开放自动化软件的硬件平台

     自动化行业的产品主要以嵌入式系统为主，历来对产品硬件的可靠性和性能都提出很高的要求。最典型的产品要数PLC。PLC 要求满足体积小，实时性，可靠性，可扩展性强，环境要求高等特点。它们通常采用工业级高性能嵌入式SoC 实现。

        新一代的工业自动化软件支持更多的网络协议，例如OpcUA ，工业4.0协议，MQTT。需要运算能力更大，更复杂的软件，例如视觉识别，AI，机器人控制等新应用。开放自动化意味着自动化设备上的软件更多的由用户或者第三方开发。他们对硬件平台的要求是变化的，不确定的。

     未来的自动化软件将会在传统PLC 设备上运行呢？还是应该在新的硬件平台上运行。笔者认为PLC 产品已经成为一个技术成熟，价格低廉的量产产品。未来PLC 产品拼的是价格和品质，而不是功能。新一代的开放自动化软件将在工业边缘设备上运行。

     本文讨论工业边缘控制器的硬件平台的相关问题。

工业边缘控制器硬件平台分为两大类：

•     基于Intel 的X86 平台
•     基于微处理器SoC 平台

嵌入式处理器

 ARM 架构

• Cortex-A
• Cortex-M
• Cortex-R
• Cortex-A 多核
•  Cortex-A，Cortex-M 混合多核SOC

 RISC-V 架构

开源嵌入式处理器，最近开始流行。

MIPS 架构 

   microchip 和龙芯

X86 架构

Intel和AMD公司

PowerPC 架构

IBM公司开发，NXP的产品

   主要的芯片供应商公司

     在自动化领域中，使用最为广泛的是嵌入式SOC 芯片。其中高性能产品主要集中在NXP和TI 两家公司。

NXP 的产品是PowerPC 处理器，目前已经转向了ARM架构。

• i.MX 系列

  • i.MX 6ULL 是最经济的处理器 

  • i.MX 8M Plus 其中一路以太网支持TSN

  • i.MX 91 其中一路以太网支持TSN

• Layerscape processors

        国内Arm Soc 厂商主要以上网本，机顶盒，智能摄像机等目标市场开发的Cortex-A 芯片组，例如瑞芯微，全志公司等，逐步转向工业应用，汽车电子领域。

cortex-M 微处理器

• ST 公司
• Microchip公司
• silicon labs

嵌入式SoC平台

           微处理器SOC 硬件平台的OEM 产品不多，第三方开发了各种开发板，它们不是能够在工业环境长期使用的OEM 主板。微处理器SOC 的种类繁多，开发板难以标准化，不同厂商提供的硬件资源各不相同，难以相互兼容。软件工具也大相径庭。各种操作系统和应用软件的移植工作就耗费了大量的开发精力。

    这些问题导致了自动化硬件设备厂商只能依靠自己的技术团队开发硬件平台。有过嵌入式系统开发经历的人都有体会。嵌入式系统开发并非易事，软件的开发效率比开发普通软件低的多。另一方面，现代微处理器SoC 的硬件结构也非常复杂，生产调试也不像之前的单片机那么简单。对于小团队小批量生产是极为不经济的。委托第三方开发也难以保证长期供货。存在许多的风险。

       笔者主张，对于小型PLC和现场设备，仪表采用嵌入式位处理器SoC 实现。而对于性能要求高的控制器采用专业公司的OEM 系统更合适。

Intel 公司IoT和嵌入式处理器

       Intel 公司在PC和服务器处理器方面的优势，我们会将它与PC 联系在一起，忽略了它在低功耗，嵌入式处理器方面的相关技术能力。

        其实，Intel 公司这些年来在低功耗，嵌入式处理器技术上的努力一直没有停止。虽然在手机和移动设备领域终究没有成功，这些处理器产品在笔记本，上网本产品中获得了应用。与此同时，它们在物联网终端，电信基站，医疗设备和工厂自动化化行业获得了广泛的应用。Intel 在软件方面同样投入了研究工作。例如OpenCV，时间敏感网络等

