迎接嵌入式風潮

　 呼嘯而來的嵌入式系統應用風潮，正在悄悄地改變著一些傳統行業的面貌。古老的、技術驅動的半導體行業，已經走到了一個重要的拐點前。

　　1982年發生在新罕布什爾州華盛頓山的那場暴風雪，徹底改變了美國攀巖天才HughHerr的人生軌跡。此前，他已是聞名全美的登山家，而在那場暴風雪中，HughHerr迷了路，被迫在山中度過了3個溫度接近-30℃的黑夜。在被解救后，HughHerr的雙腿因為嚴重凍傷，而不得不截去了膝蓋以下的肢體。

　　“在手術過程中我一直在想，如何才能繼續我的夢想？”HughHerr回憶說，“我的答案是――依靠科技。”現在，HughHerr使用各種技術來幫助自己像正常人一樣生活和工作。其中，他最為依賴的是“他的”嵌入式系統，一種可以“穿”在身上，融合了感知、計算和互聯的智能仿生技術。

　　請“穿戴”上機器

　　只用了幾個月，HughHerr就依靠自己設計的“有堅硬腳趾”、可以站在“硬幣大小”巖石表面的假肢，重新回到了其鐘愛的登山運動中。此后，HughHerr在麻省理工學院（MIT）拿到了機械工程碩士和生物醫學博士學位，并在做生物醫學器械博士后的時候，開始研究仿真人腿的假肢機器人系統。

　　現在，HughHerr領導著MIT媒體實驗室（MediaLab）生物機械工程研究所的工作。在這個研究所中，他們利用包含嵌入式處理器、傳感器、無線網絡、模擬器件以及控制軟件在內的嵌入式系統，把機械工程與生物力學、神經網絡控制學相融合。“在嵌入式系統中，處理器就像人的大腦，傳感器像人的眼睛和耳朵，模擬器件就相當于人體的肌肉，軟件算法則讓所有器官發揮功效。”與HughHerr一起工作的嵌入式半導體方案供應商飛思卡爾全球消費電子及工業類應用傳感器產品部運營總監WayneChavez形象地比喻說。

　　與PC不同，嵌入式系統一般體積微小、功耗很低、軟硬件一體化，可以嵌入到幾乎現實世界的所有物體中，實現人們讓它完成的智能功能。

　　在HughHerr設計的人工膝蓋中，傳感器和處理器可以持續感知關節的位置和適于肢體的負載，以便去協調腿部運動；而他設計的世界上第一個踝足假肢機器人系統，利用多個傳感器、微控制器和模擬器件來模仿人體肌肉骨骼結構和運動，第一次給小腿截肢者提供了一個自然的步態。如今，這些“可穿戴的機器人”部分已經商用化，正在幫助殘障人士實現身體的“自愈”，并讓他們以越來越自然的方式來生活。

　　HughHerr自己也穿戴了這樣一個踝足假肢，它包含5個微處理器和12個傳感器。每個月，HughHerr都對它們進行升級，希望如此訓練到80歲時，這對假肢能夠變成自己的“血肉之軀”。“很快，會有其他傳感器植入到我的肌肉組織中，它們可以感受肌肉的運動，再與假肢系統互動。”HughHerr對記者說，“再過50年，假肢也可以把它感受到的信息映射給嵌入到我肌肉的傳感器，這樣，我就可以感覺到假肢的感受，感覺假肢‘肌肉’的收縮和拉伸，判斷我現在走路的狀況是否適合假肢，從而幫助我更好地行走。”

　　除了假肢機器人系統，MIT媒體實驗室的研究人員也在利用嵌入式技術來實現其他生物技術的突破。

　　一些研究人員像安裝太陽能面板那樣，把一些微小的嵌入式陣列植入大腦，對大腦某些區域進行特定的干預和刺激，來治療某種疾病。例如，他們通過100Hz的聲波系統讓大腦某個區域產生愉悅感，讓有自殺念頭的人放棄這個想法，這種方法還可以治療抑郁癥。“世界上有一半的人存在某種程度上的認知困難，我們希望依靠嵌入式技術和其他未來技術，在本世紀末消除這些殘疾。”HughHerr闡述了他們的理念。

