因應工業4.0 嵌入式系統扮演更吃重角色
- DIGITIMES企劃
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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。
