嵌入式市場四大熱點及趨勢

嵌入式系統的廣泛應用已經滲入到我們日常生活的各個方面。在手機、MP3、PDA、數碼相機、電視機，甚至電飯鍋、手錶裏都有嵌入式系統的身影，工業自動化控制、儀器儀表、汽車、航空航天等領域更是嵌入式系統的天下。據估計，每年全球嵌入式系統帶來的相關工業產值已超過1萬億美元。隨着多功能手機、便攜式多媒體播放機、數碼相機、HDTV和機頂盒等新興產品逐漸獲得市場的認可，嵌入式系統的市場正在以每年30%的速度遞增(IDC預測)。 

    本文將重點探討2005年中國嵌入式系統市場上的四大熱點應用：多媒體手機、HDTV、機頂盒和具有聯網功能的智能化工業設備/終端。這些熱點應用的技術發展趨勢是：手機正在向相機手機、TV手機、智能手機、雙模/多模手機和3G手機方向發展；HDTV今年的兩個重要發展方向是互聯網HDTV和與調諧器分離，此外，HDMI、DVI和各種閃存卡接口也將出現在越來越多的HDTV上；互聯網HDTV市場的崛起將產生對IP機頂盒的需求，而這將給目前疲軟的機頂盒市場帶來一線新的生氣；嵌入式工業設備則將集成進更多的通信與聯網等智能化功能，並將在汽車電子市場、醫療電子市場、機牀電子市場、室內/外視頻監控市場和電子標籤市場得到更廣泛的應用。 

    根據賽迪顧問的預測，就手機而言，2005年中國市場銷量就將達到7600萬部。“手機、帶家庭聯網能力的數字多媒體播放機(DTV和機頂盒等)和汽車電子很可能是未來幾年中國市場上最成功的嵌入式產品，”美信集成產品公司執行董事Ali Foughi指出，“在新的市場滲透和手機換代業務的推動下，未來3至4年的中國手機市場有希望繼續保持15-20%的年平均複合增長率。” 他同時強調，市場對嵌入式應用產品的集成度要求將越來越高，同時要求更低的功耗、更好的成本效益和更小的外形尺寸。對於嵌入式消費電子產品而言，價格仍將是推動市場發展的關鍵因素。 Enea AB公司首席執行官Johan Wall也表示：“整體而言，目前中國嵌入式應用市場正保持高速增長態勢，其中增速最大的產品是手機和MP3播放機。”  
 
手機向多模、3G、百萬像素照相和TV方向發展 

進入2005年，消費者已不再僅僅滿足於用手機打打語音電話、發發文本短信，對移動多媒體通信、娛樂和聯網的要求已隱然成爲一種新的消費趨向。消費者希望手機能下載和播放MP3音樂及MPEG-4電影、高速瀏覽互聯網、拍攝和顯示高清晰度照片、收發多媒體郵件、玩互動多媒體遊戲、在全球不同移動網中漫遊、打可視電話，甚至希望在手機平臺上收看實時衛星或地面DTV節目，這促使中國移動通信市場更快速地向智能手機、3G手機、多模手機和百萬像素級照相手機方向發展，從而帶動了寬帶技術(如Wi-Fi和WiMax)、互聯網技術、JAVA技術、數字高清晰圖像傳感/接收/處理/顯示技術、低功耗設計技術、RTOS和應用處理器等技術在手機平臺上的融合趨勢。 
 
    對於下一代手機設計師而言，要在物理空間和系統資源都比較有限的條件下集成如此豐富的先進功能，除了必須採用當代最先進的芯片技術(如單芯片GSM解決方案)、設計技術和設計方法以外，還必須在集成度、低功耗、小體積和低成本幾個方面取得平衡，這意味着設計者將面臨一系列的技術挑戰，例如，如何快速地響應市場需求、如何集成多種功能、如何爲多種功能供電、如何解決高速信號質量問題等等。針對這些挑戰，領先供應商紛紛提出了自己的解決方案。 

