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後PC時代 嵌入式系統縱橫發展
 

【作者: 王明德】   2019年11月12日 星期二

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在物聯網的帶動下,嵌入式系統應用漸趨多元。相較一般消費性產品,嵌入式系統的使用場域更為嚴苛,因此防塵、抗震、耐衝擊,就成了嵌入式系統維持穩定度的重要設計考量,尤其是移動式設備或戶外系統,對此要求更深。



圖1 : 嵌入式是物聯網架構的重要技術,而隨著物聯網落地速度的加快,嵌入式也走向不同發展,不過無論如何變動,穩定度仍是其不變的設計前提。(Source:eInfochips)
圖1 : 嵌入式是物聯網架構的重要技術,而隨著物聯網落地速度的加快,嵌入式也走向不同發展,不過無論如何變動,穩定度仍是其不變的設計前提。(Source:eInfochips)

為解決戶外環境的嚴苛,嵌入式系統必須考慮溫、濕度的變化,而移動環境則注意到抗震及耐衝擊的做法,廠商多以無風扇電腦做為解決方案,無風扇設計在工控嵌入式系統中已漸成主流,原因在於穩定度的提昇,風扇屬於機械架構,與系統內的電流電路相比,機械式零組件的生命週期一向較短,因此以風扇作為主要散熱方式的設備,因風扇故障導致系統當機的機率不低,在此因素下,工控嵌入式設備的無風扇設計於是漸居主流,除無風扇外,為再一步提昇穩定度,工控嵌入式系統多還會將抗震、防塵、寬溫等特殊需求設計進去,以延長系統的耐用時間,同時降低後續的維修次數與難度。


工控嵌入式系統 朝專用與泛用兩向發展

而技術規格的變動,來自於市場面的改變。現在的工控嵌入式系統逐漸分為兩類,一種是因應物聯網垂直產業應用,所衍生出來的產業系統,例如車載、醫療等,這些市場因需求龐大,加上規格較為特殊,因此廠商直接以此為標的,在初期就針對相關需求,導入相關軟硬體設計,上市目標就直指這些專用領域。另一種則是將系統設計成泛用型平台,以市場最大公約數需求設計板卡、選擇相關零配件,讓產品可讓最多產業應用。



圖2 : 穩定度是嵌入式設計的最重要前提。(Source:CCSEA 2019)
圖2 : 穩定度是嵌入式設計的最重要前提。(Source:CCSEA 2019)

泛用型嵌入式平台的主要應用,多屬於效能要求不高的中低階市場,中低階市場的系統控制並不複雜,控制核心規格不必太高。但穩定度方面並不遜於高階系統,尤其是現在一些比較重要的應用如地鐵閘門,都已採用中低階嵌入式系統,如果產品不穩定,所產生的影響將十分巨大。


嵌入式系統的要求,主要在於「即時的系統反應」,而應用領域需求的複雜度不同,所對應的資訊整合系統也會有所差異。例如智慧電網系統,終端的電腦僅需定期將訊息提供給後端伺服器,再加上偵錯回覆的功能,整體系統就算完備;但像是軌道交通的儀控運作,除了基礎的操控外,還有資料蒐集、分析及反應研判等需求,這類系統就需要更多元的功能,因此嵌入式電腦的供應商必須因應不同的需求,與系統整合商共同合作,讓軟硬體兩端都可充分達到客戶需求。


未來嵌入式系統的發展,將朝垂直產業電腦的縱向整合與泛用型機台的橫向整合兩端交互應用的方向走,終端使用者會視需求將這兩種架構的設備同時納入系統,使其系統性價比趨於最佳。


因應需求 提供特定規格產品

在技術部份,x86架構仍會是嵌入式系統主流,原因在於台灣目前的人才與技術仍以PC-Based為主,從X86架構進場設計嵌入式系統也較為方便。另一方面也因為以PC-Based架構設計嵌入式系統,軟硬體由於相容性高,成本也較為低廉,作為自動化控制的系統,比較沒有障礙,這也讓X86架構成為台灣嵌入式系統廠商的最終選擇。


相對於中小企業在嵌入式系統做水平化整合的方式,來完成其對客戶需求所做出的反應,大型企業另以垂直整合的模式,提供客戶完整解決方案的做法滿足客戶的需求,工控廠商會針對不同的需求,提供不同規格的產品。



圖3 : 人工智慧的邊緣運算概念,逐漸成為嵌入式系統的重要設計。(Source: Siemens)
圖3 : 人工智慧的邊緣運算概念,逐漸成為嵌入式系統的重要設計。(Source: Siemens)

以某公司的在航運港口為例,透過嵌入式系統駕駛人員可以電腦控制船隻運行,同時配合量測儀器,進行外在環境的資料蒐集及處理,協助電腦判斷船隻的控制,這其中包括自動化控制、資料蒐集,以及量測分析,主要依靠嵌入式電腦進行機通訊及檢測的工作,這時就需要較高效能的主機來做系統管理。而如果需求的是較低階的工作,像是船上的廣播系統或媒體播放系統,也有入門級的選項。


由於嵌入式系統應用的多元化,其產品的使用層面也較具有彈性,相對於中小企業多與配合廠商共同規劃進行水平整合,另一類型業者則是在開發時就已經預見客戶多元化的需求,而預留了擴充的準備,透過規格化的整合機制,達成客戶的要求。


不過無論是哪種機制,對工控嵌入式產品來說,穩定度是永遠的前提,以航運港口的案例來說,防潮、防鹽蝕的要求,就是基本選項。另外為減少風扇、連接線的損壞所造成的維修需求,無風扇、無接線也成為設計之一,以除去容易損壞因子的作法,降低損壞率,提升產品穩定性。


除此之外,由於船隻是離岸航行,因此通訊的防干擾驗證更形重要,由於以電腦做為操控的核心,在設備聯網及指令的傳遞上,其正確性與防止訊號的干擾與誤判,是這類產品的重要設計考量。


此外在部分物聯網應用中,邊緣運算與通訊即時性及準確性,也是嵌入式系統發展的重點,以智慧交通系統的路口監控系統的操作為例,像是車輛辨識系統,這其中包括影像訊號的擷取、辨識,以及資料庫的比對;或是車流管控,如何讓系統在極短時間透過影像分析交通狀況,並立即給予交通號誌變換燈號的訊息,都必須透過邊緣運算,才能讓讓系統效益最大化。


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