中国嵌入式应用市场四大热点及趋势

嵌入式系统的广泛应用已经渗入到我们日常生活的各个方面。在手机、MP3、PDA、数码相机、电视机，甚至电饭锅、手表里都有嵌入式系统的身影，工业自动化控制、仪器仪表、汽车、航空航天等领域更是嵌入式系统的天下。据估计，每年全球嵌入式系统带来的相关工业产值已超过1万亿美元。随着多功能手机、便携式多媒体播放机、数码相机、HDTV和机顶盒等新兴产品逐渐获得市场的认可，嵌入式系统的市场正在以每年30%的速度递增(IDC预测)。本文将重点探讨2005年中国嵌入式系统市场上的四大热点应用：多媒体手机、HDTV、机顶盒和具有联网功能的智能化工业设备/终端。这些热点应用的技术发展趋势是：手机正在向相机手机、TV手机、智能手机、双模/多模手机和3G手机方向发展；HDTV今年的两个重要发展方向是互联网HDTV和与调谐器分离，此外，HDMI、DVI和各种闪存卡接口也将出现在越来越多的HDTV上；互联网HDTV市场的崛起将产生对IP机顶盒的需求，而这将给目前疲软的机顶盒市场带来一线新的生气；嵌入式工业设备则将集成进更多的通信与联网等智能化功能，并将在汽车ic37、医疗ic37、机床ic37、室内/外视频监控市场和电子标签市场得到更广泛的应用。 根据赛迪顾问的预测，就手机而言，2005年中国市场销量就将达到7600万部。“手机、带家庭联网能力的数字多媒体播放机(DTV和机顶盒等)和汽车电子很可能是未来几年中国市场上最成功的嵌入式产品，”美信集成产品公司执行董事Ali Foughi指出，“在新的市场渗透和手机换代业务的推动下，未来3至4年的中国手机市场有希望继续保持15-20%的年平均复合增长率。” 他同时强调，市场对嵌入式应用产品的集成度要求将越来越高，同时要求更低的功耗、更好的成本效益和更小的外形尺寸。对于嵌入式消费电子产品而言，价格仍将是推动市场发展的关键因素。 Enea AB公司首席执行官Johan Wall也表示：“整体而言，目前中国嵌入式应用市场正保持高速增长态势，其中增速最大的产品是手机和MP3播放机。” 手机向多模、3G、百万像素照相和TV方向发展 进入2005年，消费者已不再仅仅满足于用手机打打语音电话、发发文本短信，对移动多媒体通信、娱乐和联网的要求已隐然成为一种新的消费趋向。消费者希望手机能下载和播放MP3音乐及MPEG-4电影、高速浏览互联网、拍摄和显示高清晰度照片、收发多媒体邮件、玩互动多媒体游戏、在全球不同移动网中漫游、打可视电话，甚至希望在手机平台上收看实时卫星或地面DTV节目，这促使中国移动通信市场更快速地向智能手机、3G手机、多模手机和百万像素级照相手机方向发展，从而带动了宽带技术(如Wi-Fi和WiMax)、互联网技术、JAVA技术、数字高清晰图像传感/接收/处理/显示技术、低功耗设计技术、RTOS和应用处理器等技术在手机平台上的融合趋势。 对于下一代手机设计师而言，要在物理空间和系统资源都比较有限的条件下集成如此丰富的先进功能，除了必须采用当代最先进的芯片技术(如单芯片GSM解决方案)、设计技术和设计方法以外，还必须在集成度、低功耗、小体积和低成本几个方面取得平衡，这意味着设计者将面临一系列的技术挑战，例如，如何快速地响应市场需求、如何集成多种功能、如何为多种功能供电、如何解决高速信号质量问题等等。针对这些挑战，领先供应商纷纷提出了自己的解决方案。 德州仪器(TI)开发出一种灵活、可扩展的嵌入式应用处理平台。设备生产商根据应用要求选择具备不同处理能力的处理器，以减小移动设备的功耗，提供有竞争力的价格。TI中国区DSP及新兴市场业务高级代表郑小龙介绍，TI的开放多媒体应用平台(OMAP)集成了ARM9和C55x核心，这种(MCU+DSP)双核结构可满足2.5G和3G手机的应用。