    德州儀器(TI)開發出一種靈活、可擴展的嵌入式應用處理平臺。設備生產商根據應用要求選擇具備不同處理能力的處理器，以減小移動設備的功耗，提供有競爭力的價格。TI中國區DSP及新興市場業務高級代表鄭小龍介紹，TI的開放多媒體應用平臺(OMAP)集成了ARM9和C55x核心，這種(MCU+DSP)雙核結構可滿足2.5G和3G手機的應用。TI的手機數字電視單芯片“Hollywood”也可在2.5G及3G手機上通過OMAP多媒體處理器播放高質量流視頻。在TI雙核結構基礎上另外採用專用MCU來運行一些普通應用和設備的高級操作系統，如Windows CE或Symbian OS，可滿足中高端手機用戶對智能電話功能或者高端無線PDA功能的需要。這種集成度很高的結構保證設備形狀因子較小並且功耗較低。  
 
    雙模/多模手機需要在一個手機終端中包含多個調製模塊，支持全世界範圍內兩個或兩個以上的複雜空中接口標準。美國模擬器件公司(ADI)採用Blackfin處理器作爲DSP的芯片組可支持W-CDMA 和 TD-SCDMA的3G標準以及雙模WCDMA/GSM，是一個包括數字基帶、模擬基帶、電源管理、射頻、音頻和外圍接口的完整平臺。飛思卡爾半導體公司針對2G、2.5G、EDGE和UMTS應用的MXC平臺還能實現Wi-Fi連接、GPS及藍牙功能。傑爾系統最近推出的通用雙模3G基帶芯片組，不僅能夠提供高速率的寬帶移動接入體驗，還可在3G/UMTS和2.5G/EDGE之間進行無縫切換。 

“這些便攜式設備必須有一個吸引人的用戶接口以刺激購買。”美國國家半導體公司(簡稱國半)亞太區無線及摸擬產品業務總監何賢斌這樣認爲。國半的Boomer解決方案提供了新的3D音頻特性，能給手機用戶帶來豐富多彩的音頻體驗，其音頻同步燈光管理方案能爲每個使用者提供璀璨亮麗的聲光效果。另外，針對信號完整性、噪音、EMI和串擾等佈局佈線問題，國半還推出了專門爲便攜式設備的圖像傳輸及影像傳輸設計的移動像素鏈路(MPL)串行接口，該接口有助於降低功率、電磁干擾及系統成本，還可提高系統的可靠性，精簡移動設備的機械設計。 

    “當然，最主要的挑戰是如何爲集成的各種功能供電，”國半的何賢斌說，“因爲大部分功能都需要不同的工作電壓。其次是如何提高電源效率，並平衡電源轉換效率和設計緊密程度，以最大化地提供便攜特性並儘量減少散熱。這些都需要真正的電源專家提供一種智能和優化的解決方案。” 
  
    隨着越來越多的多媒體應用功能集成到手機平臺上，系統對操作系統的要求也正變得越來越高。Enea Embedded Technology AB公司歐洲和亞洲區執行副總裁Christophe Ballan指出，“對於2G和2.5G手機而言，由於性能相對來說比較簡單，一般只需裝一個RTOS即可，用戶通常可考慮選擇Symbian OS、VxWorks、OSE或自己開發一個RTOS。但到了2.75G和3G手機時代，性能和應用的豐富要求必須在RISC CPU和DSP上分別安裝兩個RTOS。用戶可選擇兩套Symbian OS、VxWorks、OSE或搭配使用。” 

     Enea公司OSE嵌入式RTOS含有一系列解決在一個硬件資源有限環境下應用軟件開發難題的特性，包括：軟件實時更新、存儲器節省特性、適合所有架構的單一高效可複用平臺、以及對更長電池壽命的內嵌支持。由於OSE採用基於消息的通信機制，多個OSE之間的通信非常簡單和方便。 