        Intel 公司在嵌入式  X86 处理器的方面同样开发了相关的产品，首先是ATOM 灵动处理器，其次是低功耗的酷睿系列Core处理器。它们直接面向工业物联网和边缘计算市场。ATOM 处理器集成了工业自动化必需的功能，例如面向工业自动化的时间敏感网络，实时操作系统，AI ，高清显示，摄像头输入，PCIe Wifi和4/5G 无线。

         纵观国外自动化厂商的产品线，他们的高端产品中采用Intel X86 处理器不在少数。与Arm架构的高端处理器相比较。X86 处理器产品有下面几个优点：

1. 可扩展性强
2. 具备tsn 的以太网口（1GbE ，2.5GbE）
3. 开发环境和工具更成熟
4. OEM 产品更加丰富

Intel 物联网处理器

   其中 英特尔处理器 是最新推出的取代奔腾 / 赛扬 Nx000“Jasper Lake”系列的新一代超低功耗移动平台处理器。

价格比较

Intel® Core™ i3-1315UE  $312.00

Intel N50  $128.00

英特尔凌动® x6425E 处理器  $67.00

Intel 面向物联网的嵌入式灵动处理器

在此，我们重点分析一下Intel 公司面向物联网应用的 嵌入式Atom 处理器。目前有两个系列

Atom x6000e 系列

Atom x7000e 系列

   包含了深度学习的扩展。OpenVINO，支持实时应用的Intel TCC，2.5 GbE 时间敏感网络。

基于Atom x6000E 的物联网边缘控制器

本博文的研究与调查的目的是为了开发开放自动化系统选择一个合适的硬件平台。

        ATOM x6000E 以及 Intel® Pentium® 和 Celeron® N 與 J 系列處理器都是为工业物联网设计的处理器，更新的产品系列是ATOM x7000E系列和Intel® Core™ i3-N305 Processors。温度范围 -40 度到 +100 度。功耗5W到12W。

     Atom 6000 带有 Intel 的PSE功能，它实际上是一个Cortex-M7 处理器，这也算是异构多处理器架构吧。但是目前Cortex-M7 的内部固件并没有开源，也没有指明如何开发其内部的固件。

   Intel IoT 处理器几乎囊括了先进工业边缘计算平台的所有功能，其中包括

• 时间敏感网络（tsn）
• 基于硬件的安全检测
• Wifi，4/5G 模块的扩展
• emmc 内存扩展
• HDMI接口
• 摄像机接口

Atom 的确是一个嵌入式系统玩家的大玩具。

Up Squared 主板   

      基于Atom x6000e 的主板计划采用AAEON 公司Up Squared 的UP 6000 产品，该主板只有107mmX107mm 大小。整机高度为70mm。

 主要特点

• 板载LPDDR4  8G
• 板载eMMC 64G
• GbE x 1, 2.5GbE x 1 (Intel® i210, i225)
• USB 3.2 x 3 (Type A x 2, Type C x 1)
• 40 pin GPIO x 1
• DP 1.2 / HDMI 2.0b / eDP x 1
• RS232 / 422 wafer x 1
• M.2 2230 E-Key / M.2 2280 M-Key / M.2 3052 B-Key x 1
• SATA3 x 1
• TPM 2.0
• 12V DC-in, 6A
• 支持 Intel AX210 WiFi 6

两个以太GbE支持时间敏感网络。

操作系统

• Ubuntu
• Yocto Linux
• Windows10 

主板支持40PIN 的硬件接线，如下图定义，可以做一些专用硬件接口。

可以使用MRAA 库访问这些硬件接口，具体方法可以访问：

https://github.com/up-board/up-community/wiki/MRAA

结论 

          Intel Atom x6000e 是工业IoT 控制器合适平台，Intel X86 处理器的OEM 产品丰富，扩展能力强，对于小型的自动化技术团队，选择Atom 平台更加合适，使他们能够专注自己的产品，使产品能够快速上市。专用的硬件制造商的产品比自行开发硬件平台更可靠，更专业。相比之下，Arm 处理器为基础的控制器的标准化滞后，没有形成良好的硬件生态系统。从芯片开始设计自动化控制器无论从技术还上经济上都是不划算的。