　　“現在，全球正在刮起一股新的‘嵌入式風潮’。”飛思卡爾董事會主席兼首席執行官RichBeyer說，“更重要的是，這些嵌入式系統與PC不同，他們功耗很低，幾乎可以永遠待機、永遠與我們同行。”

　　“零排放、零傷亡”汽車

　　除了人可以“穿戴”機器人，幾乎我們身邊所有的物件都可以“穿戴”上各種類型的機器人系統，并因此變得更為智能，汽車就是其中一種。在這場嵌入式風潮中，汽車已經不再是傳統意義上的鋼鐵機械裝備，它更像是一類電子智能設備，更為有意義的是，這讓汽車越來越靠近“零傷亡”和“零排放”的終極目標。

　　一些豪華車已經穿上了“主動安全”機器人系統，這讓汽車變得像飛機，只要設置好相應的程序，就能實現自動駕駛，駕駛員可以“閉上眼睛”。一種自動巡航系統正在美國和日本日漸流行，它在車的前部裝有一個雷達系統，這與我們所熟悉的倒車雷達不同――倒車雷達基于超聲波技術，只能判斷一兩米以內的物體，而自動巡航系統的雷達則基于77GHz電磁波，可以“看”到車前方250米范圍內的物體。此外，車上還安裝著一種攝像機系統，它通過汽車外部四周的４個或更多的攝像頭，來自動識別車身周邊的物體、道路上的交通標志以及車道線，如果車輛不小心越過黃線，系統會自動報警。

　　自動巡航系統由微控制器的“大腦”、77GHz射頻收發器的“眼睛”、數字信號處理器的“視覺分析神經”以及模擬器件的“肌肉”組成。攝像機系統則包含了攝像頭傳感器“眼睛”、網絡溝通的“神經”和微控制器的“大腦”組成。目前這些機器人還比較昂貴，動輒上萬元甚至幾萬元，因此，估計要在2年后才可以出現在國內品牌汽車上，5年后有望逐步普及。即使這樣，我們也可以感受到這些機器人系統向汽車業滲透的高速率的步伐。

　　“今年底，飛思卡爾和博世設計的成本在千元左右的安全氣囊將進入市場，這會讓普及率提升。”飛思卡爾全球汽車市場總監StephanLehmann說。此外，防止剎車或急速轉向時汽車發生側滑、翻滾的電子穩定性系統，可以根據車輛行駛方向“上下左右轉動”的“車燈眼睛”也會逐步進入國產中高檔汽車。

　　除了零傷亡外，零排放也是嵌入式系統的一個目標。去年，吉利汽車的工程師開始設計混合動力汽車。在這類新能源車上，除了傳統的汽油發動機外，還加入了電機。這樣，當你踩油門用力過猛時，多余的功率就會轉換成電能存儲在電池中；當能量不夠時，能源就從電池中釋放出來，發動機因此能一直工作在某種穩定的狀態下，這就提高了燃油利用率，減少了排放。當然，這是一種過渡的方案。未來，純電動汽車將只有電機和電池，那時將實現“零排放”。

　　“當吉利推出它的下一代汽車時，你一定要關注嵌入式系統的貢獻。”RichBeyer先生強調說。

　　與人體中“穿戴”的機器人相同，汽車上的各類嵌入式系統也需要平臺化方案――要集成了處理器、傳感器、射頻收發器、無線網絡、模擬器件和軟件算法，同時，也在不斷追求小型化、高性能和低成本。但汽車機器人系統也有不同之處，國際組織已經為它們制定了安全標準――ISO26262，這個標準即將強制實施。根據標準，汽車上各類機器人都要符合不同的安全級別，例如剎車方面的ABS系統，安全級別就要達到最高的D級。

無處不在的醫生

　　除了可“穿戴”在人或汽車上的機器人，我們身邊還有形態萬千的獨立嵌入式設備，它們在移動和無線互聯的過程中為我們提供各類服務，這在未來的醫療領域體現尤為突出。

　　現在，飛思卡爾全球健康部門負責人StevenDean先生每天一起床就趕緊去查看一個身邊的個人終端，這個小終端在晚上一直監測他的睡眠呼吸情況，看是否發生過窒息，同時判斷他的睡眠質量。起床后，一個集成了多種傳感器的小智能設備戴在了Steven的胳膊上，一按按鈕，就開始為他自動測量血壓、脈搏等指標。另一個指環一樣的設備戴在Steven的手指上，為他測量血糖，這些測試結果實時傳送到家庭健康樞紐上，而Steven的個人醫生Dr.Jose也在遠程實時看到了這些數據。

