在ASPENCORE在深圳電子智能制造展（EIMS）同期舉辦的“深圳國際工業(yè)4.0技術(shù)與應(yīng)用峰會(huì)”上，恩智浦邊緣處理業(yè)務(wù)工業(yè)邊緣計(jì)算產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理高磊分享了“嵌入式系統(tǒng)與工業(yè)自動(dòng)化——安全實(shí)時(shí)的系統(tǒng)”主題演講，內(nèi)容包括三個(gè)部分：嵌入式系統(tǒng)與工業(yè)自動(dòng)化；嵌入式系統(tǒng)的工業(yè)和技術(shù)挑戰(zhàn)；NXP工業(yè)4.0嵌入式系統(tǒng)解決方案更新。

嵌入式系統(tǒng)與工業(yè)自動(dòng)化

他指出，在過去的幾年中，整個(gè)嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)有了長足的發(fā)展。隨著物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)已成為智能和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)快速發(fā)展的推動(dòng)者。廣泛、多樣且高度分散的嵌入式系統(tǒng)的共同發(fā)展趨勢(shì)是什么？

安全、實(shí)時(shí)、虛擬化、高密度計(jì)算、云霧化正在快速改變嵌入式工業(yè)領(lǐng)域；

將時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）部署于控制器之間，實(shí)現(xiàn)協(xié)同信號(hào)的高精度同步傳輸；

將TSN網(wǎng)絡(luò)部署于控制器與監(jiān)控設(shè)備（SCADA）或者HMI之間，實(shí)現(xiàn)維護(hù)數(shù)據(jù)的高質(zhì)量傳輸；

將TSN網(wǎng)絡(luò)部署于IT網(wǎng)絡(luò)與OT網(wǎng)絡(luò)之間，助力實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)向信息系統(tǒng)的上傳以及控制管理信息向生產(chǎn)設(shè)備的下發(fā)；

將TSN網(wǎng)絡(luò)部署于移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)，為射頻單元（RRU）與基帶處理單元（BBU）之間的確定性傳輸提供網(wǎng)絡(luò)支撐；

將確定性網(wǎng)絡(luò)（Detnet）部署于IT網(wǎng)絡(luò)與云平臺(tái)之間，實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部IT網(wǎng)絡(luò)與私有云平臺(tái)業(yè)務(wù)的確定性時(shí)延承載；

將Detnet網(wǎng)絡(luò)部署于企業(yè)外網(wǎng)中，在企業(yè)分支之間，企業(yè)與數(shù)據(jù)中心，工業(yè)企業(yè)與上下游企業(yè)之間建立全業(yè)務(wù)共網(wǎng)承載的管道，實(shí)現(xiàn)按業(yè)務(wù)要求調(diào)配網(wǎng)絡(luò)資源。

可以看出，可以將時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)作為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的核心，連接存量的傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)線、接入采集海量工業(yè)數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)、支撐高精度、遠(yuǎn)程控制的信號(hào)承載，實(shí)現(xiàn)各類型工業(yè)業(yè)務(wù)的共網(wǎng)絡(luò)承載，并按需保證傳輸質(zhì)量。

嵌入式系統(tǒng)發(fā)展史

嵌入式系統(tǒng)的歷史可以追溯到1960年代。Charles Stark Draper于1961年開發(fā)了一種集成電路，用來減小阿波羅制導(dǎo)計(jì)算機(jī)（安裝在阿波羅指揮模塊和月球模塊上的數(shù)字系統(tǒng)）的尺寸和重量。第一臺(tái)使用IC的計(jì)算機(jī)，它幫助宇航員收集實(shí)時(shí)飛行數(shù)據(jù)。

1965年，現(xiàn)為波音公司一部分的Autonetics公司開發(fā)了D-17B，這是一種用于Minuteman I導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)。它被公認(rèn)為第一個(gè)大規(guī)模生產(chǎn)的嵌入式系統(tǒng)。1966年民兵2導(dǎo)彈投入生產(chǎn)時(shí)，D-17B被NS-17導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)所取代，該系統(tǒng)以大量使用集成電路而著稱。1968年，第一個(gè)車載嵌入式系統(tǒng)問世。大眾1600使用微處理器來控制其電子燃油噴射系統(tǒng)。

