迎接嵌入式风潮

呼啸而来的嵌入式系统应用风潮，正在悄悄地改变着一些传统行业的面貌。古老的、技术驱动的半导体行业，已经走到了一个重要的拐点前。

1982年发生在新罕布什尔州华盛顿山的那场暴风雪，彻底改变了美国攀岩天才Hugh Herr的人生轨迹。此前，他已是闻名全美的登山家，而在那场暴风雪中，Hugh Herr迷了路，被迫在山中度过了3个温度接近-30℃的黑夜。在被解救后，Hugh Herr的双腿因为严重冻伤，而不得不截去了膝盖以下的肢体。

“在手术过程中我一直在想，如何才能继续我的梦想？”Hugh Herr回忆说，“我的答案是――依靠科技。”现在，Hugh Herr使用各种技术来帮助自己像正常人一样生活和工作。其中，他最为依赖的是“他的”嵌入式系统，一种可以“穿”在身上，融合了感知、计算和互联的智能仿生技术。

请“穿戴”上机器

只用了几个月，Hugh Herr就依靠自己设计的“有坚硬脚趾”、可以站在“硬币大小”岩石表面的假肢，重新回到了其钟爱的登山运动中。此后，Hugh Herr在麻省理工学院（MIT）拿到了机械工程硕士和生物医学博士学位，并在做生物医学器械博士后的时候，开始研究仿真人腿的假肢机器人系统。

现在，Hugh Herr领导着MIT媒体实验室（Media Lab）生物机械工程研究所的工作。在这个研究所中，他们利用包含嵌入式处理器、传感器、无线网络、模拟器件以及控制软件在内的嵌入式系统，把机械工程与生物力学、神经网络控制学相融合。“在嵌入式系统中，处理器就像人的大脑，传感器像人的眼睛和耳朵，模拟器件就相当于人体的肌肉，软件算法则让所有器官发挥功效。”与Hugh Herr一起工作的嵌入式半导体方案供应商飞思卡尔全球消费电子及工业类应用传感器产品部运营总监Wayne Chavez形象地比喻说。

与PC不同，嵌入式系统一般体积微小、功耗很低、软硬件一体化，可以嵌入到几乎现实世界的所有物体中，实现人们让它完成的智能功能。

在Hugh Herr设计的人工膝盖中，传感器和处理器可以持续感知关节的位置和适于肢体的负载，以便去协调腿部运动；而他设计的世界上第一个踝足假肢机器人系统，利用多个传感器、微控制器和模拟器件来模仿人体肌肉骨骼结构和运动，第一次给小腿截肢者提供了一个自然的步态。如今，这些 “可穿戴的机器人”部分已经商用化，正在帮助残障人士实现身体的“自愈”，并让他们以越来越自然的方式来生活。

Hugh Herr自己也穿戴了这样一个踝足假肢，它包含5个微处理器和12个传感器。每个月，Hugh Herr都对它们进行升级，希望如此训练到80岁时，这对假肢能够变成自己的“血肉之躯”。“很快，会有其他传感器植入到我的肌肉组织中，它们可以感受肌肉的运动，再与假肢系统互动。”Hugh Herr对记者说，“再过50年，假肢也可以把它感受到的信息映射给嵌入到我肌肉的传感器，这样，我就可以感觉到假肢的感受，感觉假肢‘肌肉’的收缩和拉伸，判断我现在走路的状况是否适合假肢，从而帮助我更好地行走。”

除了假肢机器人系统，MIT媒体实验室的研究人员也在利用嵌入式技术来实现其他生物技术的突破。一些研究人员像安装太阳能面板那样，把一些微小的嵌入式阵列植入大脑，对大脑某些区域进行特定的干预和刺激，来治疗某种疾病。例如，他们通过100Hz的声波系统让大脑某个区域产生愉悦感，让有自杀念头的人放弃这个想法，这种方法还可以治疗抑郁症。“世界上有一半的人存在某种程度上的认知困难，我们希望依靠嵌入式技术和其他未来技术，在本世纪末消除这些残疾。”Hugh Herr阐述了他们的理念。

“现在，全球正在刮起一股新的‘嵌入式风潮’。”飞思卡尔董事会主席兼首席执行官Rich Beyer说，“更重要的是，这些嵌入式系统与PC不同，他们功耗很低，几乎可以永远待机、永远与我们同行。”

“零排放、零伤亡”汽车

除了人可以“穿戴”机器人，几乎我们身边所有的物件都可以“穿戴”上各种类型的机器人系统，并因此变得更为智能，汽车就是其中一种。在这场嵌入式风潮中，汽车已经不再是传统意义上的钢铁机械装备，它更像是一类电子智能设备，更为有意义的是，这让汽车越来越靠近“零伤亡”和“零排放”的终极目标。

一些豪华车已经穿上了“主动安全”机器人系统，这让汽车变得像飞机，只要设置好相应的程序，就能实现自动驾驶，驾驶员可以“闭上眼睛”。一种自动巡航系统正在美国和日本日渐流行，它在车的前部装有一个雷达系统，这与我们所熟悉的倒车雷达不同――倒车雷达基于超声波技术，只能判断一两米以内的物体，而自动巡航系统的雷达则基于77GHz电磁波，可以“看”到车前方250米范围内的物体。此外，车上还安装着一种摄像机系统，它通过汽车外部四周的４个或更多的摄像头，来自动识别车身周边的物体、道路上的交通标志以及车道线，如果车辆不小心越过黄线，系统会自动报警。

