Moduły komunikacyjne Ethernet i USB - raport techniczno-rynkowy

Rys. 1. 81% ankietowanych specjalistów jest zdania, że liczba dostawców modułów komunikacyjnych na rynku polskim rośnie

Historycznie możliwość podłączenia do komputera pojawiła się chyba najwcześniej w aparaturze pomiarowej, która za pomocą interfejsu RS232 mogła przesyłać wyniki pomiarów lub być wykorzystywana jako element systemu pomiarowego. Łącze RS232 to z pewnością już technologia schodząca z rynku, zbyt problematyczna i o za słabych parametrach w stosunku do wymagań przepustowości.

Od kilku lat można zaobserwować trend coraz większego znaczenia elektroniki konsumenckiej w elektronice jako kreatora trendów i technologii. Wiele z rozwiązań, które zostały opracowane i z sukcesem spopularyzowane w takim sprzęcie, przenika następnie do branży przemysłowej i elektroniki profesjonalnej.

Doskonałym przykładem jest właśnie USB i Ethernet, a więc dwie dominujące na rynku technologie komunikacyjne, które wyszły ze sprzętu powszechnego użytku i stają się dzisiaj obowiązkowym wyposażeniem dla wielu urządzeń o charakterze profesjonalnym. Port USB jest obecnie tym samym dla wielu aplikacji elektronicznych, czym dawniej był RS-232.

Jednak o ile dodanie RS-a było banalne od strony układowej i oprogramowania, o tyle z USB nie jest już tak różowo. Trudno nie dostrzec wysiłków producentów mikrokontrolerów, którzy traktują USB jako jedno z wielu dostępnych urządzeń peryferyjnych i zapewniają wsparcie po stronie sprzętu.

Podobnie jest z Ethernetem, ale nie da się zaprzeczyć, że dodanie portu ethernetowego i zapewnienie, aby urządzenie było rozpoznawane i funkcjonowało w sieci

Rys. 2. Dla blisko trzech czwartych dystrybutorów sprzedaż modułów ethernetowych i USB przynosi nie więcej niż 10% obrotów

lokalnej lub działało w Internecie, nie jest zadaniem banalnym i wymaga od konstruktora sporo wysiłku. Podobne problemy widoczne są w zakresie instalacji przemysłowych, automatyce i urządzeniach technologicznych.

Nowoczesne systemy sterowania opierają się dzisiaj na sieciach przemysłowych, dla których bazą jest Ethernet, stąd na rynku funkcjonuje wiele produktów umożliwiających spięcie wielu różnych standardów i systemów w jedną homogeniczną sieć.

Oczywiście interfejsy ethernetowe pozwalające podłączyć do sieci czujniki, elementy wykonawcze i zarządzać nimi zdalnie są podstawowymi elementami takich rozwiązań, ale asortyment produktów dostępnych na rynku jest znacznie szerszy.

Najważniejszą opcją wydaje się bezprzewodowość, a więc zdolność do tego, aby sprzęt był w stanie komunikować się także w sieci bezprzewodowej za pomocą standardowych protokołów i rozwiązań dostępowych.

Moduły OEM

Rys. 3. Obroty połowy dostawców omawianych w raporcie nie przekraczają rocznie 100 tys. złotych. Niemniej co czwarta firma ma je na poziomie 1–5 mln

Dla konstruktorów, którzy chcą uzupełnić swoje projektowane urządzenie elektroniczne o Ethernet lub USB albo dodać taką funkcjonalność do starszych, ale cały czas wykorzystywanych aplikacji, na rynku dostępne są moduły pozwalające na szybkie dodanie takich interfejsów, bez konieczności inwestowania w rozbudowę układu sprzętowego i tworzenie dodatkowego oprogramowania.

Moduły takie dostępne są najczęściej w postaci małych płytek drukowanych, często niewiele większych od typowego gniazda sieciowego typu RJ, które wlutowuje się w płytkę bazową urządzenia. Takie moduły pozwalają na proste połączenie z układem głównym aplikacji i w większości są one programowalne i elastyczne od strony sprzętowej.

Użytkownik może programowo definiować ich działanie i korzystać z ich interfejsów, takich jak zwykłe linie GPIO, SPI, I²C, UART. Programowanie realizowane jest w języku wysokiego poziomu, przez co nie sprawia kłopotu. Wiele modułów OEM, poza naturalną funkcją komunikacyjną, zawiera także szereg dodatkowych układów, takich jak zegar RTC, pamięć, linie przerwań, a nawet dysk na dane w pamięci Flash.

