嵌入式创新_嵌入式激发创新

　　摘要：本文通过参观美国FTF(Freescale技术论坛)，以及对Intel公司数字企业事业部副总裁兼嵌入式与通信事业部总经理Doug Davis的访问，探讨了从两大嵌入式公司角度看嵌入式技术和产品在工业控制、汽车、视频监控、医疗电子、高效网络等方面的应用机会。
　　关键词：嵌入式；工厂自动化；数字视频；医疗电子
　　
　　嵌入式系统成为了电子工程师创新的沃土。Freescale的CEO兼董事会主席RichBeyer认为嵌入式可以实现绿色、健康和安全、高效网络连接，嵌入式控制市场相比于PC市场非常巨大(图1)。Intel公司首席执行官欧德宁先生说发现了一个为Intel带来巨大商业机会的第四大市场_嵌入式设备市场。前三个市场分别是消费电子、MID(移动互连设备)和PC，前三者的市场容量分别为100亿美元左右，而嵌入式设备市场的容量将超过100亿美元，对于Intel来说，嵌入式的机会就是下一个价值超过数十亿件设备之间的互联互通(图3)。
　　
　　
　　
　　
　　工厂自动化
　　
　　・无线联网
　　据美国能源部的报告估计，通过流程控制、自动化、信息处理和机器人的美国工业效率提高每年可以节约2千万亿(quadrillion)BTU(British Thermal Unit，英制热量单位)能源，相当于大约125个火电厂的发电量。
　　类似WirelessHART(可寻址远程传感器数据通路)等新兴标准将有助于提供经济高效的无线网状联网解决方案。Freescale解决方案和软件技术部门的Mike Dow介绍说，工业无线网状联网是自20世纪90年初推出现场总线以来，流程自动化领域最令人振奋的事情之一。
　　主要工业自动化厂商认为，在未来的绿色工厂中，无线传感器占仪器总量的60％，即使现有工厂，无线技术也将使仪器总量增加30％～40％。因此，未来的工厂将大大增加无线通信技术的使用。
　　除了基于802.15.4的无线传感器网络，802.11高速网状网络也开始渗透工业领域，使无线移动运营商能够浏览并与流程交互，同时现场获取信息。
　　WirelessHART是Freescale致力于提供全面解决方案而不是仅仅提供硅芯片的一个证明。大约两年以前，Freescale就决定参与制定将推动工业无线通信发展的标准，Freescale推动组建无线工业技术包销团，或WiTECK，该团体的第一个项目今年10月份之前将开发全面认证的WirelessHART堆栈。
　　WirelessHART的解决方案包括现场无线传感器、有线工业现场总线、主操作员控制台和移动手持式操作员界面。新型工业软件平台在所有用户界面上都具有相同外观。
　　与传感器发射器连接的是一个被称为WirelessHART适配器的器件。WirelessHART以无线方式支持现场的几百万个现有“有线”HART仪器。无线使得这些仪器中收集的诊断数据非常经济，能够在仪器发生故障和中断流程之前诊断出问题。
　　在FTF上演示的适配器是由AirSpriteTechnologies公司制造的。由于该适配器需要3～5年时间内运行在电池电源上，因此AirSprite选用了Freescale的ColdFire V1QE128作为超低功耗处理器。该适配器使用了SenTec Elektronik的微型802.15.4无线模块。该无线模块选用了Freescale的QEl28作为其MCU(微控制器)，运行由Freescale解决方案和软件技术部开发的WirelessHART堆栈的Alpha版本。
　　未来工厂的一个明显趋势就是移动操作员。在Freescale的i，MX31开发平台上，其GUI(图形用户接口)基于Qtopia，一个来自TrollTech的应用架构，它们都运行Freescale Linux BSP(板级支持包)并利用工业软件平台。
　　・lT和自动化工程融合