到1960年代末和1970年代初，集成電路的價(jià)格下降，使用量激增。第一個(gè)微控制器由德州儀器（TI）于1971年開發(fā)。TMS1000系列于1974年商用，它包含一個(gè)4位處理器，只讀存儲(chǔ)器（ROM）和隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM），價(jià)格約為2美元。批量訂購。

同樣，在1971年，英特爾發(fā)布了被公認(rèn)為第一個(gè)商用處理器，即4004。4位微處理器設(shè)計(jì)用于計(jì)算器和小型電子設(shè)備，盡管它需要永恒的內(nèi)存和支持芯片。1972年發(fā)布的8位Intel 8008具有16KB的內(nèi)存。隨后是1974年的Intel 8080，配備64KB內(nèi)存。8080的后繼產(chǎn)品x86系列于1978年發(fā)布，至今仍在大量使用。

1987年，Wind River發(fā)布了第一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)VxWorks，隨后在1996年發(fā)布了Microsoft的Windows Embedded CE。到1990年代后期，第一個(gè)嵌入式Linux產(chǎn)品開始出現(xiàn)。如今，幾乎所有嵌入式設(shè)備都使用Linux。

什么是嵌入式系統(tǒng)？有什么特征？

嵌入式系統(tǒng)是功能固定的或可編程的計(jì)算機(jī)軟件和硬件的組合。嵌入式系統(tǒng)可以是獨(dú)立系統(tǒng)，也可以是大型系統(tǒng)的一部分。它主要是為大型系統(tǒng)中的一個(gè)或多個(gè)特定功能而設(shè)計(jì)的。例如，火災(zāi)報(bào)警器就是一種只能感應(yīng)煙霧的嵌入式系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)的主要特征是它們是特定于任務(wù)的。此外，嵌入式系統(tǒng)可以包括以下特征：

通常由硬件、軟件和固件組成；

可以嵌入更大的系統(tǒng)中以執(zhí)行特定功能，因?yàn)樗鼈兪菫橄到y(tǒng)內(nèi)的特殊任務(wù)而不是各種任務(wù)而構(gòu)建的；

可以是基于微處理器的，也可以是基于微控制器的——兩者都是使系統(tǒng)具有計(jì)算能力的集成電路；

通常用于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備中的傳感和實(shí)時(shí)計(jì)算，這些設(shè)備是Internet連接的設(shè)備，不需要用戶進(jìn)行操作；

可能會(huì)在復(fù)雜性和功能上有所不同，從而影響他們使用的軟件、固件和硬件的類型；

通常需要它們?cè)谝欢ǖ臅r(shí)間限制下執(zhí)行其功能，以保持較大的系統(tǒng)正常運(yùn)行。

嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜程度各不相同，但通常由三個(gè)主要元素組成：

硬件——嵌入式系統(tǒng)的硬件基于微處理器和微控制器。微處理器與微控制器非常相似，通常指與其他基本計(jì)算組件（例如存儲(chǔ)芯片和數(shù)字信號(hào)處理器（DSP））集成在一起的CPU（中央處理單元）。微控制器將這些組件內(nèi)置在一個(gè)芯片中。

軟件和固件——嵌入式系統(tǒng)的軟件復(fù)雜度可能會(huì)有所不同。但是，工業(yè)級(jí)微控制器和嵌入式IoT系統(tǒng)通常運(yùn)行非常簡(jiǎn)單的軟件，幾乎不需要內(nèi)存。

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)——這些并不總是包含在嵌入式系統(tǒng)中，尤其是規(guī)模較小的系統(tǒng)中。RTOS通過在程序執(zhí)行期間監(jiān)督軟件和設(shè)置規(guī)則來定義系統(tǒng)的工作方式。

嵌入式系統(tǒng)的類型

有幾種基本的嵌入式系統(tǒng)類型，它們?cè)诠δ芤笊嫌兴煌Ｋ鼈兪牵?/p>

移動(dòng)嵌入式系統(tǒng)是設(shè)計(jì)為便攜式的小型系統(tǒng)。數(shù)碼相機(jī)就是一個(gè)例子。

網(wǎng)絡(luò)嵌入式系統(tǒng)已連接到網(wǎng)絡(luò)以向其他系統(tǒng)提供輸出。示例包括家庭安全系統(tǒng)和銷售點(diǎn)（POS）系統(tǒng)。

