中國嵌入式應用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、數位相機、電視機，甚至電飯鍋、手表裡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産值已超過1萬億美元。随着多功能手機、便攜式多媒體播放機、數位相機、HDTV和機頂盒等新興産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)。 

    本文将重點探讨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裝置/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網際網路HDTV和與調諧器分離，此外，HDMI、DVI和各種閃存卡接口也将出現在越來越多的HDTV上；網際網路HDTV市場的崛起将産生對IP機頂盒的需求，而這将給目前疲軟的機頂盒市場帶來一線新的生氣；嵌入式工業裝置則将內建進更多的通信與聯網等智能化功能，并将在汽車電子市場、醫療電子市場、機床電子市場、室内/外視訊監控市場和電子标簽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年中國市場銷量就将達到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産品，”美信內建産品公司執行董事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，市場對嵌入式應用産品的內建度要求将越來越高，同時要求更低的功耗、更好的成本效益和更小的外形尺寸。對于嵌入式消費電子産品而言，價格仍将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态勢，其中增速最大的産品是手機和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于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隐然成為一種新的消費趨向。消費者希望手機能下載下傳和播放MP3音樂及MPEG-4電影、高速浏覽網際網路、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，甚至希望在手機平台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，進而帶動了寬帶技術(如Wi-Fi和WiMax)、網際網路技術、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台上的融合趨勢。 

    對于下一代手機設計師而言，要在實體空間和系統資源都比較有限的條件下內建如此豐富的先進功能，除了必須采用當代最先進的晶片技術(如單晶片GSM解決方案)、設計技術和設計方法以外，還必須在內建度、低功耗、小體積和低成本幾個方面取得平衡，這意味着設計者将面臨一系列的技術挑戰，例如，如何快速地響應市場需求、如何內建多種功能、如何為多種功能供電、如何解決高速信号品質問題等等。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、可擴充的嵌入式應用處理平台。裝置生産商根據應用要求選擇具備不同處理能力的處理器，以減小移動裝置的功耗，提供有競争力的價格。TI中國區DSP及新興市場業務進階代表鄭小龍介紹，TI的開放多媒體應用平台(OMAP)內建了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的手機數字電視單晶片“Hollywood”也可在2.5G及3G手機上通過OMAP多媒體處理器播放高品質流視訊。在TI雙核結構基礎上另外采用專用MCU來運作一些普通應用和裝置的進階作業系統，如Windows CE或Symbian OS，可滿足中高端手機使用者對智能電話功能或者高端無線PDA功能的需要。這種內建度很高的結構保證裝置形狀因子較小并且功耗較低。  

    雙模/多模手機需要在一個手機終端中包含多個調制子產品，支援全世界範圍内兩個或兩個以上的複雜空中接口标準。美國模拟器件公司(ADI)采用Blackfin處理器作為DSP的晶片組可支援W-CDMA 和 TD-SCDMA的3G标準以及雙模WCDMA/GSM，是一個包括數字基帶、模拟基帶、電源管理、射頻、音頻和外圍接口的完整平台。飛思卡爾半導體公司針對2G、2.5G、EDGE和UMTS應用的MXC平台還能實作Wi-Fi連接配接、GPS及藍牙功能。傑爾系統最近推出的通用雙模3G基帶晶片組，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。 

“這些便攜式裝置必須有一個吸引人的使用者接口以刺激購買。”美國國家半導體公司(簡稱國半)亞太區無線及摸拟産品業務總監何賢斌這樣認為。國半的Boomer解決方案提供了新的3D音頻特性，能給手機使用者帶來豐富多彩的音頻體驗，其音頻同步燈光管理方案能為每個使用者提供璀璨亮麗的聲光效果。另外，針對信号完整性、噪音、EMI和串擾等布局布線問題，國半還推出了專門為便攜式裝置的圖像傳輸及影像傳輸設計的移動像素鍊路(MPL)串行接口，該接口有助于降低功率、電磁幹擾及系統成本，還可提高系統的可靠性，精簡移動裝置的機械設計。 

    “當然，最主要的挑戰是如何為內建的各種功能供電，”國半的何賢斌說，“因為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，并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并盡量減少散熱。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。” 

    随着越來越多的多媒體應用功能內建到手機平台上，系統對作業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，“對于2G和2.5G手機而言，由于性能相對來說比較簡單，一般隻需裝一個RTOS即可，使用者通常可考慮選擇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上分别安裝兩個RTOS。使用者可選擇兩套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體資源有限環境下應用軟體開發難題的特性，包括：軟體實時更新、存儲器節省特性、适合所有架構的單一高效可複用平台、以及對更長電池壽命的内嵌支援。由于OSE采用基于消息的通信機制，多個OSE之間的通信非常簡單和友善。 