TI的手机数字电视单芯片“Hollywood”也可在2.5G及3G手机上通过OMAP多媒体处理器播放高质量流视频。在TI双核结构基础上另外采用专用MCU来运行一些普通应用和设备的高级操作系统，如Windows CE或Symbian OS，可满足中高端手机用户对智能电话功能或者高端无线PDA功能的需要。这种集成度很高的结构保证设备形状因子较小并且功耗较低。双模/多模手机需要在一个手机终端中包含多个调制模块，支持全世界范围内两个或两个以上的复杂空中接口标准。美国模拟器件公司(ADI)采用Blackfin处理器作为DSP的芯片组可支持W-CDMA 和 TD-SCDMA的3G标准以及双模WCDMA/GSM，是一个包括数字基带、模拟基带、电源管理、射频、音频和外围接口的完整平台。飞思卡尔半导体公司针对2G、2.5G、EDGE和UMTS应用的MXC平台还能实现Wi-Fi连接、GPS及蓝牙功能。杰尔系统最近推出的通用双模3G基带芯片组，不仅能够提供高速率的宽带移动接入体验，还可在3G/UMTS和2.5G/EDGE之间进行无缝切换。 “这些便携式设备必须有一个吸引人的用户接口以刺激购买。”美国国家半导体公司(简称国半)亚太区无线及摸拟产品业务总监何贤斌这样认为。国半的Boomer解决方案提供了新的3D音频特性，能给手机用户带来丰富多彩的音频体验，其音频同步灯光管理方案能为每个使用者提供璀璨亮丽的声光效果。另外，针对信号完整性、噪音、EMI和串扰等布局布线问题，国半还推出了专门为便携式设备的图像传输及影像传输设计的移动像素链路(MPL)串行接口，该接口有助于降低功率、电磁干扰及系统成本，还可提高系统的可靠性，精简移动设备的机械设计。 “当然，最主要的挑战是如何为集成的各种功能供电，”国半的何贤斌说，“因为大部分功能都需要不同的工作电压。其次是如何提高电源效率，并平衡电源转换效率和设计紧密程度，以最大化地提供便携特性并尽量减少散热。这些都需要真正的电源专家提供一种智能和优化的解决方案。” 随着越来越多的多媒体应用功能集成到手机平台上，系统对操作系统的要求也正变得越来越高。Enea Embedded Technology AB公司欧洲和亚洲区执行副总裁Christophe Ballan指出，“对于2G和2.5G手机而言，由于性能相对来说比较简单，一般只需装一个RTOS即可，用户通常可考虑选择Symbian OS、VxWorks、OSE或自己开发一个RTOS。但到了2.75G和3G手机时代，性能和应用的丰富要求必须在RISC CPU和DSP上分别安装两个RTOS。用户可选择两套Symbian OS、VxWorks、OSE或搭配使用。” Enea公司OSE嵌入式RTOS含有一系列解决在一个硬件资源有限环境下应用软件开发难题的特性，包括：软件实时更新、存储器节省特性、适合所有架构的单一高效可复用平台、以及对更长电池寿命的内嵌支持。由于OSE采用基于消息的通信机制，多个OSE之间的通信非常简单和方便。 HDTV和机顶盒解决方案强调可编程性 HDTV和机顶盒是信息家电领域嵌入式应用的亮点。IDC预测，2005年中国数字电视市场将会正式启动，至2015年目前的模拟网络将逐渐被数字网络取代。据估计，到2008年中国有线数字电视用户规模将超过3370万户，以销售额计算，包含机顶盒与数字电视机在内，数字电视终端未来五年的市场总规模将达到3397亿元。 由于数字电视信息量成倍增加，因此在图像压缩、数字传输、数字显示等方面都需要应用特别的新技术。目前主流图像压缩技术为MPEG2，同时还有MPEG4、H.264、WMV9及AVS 等。数字电视传输标准则有针对卫星广播的DVB-S(QPSK调制)、针对有线电视网络广播的DVB-C(QAM调制)和针对地面广播的DVB-T(COFDM调制)标准。