　　工厂自动化中有IT(信息技术)和自动化工程进行融合的趋势(图2)。即在后台环境中，现场总线上的自动化工程数据和以太网上的IT数据可以进行交流，这时候自动化的每一个产品、工具和设备就不再是一个个信息孤岛，而是相互连接在一起。如此就可以完成很多以前做不到的任务，比如对工厂的库存、吞吐能力进行管理等等。
　　例如固高科技公司通过采用了嵌入式的Intel架构，可以成功地将数字信号控制器、运动控制器和逻辑控制器等高级产品特征全部集成到一枚芯片上，而三个控制器原来属于不同的总线。
　　
　　数字安全监控(DSS)
　　
　　视频数字化增强了企业的安全性。此时，很多原来的视频转变成了数字格式，这样就可以利用模拟摄像头进化到IP或者混合摄像头形成数字格式，然后再对数字格式进行分析。使用一些视频分析软件，分析的结果就可以把这些软件进行更多的智能型的应用。这不但可以应用到中央的设备当中，提供更好的监控，还可以应用到外围的设备中，这些外围设备可以确认到底出现了什么问题，针对这些问题采取行动。所以，视频实现数字化以后可以进行智能化的数字安全监控。
　　对于数字安全监控的供应商来说，数字化可以提供很多以前不能提供的服务。例如，海康威视数字技术公司使用了Intel酷睿2的双核处理器，可以很好地进行数字压缩。
　　数字安全监控有三个非常重要的产品。当我们提供高质量的软件解决方案的时候，我们需要提供的是能够进行分析的软件，而且它们应该具有可扩展性，可以应用到很多不同的领域。除了提供基于IA(Intel架构)的产品，Intel还和很多公司进行合作，例如Segate和huperLab等公司进行合作，这样调动所有企业的能力，共同为数字安全以及应用提供我们相关的能力。
　　
　　汽车电子
　　
　　据Semiconductor Insights分析，1980年，电子设备在车辆总成本中的比例还不到1％。到了1990年，这一数字增加到7％，而2007年则是达到创记录的，22％。未来，电子设备在汽车中的比例还将上升。
　　・电动汽车
　　据Dataquest报告，Freescale是世界上最大的汽车半导体供应商，占有1／6的市场份额。据Freescale公司介绍，该公司已经投入了220多万美元，支持基于其POWer Architecture技术的MCU的硬件开发工具、软件和培训，该控制器是通用汽车的发动机控制系统平台。
　　为了满足日益严格的排放标准，很多人把希望寄托到电动汽车技术上。当今最大的挑战集中在电池技术上，在电池成本下降之前，电动汽车不可能对运输业在全球变暖过程中的作用产生重大影响。 　　Freescale认为，中期内最可能的解决办法是插入式混合动力(Plug-in hybrids)汽车(图3)，这要求智能计量。而智能计量则要求网络连通性，以便客户在夜间充电可以较低的费率计费。
　　几家汽车制造商目前都在开发这种汽车，它们一般采用以电池为动力电动马达，当电池电量低时，它还带有一个内部燃烧发动机。
　　如果插入式混合动力到2025年能达到50％的美国市场份额，就可以帮助减少大约3.75亿吨的温室气体排放，这相当于减少7000万客车或大约1／4的路面行驶汽车。研究人员预测，插入式混合动力汽车的增长只会导致大约7％～8％的电力需求增长。
　　拥用者可以把电池插入标准墙壁插座进行充电，假设3／4的充电可以在非高峰时段的夜间完成。这样，对于使用电动马达的短途来说，每行驶一英里的成本可能下降到4美分以下，相当于1加仑天然气1美元。
　　即使混合动力车是从火电厂(所有化石燃料中最脏的)获得其全部电力，但它排放的温室气体也只有传统汽车排放的温室气体的一半。
　　目前，几家公用设施公司已经开始开发支持这种Vehicle-to-Grid(v2G，汽车电网技术)模型的必要基础设施，提供数据和网络管理，计算几百万辆汽车充电的电力，匹配电池中的电力水平和电网，并开发可以跟踪进出汽车的能源的仪表。
　　・车载信息娱乐(IVI)