HDTV和機頂盒解決方案強調可程式設計性 

    HDTV和機頂盒是資訊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将會正式啟動，至2015年目前的模拟網絡将逐漸被數字網絡取代。據估計，到2008年中國有線數字電視使用者規模将超過3370萬戶，以銷售額計算，包含機頂盒與數字電視機在内，數字電視終端未來五年的市場總規模将達到3397億元。 

    由于數字電視資訊量成倍增加，是以在圖像壓縮、數字傳輸、數字顯示等方面都需要應用特别的新技術。目前主流圖像壓縮技術為MPEG2，同時還有MPEG4、H.264、WMV9及AVS 等。數字電視傳輸标準則有針對衛星廣播的DVB-S(QPSK調制)、針對有線電視網絡廣播的DVB-C(QAM調制)和針對地面廣播的DVB-T(COFDM調制)标準。面對這麼多的數字電視技術标準，方案提供商都不約而同地在其産品(或産品系列)中考慮相容多種制式，以獲得更多市場機會。 

    TI的鄭小龍指出，開發高品質HDTV産品的關鍵在于平台的選擇。由于HDTV已成為一種高性能數字多媒體的載體，其平台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适應多制式的需求，如MPEG2、H.264、WMV9等。TI的可程式設計數字多媒體處理器DM642目前可以支援高清720P下的H.264解碼，具有高性能和高內建度特性，其優勢在于完全可程式設計且內建有多個支援高清的視訊口，軟體的相容性好，有助于更新到未來産品。專用媒體解碼器TVP9000則可成為數字電視核心處理器，支援所有數字電視高清和标清的MPEG2解碼，分辨率可到1080i，能夠以其高度的內建性和豐富的功能特性，實作低成本的HDTV解決方案。 

    意法半導體(ST)最近推出的可支援 H.264/AVC、VC1/Windows Media 9 Series 和 Dual MPEG2标準的高度內建高清電視解碼器，是應用于高清電視、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新型解調器支援最新的DVB-S2标準和DVB-S标準，這意味着現在機頂盒制造商如果在DVB-S2預置機頂盒内安裝STB0899解調器，等到将來DVB-S2制式服務全面推廣時，使用者的機頂盒可以順利更新到新服務。 

中國的HDTV-T标準雖然還沒有公布，由于備選的DMB-T和ADTB-T兩個方案均優于歐洲的DVB-T标準，是以棄用DVB-T已成定局。由複旦大學、清華大學以及清華同方淩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晶片“中視一号”，是一款基于DMB-T和TDS-OFDM多載波調制技術的晶片，抗幹擾能力很強，已成功用于數字電視機頂盒産品。由上海交大和上海高清合作開發的“高清系列”晶片，包含了數字電視地面傳輸移動接收系統專用的HD2802A、用于将強标準清晰度電視信号轉為高清晰度電視信号的高清視訊格式轉換處理器HD1801A，以及高清視訊解碼晶片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)，中國可能采用HDTV标準的1920×1080i，寬高比16:9以及另外5種SDTV顯示格式。美信內建産品公司日前推出的3通道、可轉接HD/SD視訊信号的重建濾波器和緩沖器—MAX7454/MAX7455，支援1080i、720p、480p及480i視訊掃描系統标準，可用于HD STB、CRT、LCD、等離子顯示器、DLP和HDTV等數字視訊裝置。 

工控嵌入式裝置強調可靠性 

    在中國工業控制領域，與國民生産、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并存，”研華公司嵌入式電腦事業群大中華區總經理林世豐認為，“一方面，随着中國政府宏觀經濟的調控，工業控制裝置采購量的增長速度放慢；另一方面，裝置電子化程度越來越高，傳統領域裝置紛紛轉向了嵌入式應用。”研華公司向系統內建商和裝置制造商提供嵌入式子產品和解決方案，使傳統裝置能夠具備運算和聯網能力。  

    根據Forrester調研公司報告，連接配接到網絡上的非PC裝置要遠遠超過PC，到2010年PC将隻占據聯網裝置的5％。嵌入式系統在衆多非PC裝置的網絡化、智能化中具有廣闊的前景。例如，中國政府稅收政策的變化将催生一個巨大的稅控收款機市場。據業内人士測算，中國市場對稅控收款機的需求大約在3000萬到4000萬台左右。這種兼有收款和稅收控制功能的稅控收款機采用安全加密子產品和智能卡技術來保障資料安全，采用MODEM通信子產品進行聯網通訊。根據研華公司産品經理區曉楓介紹，該公司的稅控收款機主機闆設計方案采用英特爾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，通過該接口可以很友善地改變稅控收款機内的應用軟體以适應各地的需求。 

