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後PC时代 嵌入式系统纵横发展
 

【作者: 王明德】2019年11月12日 星期二

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在物联网的带动下,嵌入式系统应用渐趋多元。相较一般消费性产品,嵌入式系统的使用场域更为严苛,因此防尘、抗震、耐冲击,就成了嵌入式系统维持稳定度的重要设计考量,尤其是移动式设备或户外系统,对此要求更深。



图1 : 嵌入式是物联网架构的重要技术,而随着物联网落地速度的加快,嵌入式也走向不同发展,不过无论如何变动,稳定度仍是其不变的设计前提。(Source:eInfochips)
图1 : 嵌入式是物联网架构的重要技术,而随着物联网落地速度的加快,嵌入式也走向不同发展,不过无论如何变动,稳定度仍是其不变的设计前提。(Source:eInfochips)

为解决户外环境的严苛,嵌入式系统必须考虑温、湿度的变化,而移动环境则注意到抗震及耐冲击的做法,厂商多以无风扇电脑做为解决方案,无风扇设计在工控嵌入式系统中已渐成主流,原因在於稳定度的提升,风扇属於机械架构,与系统内的电流电路相比,机械式零组件的生命周期一向较短,因此以风扇作为主要散热方式的设备,因风扇故障导致系统当机的机率不低,在此因素下,工控嵌入式设备的无风扇设计於是渐居主流,除无风扇外,为再一步提升稳定度,工控嵌入式系统多还会将抗震、防尘、宽温等特殊需求设计进去,以延长系统的耐用时间,同时降低後续的维修次数与难度。


工控嵌入式系统 朝专用与泛用两向发展

而技术规格的变动,来自於市场面的改变。现在的工控嵌入式系统逐渐分为两类,一种是因应物联网垂直产业应用,所衍生出来的产业系统,例如车载、医疗等,这些市场因需求庞大,加上规格较为特殊,因此厂商直接以此为标的,在初期就针对相关需求,导入相关软硬体设计,上市目标就直指这些专用领域。另一种则是将系统设计成泛用型平台,以市场最大公约数需求设计板卡、选择相关零配件,让产品可让最多产业应用。



图2 : 稳定度是嵌入式设计的最重要前提。(Source:CCSEA 2019)
图2 : 稳定度是嵌入式设计的最重要前提。(Source:CCSEA 2019)

泛用型嵌入式平台的主要应用,多属於效能要求不高的中低阶市场,中低阶市场的系统控制并不复杂,控制核心规格不必太高。但稳定度方面并不逊於高阶系统,尤其是现在一些比较重要的应用如地铁闸门,都已采用中低阶嵌入式系统,如果产品不稳定,所产生的影响将十分巨大。


嵌入式系统的要求,主要在於「即时的系统反应」,而应用领域需求的复杂度不同,所对应的资讯整合系统也会有所差异。例如智慧电网系统,终端的电脑仅需定期将讯息提供给後端伺服器,再加上侦错回覆的功能,整体系统就算完备;但像是轨道交通的仪控运作,除了基础的操控外,还有资料搜集、分析及反应研判等需求,这类系统就需要更多元的功能,因此嵌入式电脑的供应商必须因应不同的需求,与系统整合商共同合作,让软硬体两端都可充分达到客户需求。


未来嵌入式系统的发展,将朝垂直产业电脑的纵向整合与泛用型机台的横向整合两端交互应用的方向走,终端使用者会视需求将这两种架构的设备同时纳入系统,使其系统性价比趋於最隹。


因应需求 提供特定规格产品

在技术部份,x86架构仍会是嵌入式系统主流,原因在於台湾目前的人才与技术仍以PC-Based为主,从X86架构进场设计嵌入式系统也较为方便。另一方面也因为以PC-Based架构设计嵌入式系统,软硬体由於相容性高,成本也较为低廉,作为自动化控制的系统,比较没有障碍,这也让X86架构成为台湾嵌入式系统厂商的最终选择。


相对於中小企业在嵌入式系统做水平化整合的方式,来完成其对客户需求所做出的反应,大型企业另以垂直整合的模式,提供客户完整解决方案的做法满足客户的需求,工控厂商会针对不同的需求,提供不同规格的产品。



图3 : 人工智慧的边缘运算概念,逐渐成为嵌入式系统的重要设计。(Source: Siemens)
图3 : 人工智慧的边缘运算概念,逐渐成为嵌入式系统的重要设计。(Source: Siemens)

以某公司的在航运港囗为例,透过嵌入式系统驾驶人员可以电脑控制船只运行,同时配合量测仪器,进行外在环境的资料搜集及处理,协助电脑判断船只的控制,这其中包括自动化控制、资料搜集,以及量测分析,主要依靠嵌入式电脑进行机通讯及检测的工作,这时就需要较高效能的主机来做系统管理。而如果需求的是较低阶的工作,像是船上的广播系统或媒体播放系统,也有入门级的选项。


由於嵌入式系统应用的多元化,其产品的使用层面也较具有弹性,相对於中小企业多与配合厂商共同规划进行水平整合,另一类型业者则是在开发时就已经预见客户多元化的需求,而预留了扩充的准备,透过规格化的整合机制,达成客户的要求。


不过无论是哪种机制,对工控嵌入式产品来说,稳定度是永远的前提,以航运港囗的案例来说,防潮、防盐蚀的要求,就是基本选项。另外为减少风扇、连接线的损坏所造成的维修需求,无风扇、无接线也成为设计之一,以除去容易损坏因子的作法,降低损坏率,提升产品稳定性。


除此之外,由於船只是离岸航行,因此通讯的防干扰验证更形重要,由於以电脑做为操控的核心,在设备联网及指令的传递上,其正确性与防止讯号的干扰与误判,是这类产品的重要设计考量。


此外在部分物联网应用中,边缘运算与通讯即时性及准确性,也是嵌入式系统发展的重点,以智慧交通系统的路囗监控系统的操作为例,像是车辆辨识系统,这其中包括影像讯号的撷取、辨识,以及资料库的比对;或是车流管控,如何让系统在极短时间透过影像分析交通状况,并立即给予交通号志变换灯号的讯息,都必须透过边缘运算,才能让让系统效益最大化。


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