　　现在车里有很多信息，这些信息不但是车载产品的一些信息，还能够通过互联网实时地分享一些信息。例如在车内提供了一些应急服务，如汽车诊断维护、免提电话等等，这些服务是很多不同的厂商提出的。例如BMW提出的是BMW Assist，Volvo提出的是Volvoon Call。这些都是不同的制造商基于自己能力提出来的，这就需要多方面的性能。在这种环境下也面临着一些挑战，现在提供的解决方案每一个都是独立存在的，它们之间并没有很多的交流。据Intel介绍，IA(Intel架构)能够在多个操作系统上应用，能够适用范围非常广泛的应用，这些能力也可以应用到车载娱乐的设备当中来。
　　IA架构的优势可以通过Intel用户――StreetDeck反映来说明，StreetDeck的很多应用都是在电脑上开发出来的，最终需要把这些放到车载的应用上，比如3D的图像应用，希望能够应用到GPS定位上，还有关于车辆的远程诊断、远程监控等。Intel的平台是开放式的架构，能够把很多应用转移到车载应用上。再比如，深圳的合正公司使用了Intel 915GM高速芯片组，能够把一些紧凑型的、高性能、多功能的车载信息整合到车辆的应用当中来，并开发出相关的操作系统，而这些系统可以根据他们客户的需求进行更改和定制。
　　
　　医疗电子
　　
　　医疗电子由于人命关天，许多规模不够大的公司长期徘徊在圈外，而西门子、GE、Philips等大型医疗器械公司特别受到“上帝的宠爱”。但是医疗和远程信息技术的结合，将为中、小公司参与医疗电子创新带来机会，中、小公司可以据此研发产品，自己生产，或者为大公司做ODM。
　　・远程医疗。个人医疗和监护设备要求与家庭网络交互，并通过手机连接医生。把更多病人和医疗服务提供商及中心护理呼叫中心连接起来的能力不但将帮助改善病人的生活质量，它还将帮助降低医疗成本。
　　病历本也将消失，患者所有的病理信息都可以在医生的电脑上看到。
　　20年后，也许危重病人可以通过家庭中的机器人做手术，医生远程遥控机器人操作。
　　・早期诊断。很多人之所以要去看医生，是因为他们病了，或者因为他们的健康已经受到某种担心的危害。在很多时候，如果在病人发病的早期及时地监测和诊断，这些情况可能已经得到缓解。连接病人和医生的个人医疗设备的迅猛增长将重新定义我们执行常规体检的方式。这些设备将能够及早监测疾病，极大地减少并发症，简化护理工作。Freescale和Monebo在FTF上宣布了携手推出创新的心脏监视平台――片上ECG(心电图)(ECG-on-a-chip)该解决方案将Monebo的Kinetic ECG软件和Freescdale嵌入式处理技术集于一身，使医疗设备生产商能够开发出使用简便的ECG监视工具。
　　Monebo公司副总裁兼首席营销官PatrickKothe说，心电图(即ECG或EKG)是心脏的关键诊断和监护工具，心脏肌肉创造使心脏脉动的电磁波，这些电磁波可以由电极测量或与皮肤接触的电触点测量。它一般要求受过训练的专业人员在病人身上放置各种电极，并要求受过训练的专业人员解释ECG读数。因此，这些测试需要在具有所要求的人员和设备的专业医疗环境中进行。
　　通过与Freescale的紧密合作，Monebo能够开发业内第一个既具有临床质量，使用又非常简单的远程ECG监视系统(图4)。Freescale的ColdFire微控制器具有处理能力和低功耗的良好平衡，而这正是Monebo的Kinetic ECG Algorithm(运动ECG算法)和软件操作系统所需要的。Monebo开发出来的Monebo CardioBelt(图5)是一个既简单又尖端的心脏监护系统，它使用简单，是单引脚系统，采用干电级，因此这个区域不需要刨面，也不需要用胶。Cardio belt使定位非常简单，只需轻轻地按一下按钮，数据就被无线发送到通信设备，在那里，它再被转发到医疗专业人员手上。
　　
　　
　　