獨(dú)立嵌入式系統(tǒng)不依賴于主機(jī)系統(tǒng)。像任何嵌入式系統(tǒng)一樣，它們執(zhí)行專門的任務(wù)。但是，與其他嵌入式系統(tǒng)不同，它們不一定屬于主機(jī)系統(tǒng)。計(jì)算器或MP3播放器就是一個(gè)例子。

實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)會(huì)在定義的時(shí)間間隔內(nèi)提供所需的輸出。它們經(jīng)常用于醫(yī)療、工業(yè)和軍事領(lǐng)域，因?yàn)樗鼈冐?fù)責(zé)時(shí)間緊迫的任務(wù)。交通控制系統(tǒng)就是一個(gè)例子。

嵌入式系統(tǒng)也可以根據(jù)其性能要求進(jìn)行分類：

小型嵌入式系統(tǒng)通常使用不超過8位的微控制器。

中型嵌入式系統(tǒng)使用較大的微控制器（16-32位），通常將微控制器鏈接在一起。

大型嵌入式系統(tǒng)通常使用幾種算法，導(dǎo)致軟件和硬件復(fù)雜，并且可能需要更復(fù)雜的軟件，可配置的處理器和/或可編程的邏輯陣列。

有幾種常見的嵌入式系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)，隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展和規(guī)模的日益復(fù)雜化，這些體系結(jié)構(gòu)變得必不可少。它們包括：

簡(jiǎn)單控制循環(huán)調(diào)用子例程，用于管理硬件或嵌入式編程的特定部分。

中斷控制系統(tǒng)有兩個(gè)循環(huán)：一個(gè)主要循環(huán)和一個(gè)次要循環(huán)。循環(huán)中斷會(huì)觸發(fā)任務(wù)。

協(xié)作多任務(wù)本質(zhì)上是位于應(yīng)用程序編程接口（API）中的簡(jiǎn)單控制循環(huán)。

搶占式多任務(wù)或多線程經(jīng)常與RTOS一起使用，并具有同步和任務(wù)切換策略。

推動(dòng)因素：電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車對(duì)ADAS的需求激增

嵌入式系統(tǒng)在汽車行業(yè)的重新設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要作用。這些系統(tǒng)用于電動(dòng)和混合動(dòng)力車輛的ADAS技術(shù)中。大眾對(duì)環(huán)境的日益惡化的意識(shí)日益增強(qiáng)，導(dǎo)致對(duì)電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車的需求增加，導(dǎo)致嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)的增長。根據(jù)彭博新能源財(cái)經(jīng)的報(bào)告，電動(dòng)汽車的銷售額到2020年估計(jì)將達(dá)到4100萬，從而導(dǎo)致對(duì)電子元器件的需求增加，包括用于電動(dòng)汽車的嵌入式硬件和軟件。

約束：嵌入式系統(tǒng)容易受到網(wǎng)絡(luò)威脅和安全漏洞的攻擊

阻礙嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)增長的主要因素之一是嵌入式設(shè)備的安全性。內(nèi)存等嵌入式設(shè)備包含的信息可能對(duì)部隊(duì)、銀行、數(shù)據(jù)中心和醫(yī)療機(jī)構(gòu)至關(guān)重要。因此，保護(hù)此類設(shè)備免受網(wǎng)絡(luò)威脅和安全漏洞至關(guān)重要。不規(guī)則的安全更新、較長的設(shè)備生命周期、遠(yuǎn)程部署和攻擊復(fù)制是使嵌入式系統(tǒng)容易受到網(wǎng)絡(luò)攻擊的一些因素。因此，嵌入式系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)威脅和安全漏洞的脆弱性有望限制嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)的增長。

機(jī)遇：5G的到來和基于5G的嵌入式設(shè)備的開發(fā)

