工业4.0
邱野+郑晓义
[摘 要]嵌入式系统作为新兴系统近几年快速发展起来，随着工业4.0概念的提出，嵌入式系统更是得到了充分利用，地位日益提升。嵌入式系统的广泛应用，是從“中国制造”到“智能制造”的抓手之一，不断发展的电子技术促进“智能无处不在”。随着产业对高效、节能、低耗、安全、使用方便的电子机械的需求日益增长，嵌入式系统将是未来的一个大市场。
[关键词]嵌入式、智能制造、工业4.0
中图分类号：TP368.12 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）35-0017-01
1、嵌入式系统的发展
嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。一个手持的MP3和一个PC104的微型工业控制计算机都可以认为是嵌入式系统。嵌入式系统已经有了近30年的发展历史，它是硬件和软件交替发展的双螺旋式发展。
最早的单片机是Intel公司的8048，它出现在1976年Motorola同时推出了68HC05，Zilog公司推出了Z80系列，这些早期的单片机均含有256字节的RAM、4K的ROM、4个8位并口、1个全双工串行口、两个16位定时器。
之后在80年代初，Intel又进一步完善了8048，在它的基础上研制成功了8051。1981年Ready System开发了世界上第1个商业嵌入式实时内核（VTRX32），包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、任务间通讯、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。
随后，出现了如Integrated System Incorporation （ISI）的PSOS、IMG的VxWorks、QNX公司的QNX等，Palm OS，WinCE，嵌入式Linux，Lynx，uCOS、Nucleux，以及国内的Hopen、Delta OS等嵌入式操作系统也相继出现。
2、嵌入式系统的定义及主要组成
2.1 嵌入式系统的定义
1）、IEEE定义
嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作的机器、设备或装置”（原文为devices used to control，monitor，or assist the operation of equipment， machinery or plants）。
2）、广义上
凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可称为嵌入式系统。如各类单片机和DSP系统。这些系统在完成较为单一的专业功能时具有简洁高效的特点。但由于他们没有操作系统，管理系统硬件核软件的能力有限，在实现复杂多任务功能时，往往困难重重，甚至无法实现。
3）、狭义上
我们更加强调那些使用嵌入式微处理器构成独立系统，具有自己操作系统，具有特定功能，用于特定场合的嵌入式系统。本课程中的嵌入式系统是指狭义上的嵌入式系统。
2.2 嵌入式系统组成（表1）
2.3 嵌入式系统的特点
1）、功耗限制
嵌入式系统中，尤其是在用电池供电的嵌入式系统中，这是一个主要考虑的因素。大耗电量直接影响到硬件费用，并影响电源寿命以及带来散热问题。
2）、低成本
包含硬件成本和软件成本。硬件成本主要决定于所使用的微处理器、所需的内存及相应的外围芯片；软件成本通常难于预测，但一个好的设计方法有利于降低软件成本。
3）、多速率
系统同时运行多个实时性任务，系统必须同时控制这些动作，但这些动作有些速度慢，有些速度快。
4）、环境相关性
嵌入式系统不是独立的，而是与其被嵌入的设备紧密相关联。
5）、系统内核小
由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。
6）、专用性强
嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植。
同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全不同的概念。
3、嵌入式系统应用
3.1、嵌入式应用领域（图1）
3.2、嵌入式系统与工业4.0
3.2.1 工业4.0
包括将GPS（虚拟网络-实体网络系统技术）一体化应用于制造业和物流行业，以及在工业生产过程中使用物联网和服务技术。其重点是创造智能产品、程序和过程，较为重视物联网与控制逻辑。
3.2.2 中国制造2025
大致包括五方面内容，一是强调创新驱动，二是质量为先，三是绿色发展，四是结果优化，五是人才为本。互联网和传统工业的融合将是中国制造新一轮发展的制高点，智能制造将是未来的主攻方向。
3.2.3 嵌入式系统在工业4.0的应用实例
a）起重设备安全监控管理系统
b）智能每场管控系统
c）电缆厂集成控制管理系统
d）智能机加工厂
e）DNC/MDC信息化解决方案
f）工厂智能化系统
g）无人车间
h）智能视觉焊接机器人
4、总结
嵌入式技术是基于特定需求、以硬件为基础、以软件为核心、以特定应用为实现目标的系统集成技术。面向芯片设计、嵌入式软件开发和系统产品应用三者相互依托、互补共赢的产业构架和商业模式，已经成为嵌入式技术发展的必然趋势。2011年汉诺威工业博览会上，由“产官学”组成的德国“工业4.0小组”发表了题为《德国工业4.0战略计划实施建议》，称物联网和制造业服务化宣告着第四次工业革命到来。借鉴德国版工业4.0计划，也是拟议中的中国制造业顶层设计——“中国制造2025”的既定方略。其中，嵌入式系统和工业软件获得了业内专家的一致青睐。智能化的核心技术包括嵌入式系统和工业软件。嵌入式系统的应用是无止境的，应用的越多，智能化的水平就越高，两化融合、工业化的水平也就越高。endprint
