市面上常见的TCP/IP以太网一卡通设备硬件产品电路拆解分析
从业十多年了,经常听到业务员抱怨单丢是因为别家产品与我们相同,当问到为什么客户选择别家产品时,业务员一般也总是会说:“都是一样的产品,别家的便宜几十块嘛。”,当问及怎么会是一样的呢?业务员又会说:“都是TCP/IP,都是读IC卡,也就是外观有点差别,这不是一样嘛!”
对于这样的回答不难看出,业务员根本没有向客户表达出自家产品的优势,更没有引导客户横向比较,难怪客户最终选择了更便宜点的产品。不过这也难怪,在这个大环境就浮躁、充斥着假冒伪劣商品的社会,如果不练就一双火眼金睛,随时中枪也就不足为奇了。
今天就给大家拆解一些产品,帮您了解这些产品的内核到底有什么差别。这里出于对同行的尊重,所有产品已经隐去公司标识,只保留电路部分做纯技术性分析。
首先看一款考勤机的内部电路框图,不难看出都是由:中央CPU\数据存储\LCD显示\IC读卡\RS 485\TCPIP\键盘\继电器输出\门磁输入按键输入等电路组成。
1. 中央CPU:这个是产品的核心,也是技术的体现,更是产品性能的关键!强烈推荐带原生以太网支持的高端ARM芯片。
1.1 市面上比较常见产品都是使用C51单片机:此芯片功能简单、速度慢、开发调试困难,但是价格低,采用这种芯片的产品基本上都是10年前设计的,很多就是换个外壳就当新产品再卖N年,而且现在市面上绝大多数都是此类产品。(极差)
1.2 PIC、AVR、ATM8等单片机:有小部分产品使用此类芯片,基本上与第一种单片机相同,只是在速度和功能上有所提升,但是幅度并不明显,基本上是5年前的设计。(差)
1.3 Rabbit2000,C8051F等高速单片机:有小部分产品使用此类单片机,虽然基本上也是5年前的设计,但是此类MCU在速度和功能上提升较大,支持在线开发调试但不太稳定,算是比较新的设计。(中)
1.4 ARM:这是近年来最新的明星产品,在速度功能和性能上都有质的飞跃,支持非常稳定的JTAG在线开发调试,一般采用这类芯片的产品都是近3年的设计。但是ARM芯片种类,按照TCPIP以太网功能,又可区分为两种:(好)
1.4.1无原生TCPIP以太网接口的低端ARM:必须通过转换芯片或者模块,才能实现以太网通讯,功能差、性能低,一般不支持通过以太网升级自身的固件程序。(相对较差)
1.4.2自带原生TCPIP以太网接口的高端ARM:自带原生以太网接口,速度极快,功能丰富,支持通过以太网升级自身的固件程序。(好)
2. 数据存储:这个是产品存储数据的关键,一般常用以下芯片。推荐的组合是【串行FLASH】+【铁电存储器】,既有大容量数据空间,又有断电数据不丢失的保证,而且两者相结合,还解决了FLASH芯片擦写次数限制问题
2.1 易失性RAM:特点是写入速度极快,但是断电数据会丢失,必须长期给芯片供电,读写无保护机制,数据容易受到电源干扰而错乱,极不稳定,容量很小一般只有几百K字节。优点是可以以字节为单位进行擦写,擦写次数无限制,编程读写简单,开发难度低。现在基本上没有厂家还采用这类芯片作为主要的数据存储器件,都是作为C51等低端单片机的扩展RAM使用。(极差)
2.2 并行FLASH:特点是断电数据不会丢失,读写有保护机制。缺点是外部电路复杂,容量很小一般只有几百K字节。缺点是速度相对较慢,而且必须整块擦除后才能写入新数据,有擦写次数限制,大概为1万次左右,编程开发较复杂。(差)
2.3 串行FLASH:特点是断电数据不会丢失,外部电路简洁,容量较大,一般可以达到几M字节,级联后还可以方便扩容。缺点是速度较慢,而且必须整扇区擦除后才能写入新数据,有擦写次数限制,大概为1万次左右,编程开发较复杂。(好)
2.4 铁电存储器:既有RAM的写入速度极快,又有断电数据不会丢失的特性,优点还有可以以字节为单位进行擦写,擦写次数无限制。但缺点是容量很小一般只有几百K字节,而且价格较贵。(好)
2.5 大容量CF、SD卡:特点是断电数据不会丢失,容量超大,可以达到几G级别,缺点与FLASH都类似,而且必须要有文件系统支持,一旦发生数据错乱,则全部数据无法恢复。(中)
3. IC读卡:这里不讨论卡片的物理类型,只从电路接口分析,一般有两种情况:
3.1 通过单独的MCU来完成寻卡读卡:然后主MCU在和读卡MCU相互之间通过串口进行数据命令交换,这种方式的好处就是开发简单,缺点就是效率低下,二次封装的通讯机制会将读卡功能大大弱化,不能发挥读卡IC芯片的全部功能。 并且将来如果想要升级固件程序,两个MCU要单独烧写下载,非常困难。(很多厂家在宣传的时候称其为双核处理更具优势,其实完全是谎话,成本增加了,功能弱化了,电路复杂了,何来的优势?!)(差)
3.2 直接由一个MCU主控:简洁明了,读卡稳定,效率高。(好)