HDTV和機頂盒解決方案強調可編程性 

    HDTV和機頂盒是信息家電領域嵌入式應用的亮點。IDC預測，2005年中國數字電視市場將會正式啓動，至2015年目前的模擬網絡將逐漸被數字網絡取代。據估計，到2008年中國有線數字電視用戶規模將超過3370萬戶，以銷售額計算，包含機頂盒與數字電視機在內，數字電視終端未來五年的市場總規模將達到3397億元。 

    由於數字電視信息量成倍增加，因此在圖像壓縮、數字傳輸、數字顯示等方面都需要應用特別的新技術。目前主流圖像壓縮技術爲MPEG2，同時還有MPEG4、H.264、WMV9及AVS 等。數字電視傳輸標準則有針對衛星廣播的DVB-S(QPSK調製)、針對有線電視網絡廣播的DVB-C(QAM調製)和針對地面廣播的DVB-T(COFDM調製)標準。面對這麼多的數字電視技術標準，方案提供商都不約而同地在其產品(或產品系列)中考慮兼容多種制式，以獲得更多市場機會。 

    TI的鄭小龍指出，開發高質量HDTV產品的關鍵在於平臺的選擇。由於HDTV已成爲一種高性能數字多媒體的載體，其平臺既需要有極高的整體性能以進行巨大的處理工作，還需要具有規模伸縮性以適應多制式的需求，如MPEG2、H.264、WMV9等。TI的可編程數字多媒體處理器DM642目前可以支持高清720P下的H.264解碼，具有高性能和高集成度特性，其優勢在於完全可編程且集成有多個支持高清的視頻口，軟件的兼容性好，有助於升級到未來產品。專用媒體解碼器TVP9000則可成爲數字電視核心處理器，支持所有數字電視高清和標清的MPEG2解碼，分辨率可到1080i，能夠以其高度的集成性和豐富的功能特性，實現低成本的HDTV解決方案。 

    意法半導體(ST)最近推出的可支持 H.264/AVC、VC1/Windows Media 9 Series 和 Dual MPEG2標準的高度集成高清電視解碼器，是應用於高清電視、DVD、機頂盒和汽車娛樂中心的單片解決方案。該公司的STB0899 DVB-S2新型解調器支持最新的DVB-S2標準和DVB-S標準，這意味着現在機頂盒製造商如果在DVB-S2預置機頂盒內安裝STB0899解調器，等到將來DVB-S2制式服務全面推廣時，用戶的機頂盒可以順利升級到新服務。 

中國的HDTV-T標準雖然還沒有公佈，由於備選的DMB-T和ADTB-T兩個方案均優於歐洲的DVB-T標準，因此棄用DVB-T已成定局。由復旦大學、清華大學以及清華同方凌汛科技三方聯合開發的數字電視地面傳輸移動接收系統專用芯片“中視一號”，是一款基於DMB-T和TDS-OFDM多載波調製技術的芯片，抗干擾能力很強，已成功用於數字電視機頂盒產品。由上海交大和上海高清合作開發的“高清系列”芯片，包含了數字電視地面傳輸移動接收系統專用的HD2802A、用於將強標準清晰度電視信號轉爲高清晰度電視信號的高清視頻格式轉換處理器HD1801A，以及高清視頻解碼芯片HD2201A。 

從技術上考慮，數字電視的顯示格式一共有18種(HDTV 6種，SDTV 12種)，中國可能採用HDTV標準的1920×1080i，寬高比16:9以及另外5種SDTV顯示格式。美信集成產品公司日前推出的3通道、可轉接HD/SD視頻信號的重建濾波器和緩衝器—MAX7454/MAX7455，支持1080i、720p、480p及480i視頻掃描系統標準，可用於HD STB、CRT、LCD、等離子顯示器、DLP和HDTV等數字視頻設備。 

工控嵌入式設備強調可靠性 

    在中國工業控制領域，與國民生產、通訊、醫療、航天、交通相關的嵌入式應用繼續快速增長。“工業控制市場挑戰與機遇並存，”研華公司嵌入式電腦事業羣大中華區總經理林世豐認爲，“一方面，隨着中國政府宏觀經濟的調控，工業控制設備採購量的增長速度放慢；另一方面，設備電子化程度越來越高，傳統領域設備紛紛轉向了嵌入式應用。”研華公司向系統集成商和設備製造商提供嵌入式模塊和解決方案，使傳統設備能夠具備運算和聯網能力。  
 