面对这么多的数字电视技术标准，方案提供商都不约而同地在其产品(或产品系列)中考虑兼容多种制式，以获得更多市场机会。 TI的郑小龙指出，开发高质量HDTV产品的关键在于平台的选择。由于HDTV已成为一种高性能数字多媒体的载体，其平台既需要有极高的整体性能以进行巨大的处理工作，还需要具有规模伸缩性以适应多制式的需求，如MPEG2、H.264、WMV9等。TI的可编程数字多媒体处理器DM642目前可以支持高清720P下的H.264解码，具有高性能和高集成度特性，其优势在于完全可编程且集成有多个支持高清的视频口，软件的兼容性好，有助于升级到未来产品。专用媒体解码器TVP9000则可成为数字电视核心处理器，支持所有数字电视高清和标清的MPEG2解码，分辨率可到1080i，能够以其高度的集成性和丰富的功能特性，实现低成本的HDTV解决方案。 意法半导体(ST)最近推出的可支持 H.264/AVC、VC1/Windows Media 9 Series 和 Dual MPEG2标准的高度集成高清电视解码器，是应用于高清电视、DVD、机顶盒和汽车娱乐中心的单片解决方案。该公司的STB0899 DVB-S2新型解调器支持最新的DVB-S2标准和DVB-S标准，这意味着现在机顶盒制造商如果在DVB-S2预置机顶盒内安装STB0899解调器，等到将来DVB-S2制式服务全面推广时，用户的机顶盒可以顺利升级到新服务。 中国的HDTV-T标准虽然还没有公布，由于备选的DMB-T和ADTB-T两个方案均优于欧洲的DVB-T标准，因此弃用DVB-T已成定局。由复旦大学、清华大学以及清华同方凌汛科技三方联合开发的数字电视地面传输移动接收系统专用芯片“中视一号”，是一款基于DMB-T和TDS-OFDM多载波调制技术的芯片，抗干扰能力很强，已成功用于数字电视机顶盒产品。由上海交大和上海高清合作开发的“高清系列”芯片，包含了数字电视地面传输移动接收系统专用的HD2802A、用于将强标准清晰度电视信号转为高清晰度电视信号的高清视频格式转换处理器HD1801A，以及高清视频解码芯片HD2201A。 从技术上考虑，数字电视的显示格式一共有18种(HDTV 6种，SDTV 12种)，中国可能采用HDTV标准的1920×1080i，宽高比16:9以及另外5种SDTV显示格式。美信集成产品公司日前推出的3通道、可转接HD/SD视频信号的重建滤波器和缓冲器—MAX7454/MAX7455，支持1080i、720p、480p及480i视频扫描系统标准，可用于HD STB、CRT、LCD、等离子显示器、DLP和HDTV等数字视频设备。 工控嵌入式设备强调可靠性 在中国工业控制领域，与国民生产、通讯、医疗、航天、交通相关的嵌入式应用继续快速增长。“工业控制市场挑战与机遇并存，”研华公司嵌入式电脑事业群大中华区总经理林世丰认为，“一方面，随着中国政府宏观经济的调控，工业控制设备采购量的增长速度放慢；另一方面，设备电子化程度越来越高，传统领域设备纷纷转向了嵌入式应用。”研华公司向系统集成商和设备制造商提供嵌入式模块和解决方案，使传统设备能够具备运算和联网能力。 根据Forrester调研公司报告，连接到网络上的非PC设备要远远超过PC，到2010年PC将只占据联网设备的5％。嵌入式系统在众多非PC设备的网络化、智能化中具有广阔的前景。例如，中国政府税收政策的变化将催生一个巨大的税控收款机市场。据业内人士测算，中国市场对税控收款机的需求大约在3000万到4000万台左右。这种兼有收款和税收控制功能的税控收款机采用安全加密模块和智能卡技术来保障数据安全，采用MODEM通信模块进行联网通讯。