5G技術(shù)的出現(xiàn)有望為嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)提供增長機(jī)會(huì)。根據(jù)GSM協(xié)會(huì)（GSMA）的數(shù)據(jù)，到2034年，5G市場(chǎng)預(yù)計(jì)將為全球經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)2.2億美元，占全球GDP增長的5.3%。因此，預(yù)計(jì)未來基于5G架構(gòu)的嵌入式設(shè)備的產(chǎn)量將會(huì)增加。由于將5G集成到車輛的智能攝像機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，因此嵌入式設(shè)備可提供快速的響應(yīng)速度。此外，由于5G技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)快速圖像處理，因此有望幫助解決工業(yè)自動(dòng)化和智能農(nóng)業(yè)中面臨的挑戰(zhàn)。因此，支持5G基礎(chǔ)架構(gòu)的嵌入式設(shè)備有望推動(dòng)嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)的增長。

挑戰(zhàn)：小型嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)生高能耗

嵌入式系統(tǒng)在其中包含各種功能的緊湊性可能導(dǎo)致其設(shè)計(jì)架構(gòu)的復(fù)雜性。這也導(dǎo)致嵌入式系統(tǒng)的能耗增加。高能耗通常會(huì)損害嵌入式設(shè)備的整個(gè)生命周期。能量消耗易受嵌入式設(shè)備溫度的影響，并隨著設(shè)備溫度的升高而增加。這會(huì)影響嵌入式系統(tǒng)的整體性能。因此，緊湊型嵌入式系統(tǒng)的高能耗對(duì)嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)的增長提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

機(jī)會(huì)：工業(yè)4.0為運(yùn)動(dòng)控制市場(chǎng)的參與者提供了機(jī)會(huì)

工業(yè)4.0是第四次工業(yè)革命，這意味著傳統(tǒng)自動(dòng)化與信息技術(shù)的融合。它主要被描述為制造過程的計(jì)算機(jī)化。工業(yè)4.0推動(dòng)了對(duì)更智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的需求，以滿足對(duì)更高靈活性和最大化整體設(shè)備效率的不斷增長的需求。工業(yè)4.0的概念在歐洲發(fā)展起來，并在全球制造業(yè)中得到了擴(kuò)展。工業(yè)4.0的引入導(dǎo)致自動(dòng)化設(shè)備和機(jī)械的采用，使工廠能夠24/7運(yùn)轉(zhuǎn)。工業(yè)4.0的特點(diǎn)是使用了多種現(xiàn)代技術(shù)和高度自動(dòng)化的生產(chǎn)過程，這些過程需要安裝多個(gè)傳感器和組件才能有效發(fā)揮作用。

機(jī)器監(jiān)控

工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)利用嵌入式軟件開發(fā)功能通過對(duì)功率、流量、振動(dòng)、壓力、溫度等變量的受控監(jiān)視來實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)。監(jiān)視設(shè)備（例如傳感器和探針）通過行業(yè)通信協(xié)議（例如MTConnect、HART、EtherNet/IP等）彼此通信和/或位于Internet或云中的客戶端服務(wù)器系統(tǒng)進(jìn)行通信。

然后，將來自不同數(shù)據(jù)源的匯總數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云或中央數(shù)據(jù)庫中，以進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，以通過儀表板，報(bào)告和通知提供可操作的見解。這是一種維護(hù)工廠正常運(yùn)行時(shí)間/可靠性的積極方法；減少生產(chǎn)損失和維護(hù)成本。工業(yè)嵌入式系統(tǒng)可以執(zhí)行機(jī)器監(jiān)視，以幫助提高生產(chǎn)率，優(yōu)化設(shè)備功能和衡量性能。

機(jī)器控制

在各種工業(yè)設(shè)備中使用嵌入式系統(tǒng)工程服務(wù)來執(zhí)行特定范圍的任務(wù)，例如控制裝配線速度、數(shù)控機(jī)床中的流體流速，控制機(jī)器人機(jī)械等，改變了工業(yè)自動(dòng)化的格局。這些系統(tǒng)通過PLC在I/O級(jí)別進(jìn)行通信，可以利用自動(dòng)化軟件以及專有的NC和CNC功能輕松地與現(xiàn)有的機(jī)器控制集成。因此，工業(yè)OEM和制造工廠可以從降低的維護(hù)成本中受益，實(shí)現(xiàn)集中和統(tǒng)一的控制架構(gòu)，并優(yōu)化其性能和整體產(chǎn)品質(zhì)量。

用于機(jī)器監(jiān)控的工業(yè)嵌入式系統(tǒng)