    根據Forrester調研公司報告，連接到網絡上的非PC設備要遠遠超過PC，到2010年PC將只佔據聯網設備的5％。嵌入式系統在衆多非PC設備的網絡化、智能化中具有廣闊的前景。例如，中國政府稅收政策的變化將催生一個巨大的稅控收款機市場。據業內人士測算，中國市場對稅控收款機的需求大約在3000萬到4000萬臺左右。這種兼有收款和稅收控制功能的稅控收款機採用安全加密模塊和智能卡技術來保障數據安全，採用MODEM通信模塊進行聯網通訊。根據研華公司產品經理區曉楓介紹，該公司的稅控收款機主板設計方案採用英特爾Xsacle處理器，配置了RS-232接口，利用手持式POS機或筆記本式電腦，通過該接口可以很方便地改變稅控收款機內的應用軟件以適應各地的需求。 

    具有高可靠性、高穩定性、良好的散熱性、開發性和可熱插拔性能的CompactPCI總線正爲越來越多的嵌入式應用所採用。例如，SBS Technologies公司亞太區總部總經理葛紝言就表示：“我們預計2005年CompactPCI將廣泛應用在鐵路、電力、石油化工、航空航天、船舶艦艇系統和數據通信等控制領域，並以每年20%的增長速度取代工業PC工控系統。中國將成爲全球最大的CompactPCI市場。” 

    SBS公司是美國一家主要爲軍用產品提供嵌入式模塊的供應商，他們針對工控領域開發的單板計算機和I/O產品能夠適應惡劣環境應用，如高衝擊、高震動、高低溫、潮溼和密封等環境。葛紝言還透露，醫療電子將是他們2005年重點要開拓的市場之一，並已爲醫療數據處理和傳輸開發出了高速/高帶寬通信和處理模塊。他強調，這些產品已經廣泛應用在許多國際知名大公司的產品中，如GE公司的X光透視儀和核磁共振儀。 
  
    該公司最近還針對網絡通信市場開發出了廣受矚目的CT9單板計算機。CT9採用了英特爾低功耗PentiumM處理器，集成了兩個Gbit以太網通道，支持熱插拔，支持64bit/66Mhz的CompactPCI總線，可廣泛用於無線基站、企業設備、測試測量、刀片式服務器等應用中。最新推出的Tsunami PMC A30和A40，則具備高性能商業及軍工計算解決方案所需的FPGA，可靠性高，應用領域涉及軟件定義無線電、雷達、聲納、圖像和視頻處理應用。 

    Lantronix公司亞太區銷售總監Sunny K Y Lo則認爲，嵌入式設備服務器在未來幾年裏會有很大的增長。他指出，近年來嵌入式網絡解決方案發生了顯著變化，一是設備的體積越來越小，比如手持式掃描儀；二是網絡傳輸速度更高，並有無線便攜的功能需求；三是要求更低的電源消耗；最後是需要數據安全和加密。這些變化要求嵌入式網絡解決方案具有智能化的功能，例如發送預警信號，隨着環境的變化能增加功能和處理，並在增加新功能的同時不增加甚至減少成本。該公司的XPort嵌入式設備服務器，集成了所有需要的網絡特徵，包括10Base-T/100 Base-TX以太網接口、電郵提醒服務、完整TCP/IP協議棧，其傳輸速度達到920Kbps，採用256位AES加密以確保安全通訊，可幫助產品實現聯網。WiPort嵌入式設備服務器則同時支持802.11b無線接口及10/100以太網接口。 

    此外，在汽車電子、醫療設備領域中也不斷涌現新的嵌入式應用，如汽車導航、車載娛樂平臺、核磁共振儀、病人監護系統等。這些新興和傳統的嵌入式應用涉及的產品類型豐富、使用環境複雜，因此各種總線標準(如CompactPCI、VME、PC104、CAN等)和不同階層的控制器(如8bit、16bit、32bit等)均能在這個廣闊的市場中找到用武之地。 