根据研华公司产品经理区晓枫介绍，该公司的税控收款机主板设计方案采用英特尔Xsacle处理器，配置了RS-232接口，利用手持式POS机或笔记本式电脑，通过该接口可以很方便地改变税控收款机内的应用软件以适应各地的需求。 具有高可靠性、高稳定性、良好的散热性、开发性和可热插拔性能的CompactPCI总线正为越来越多的嵌入式应用所采用。例如，SBS Technologies公司亚太区总部总经理葛纴言就表示：“我们预计2005年CompactPCI将广泛应用在铁路、电力、石油化工、航空航天、船舶舰艇系统和数据通信等控制领域，并以每年20%的增长速度取代工业PC工控系统。中国将成为全球最大的CompactPCI市场。” SBS公司是美国一家主要为军用产品提供嵌入式模块的供应商，他们针对工控领域开发的单板计算机和I/O产品能够适应恶劣环境应用，如高冲击、高震动、高低温、潮湿和密封等环境。葛纴言还透露，医疗电子将是他们2005年重点要开拓的市场之一，并已为医疗数据处理和传输开发出了高速/高带宽通信和处理模块。他强调，这些产品已经广泛应用在许多国际知名大公司的产品中，如GE公司的X光透视仪和核磁共振仪。 该公司最近还针对网络通信市场开发出了广受瞩目的CT9单板计算机。CT9采用了英特尔低功耗PentiumM处理器，集成了两个Gbit以太网通道，支持热插拔，支持64bit/66Mhz的CompactPCI总线，可广泛用于无线基站、企业设备、测试测量、刀片式服务器等应用中。最新推出的Tsunami PMC A30和A40，则具备高性能商业及军工计算解决方案所需的FPGA，可靠性高，应用领域涉及软件定义无线电、雷达、声纳、图像和视频处理应用。 Lantronix公司亚太区销售总监Sunny K Y Lo则认为，嵌入式设备服务器在未来几年里会有很大的增长。他指出，近年来嵌入式网络解决方案发生了显著变化，一是设备的体积越来越小，比如手持式扫描仪；二是网络传输速度更高，并有无线便携的功能需求；三是要求更低的电源消耗；最后是需要数据安全和加密。这些变化要求嵌入式网络解决方案具有智能化的功能，例如发送预警信号，随着环境的变化能增加功能和处理，并在增加新功能的同时不增加甚至减少成本。该公司的XPort嵌入式设备服务器，集成了所有需要的网络特征，包括10Base-T/100 Base-TX以太网接口、电邮提醒服务、完整TCP/IP协议栈，其传输速度达到920Kbps，采用256位AES加密以确保安全通讯，可帮助产品实现联网。WiPort嵌入式设备服务器则同时支持802.11b无线接口及10/100以太网接口。 此外，在汽车电子、医疗设备领域中也不断涌现新的嵌入式应用，如汽车导航、车载娱乐平台、核磁共振仪、病人监护系统等。这些新兴和传统的嵌入式应用涉及的产品类型丰富、使用环境复杂，因此各种总线标准(如CompactPCI、VME、PC104、CAN等)和不同阶层的控制器(如8bit、16bit、32bit等)均能在这个广阔的市场中找到用武之地。 嵌入式应用的最新电源管理技术 随着基于处理器的便携式设备要求电源提供多种电压、更低电压和更强的功能，电源管理变得越来越重要，对电源管理的要求也在持续发生着变化。数码相机和手机的显示屏变得更大，分辨率更高，与此同时它们的体积却更小；轻巧的便携式DLP投影仪将很快如膝上型电脑一样成为公文包里的标准配置；MP3播放机将可以播放多达10万首歌曲。所有这些新兴应用都将需要高集成度、高性能和高效率的电源管理。电源管理在延长便携式设备电池使用时间的同时，还需要尽量消除开关电源对敏感电路的干扰。 为满足这样的应用，国半推出了采用PowerWise技术的电源控制器。何贤斌表示，PowerWise技术能动态测量并调节每个功能应用的电压以达到最优状态。