Tabela 1. Przegląd ofert krajowych dostawców modułów Ethernetowych i USB

Transponowanie interfejsów ułatwia też zwykle specjalny bufor dla danych zapewniający płynność komunikacji. Dla wymagających użytkowników producenci proponują złożone moduły z własnym systemem operacyjnym, które ukierunkowane są zwykle na zastosowania w przemyśle.

Te najbardziej rozbudowane zawierają specjalizowany mikrokontroler, najczęściej firmy ARM, co najmniej kilkanaście megabajtów pamięci Flash i pracują pod kontrolą okrojonej wersji Linuksa lub pod Windows CE, co daje natychmiastowy dostęp do usług takich jak DHCP, FTP, SSH, HTTP i podobnych udogodnień sieciowych.

Takie moduły w zasadzie są już inteligentnymi interfejsami sieciowymi lub kompletnymi komputerami o dużej wydajności i zasobach, a nie zwykłymi interfejsami komunikacyjnymi. W wielu aplikacjach to one mogą stanowić główną część sprzętową aplikacji, gdyż możliwość programowania i dostępność popularnego systemu operacyjnego pozwala oprzeć na nich konstrukcję urządzenia poprzez umieszczenie firmware'u w zasobach tego modułu.

Takich rozwiązań nie należy traktować zatem jako dodatek i element funkcjonalny uzupełniający, ale centralny punkt aplikacji. Do wyboru takich komputerków komunikacyjnych konstruktorów mają przekonywać certyfikowane tory radiowe i interfejsy kablowe, wbudowane oprogramowanie systemowe, interpretery i kompilatory języków wysokiego poziomu, dostępne oprogramowanie plug-and-play automatyzujące konfigurowanie łącza, a nawet kompatybilność pinowa pomiędzy poszczególnymi członkami rodziny produktów pozwalająca korzystać ze skalowalnych rozwiązań układowych.

Osobną grupę takich gotowych rozwiązań komunikacyjnych stanowią rozwiązania typu SoC, a więc specjalizowane układy scalone, zawierające w jednym chipie mniej więcej taką samą funkcjonalność, jaką mają opisane powyżej inteligentne interfejsy sieciowe. Trudno wyznaczyć granice między modułem a rozwiązaniem SoC, gdyż różnice w zasadzie kryją się w innym sposobie integracji takich układów z aplikacją użytkownika, w tym przypadku jest to jeszcze jeden dodatkowy układ scalony.

Rys. 4. Ocena stopnia konkurencji pomiędzy dostawcami na omawianym rynku

Niemniej płytka drukowana zajmowana przez moduł komunikacyjny jest dzisiaj nierzadko tak mała, że w sumie poza złączami i specjalizowanym chipem nie ma na niej nic więcej. Oba te rozwiązania pod względem wielkości niewiele się różnią. Oferta rynkowa w zakresie modułów OEM obejmuje zwykle od kilku do kilkunastu różnych wersji takich urządzeń różniących się głównie liczbą linii interfejsowych, dostępnymi peryferiami, napięciem zasilania i oczywiście wykonaniem.

Poza rozwiązaniami kompletnymi można też dostać wersje bez transformatora separującego, a nawet bez złącza RJ, co ułatwia integrację modułu we własnym urządzeniu i kompozycję w obudowie. Funkcjonalność modułów OEM-owych rozciąga się od prostych konwerterów protokołów, czyli RS232/422/485 na Ethernet, aż po inteligentne i programowalne rozwiązania, które biorą na siebie ciężar realizacji komunikacji dla całej aplikacji zarówno dla Ethernetu przewodowego, jak i WiFi.

USB

Rys. 5. Wzrosty obrotów dla rynku modułów komunikacyjnych w latach 2009-2011

Dodanie interfejsu USB do istniejącej aplikacji lub prostego obwodu elektronicznego na niewyszukanych podzespołach zwykle prowadzi poprzez wykorzystanie układów konwertujących interfejs RS232 na USB firmy FTDI. Biorą one na siebie całość operacji związanej z rozpoznaniem klasy urządzenia, adresację, instalację sterownika, buforowanie, kodowanie, aż po kształtowanie sygnałów elektrycznych i są widziane w komputerze jako Virtual Com Port.

Wiele poważniejszych zadań daje się zrobić na modułach, czyli gotowych do użycia komponentach dodających port USB. Ich funkcjonalność jest podobna jak dla prostych rozwiązań ethernetowych, niemniej ich potencjał rynkowy jest wyraźnie słabszy.

Wynika to z dobrej oferty rozwiązań scalonych (transkodery interfejsów) oraz mikrokontrolery z USB oraz tego, że w przemyśle najważniejszym i najbardziej wartościowym odbiorcą takich produktów, znaczenie USB jest znacznie słabsze niż Ethernetu.