在ASPENCORE在深圳電子智能制造展（EIMS）同期舉辦的“深圳國際工業4.0技術與應用峰會”上，恩智浦邊緣處理業務工業邊緣計算產品市場經理高磊分享了“嵌入式系統與工業自動化——安全實時的系統”主題演講，內容包括三個部分：嵌入式系統與工業自動化；嵌入式系統的工業和技術挑戰；NXP工業4.0嵌入式系統解決方案更新。

嵌入式系統與工業自動化

他指出，在過去的幾年中，整個嵌入式系統市場有了長足的發展。隨著物聯網和工業物聯網的出現，嵌入式系統技術已成為智能和工業物聯網生態系統快速發展的推動者。廣泛、多樣且高度分散的嵌入式系統的共同發展趨勢是什么？

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領域；

將時間敏感網絡（TSN）部署于控制器之間，實現協同信號的高精度同步傳輸；

將TSN網絡部署于控制器與監控設備（SCADA）或者HMI之間，實現維護數據的高質量傳輸；

將TSN網絡部署于IT網絡與OT網絡之間，助力實現生產數據向信息系統的上傳以及控制管理信息向生產設備的下發；

將TSN網絡部署于移動前傳網絡，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絡支撐；

將確定性網絡（Detnet）部署于IT網絡與云平臺之間，實現企業內部IT網絡與私有云平臺業務的確定性時延承載；

將Detnet網絡部署于企業外網中，在企業分支之間，企業與數據中心，工業企業與上下游企業之間建立全業務共網承載的管道，實現按業務要求調配網絡資源。

可以看出，可以將時間敏感網絡作為工業網絡互聯互通的核心，連接存量的傳統工業以太網產線、接入采集海量工業數據的物聯網、支撐高精度、遠程控制的信號承載，實現各類型工業業務的共網絡承載，并按需保證傳輸質量。

嵌入式系統發展史

嵌入式系統的歷史可以追溯到1960年代。Charles Stark Draper于1961年開發了一種集成電路，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字系統）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據。

1965年，現為波音公司一部分的Autonetics公司開發了D-17B，這是一種用于Minuteman I導彈制導系統的計算機。它被公認為第一個大規模生產的嵌入式系統。1966年民兵2導彈投入生產時，D-17B被NS-17導彈制導系統所取代，該系統以大量使用集成電路而著稱。1968年，第一個車載嵌入式系統問世。大眾1600使用微處理器來控制其電子燃油噴射系統。

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。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存和支持芯片。1972年發布的8位Intel 8008具有16KB的內存。隨后是1974年的Intel 8080，配備64KB內存。8080的后繼產品x86系列于1978年發布，至今仍在大量使用。

1987年，Wind River發布了第一個嵌入式操作系統實時VxWorks，隨后在1996年發布了Microsoft的Windows Embedded CE。到1990年代后期，第一個嵌入式Linux產品開始出現。如今，幾乎所有嵌入式設備都使用Linux。

什么是嵌入式系統？有什么特征？

嵌入式系統是功能固定的或可編程的計算機軟件和硬件的組合。嵌入式系統可以是獨立系統，也可以是大型系統的一部分。它主要是為大型系統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。

嵌入式系統的主要特征是它們是特定于任務的。此外，嵌入式系統可以包括以下特征：

通常由硬件、軟件和固件組成；

可以嵌入更大的系統中以執行特定功能，因為它們是為系統內的特殊任務而不是各種任務而構建的；

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

通常用于物聯網（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行其功能，以保持較大的系統正常運行。

嵌入式系統的結構

嵌入式系統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置在一個芯片中。

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

實時操作系統——這些并不總是包含在嵌入式系統中，尤其是規模較小的系統中。RTOS通過在程序執行期間監督軟件和設置規則來定義系統的工作方式。

嵌入式系統的類型

有幾種基本的嵌入式系統類型，它們在功能要求上有所不同。它們是：

移動嵌入式系統是設計為便攜式的小型系統。數碼相機就是一個例子。

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

獨立嵌入式系統不依賴于主機系統。像任何嵌入式系統一樣，它們執行專門的任務。但是，與其他嵌入式系統不同，它們不一定屬于主機系統。計算器或MP3播放器就是一個例子。

實時嵌入式系統會在定義的時間間隔內提供所需的輸出。它們經常用于醫療、工業和軍事領域，因為它們負責時間緊迫的任務。交通控制系統就是一個例子。

嵌入式系統也可以根據其性能要求進行分類：

小型嵌入式系統通常使用不超過8位的微控制器。

中型嵌入式系統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軟件體系結構，隨著嵌入式系統的發展和規模的日益復雜化，這些體系結構變得必不可少。它們包括：

簡單控制循環調用子例程，用于管理硬件或嵌入式編程的特定部分。

中斷控制系統有兩個循環：一個主要循環和一個次要循環。循環中斷會觸發任務。

協作多任務本質上是位于應用程序編程接口（API）中的簡單控制循環。

搶占式多任務或多線程經常與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

嵌入式系統在汽車行業的重新設計中發揮著重要作用。這些系統用于電動和混合動力車輛的ADAS技術中。大眾對環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，導致嵌入式系統市場的增長。根據彭博新能源財經的報告，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：嵌入式系統容易受到網絡威脅和安全漏洞的攻擊