这款电源控制器集成了国半的高效率电源管理电路及ARM公司的智能能源管理(IEM)技术，可以减少75%的处理器核心功耗，它可以因应不同的制造工艺及温度自动作出调整，以便减少系统的电源供应，确保有较长的电池寿命。 凌特公司电源产品市场经理Tony Armstrong指出，微处理器和DSP启动时对核心电压和I/O电压有一定的上电时序要求，不同系统对上电时序有不同要求。这些解决方案包括通过可编程接口或外部器件进行配置的ASSP、可编程的基于微控制器的解决方案和FPGA解决方案，该公司的LTC3418便可适合此类应用。它采用恒定频率和电流模式架构，具有宽广的输出电压范围和优良负载能力，其开关频率由一个外部电阻设置或与外部时钟同步。 “系统设计者必须与IC厂商紧密合作，”TI便携式电源管理业务市场经理Patrick Heyer说，“因为提供半导体解决方案的IC厂商对整个系统的电源需求具有更深的认识。”TI的TPS62300是应用在智能手机和其他便携式无线设备中的具有高电源转换效率的芯片，集成了FET，额定输出电流500mA，这款同步开关式器件能在将近3MHz的工作频率下提供高达93%的电源转换效率。 MHz 级开关式电源转换是提高电源转换效率、提高集成度和降低电源子系统成本的关键技术，适用于各种产品，如手机、音响功放、便携式设备、LCD/等离子电视、通信及网络设备。目前某些使用在便携式装置中的 MHz 级开关式稳压器，因为其内含MOSFET的额定电压较低(5V以下)，而无法适用于电信设备、以太网供电、平面电视等需使用12、24、48甚至90V供电的高压应用场合。Monolithic Power System(MPS)公司是目前少数开发出适合这类应用所需高压电源管理IC产品的公司之一。 MPS公司最近推出了一系列具有MHz级开关频率的开关电源转换器，如MP2361和 MP1517，它们不仅集成了MOSFET，而且允许使用更小型的电感，从而在降低功耗的同时也降低了系统整体成本。 不过，当开关电源取代线性调节器，提供高效率的电源管理时，噪音和电磁干扰(EMI)也随之而至，因为这些手机携带着易受噪音干扰的板载射频电路和敏感的RF接收器。对于如何消除开关电源的电磁干扰，凌特的Tony Armstrong表示，使DC/DC转换器的系统时钟产生高频抖动是一种切实可行的降噪技术。这种扩频方法利用一个伪随机数(PRN)序列对开关频率进行调制，从而把开关噪声拓展到很宽的频带上，以消除窄带谐波。该公司的LTC3251是一款在芯片内实现了扩频的高效、低噪声、无电感器型降压DC/DC转换器，他们还将推出许多包括芯片级扩频技术的新产品。嵌入式软件发展趋势进入90年代以来，以计算机技术、通信技术和软件技术为核心的信息技术取得了更加迅猛的发展，各种装备与设备上嵌入式计算与系统的广泛应用大大地推动了行业的渗透性应用。嵌入式系统被描述为：“以应用为中心、软件硬件可裁剪的、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格综合性要求的专用计算机系统”，由嵌入式硬件和嵌入式软件两部分组成。硬件是支撑，软件是灵魂，几乎所有的嵌入式产品中都需要嵌入式软件来提供灵活多样、而且应用特制的功能。由于嵌入式系统应用广泛，嵌入式软件在整个软件产业中占据了重要地位，并受到世界各国的广泛关注；如今已成为信息产业中最为耀眼的“明星”之一。就嵌入式软件的未来发展，我们有如下观点：嵌入式软件产业发展迅猛，已成为软件体系的重要组成部分。嵌入式系统产品正不断渗透各个行业，嵌入式软件作为包含在这些硬件产品中的特殊软件形态，其产业增幅不断加大，而且在整个软件产业的比重日趋提高。2003年全球嵌入式软件市场规模达到346亿美元， 2003年中国市场规模达到188亿元，预计到2006年嵌入式软件市场规模将突破400亿元大关，2003-2006年均复合增长率将达到30%。