在機(jī)器監(jiān)控中，工業(yè)嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢查系統(tǒng)狀況，測(cè)量功率、壓力、溫度、振動(dòng)、流量等。在機(jī)器監(jiān)控中，現(xiàn)有的制造系統(tǒng)可以利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)連接將性能數(shù)據(jù)發(fā)送到集中式服務(wù)器或基于云的網(wǎng)關(guān)。

匯總和分析此數(shù)據(jù)，通過報(bào)告，通知和儀表板提供可操作的信息。工業(yè)嵌入式系統(tǒng)可以執(zhí)行機(jī)器監(jiān)視，以幫助評(píng)估性能，提高生產(chǎn)率和優(yōu)化設(shè)備功能。機(jī)器監(jiān)控是一種主動(dòng)運(yùn)行的方法，可以通過使用嵌入式系統(tǒng)來維持正常運(yùn)行時(shí)間并防止生產(chǎn)損失。

嵌入式工業(yè)系統(tǒng)的未來

隨著工業(yè)嵌入式系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)和通信現(xiàn)在進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)（IoT）領(lǐng)域，正在開發(fā)新的框架，這些框架允許嵌入式系統(tǒng)直接或間接連接到Web。這允許具有嵌入式微處理器的組件直接與其他系統(tǒng)的組件進(jìn)行通信。此外，嵌入式自動(dòng)化系統(tǒng)現(xiàn)在正在利用機(jī)器學(xué)習(xí)，人工智能和數(shù)據(jù)分析來幫助監(jiān)視并向充當(dāng)人機(jī)界面的操作員提出建議。

嵌入式系統(tǒng)是智能制造未來的一部分，它提供了前所未有的更高水平，更直接的工業(yè)控制水平。新的和現(xiàn)有的工業(yè)設(shè)備都可以利用嵌入式系統(tǒng)來優(yōu)化制造過程。鑒于微處理器改進(jìn)的迅速發(fā)展，機(jī)器控制和機(jī)器監(jiān)視也在不斷發(fā)展，并允許更大的嵌入式系統(tǒng)邏輯，控制和可擴(kuò)展性。

工業(yè)嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，以監(jiān)督大型機(jī)械或電氣系統(tǒng)中的特定操作。從HVAC單元到復(fù)雜的航空電子設(shè)備，工業(yè)嵌入式系統(tǒng)無處不在。在較大的系統(tǒng)中，工業(yè)嵌入式系統(tǒng)充當(dāng)可編程操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)執(zhí)行特定任務(wù)，例如驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、控制裝配線速度、聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和/或調(diào)節(jié)溫度。

嵌入式系統(tǒng)旨在幫助控制功率效率，最大化性能以及在苛刻環(huán)境中運(yùn)行時(shí)控制流程。通常，嵌入式系統(tǒng)類似于帶有微處理器，存儲(chǔ)器，電源和與較大系統(tǒng)的其他部分進(jìn)行通信的外部接口的小型電路板。在工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中，考慮嵌入式系統(tǒng)時(shí)，機(jī)器控制和機(jī)器監(jiān)視是兩個(gè)主要用例。

用于機(jī)器控制的工業(yè)嵌入式系統(tǒng)

對(duì)于機(jī)器控制，嵌入式自動(dòng)化系統(tǒng)用于在工業(yè)設(shè)備中執(zhí)行一系列任務(wù)，例如保持CNC機(jī)器中的流體流速，控制裝配線速度以及在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的過程中自動(dòng)調(diào)整齒輪比。許多制造系統(tǒng)已經(jīng)具有可在I/O級(jí)別進(jìn)行通信的可編程邏輯控制器（PLC）。

因此，可以利用自動(dòng)化軟件以及專有的NC和CNC功能將工業(yè)嵌入式系統(tǒng)集成到現(xiàn)有的機(jī)器控制中。工業(yè)嵌入式系統(tǒng)有助于統(tǒng)一和集中控制體系結(jié)構(gòu)，降低維護(hù)成本，并優(yōu)化機(jī)器的性能。

NXP工業(yè)4.0嵌入式系統(tǒng)解決方案組合

最后再來看下NXP工業(yè)4.0嵌入式系統(tǒng)解決方案組合：

?下圖是NXP針對(duì)工業(yè)市場(chǎng)專門設(shè)計(jì)的Linux發(fā)行版OpenIL介紹。

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