阻礙嵌入式系統市場增長的主要因素之一是嵌入式設備的安全性。內存等嵌入式設備包含的信息可能對部隊、銀行、數據中心和醫療機構至關重要。因此，保護此類設備免受網絡威脅和安全漏洞至關重要。不規則的安全更新、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容易受到網絡攻擊的一些因素。因此，嵌入式系統對網絡威脅和安全漏洞的脆弱性有望限制嵌入式系統市場的增長。

機遇：5G的到來和基于5G的嵌入式設備的開發

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

挑戰：小型嵌入式系統產生高能耗

嵌入式系統在其中包含各種功能的緊湊性可能導致其設計架構的復雜性。這也導致嵌入式系統的能耗增加。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的整體性能。因此，緊湊型嵌入式系統的高能耗對嵌入式系統市場的增長提出了嚴峻的挑戰。

機會：工業4.0為運動控制市場的參與者提供了機會

工業4.0是第四次工業革命，這意味著傳統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4.0推動了對更智能運動控制系統的需求，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4.0的概念在歐洲發展起來，并在全球制造業中得到了擴展。工業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。工業4.0的特點是使用了多種現代技術和高度自動化的生產過程，這些過程需要安裝多個傳感器和組件才能有效發揮作用。

機器監控

工業自動化系統利用嵌入式軟件開發功能通過對功率、流量、振動、壓力、溫度等變量的受控監視來實時監視系統狀態。監視設備（例如傳感器和探針）通過行業通信協議（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進行通信。

然后，將來自不同數據源的匯總數據存儲在云或中央數據庫中，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；減少生產損失和維護成本。工業嵌入式系統可以執行機器監視，以幫助提高生產率，優化設備功能和衡量性能。

機器控制

在各種工業設備中使用嵌入式系統工程服務來執行特定范圍的任務，例如控制裝配線速度、數控機床中的流體流速，控制機器人機械等，改變了工業自動化的格局。這些系統通過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功能輕松地與現有的機器控制集成。因此，工業OEM和制造工廠可以從降低的維護成本中受益，實現集中和統一的控制架構，并優化其性能和整體產品質量。

用于機器監控的工業嵌入式系統

在機器監控中，工業嵌入式系統實時檢查系統狀況，測量功率、壓力、溫度、振動、流量等。在機器監控中，現有的制造系統可以利用現有的網絡連接將性能數據發送到集中式服務器或基于云的網關。

匯總和分析此數據，通過報告，通知和儀表板提供可操作的信息。工業嵌入式系統可以執行機器監視，以幫助評估性能，提高生產率和優化設備功能。機器監控是一種主動運行的方法，可以通過使用嵌入式系統來維持正常運行時間并防止生產損失。

嵌入式工業系統的未來

隨著工業嵌入式系統的聯網和通信現在進入物聯網（IoT）領域，正在開發新的框架，這些框架允許嵌入式系統直接或間接連接到Web。這允許具有嵌入式微處理器的組件直接與其他系統的組件進行通信。此外，嵌入式自動化系統現在正在利用機器學習，人工智能和數據分析來幫助監視并向充當人機界面的操作員提出建議。

嵌入式系統是智能制造未來的一部分，它提供了前所未有的更高水平，更直接的工業控制水平。新的和現有的工業設備都可以利用嵌入式系統來優化制造過程。鑒于微處理器改進的迅速發展，機器控制和機器監視也在不斷發展，并允許更大的嵌入式系統邏輯，控制和可擴展性。

工業嵌入式系統廣泛應用于各個行業，以監督大型機械或電氣系統中的特定操作。從HVAC單元到復雜的航空電子設備，工業嵌入式系統無處不在。在較大的系統中，工業嵌入式系統充當可編程操作系統，該操作系統執行特定任務，例如驅動電動機、控制裝配線速度、聯網設備和/或調節溫度。

嵌入式系統旨在幫助控制功率效率，最大化性能以及在苛刻環境中運行時控制流程。通常，嵌入式系統類似于帶有微處理器，存儲器，電源和與較大系統的其他部分進行通信的外部接口的小型電路板。在工業自動化應用中，考慮嵌入式系統時，機器控制和機器監視是兩個主要用例。

用于機器控制的工業嵌入式系統

對于機器控制，嵌入式自動化系統用于在工業設備中執行一系列任務，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動的過程中自動調整齒輪比。許多制造系統已經具有可在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功能將工業嵌入式系統集成到現有的機器控制中。工業嵌入式系統有助于統一和集中控制體系結構，降低維護成本，并優化機器的性能。

NXP工業4.0嵌入式系統解決方案組合

最后再來看下NXP工業4.0嵌入式系統解決方案組合：

?下圖是NXP針對工業市場專門設計的Linux發行版OpenIL介紹。

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