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因應工業4.0 嵌入式系統扮演更吃重角色

  • DIGITIMES企劃

伴隨工業4.0概念大行其道,將使嵌入式系統的發揮空間更為寬廣,只因工業4.0概念下的智慧工廠內部,往往擁有為數可觀的控制裝置,譬如工廠自動化過程中被大量採用的PLC,乃至於工業機器人當中的控制器,這些控制裝置皆可歸類為嵌入式系統。

所謂嵌入式系統,顧名思義,它與一般PC平台上的通用應用系統截然不同,是一種用以監控機器、設備甚或工廠運作的裝置,為軟體加硬體之綜合體,且是基於特定用途而量身訂製。

時至今日,環顧人們生活環境,隨處可見嵌入式系統,舉凡汽車、智慧電視、穿載式裝置、ATM、POS、Kiosk,甚至醫療設備儀器…等等物件,都採用了嵌入式系統,展望今後,隨著智慧型裝置可望更蓬勃興盛,將使得嵌入式系統前景看漲。

最明顯的例子,即是近年逐步走俏的智慧家庭應用,人們即使不在家,也可透過智慧型行動裝置,聯網控制家中的冰箱、空調等智慧家電設備,從而將人類生活帶入一個前所未見的境界,而在這個智慧無所不在的世界當中,對於嵌入式系統而言,著實蘊藏著極其遼闊的發展空間。

智動化趨勢成形  工廠更需借重嵌入式系統

撇開消費型態的智慧應用,在工業製造環境裡頭,早在以往還未興起所謂的工業物聯網、工業4.0、智動化等浪潮時,便已充斥著為數不少的嵌入式系統,展望未來隨著智慧機械(IM)、智慧機器人(IR)、甚或物聯網閘道器的大量佈建,必將使得嵌入式系統的運用空間隨之擴大,適用範圍涵蓋工業控制、數控機床、智慧工具、工業機器人等眾多面向。

儘管對於工業生產環境,嵌入式系統的存在與運用,已非一天兩天的事,然而現在與過往的最大不同,乃在於伴隨應用愈趨多樣化,使得嵌入式系統與其他系統整合的需求增加,而且體積要求更小、成本要求更低,惟與此同時必須反向提升其穩定性,而在應用目的趨於多元的前提下,客戶(此指工廠生產設備的供應商)對於小批量、快速客製化的服務需求,也愈來愈殷切。

甚至於在更早期,部份較具規模的設備製造商,還會自行設計與開發控制器主機板,但隨著時序演進,此事已經愈來愈難以為繼,主要是因為,現今市場需求的變遷愈趨加劇,所以為了置入不同功能設計,控制器主機板改版頻率勢必提高,但麻煩的是,目前CPU世代交替速度也比從前更快,意謂主機板開發者接受認證的頻率隨之增多,且等待通過認證的時間可能延長,兩項因素互為拉扯,無疑對Time-to-Market進程造成不利影響。

在此前提下,業者認為,在工業4.0浪潮席捲之際,速度快慢無疑是決勝關鍵之一,似乎愈來愈不容許設備製造商在控制器主機板上費時雕琢,此一態勢,可望帶動嵌入式電腦模組(Computer-On-Modules;COM)的市場能見度水漲船高。

此乃由於,設備製造商一旦採用外部工業電腦業者所提供的COM模組,鑲嵌於自己設計的載板之上,則爾後遭遇CPU改朝換代,也僅需更換COM模組便可因應,不需要像過去一樣重新設計整塊電路板,故而也不需要頻頻耗時接受認證,如此一來,即可大幅縮短新產品或新功能的上市準備時間。

嵌入式電腦模組  助設備商提升產品開發速度

至於COM模組常見的規格,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等不同項目,藉以因應醫療、博弈、交通或自動化控制等不同應用領域的個別需求,因此這些尺寸規格各具不同特色。

比方說,Qseven一般意謂超小型的尺寸規格,大致落在70 x 70mm,相對適用於行動或手持式應用,其與其他尺寸規格採用傳統板對板連接器的模式有所不同,主要是將所有重要訊號與介面,經由PCB邊緣的金手指連接器傳輸到載板,據此形成兩大優勢,其一是顯而易見地節省了板對板連接器的成本,其二則是有助於簡化安裝程序。

