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技術與應用峰會”上，恩智浦邊緣處理業(yè)務工業(yè)邊緣計算產(chǎn)品市場經(jīng)理高磊分享了“嵌入式系統(tǒng)與工業(yè)自動化——安全實時的系統(tǒng)”主題演講，內(nèi)容包括三個部分：嵌入式系統(tǒng)與工業(yè)自動化；嵌入式系統(tǒng)的工業(yè)和技術挑戰(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)自動化

他指出，在過去的幾年中，整個嵌入式系統(tǒng)市場有了長足的發(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)展趨勢是什么？

安全、實時、虛擬化、高密度計算、云霧化正在快速改變嵌入式工業(yè)領域；

將時間敏感網(wǎng)絡（TSN）部署于控制器之間，實現(xiàn)協(xié)同信號的高精度同步傳輸；

將TSN網(wǎng)絡部署于控制器與監(jiān)控設備（SCADA）或者HMI之間，實現(xiàn)維護數(shù)據(jù)的高質(zhì)量傳輸；

將TSN網(wǎng)絡部署于IT網(wǎng)絡與OT網(wǎng)絡之間，助力實現(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)設備的下發(fā)；

將TSN網(wǎng)絡部署于移動前傳網(wǎng)絡，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)絡支撐；

將確定性網(wǎng)絡（Detnet）部署于IT網(wǎng)絡與云平臺之間，實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部IT網(wǎng)絡與私有云平臺業(yè)務的確定性時延承載；

將Detnet網(wǎng)絡部署于企業(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)務共網(wǎng)承載的管道，實現(xiàn)按業(yè)務要求調(diào)配網(wǎng)絡資源。

可以看出，可以將時間敏感網(wǎng)絡作為工業(yè)網(wǎng)絡互聯(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、遠程控制的信號承載，實現(xiàn)各類型工業(yè)業(yè)務的共網(wǎng)絡承載，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計算機（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。第一臺使用IC的計算機，它幫助宇航員收集實時飛行數(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導彈制導系統(tǒng)的計算機。它被公認為第一個大規(guī)模生產(chǎn)的嵌入式系統(tǒng)。1966年民兵2導彈投入生產(chǎn)時，D-17B被NS-17導彈制導系統(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，集成電路的價格下降，使用量激增。第一個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4位處理器，只讀存儲器（ROM）和隨機存取存儲器（RAM），價格約為2美元。批量訂購。

同樣，在1971年，英特爾發(fā)布了被公認為第一個商用處理器，即4004。4位微處理器設計用于計算器和小型電子設備，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)布了第一個嵌入式操作系統(tǒng)實時VxWorks，隨后在1996年發(fā)布了Microsoft的Windows Embedded CE。到1990年代后期，第一個嵌入式Linux產(chǎn)品開始出現(xiàn)。如今，幾乎所有嵌入式設備都使用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算機軟件和硬件的組合。嵌入式系統(tǒng)可以是獨立系統(tǒng)，也可以是大型系統(tǒng)的一部分。它主要是為大型系統(tǒng)中的一個或多個特定功能而設計的。例如，火災報警器就是一種只能感應煙霧的嵌入式系統(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，因為它們是為系統(tǒng)內(nèi)的特殊任務而不是各種任務而構(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)具有計算能力的集成電路；

通常用于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設備中的傳感和實時計算，這些設備是Internet連接的設備，不需要用戶進行操作；

可能會在復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；

通常需要它們在一定的時間限制下執(zhí)行其功能，以保持較大的系統(tǒng)正常運行。

嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

嵌入式系統(tǒng)的復雜程度各不相同，但通常由三個主要元素組成：

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算組件（例如存儲芯片和數(shù)字信號處理器（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)置在一個芯片中。

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

實時操作系統(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，它們在功能要求上有所不同。它們是：

移動嵌入式系統(tǒng)是設計為便攜式的小型系統(tǒng)。數(shù)碼相機就是一個例子。

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

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

實時嵌入式系統(tǒng)會在定義的時間間隔內(nèi)提供所需的輸出。它們經(jīng)常用于醫(yī)療、工業(yè)和軍事領域，因為它們負責時間緊迫的任務。交通控制系統(tǒng)就是一個例子。

嵌入式系統(tǒng)也可以根據(jù)其性能要求進行分類：

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，導致軟件和硬件復雜，并且可能需要更復雜的軟件，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)模的日益復雜化，這些體系結(jié)構(gòu)變得必不可少。它們包括：

簡單控制循環(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)有兩個循環(huán)：一個主要循環(huán)和一個次要循環(huán)。循環(huán)中斷會觸發(fā)任務。

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

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

推動因素：電動汽車和混合動力汽車對ADAS的需求激增

嵌入式系統(tǒng)在汽車行業(yè)的重新設計中發(fā)揮著重要作用。這些系統(tǒng)用于電動和混合動力車輛的ADAS技術中。大眾對環(huán)境的日益惡化的意識日益增強，導致對電動和混合動力汽車的需求增加，導致嵌入式系統(tǒng)市場的增長。根據(jù)彭博新能源財經(jīng)的報告，電動汽車的銷售額到2020年估計將達到4100萬，從而導致對電子元器件的需求增加，包括用于電動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)絡威脅和安全漏洞的攻擊

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

機遇：5G的到來和基于5G的嵌入式設備的開發(fā)

