智能网络设备开发中的硬件设计

嵌入式系统设计带来了与传统系统设计全然不同的挑占。其中包括从处理器和存储器的选择到产品环境的考虑。在理解产品设计的许多复杂方面和影响后，呵以直接提高产品设计成功的几率，对于设计者，仅仅了解需要什么部件来完成一个设计是不够的，还要考虑部件之间如何交互、何种要素会带来影响和设计的产品将在何种环境中运行等问题。

本文试图用合适的视角来盾待这些问题，为设计工程师们提供指导和帮助，从所有的层面上帮助它们为今后的设计项目做更好的准备。

1 理解产品要求和设计局限

在创造一个智能的网络化设备时，第一步是要理解这个嵌入式产品本身内含的规格要求，大同小异不仅仅是产品的功能要求。基本的元素，如处理器类型，会对吞吐量、可裁剪性和开发周期的长短产生广泛的影响。这一点一定在事先就了然于胸。同样重要的成本，因为多数嵌入式产品对成本是敏感的。因此，材料清单的成本需要比传统设计低很多。典型的具有以太网能力的嵌入式产品生产的材料清单的花费为$45～$100元。这些限制要求对性价比做很好的分析。

对于串口、USB、I2C接口的设计决定也会对性价比产生影响。找到带集成接口的处理器并不难，比如带以太网口、串口、USB及其它接口。在合适的价位找到这样的处理器，并且还能提供产品的可裁剪性，就不那么容易了。

还有2个重要的事项有时会被忽略，就是电源要求和温度涠。如果产品是电池供电，要考虑系统所有部件的电流消耗；如果产品本身要求满足工业级温度要求，那么这个盒子中的所有部件都要是工业级的。最后一点，由于本文的焦点在硬件，需要记住，产品可裁剪性取决于软件。

除了辨别一个产品的功能要求外，对于该产品功能环境的理解也同样重要。这个产品将在何处度过它的整个生命周期，那里的环境是否有特殊性？这样的问题，设计者可以利用环境的先天优势，同时为最坏的情形做打算。如考虑暴露情况、环境污梁情况、温度极限和更多的将影响性能和潜在的生命周期的情况。

人机交互同样是重要因素。如程序改动的频繁度、产品可能维护计划等。一定要关注技术环境。比如，如果一个智能网络设备接到一个局域网上，相关的信息流量会如何影响周围的设备？如果该产品是一个串口到以太网的网关，只负责从串口得到数据然后将它转换成以太网包，反之亦然，那么不仅要考虑最大的数据延时允许网包，还要考虑有多少数据要传送。虽然延时对许多应用不是一个主要考虑因素（如当一个产品只是不时地收集数据，定期地被取走），但在一些应用中，延时是以太网拓扑中的限制因素。在需要对紧急情况作出立即反应的地址，如工厂地面上的阀门控制、通信和反应，一定要真正实时地完成。

2 通信、部件和协议

在基于以太网网络中有2个常用术语是10BaseT和100BaseT。为了高效地设计一个产品，理解这些术语的含义是很必要的。10BadeT和100BaseT是线速度。线速度和能占用的持续速度是不同的。通常意义上讲，10BaseT线速度是10Mbit/s，100BaseT线速度是100Mbit/s。作为一个共享的资源，所有局域网上的设备都要能互相通信。因此，设备没有能力百分之百地拥有全部的带宽。如果真的存在这种情况，其它设备就不能进行任何通信了。由此可知，在100BaseT的连接中，设备可以用100BaseT的解码机制进行通信，而不是维持100Mbit/s的速度。总吞吐量可以被视作理论吞吐量，而净吞吐量可以视为实际的流量。

许多应用在设计时遵循所谓的“30%规则”。简单讲，在有其它设备共享网络的环境中，一个设备应被设计为能使用30%的带宽。在一个100BaseT的网络中，这意味着30Mbit/s。很明显，智能化设备网络意味着设计一个嵌入式产品应用到一个已存在的网络中。在这里，设计得必须面对此设计要素，即必须估计在这个水平上，将不得不在什么条件下进行工作。

网络的布线费用通常是网络中比较贵的部分。由于这个费用，许多其它介质和协议，尤其是无线，正在被研究用于承载通信。802.11和蓝牙是2个无线的协议。

网络设备本身的价格在不断地下落。由于这个原因，许多应用着眼于现存的线路来保持以太网布线。这在楼宇控制应用系统中是很常见的。因为数公里长的485或422的线路已经存在，这些线路通常保留。因为要和楼宇控制外设进行通信。因此，应用系统作为网关，用软件来桥接遗留的串口协议和以太网之间的通信。

如今，在许多建筑的物理布线中通常包含标准的、屏蔽或非蔽的双绞线。不管屏蔽的还是非屏蔽的，双绞线在抗电磁干扰上是很有效的。基本的差别在于（不比较成本）屏蔽的双绞线能提供更好的噪音保护。除了从设施中现有部件产生的噪音外，比如电力线、变压器和发电机等，线路自身的数据传输也会产生噪音。这一情况使得安装和调试一个新硬件成为一种挑战。在最坏情况下的可能影响，包括从传输灯亮时网络的不稳定，到高速传输数据时的数据错误。

一种特殊级别的双绞线名叫5类电缆，可以用于许多普通双绞线难于应付的情况。5类线支持100Mbit/s数据传输，而出错概率很低。光纤线路也在以太网络中得到应用，特别是在电磁干扰敏感的环境中，光纤是抗电磁干扰的，没有辐射，防窃听，完全适合极高速率的数据传输。

需要强调的是，以太网拓扑与其它网络拓扑相比是非常不一样的。拓扑选择将影响布线的费用。以太网不是基于多跳的网络，比如10Base-2的雏菊链网。以太网拓扑组成的是星状的配置。星上的每一个设备在物理上要么连在一个集线器上，要么连在一个交换机上。在以太网上，一个设备与另一个设备的通信起处于发送设备端，然后到它连接的集成器或交换机。

以太网有2种基于类型：平面式和多层结构式。在一个平面式的以太网，连接在一个集线路上的所有设备可以看到这个集线器接角到的所有数据包。这还包括相互连接在一起的集线器上的所有设备。在多层结构式以太网中，由于集线路之间由交换机连接，只有连接在一个集一器上的设备可以看到那些包，此外，交换机还能决定哪些设备可以看到包，而哪些不能。

值得注意的是，不管是平面式还是多层结构式，以太网一个共同的好处是不会受故障设备所牵连；而在雏菊链网络中，一旦1个网络设备贪婪工作，其它网上设备的通信就无法进行了。在以太网的多层结构网中，数据冲突被最小化了。但它的最大不足就是线路总量和安装总费用增加了。