因应工业4.0 嵌入式系统扮演更吃重角色
2016/09/05 - DIGITIMES企划
伴随工业4.0概念大行其道，将使嵌入式系统的发挥空间更为宽广，只因工业4.0概念下的智能工厂内部，往往拥有为数可观的控制装置，譬如工厂自动化过程中被大量采用的PLC，乃至于工业机器人当中的控制器，这些控制装置皆可归类为嵌入式系统。所谓嵌入式系统，顾名思义，它与一般PC平台上的通用应用系统截然不同，是一种用以监控机器、设备甚或工厂运作的装置，为软件加硬件之综合体，且是基于特定用途而量身订制。
时至今日，环顾人们生活环境，随处可见嵌入式系统，举凡汽车、智能电视、穿载式装置、ATM、POS、Kiosk，甚至医疗设备仪器…等等物件，都采用了嵌入式系统，展望今后，随着智能装置可望更蓬勃兴盛，将使得嵌入式系统前景看涨。
最明显的例子，即是近年逐步走俏的智能家庭应用，人们即使不在家，也可透过智能移动设备，联网控制家中的冰箱、空调等智能家电设备，从而将人类生活带入一个前所未见的境界，而在这个智能无所不在的世界当中，对于嵌入式系统而言，着实蕴藏着极其辽阔的发展空间。
智动化趋势成形 工厂更需借重嵌入式系统
撇开消费型态的智能应用，在工业制造环境里头，早在以往还未兴起所谓的工业物联网、工业4.0、智动化等浪潮时，便已充斥着为数不少的嵌入式系统，展望未来随着智能机械(IM)、智能机器人(IR)、甚或物联网闸道器的大量布建，必将使得嵌入式系统的运用空间随之扩大，适用范围涵盖工业控制、数控机床、智能工具、工业机器人等众多面向。
尽管对于工业生产环境，嵌入式系统的存在与运用，已非一天两天的事，然而现在与过往的最大不同，乃在于伴随应用愈趋多样化，使得嵌入式系统与其他系统整合的需求增加，而且体积要求更小、成本要求更低，惟与此同时必须反向提升其稳定性，而在应用目的趋于多元的前提下，客户(此指工厂生产设备的供应商)对于小批量、快速定制化的服务需求，也愈来愈殷切。
甚至于在更早期，部份较具规模的设备制造商，还会自行设计与开发控制器主机板，但随着时序演进，此事已经愈来愈难以为继，主要是因为，现今市场需求的变迁愈趋加剧，所以为了置入不同功能设计，控制器主机板改版频率势必提高，但麻烦的是，目前CPU时代交替速度也比从前更快，意谓主机板开发者接受认证的频率随之增多，且等待通过认证的时间可能延长，两项因素互为拉扯，无疑对Time-to-Market进程造成不利影响。
在此前提下，业者认为，在工业4.0浪潮席卷之际，速度快慢无疑是决胜关键之一，似乎愈来愈不容许设备制造商在控制器主机板上费时雕琢，此一态势，可望带动嵌入式电脑模块(Computer-On-Modules；COM)的市场能见度水涨船高。
此乃由于，设备制造商一旦采用外部工业电脑业者所提供的COM模块，镶嵌于自己设计的载板之上，则尔后遭遇CPU改朝换代，也仅需更换COM模块便可因应，不需要像过去一样重新设计整块电路板，故而也不需要频频耗时接受认证，如此一来，即可大幅缩短新产品或新功能的上市准备时间。
嵌入式电脑模块 助设备商提升产品开发速度
至于COM模块常见的规格，一般而言，大致含括了COM Express(含COM Express Compact、COM Express Basic及COM-Express Mini)、ETX、SMARC及Qseven等不同项目，藉以因应医疗、博弈、交通或自动化控制等不同应用领域的个别需求，因此这些尺寸规格各具不同特色。
比方说，Qseven一般意谓超小型的尺寸规格，大致落在70 x 70mm，相对适用于移动或手持式应用，其与其他尺寸规格采用传统板对板连接器的模式有所不同，主要是将所有重要信号与界面，经由PCB边缘的金手指连接器传输到载板，据此形成两大优势，其一是显而易见地节省了板对板连接器的成本，其二则是有助于简化安装程序。