　　目前，全球10%的人口患有糖尿病，而中國和印度占了全球糖尿病患者的40%，這些患者需要每天多次測量自己的血糖，而這些小巧互聯的設備讓他們的測量和診治變得簡單而方便。由于經濟、城鎮化發展趨勢以及高速攀升的醫療開支，公共醫療衛生重心已經轉向對一些慢性病，例如高血壓、心臟衰竭、糖尿病和癌癥的監測和預防。而通過這些低成本、便攜、無線互聯、易用的智能系統，人們去醫院的時間可以減少65%，一年中住院的時間也將減少6天。

　　現在，醫療設備領域正在開發這種成套的醫療系統。在這些系統中，最主要的變革來自“大腦”應用處理器。“在未來幾年，我們預測顯示器的分辨率會有2倍到4倍的提升，為了趕上這樣的創新速度，我們引入雙核處理器，支持3D圖形界面、高清3D顯示。”RichBeyer說，“它還要能夠提供全套解決方案，節省產品的上市時間，并盡量降低成本。”

　　掌上4G基站

　　除了無線互聯和降低自身的成本，嵌入式系統也正在與云計算結合，去改變傳統行業多年的游戲規則。例如，它們就正在顛覆手機網絡基礎設施的傳統概念。

　　誰也不愿意讓電信運營商把那些體積龐大的發射天線塔安裝在自己家的樓上或居民區里。這些天線的發射功率有時高達幾百瓦，它產生的輻射不僅是心血管疾病、癌突變的主要誘因，也可以對人體免疫系統、生殖系統造成直接傷害。

　　“這僅僅是我們與電信運營商部署手機網絡時遭遇的問題之一。”阿爾卡特-朗訊的產品經理JeromeMeyer說。根據相關市場預測，到2015年，移動數據流量將比現在增加30倍，但不幸的是，電信運營商的收入增長卻沒有那么好的勢頭。這樣，電信運營商一方面不得不升級網絡、增加網絡覆蓋范圍，另一方面卻要想方設法降低網絡部署成本以及運維成本。

　　阿爾卡特-朗訊下屬的貝爾實驗室的科學家最近研發出一種新的網絡架構――把過去大的集中式管理的基站，分解成多個小型基站，通過云的網絡進行分配管理，實現那些大型基站完成的通信任務。

　　今年，阿爾卡特-朗訊和飛思卡爾、惠普合作推出了相應的產品LightRadio。那些原來引發人們恐慌的天線塔現在縮小到一個2英寸見方的立方體中，變成了JeromeMeyer手上的盒子。“你可以把它安裝在電線桿、建筑物兩側或者一些非常不起眼的地方。”JeromeMeyer說。而且，你甚至可以在家里安裝一個小盒子，因為它現在的發射功率只有幾瓦，甚至1瓦以下，完全可以不用擔心輻射問題。

　　雖然體積小、發射功率低，但這些小巧設備在云的網絡中可以完成龐大任務。如果把16個這樣的小立方體組成一個陣列，就可以實現3G宏蜂窩基站的功能。這種結構讓運營商的資本投資降低20%，而考慮占地、電力消耗等因素，運營維護成本可以減少50%。

　　這種新型基站得益于多核處理器嵌入式系統技術的發展，在一塊采用28納米制程技術的多核芯片上，由于它的處理性能是以前芯片的4倍，它可以把基站的所有功能都整合到一個單芯片上去，稱為“片上基站”。

　　在這場嵌入式風潮中，半導體行業已經走到了一個重要的拐點，他們不再像PC時代時那樣一味地追求處理器的性能，而要增強嵌入式處理、傳感器、射頻、無線通信、功率管理與軟件的無縫連接能力；同時，他們的創新更要從系統設計和應用的角度出發，而不僅僅只是硅的故事。