总结:可以看出,纵向比较大家都容易识别出产品的优劣之分,比如C51单片机和ARM肯定是一眼就可以看出差别的;但是横向比较相对就难以区分,例如后面图片中提到的【低端ARM】+【以太网转换芯片】的设计,可能很多人根本就无法区分到底和高端ARM自带原生以太网的设计有哪些差距?而且通过两个MCU通过串口通讯读IC卡的设计和ARM直接与IC读卡芯片对接的方案有有何差距?通过本文相信大家都可以有一个大概的了解,表现在最终产品上就是会直接导致产品从性能、功能以及稳定性的天壤之别。
其实不同方案的内在技术差别是非常巨大的,特别是在硬件编程技术上,不同方案的技术难度相差巨大,这也是为什么市场上很少见到完全依照ARM芯片特性、完全重新设计的高端方案的原因,毕竟让厂家放弃多年的老产品是非常困难的,因此绝大多数厂家都是用老的产品稍加改造,加个模块或者转换芯片,再换个新的外壳就冒充新产品上市了。
如果投入巨大的人力物力和财力去开发新产品,很多厂家主要是因为力不从心,毕竟这个行业不是什么暴利行业,很多企业维持运作都困难,那就更别提什么研发投入了。而且即便是咬牙投入了,有没有这样的技术实力突破各种难题也是一大问题,毕竟要用全新的硬件平台重新设计,研发风险是巨大且很难准确预估的。
其实行内人士都清楚什么是最好的设计,但是也都清楚自己的实力,知道做不到那就只能做出让步和妥协,因此出现了这么多千奇百怪的产品也就不足为奇了。当然,也有些老产品可能在稳定性上还过得去,对于要求不高的客户,日常使用也是可以的。但是从根本上来讲,这类产品不可能改变被淘汰的命运,现在还选择这类产品的客户,那就非常的不明智了。俗话说得好——站在巨人的肩膀之上,才能看得更高走得更远!
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这种通过外置转换模块的所谓以太网解决方案:(假,极差!)
这种通过内置转换模块的所谓以太网解决方案:(伪,要通过串行接口进行数据转发,通讯瓶颈问题显著。差!)
这种通过内置转换芯片的以太网解决方案:(使用低端的ATM8单片机,其实与上面的内置转换模块类似,都是要通过串行接口进行数据转发,通讯瓶颈问题无法解决。较差!)
另一种通过内置转换芯片的以太网解决方案:(虽然也是ARM芯片主控,但是属于其最低端的型号,没有原生的以太网接口,其实与上面的内置转换模块类似,都是要通过串行接口进行数据转发,通讯瓶颈问题无法解决。而且IC读卡还使用了专门的MCU进行处理,不但电路复杂,还直接导致效率还低。较差!)
这种通过低端C51单片机直接驱动网络芯片的解决方案:(这种算是有点技术含量的方案,但是由于低端单片机性能和资源有限,所以大都是在网络上找一些学习性质的、被极度精简的、阉割过的TCPIP协议栈,性能和稳定性都成问题,而且以太网使用专门的RTL8019接口芯片导致电路复杂。另外IC读卡也是使用了专门的MCU进行处理,不但电路复杂,还直接导致效率还低。中下!)
注意:本方案使用了独立的RTL8019以10M太网硬件接口芯片,但这并不是转换芯片,与上面方案中使用ENC28J60、M400Z、WIZnet5000是有本质区别的。
这种是我们已经停产的2003年推出的Rabbit2K+RTL8019的以太网产品解决方案:(借助高速单片机的速度优势,采用商业级别的TCP/IP协议栈,实现了原生的以太网支持和远程在线升级固件的功能。缺点也是IC读卡使用了专门的MCU进行处理,不但电路复杂,还直接导致效率还低。而且以太网使用专门的RTL8019接口芯片导致电路复杂,升级过程中如果断电则需要返厂维修。虽然优缺点明显,但是即便在将近十年后的今天,此方案依然比国内大多数厂家的方案还要领先!)
注意:本方案使用了独立的RTL8019 10M以太网硬件接口芯片,但这并不是转换芯片,与上面方案中使用ENC28J60、M400Z、WIZnet5000是有本质区别的。
这种才是真正支持原生以太网的高端ARM解决方案:(明显可以看到,借助高端ARM的强大功能,整个电路非常集中,但是简洁却不简单,很多以往繁杂的外部电路都集成到了ARM的内核之中,同时原生的以太网接口可以实现远程固件升级,可以大大降低以后的维护成本,减少客户支出。并且IC读卡模块没有像上面那样,通过单独的MCU控制,也是由ARM芯片直接原生操控效率极高,而且ARM作为唯一的可编程器件,升级了ARM也就是升级了读卡IC的程序,不会出现要分别升级主程序和读卡模块程序的难题)
这是门禁机,可以看出使用的核心板就是上面考勤机中的ARM主控板,这种模块化设计的好处就是可以通过批量生产控制成本,有效的降低价格,并且客户维修非常方便,客户自己都可以更换核心板或者底板。并且原生的以太网接口具备最底层的通讯能力,可以实现双BISO的设计,万一因为网络不好或者断电造成的升级失败,客户可以自行再次升级直到成功,绝对不会“变砖”!
这是消费机,可以看出使用的核心板也是上面考勤机中的ARM主控板,模块化设计带来的另一个好处就是所有产品的高度兼容性,通讯规约都是同一种,开发了一款考勤机产品的软件接口,就等于做完了90%的门禁机功能接口,也做完了80%的消费机功能接口。最大程度上降低软件开发的重复投入,也为将来售后服务大大降低培训难度和工作量。