　　该产品能够监视心脏的每次跳动，并能够分析该数据的各种参数，如心率、心律，以及医生为更好地管理他们病人情况所要求的任何其他关键测量值。
　　・享受生活。医疗保健的另外一个目的就是要帮助每个人尽情地享受生活，包括残疾人。据统计，每150名儿童中就有一名患有孤独症及与孤独症有关的障碍。在过去10年，被诊断患有孤独症的儿童数量增长了7倍。在帮助患有孤独症的儿童实现他们全部潜力的过程中，早期干预至关重要，但帮助他们及其家人所需的教育和医疗资源却严重不足。Somatic Digital正在做一些旨为为残疾人缩短数字鸿沟的事情，并扩大每个人的学习机会，无论他们如何处理信息。通过使用Freescale的电场近接传感器和低功率8位微控制器，Somatic Digital已经设计出eTouchbook，一个带有轻触式用户介面的电子折页机，作为印刷出版物和来自互联网的相关内容之间的连接。为此，SomaticDigital公司赢得了The Inclusion Network的2007 Ingenuity Award(心灵手巧奖)。
　　
　　网络连接
　　
　　ITU(国际电信联盟)指出互联网发展已经进入第四个阶段，就是嵌入式联网设备兴 起的阶段。在这个阶段里(如图6)，左图显示不同的设备联结在互联网显示相关的数据，可以看到最大的数据是住宅网关，在住宅网关基础上就是其他各种应用，包括IP媒体电话、IP摄像头等应用。右图提出了挑战，众多应用的挑战就是现在基于IP的流量非常大，预计到2011年网络需求的增长速度将超过宽带接入的速度。当时候网络的容量会大于用户上网时接收的容量。其他的容量就是通过类似视频的流量等来实现的。总之，这意味着这里既有机遇，又有挑战。机遇是越来越多的设备可以连在互联网上，挑战就是互联网上都有什么样的内容，互联网又怎么样保证它的流量能够顺利地进行沟通。
　　在嵌入式系统里面，由于不同的设备要紧密连接在一起，无论这个机器是大系统还是小系统。在技术方面，Intel认为其IA可以方便嵌入式的连接，Intel的嵌入式产品发展路线图表明，从小于5W的低耗电的应用一直到200瓦以上的高性能应用都提供了单一的架构。兼容性问题会出现，例如现在有的媒体应用可以在闪存上播放，却不能在MID上播放呢?像软件、操作系统、各种应用其实都有一个共同的互联网平台，这个互联网平台最开始是给PC机设计的，Intel的优势是可在其他的嵌入式设备上也能够分享这些应用。
　　在北美FTF期间，Freescale隆重推出了QorIQ平台，将采用45nm技术制造。自此，流行多年的通信，网络用处理器PowerQUICC(90nm工艺)将逐渐淡出历史舞台，将来只有PowerQUICC IP(知识产权)业务存在了。据Freescale网络与计算系统部全球IP服务市场经理Richard H.Schnur介绍，QorIQ的目标是针对当今通信网络中的内容大幅增加，尤其这两年视频流大大增加，网络交通阻塞时有发生，QorIQ是为了满足下一代网络通信需要的。
　　重点发布的QorIQ P4080多核处理器，是旨在为嵌入式多核空间中的性能、功效和编程性设定新标准的非常先进的八核通信处理器，它集成了增强的Power Architecture内核、三级缓存分层、创新CoreNet片上结构和数据路径加速，可在最大30W的功率电路内提供性能，非常适合于诸如交换机、企业和服务提供商路由器、接入和媒体网关、基站控制器、无线网络控制器(RNC)和通用嵌入式计算系统。
　　
　　结语
　　
　　基于嵌入式技术的创新不胜枚举，嵌入式处理器展开了工程师的翅膀，用Freescale的话说，嵌入式可以令你“自由设计，自由创新，来把这个世界变得更加智能”(Designfreedom，design innovation，making theworld a smarter place)。借助Intel的话说，嵌入式可能急剧增长，Intel正准备迎接下一个价值数十亿的联网设备的挑战。