又或者，ETX模块采用114 x 95 mm基本尺寸，一般来说，具备不错的 I/O能力，同时也相对符合插入式 CPU模块的嵌入式电脑概念，足以为应用工程师提供较多样性的CPU平台选择，有助于简化产品开发流程、缩短产品上市时间。
以适用于工业环境的COM产品而论，不仅如同运用在其他领域的模块相同，都必须符合小巧尺寸设计、支持无风扇等特质，但除此之外，还另需具备对于严苛环境的适应力与耐受力，必须能有效抗御酷热、高湿度、高振动，所以此时客户将会以强固型嵌入式电脑、PICMG1.x的插槽式单板电脑(SBC)、工业主机板与工业级机箱为首选，某些特殊情况下，相关产品甚至需要达到极致水准，意即不仅需要符合MIL standard 202F，而且还需通过宽温摄氏负40到正85，以及50Gs of Shock、12Gs of Vibration等严苛测试。
总括而论，综观现今嵌入式系统解决方案的设计走向，大致呈现几个显着特色。首先是走向弹性更高的模块化设计，例如针对前述的COM Express、ETX或Qseven等不同尺寸规格提供齐备的产品选项，进一步完整提供开发板、应用板，前者适用于开发阶段，意在向设计人员提供简图基准，可用于检验COM功能、测试载板问题，终至有助于减轻设计工作负担，至于后者，原理类似开发板，但蕴含更高的整合度，甚至可作为直接使用的载板。
结合智能管理 监测设备状态信息
其次是结合智能管理功能。譬如有工业电脑厂商即特别开发了嵌入式智能管理平台，主要诉求是具备强大监控能力，可持续监测并蒐集CPU温度、温湿度、风扇运行状况等信息，还可进一步将信息整合到云端，俾使客户能够借此执行大数据分析。
再者则是拥抱物联网。其中最明显的例子，即出自于研华，该公司与Bosch Sensortec、德州仪器(TI)等夥伴共同推广M2.COM平台，藉由M2.COM无线传感器开发套件囊括无线通讯、传感、云端等技术元素，等于涵盖了从硬到软的完整方案，希冀带动更多物联网应用开发商加入。
只不过，诸如COM模块这般嵌入式系统，尽管看似有助于设备厂商提升产品开发速度，但也存在较为复杂的难题，必须倚靠模块供应商以服务型式加以解决，其中最重要的环节，便在于故障排除。
业者解释，工厂自动化设备的控制器，不仅内含COM模块，也包含了由设备厂商所设计的载板，由于来源各不相同，难免徒留模糊暧昧空间，反倒增加了厘清故障真因的难度，此时唯有仰赖模块供应商的专业分析服务，才能加速还原事情真相。
此外，基于工业4.0智动化需求，导致设备厂商开出的专案型态，可能比从前复杂许多，除了不时需要修改韧体(Firmware)、定制开发BIOS外，专案当中所涉及的操作系统架构也趋于多元化，可能涵盖Windows、Linux或RTOS等众多选项，每一种选项，都将各自带出不同的驱动程序、开发板支持套件(BSP)与界面转换需求，这些需求技术含量颇深，亟需COM模块供应商予以支持。
总而言之，从过去迄今，嵌入式系统已被广泛用于工业程序控制、数码机床、电力系统、电网安全、石油化工系统等诸多工业应用领域，但以往由于任务单纯，亦未过度讲究效能，故一向以低端型产品为市场主流；展望今后，随着工业物联网技术演进，工厂对于机台设备的实时传感、实时控制需求大增，亟需借重低成本、低功耗，但性能比过去强大的嵌入式系统，因此未来发空间值得期待。
图说：从很早开始，嵌入式系统于工业自动化情境中，即扮演电脑权值控制器(CNC)、CNC车床与铣床等设备的控制核心枢纽。(来源：Absolute Machine Tools)