5G技術的出現(xiàn)有望為嵌入式系統(tǒng)市場提供增長機會。根據(jù)GSM協(xié)會（GSMA）的數(shù)據(jù)，到2034年，5G市場預計將為全球經(jīng)濟貢獻2.2億美元，占全球GDP增長的5.3%。因此，預計未來基于5G架構(gòu)的嵌入式設備的產(chǎn)量將會增加。由于將5G集成到車輛的智能攝像機監(jiān)控系統(tǒng)中，因此嵌入式設備可提供快速的響應速度。此外，由于5G技術可以實現(xiàn)快速圖像處理，因此有望幫助解決工業(yè)自動化和智能農(nóng)業(yè)中面臨的挑戰(zhàn)。因此，支持5G基礎架構(gòu)的嵌入式設備有望推動嵌入式系統(tǒng)市場的增長。

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致其設計架構(gòu)的復雜性。這也導致嵌入式系統(tǒng)的能耗增加。高能耗通常會損害嵌入式設備的整個生命周期。能量消耗易受嵌入式設備溫度的影響，并隨著設備溫度的升高而增加。這會影響嵌入式系統(tǒng)的整體性能。因此，緊湊型嵌入式系統(tǒng)的高能耗對嵌入式系統(tǒng)市場的增長提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。

機會：工業(yè)4.0為運動控制市場的參與者提供了機會

工業(yè)4.0是第四次工業(yè)革命，這意味著傳統(tǒng)自動化與信息技術的融合。它主要被描述為制造過程的計算機化。工業(yè)4.0推動了對更智能運動控制系統(tǒng)的需求，以滿足對更高靈活性和最大化整體設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)中得到了擴展。工業(yè)4.0的引入導致自動化設備和機械的采用，使工廠能夠24/7運轉(zhuǎn)。工業(yè)4.0的特點是使用了多種現(xiàn)代技術和高度自動化的生產(chǎn)過程，這些過程需要安裝多個傳感器和組件才能有效發(fā)揮作用。

機器監(jiān)控

工業(yè)自動化系統(tǒng)利用嵌入式軟件開發(fā)功能通過對功率、流量、振動、壓力、溫度等變量的受控監(jiān)視來實時監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)。監(jiān)視設備（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器系統(tǒng)進行通信。

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

機器控制

在各種工業(yè)設備中使用嵌入式系統(tǒng)工程服務來執(zhí)行特定范圍的任務，例如控制裝配線速度、數(shù)控機床中的流體流速，控制機器人機械等，改變了工業(yè)自動化的格局。這些系統(tǒng)通過PLC在I/O級別進行通信，可以利用自動化軟件以及專有的NC和CNC功能輕松地與現(xiàn)有的機器控制集成。因此，工業(yè)OEM和制造工廠可以從降低的維護成本中受益，實現(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。

用于機器監(jiān)控的工業(yè)嵌入式系統(tǒng)

在機器監(jiān)控中，工業(yè)嵌入式系統(tǒng)實時檢查系統(tǒng)狀況，測量功率、壓力、溫度、振動、流量等。在機器監(jiān)控中，現(xiàn)有的制造系統(tǒng)可以利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡連接將性能數(shù)據(jù)發(fā)送到集中式服務器或基于云的網(wǎng)關。

匯總和分析此數(shù)據(jù)，通過報告，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)行機器監(jiān)視，以幫助評估性能，提高生產(chǎn)率和優(yōu)化設備功能。機器監(jiān)控是一種主動運行的方法，可以通過使用嵌入式系統(tǒng)來維持正常運行時間并防止生產(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)在進入物聯(lián)網(wǎng)（IoT）領域，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)的組件進行通信。此外，嵌入式自動化系統(tǒng)現(xiàn)在正在利用機器學習，人工智能和數(shù)據(jù)分析來幫助監(jiān)視并向充當人機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。鑒于微處理器改進的迅速發(fā)展，機器控制和機器監(jiān)視也在不斷發(fā)展，并允許更大的嵌入式系統(tǒng)邏輯，控制和可擴展性。

工業(yè)嵌入式系統(tǒng)廣泛應用于各個行業(yè)，以監(jiān)督大型機械或電氣系統(tǒng)中的特定操作。從HVAC單元到復雜的航空電子設備，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)充當可編程操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)執(zhí)行特定任務，例如驅(qū)動電動機、控制裝配線速度、聯(lián)網(wǎng)設備和/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)境中運行時控制流程。通常，嵌入式系統(tǒng)類似于帶有微處理器，存儲器，電源和與較大系統(tǒng)的其他部分進行通信的外部接口的小型電路板。在工業(yè)自動化應用中，考慮嵌入式系統(tǒng)時，機器控制和機器監(jiān)視是兩個主要用例。

用于機器控制的工業(yè)嵌入式系統(tǒng)

對于機器控制，嵌入式自動化系統(tǒng)用于在工業(yè)設備中執(zhí)行一系列任務，例如保持CNC機器中的流體流速，控制裝配線速度以及在電動機驅(qū)動的過程中自動調(diào)整齒輪比。許多制造系統(tǒng)已經(jīng)具有可在I/O級別進行通信的可編程邏輯控制器（PLC）。

因此，可以利用自動化軟件以及專有的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)，降低維護成本，并優(yōu)化機器的性能。

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針對工業(yè)市場專門設計的Linux發(fā)行版OpenIL介紹。

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