    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總線正為越來越多的嵌入式應用所采用。例如，SBS Technologies公司亞太區總部總經理葛纴言就表示：“我們預計2005年CompactPCI将廣泛應用在鐵路、電力、石油化工、航空航天、船舶艦艇系統和資料通信等控制領域，并以每年20%的增長速度取代工業PC工控系統。中國将成為全球最大的CompactPCI市場。” 

    SBS公司是美國一家主要為軍用産品提供嵌入式子產品的供應商，他們針對工控領域開發的單闆計算機和I/O産品能夠适應惡劣環境應用，如高沖擊、高震動、高低溫、潮濕和密封等環境。葛纴言還透露，醫療電子将是他們2005年重點要開拓的市場之一，并已為醫療資料處理和傳輸開發出了高速/高帶寬通信和處理子產品。他強調，這些産品已經廣泛應用在許多國際知名大公司的産品中，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單闆計算機。CT9采用了英特爾低功耗PentiumM處理器，內建了兩個Gbit以太網通道，支援熱插拔，支援64bit/66Mhz的CompactPCI總線，可廣泛用于無線基站、企業裝置、測試測量、刀片式伺服器等應用中。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，應用領域涉及軟體定義無線電、雷達、聲納、圖像和視訊處理應用。 

    Lantronix公司亞太區銷售總監Sunny K Y Lo則認為，嵌入式裝置伺服器在未來幾年裡會有很大的增長。他指出，近年來嵌入式網絡解決方案發生了顯著變化，一是裝置的體積越來越小，比如手持式掃描器；二是網絡傳輸速度更高，并有無線便攜的功能需求；三是要求更低的電源消耗；最後是需要資料安全和加密。這些變化要求嵌入式網絡解決方案具有智能化的功能，例如發送預警信号，随着環境的變化能增加功能和處理，并在增加新功能的同時不增加甚至減少成本。該公司的XPort嵌入式裝置伺服器，內建了所有需要的網絡特征，包括10Base-T/100 Base-TX以太網接口、電郵提醒服務、完整TCP/IP協定棧，其傳輸速度達到920Kbps，采用256位AES加密以確定安全通訊，可幫助産品實作聯網。WiPort嵌入式裝置伺服器則同時支援802.11b無線接口及10/100以太網接口。 

    此外，在汽車電子、醫療裝置領域中也不斷湧現新的嵌入式應用，如汽車導航、車載娛樂平台、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産品類型豐富、使用環境複雜，是以各種總線标準(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 

    随着基于處理器的便攜式裝置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。數位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投影儀将很快如膝上型電腦一樣成為公文包裡的标準配置；MP3播放機将可以播放多達10萬首歌曲。所有這些新興應用都将需要高內建度、高性能和高效率的電源管理。電源管理在延長便攜式裝置電池使用時間的同時，還需要盡量消除開關電源對敏感電路的幹擾。 

    為滿足這樣的應用，國半推出了采用PowerWise技術的電源控制器。何賢斌表示，PowerWise技術能動态測量并調節每個功能應用的電壓以達到最優狀态。這款電源控制器內建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，它可以因應不同的制造技術及溫度自動作出調整，以便減少系統的電源供應，確定有較長的電池壽命。  

     淩特公司電源産品市場經理Tony Armstrong指出，微處理器和DSP啟動時對核心電壓和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程式設計接口或外部器件進行配置的ASSP、可程式設計的基于微控制器的解決方案和FPGA解決方案，該公司的LTC3418便可适合此類應用。它采用恒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定或與外部時鐘同步。 

    “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，“因為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裝置中的具有高電源轉換效率的晶片，內建了FET，額定輸出電流500mA，這款同步開關式器件能在将近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、提高內建度和降低電源子系統成本的關鍵技術，适用于各種産品，如手機、音響功放、便攜式裝置、LCD/等離子電視、通信及網絡裝置。目前某些使用在便攜式裝置中的 MHz 級開關式穩壓器，因為其内含MOSFET的額定電壓較低(5V以下)，而無法适用于電信裝置、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适合這類應用所需高壓電源管理IC産品的公司之一。 

     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，它們不僅內建了MOSFET，而且允許使用更小型的電感，進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，噪音和電磁幹擾(EMI)也随之而至，因為這些手機攜帶着易受噪音幹擾的闆載射頻電路和敏感的RF接收器。對于如何消除開關電源的電磁幹擾，淩特的Tony Armstrong表示，使DC/DC轉換器的系統時鐘産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随機數(PRN)序列對開關頻率進行調制，進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是一款在晶片内實作了擴頻的高效、低噪聲、無電感器型降壓DC/DC轉換器，他們還将推出許多包括晶片級擴頻技術的新産品。