模块化设计中嵌入式技术的优势：案例解析与趋势

戈登·摩尔50多年前提出摩尔定律，经受时间考验令人惊叹。半导体行业持续以惊人低价将计算能力压缩进更小空间，给消费者带来巨大收益。

马来西亚自动化供应商Pentamaster制造的手套唯一再处理单元（GURU）是观察此类技术进步的完美案例。在七个工位中有两个，GURU系统让驱动机器视觉模块的工业PC数量减半。

第一个机器视觉模块处理四个摄像头图像数据，使手套在自动上料工位正确定位。化学和热力去污后，第二模块接收四摄像头数据，检测手套外观缺陷。其余三工位用于找针孔和机器人包装合格手套、粉碎不合格品。

为跟上机器视觉技术演进，Pentamaster必须升级系统处理器。在数据块上执行复杂算法需要巨大算力。为达到此效率，Pentamaster将视觉模块原始处理器替换为带集成图形处理的多核处理器——英特尔3D三栅极Core i5，能更有效处理数据。此外，这些处理器支持超线程技术，利用虚拟核心同时处理两任务。

这些改进成果显著：检测周期缩短至2秒以下，检测率从600副/小时提升至900副。更强算力还让Pentamaster报废两个视觉模块（不再需要），简化管理维护并遏制能耗。

嵌入式远程诊断

Pentamaster设计团队寻求更多改进，如增加测试流程，最近引入主动管理技术（AMT），允许远程管理、修复和保护硬件。

该技术让操作员和技术人员从电脑远程访问边缘嵌入式系统，解决固件和根级别问题。AMT还允许通过远程通道安装软件，自动处理常规补丁和恶意软件检测/清除。

一个极大优势：即使嵌入式设备关机，技术人员也能远程诊断问题。AMT工作在操作系统层以下，区别于传统远程管理软件。这在运行SCADA应用的工业PC中很有用。工业环境中安全和性能相关的定期更新至关重要，此技术可集中实现。

模块化机器设计

远程诊断和计算系统整合非嵌入式技术近年成功唯一原因。另一主要原因是机器制造商倾向模块化设计组装。用现成现货产品组装比从头构建容易。机器复杂度快速增加，企业不再可行定制系统。

如今客户向系统集成商提出关键需求：

• 更节能
• 更快吞吐率
• 支持预防性维护
• 与其他机器及库存管理系统通信

嵌入式技术通过提供变频器、传感器、驱动器等模块化组件及智能HMI帮助满足需求。这些组件由工业PC或PLC控制排序，依赖以太网网络作为系统架构骨干。

嵌入式技术旗下集成度也收紧。重要例证：双核ARM处理器与Xilinx和Altera FPGA集成。这让自动化供应商以可承受价格构建高集成多轴驱动器，进而以成本高效同步方式控制多台机器。

无需FPGA

原本用于嵌入低延迟工业网络协议的专用固定功能ASIC或FPGA，被德州仪器在其Sitara系列ARM Cortex-A处理器中植入的工业通信子系统（ICSS）消除。

FPGA与通用处理器配对曾是实现通信协议或低延迟I/O扩展的常见做法（当宿主处理器缺失这些功能时）。如今，片上低延迟加速器已设计实现，降低系统成本复杂度和开发时间。

ICSS存在还为通信协议实现带来模块化。供应商常难在时限成本约束下维持最高通信标准。ICSS通过覆盖多协议呈现统一预认证模块解决此问题。

操作系统并行

系统内智能组件集成和算力整合，由嵌入式技术以另一方式补充。实时操作系统遵循IEC 61131标准运行专用图形和文本机器控制语言。符合IEC 61508确保SIL 3标准。

虚拟化成为颠覆性变革，彻底翻转行业。现在可在单机运行多种操作系统的多个实例。供应商快速开发方案解决延迟和可靠性担忧。为每个应用采购维护多台机器不再必要，现在可充分利用单台强力机器潜力，而非多台欠利用运行。

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