嵌入式應用的最新電源管理技術 

    隨着基於處理器的便攜式設備要求電源提供多種電壓、更低電壓和更強的功能，電源管理變得越來越重要，對電源管理的要求也在持續發生着變化。數碼相機和手機的顯示屏變得更大，分辨率更高，與此同時它們的體積卻更小；輕巧的便攜式DLP投影儀將很快如膝上型電腦一樣成爲公文包裏的標準配置；MP3播放機將可以播放多達10萬首歌曲。所有這些新興應用都將需要高集成度、高性能和高效率的電源管理。電源管理在延長便攜式設備電池使用時間的同時，還需要儘量消除開關電源對敏感電路的干擾。 

    爲滿足這樣的應用，國半推出了採用PowerWise技術的電源控制器。何賢斌表示，PowerWise技術能動態測量並調節每個功能應用的電壓以達到最優狀態。這款電源控制器集成了國半的高效率電源管理電路及ARM公司的智能能源管理(IEM)技術，可以減少75%的處理器核心功耗，它可以因應不同的製造工藝及溫度自動作出調整，以便減少系統的電源供應，確保有較長的電池壽命。  
 
     凌特公司電源產品市場經理Tony Armstrong指出，微處理器和DSP啓動時對核心電壓和I/O電壓有一定的上電時序要求，不同系統對上電時序有不同要求。這些解決方案包括通過可編程接口或外部器件進行配置的ASSP、可編程的基於微控制器的解決方案和FPGA解決方案，該公司的LTC3418便可適合此類應用。它採用恆定頻率和電流模式架構，具有寬廣的輸出電壓範圍和優良負載能力，其開關頻率由一個外部電阻設置或與外部時鐘同步。 

    “系統設計者必須與IC廠商緊密合作，”TI便攜式電源管理業務市場經理Patrick Heyer說，“因爲提供半導體解決方案的IC廠商對整個系統的電源需求具有更深的認識。”TI的TPS62300是應用在智能手機和其他便攜式無線設備中的具有高電源轉換效率的芯片，集成了FET，額定輸出電流500mA，這款同步開關式器件能在將近3MHz的工作頻率下提供高達93%的電源轉換效率。 

     MHz 級開關式電源轉換是提高電源轉換效率、提高集成度和降低電源子系統成本的關鍵技術，適用於各種產品，如手機、音響功放、便攜式設備、LCD/等離子電視、通信及網絡設備。目前某些使用在便攜式裝置中的 MHz 級開關式穩壓器，因爲其內含MOSFET的額定電壓較低(5V以下)，而無法適用於電信設備、以太網供電、平面電視等需使用12、24、48甚至90V供電的高壓應用場合。Monolithic Power System(MPS)公司是目前少數開發出適合這類應用所需高壓電源管理IC產品的公司之一。 

     MPS公司最近推出了一系列具有MHz級開關頻率的開關電源轉換器，如MP2361和 MP1517，它們不僅集成了MOSFET，而且允許使用更小型的電感，從而在降低功耗的同時也降低了系統整體成本。 

     不過，當開關電源取代線性調節器，提供高效率的電源管理時，噪音和電磁干擾(EMI)也隨之而至，因爲這些手機攜帶着易受噪音干擾的板載射頻電路和敏感的RF接收器。對於如何消除開關電源的電磁干擾，凌特的Tony Armstrong表示，使DC/DC轉換器的系統時鐘產生高頻抖動是一種切實可行的降噪技術。這種擴頻方法利用一個僞隨機數(PRN)序列對開關頻率進行調製，從而把開關噪聲拓展到很寬的頻帶上，以消除窄帶諧波。該公司的LTC3251是一款在芯片內實現了擴頻的高效、低噪聲、無電感器型降壓DC/DC轉換器，他們還將推出許多包括芯片級擴頻技術的新產品。