電路（ROM、RAM），如果可能的話，可以將這些電路另外制成電路板，這樣有利於抗幹擾，提高電路工作的可靠性。
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