又或者,ETX模組採用114 x 95 mm基本尺寸,一般來說,具備不錯的 I/O能力,同時也相對符合插入式 CPU模組的嵌入式電腦概念,足以為應用工程師提供較多樣性的CPU平台選擇,有助於簡化產品開發流程、縮短產品上市時間。

以適用於工業環境的COM產品而論,不僅如同運用在其他領域的模組相同,都必須符合小巧尺寸設計、支援無風扇等特質,但除此之外,還另需具備對於嚴苛環境的適應力與耐受力,必須能有效抗禦酷熱、高濕度、高振動,所以此時客戶將會以強固型嵌入式電腦、PICMG1.x的插槽式單板電腦(SBC)、工業主機板與工業級機箱為首選,某些特殊情況下,相關產品甚至需要達到極致水準,意即不僅需要符合MIL standard 202F,而且還需通過寬溫攝氏負40到正85,以及50Gs of Shock、12Gs of Vibration等嚴苛測試。

總括而論,綜觀現今嵌入式系統解決方案的設計走向,大致呈現幾個顯著特色。首先是走向彈性更高的模組化設計,例如針對前述的COM Express、ETX或Qseven等不同尺寸規格提供齊備的產品選項,進一步完整提供開發板、應用板,前者適用於開發階段,意在向設計人員提供簡圖基準,可用於檢驗COM功能、測試載板問題,終至有助於減輕設計工作負擔,至於後者,原理類似開發板,但蘊含更高的整合度,甚至可作為直接使用的載板。

結合智慧管理 監測設備狀態資訊

其次是結合智慧管理功能。譬如有工業電腦廠商即特別開發了嵌入式智慧管理平台,主要訴求是具備強大監控能力,可持續監測並蒐集CPU溫度、溫濕度、風扇運行狀況等資訊,還可進一步將資訊整合到雲端,俾使客戶能夠藉此執行大數據分析。

再者則是擁抱物聯網。其中最明顯的例子,即出自於研華,該公司與Bosch Sensortec、德州儀器(TI)等夥伴共同推廣M2.COM平台,藉由M2.COM無線感測器開發套件囊括無線通訊、感測、雲端等技術元素,等於涵蓋了從硬到軟的完整方案,希冀帶動更多物聯網應用開發商加入。

只不過,諸如COM模組這般嵌入式系統,儘管看似有助於設備廠商提升產品開發速度,但也存在較為複雜的難題,必須倚靠模組供應商以服務型式加以解決,其中最重要的環節,便在於故障排除。

業者解釋,工廠自動化設備的控制器,不僅內含COM模組,也包含了由設備廠商所設計的載板,由於來源各不相同,難免徒留模糊曖昧空間,反倒增加了釐清故障真因的難度,此時唯有仰賴模組供應商的專業分析服務,才能加速還原事情真相。

此外,基於工業4.0智動化需求,導致設備廠商開出的專案型態,可能比從前複雜許多,除了不時需要修改韌體(Firmware)、客製開發BIOS外,專案當中所涉及的作業系統架構也趨於多元化,可能涵蓋Windows、Linux或RTOS等眾多選項,每一種選項,都將各自帶出不同的驅動程式、開發板支援套件(BSP)與介面轉換需求,這些需求技術含量頗深,亟需COM模組供應商予以支援。

總而言之,從過去迄今,嵌入式系統已被廣泛用於工業程序控制、數位機床、電力系統、電網安全、石油化工系統等諸多工業應用領域,但以往由於任務單純,亦未過度講究效能,故一向以低端型產品為市場主流;展望今後,隨著工業物聯網技術演進,工廠對於機台設備的即時感測、即時控制需求大增,亟需借重低成本、低功耗,但性能比過去強大的嵌入式系統,因此未來發空間值得期待。

從很早開始,嵌入式系統於工業自動化情境中,即扮演電腦權值控制器(CNC)、CNC車床與銑床等設備的控制核心樞紐。(來源:Absolute Machine Tools)