新一轮汽车、通讯、信息电器、医疗、军事等行业的巨大的智能化装备需求拉动了嵌入式软件及系统的发展。同传统的通用计算机系统不同，嵌入式系统面向特定应用领域，根据应用需求定制开发，并随着智能化产品的普遍需求渗透到各行各业。随着硬件技术的不断革新，硬件平台的处理能力不断增强，硬件成本不断下降，嵌入式软件已成为产品的数字化改造、智能化增值的关键性、带动性技术。SOC技术是微电子技术发展的一个新的里程碑，并已成为当今超大规模IC的发展趋势，为IC产业提供前所未有的广阔市场和难得的发展机遇。迅猛发展的SOC工业再次地推进了嵌入式软件与硬件系统进一步融合嵌入，嵌入式软件是其灵魂与核心。SOC技术的出现，改变了传统嵌入式系统的设计观念，基于IP构件库的设计技术将成为嵌入式系统设计的主流；IP构件库技术正在造就一个新兴的软件行业。目前的因特网技术只联接了5%左右的计算装置，大量的嵌入式设备急需网络连接来提升其服务能力和应用价值。同时，以人为中心的普适计算技术正推动新一轮的信息技术的革命。计算无所不在，嵌入式设备将以各种形态分布在人类的生存环境中，提供更加人性化、自然化的服务。互联网的"深度"联网和普适计算"纵向"普及所带来的计算挑战，将推动嵌入式软件技术向"纵深"发展，催生了新型嵌入式软件技术。近十年来，嵌入式操作系统得到飞速的发展：微处理器从8位到16位、32位甚至64位；从支持单一品种的CPU芯片到支持多品种的；从单一内核到除了内核外还提供其他功能模块，如文件系统，TCP/IP网络系统，窗口图形系统等；并形成包括嵌入式操作系统、中间平台软件在内的嵌入式软件体系。硬件技术的进步，推动了嵌入式系统软件向运行速度更快、支持功能更强、应用开发更便捷的方向不断发展。随着嵌入式系统应用的不断深入和产业化程度的不断提升，新的应用环境和产业化需求对嵌入式系统软件提出了更加严格的要求。在新需求的推动下，嵌入式操作系统内核不仅需要具有微型化、高实时性等基本特征，还将向高可信性、自适应性、构件组件化方向发展；支撑开发环境将更加集成化、自动化、人性化；系统软件对无线通信和能源管理的功能支持将日益重要。行业性开放系统正日趋流行。统一的行业标准具有开放、设计技术共享、软硬件重用、构件兼容、维护方便和合作生产的特点，是增强行业性产品竞争能力的有效手段。嵌入式操作系统本身正走向开放化、标准化；Linux正逐渐成为嵌入式操作系统的主流；J2ME技术也将对嵌入式软件的发展产生深远影响。目前自由软件技术备受青睐，并对软件技术的发展产生了巨大的推动作用，这为我国加快发展嵌入式软件技术提供了极好机遇和条件。从国家战略目标与产业发展来看，嵌入式软件是实现传统制造业转型与提升的关键技术，她对整体提升我国制造业的竞争能力、大幅度地增强我国软件自主创新能力意义重大；国家十分重视设立专用计划与项目，推动嵌入式软件技术与产业的技术进步与快速发展。我们认为中国在发展嵌入式软件方面，应大力发展关键性、共性化的嵌入式操作系统与嵌入式软件平台；围绕行业，聚焦行业，依托龙头企业，突出重点区域，建设面向领域的嵌入式软件平台系统，提升我国嵌入式操作系统厂商的整体实力，提升整机制造行业在嵌入式软件上的核心竞争力；面向产业链，建设上下配合左右互动的合作性战略产业技术联盟，促进嵌入式软件产业的快速发展。嵌入式技术正飞速发展，并期待着在各种行业的深入渗透。我国具有雄厚的制造业基础，与传统的制造业结合，嵌入式系统有着巨大的市场空间。同时，基于嵌入式技术的应用和技术创新，将推动新产品、新产业的诞生。在巨大的市场需求和新的产业契机的推动下，嵌入式软件成为中国软件业的一次难得的机遇，是10年一遇的机会。智能手机、数字电视、以及汽车电子的嵌入式应用，是这次机遇中难遇的切入点；机遇与挑战并存。