自动巡航系统由微控制器的“大脑”、77GHz射频收发器的“眼睛”、数字信号处理器的“视觉分析神经”以及模拟器件的“肌肉”组成。摄像机系统则包含了摄像头传感器“眼睛”、网络沟通的“神经”和微控制器的“大脑”组成。目前这些机器人还比较昂贵，动辄上万元甚至几万元，因此，估计要在2年后才可以出现在国内品牌汽车上，5年后有望逐步普及。即使这样，我们也可以感受到这些机器人系统向汽车业渗透的高速率的步伐。

“今年底，飞思卡尔和博世设计的成本在千元左右的安全气囊将进入市场，这会让普及率提升。”飞思卡尔全球汽车市场总监Stephan Lehmann说。此外，防止刹车或急速转向时汽车发生侧滑、翻滚的电子稳定性系统，可以根据车辆行驶方向“上下左右转动”的“车灯眼睛”也会逐步进入国产中高档汽车。

除了零伤亡外，零排放也是嵌入式系统的一个目标。去年，吉利汽车的工程师开始设计混合动力汽车。在这类新能源车上，除了传统的汽油发动机外，还加入了电机。这样，当你踩油门用力过猛时，多余的功率就会转换成电能存储在电池中；当能量不够时，能源就从电池中释放出来，发动机因此能一直工作在某种稳定的状态下，这就提高了燃油利用率，减少了排放。当然，这是一种过渡的方案。未来，纯电动汽车将只有电机和电池，那时将实现“零排放”。

“当吉利推出它的下一代汽车时，你一定要关注嵌入式系统的贡献。”Rich Beyer先生强调说。与人体中“穿戴”的机器人相同，汽车上的各类嵌入式系统也需要平台化方案――要集成了处理器、传感器、射频收发器、无线网络、模拟器件和软件算法，同时，也在不断追求小型化、高性能和低成本。但汽车机器人系统也有不同之处，国际组织已经为它们制定了安全标准――ISO26262，这个标准即将强制实施。根据标准，汽车上各类机器人都要符合不同的安全级别，例如刹车方面的ABS系统，安全级别就要达到最高的D级。

无处不在的医生

除了可“穿戴”在人或汽车上的机器人，我们身边还有形态万千的独立嵌入式设备，它们在移动和无线互联的过程中为我们提供各类服务，这在未来的医疗领域体现尤为突出。

现在，飞思卡尔全球健康部门负责人Steven Dean先生每天一起床就赶紧去查看一个身边的个人终端，这个小终端在晚上一直监测他的睡眠呼吸情况，看是否发生过窒息，同时判断他的睡眠质量。起床后，一个集成了多种传感器的小智能设备戴在了Steven的胳膊上，一按按钮，就开始为他自动测量血压、脉搏等指标。另一个指环一样的设备戴在Steven的手指上，为他测量血糖，这些测试结果实时传送到家庭健康枢纽上，而Steven的个人医生Dr. Jose也在远程实时看到了这些数据。

目前，全球10%的人口患有糖尿病，而中国和印度占了全球糖尿病患者的40%，这些患者需要每天多次测量自己的血糖，而这些小巧互联的设备让他们的测量和诊治变得简单而方便。由于经济、城镇化发展趋势以及高速攀升的医疗开支，公共医疗卫生重心已经转向对一些慢性病，例如高血压、心脏衰竭、糖尿病和癌症的监测和预防。而通过这些低成本、便携、无线互联、易用的智能系统，人们去医院的时间可以减少65%，一年中住院的时间也将减少6天。

现在，医疗设备领域正在开发这种成套的医疗系统。在这些系统中，最主要的变革来自“大脑”应用处理器。“在未来几年，我们预测显示器的分辨率会有2倍到4倍的提升，为了赶上这样的创新速度，我们引入双核处理器，支持3D图形界面、高清3D显示。”Rich Beyer说，“它还要能够提供全套解决方案，节省产品的上市时间，并尽量降低成本。”

掌上4G基站

除了无线互联和降低自身的成本，嵌入式系统也正在与云计算结合，去改变传统行业多年的游戏规则。例如，它们就正在颠覆手机网络基础设施的传统概念。

谁也不愿意让电信运营商把那些体积庞大的发射天线塔安装在自己家的楼上或居民区里。这些天线的发射功率有时高达几百瓦，它产生的辐射不仅是心血管疾病、癌突变的主要诱因，也可以对人体免疫系统、生殖系统造成直接伤害。

“这仅仅是我们与电信运营商部署手机网络时遭遇的问题之一。”阿尔卡特-朗讯的产品经理Jerome Meyer说。根据相关市场预测，到2015年，移动数据流量将比现在增加30倍，但不幸的是，电信运营商的收入增长却没有那么好的势头。这样，电信运营商一方面不得不升级网络、增加网络覆盖范围，另一方面却要想方设法降低网络部署成本以及运维成本。

阿尔卡特-朗讯下属的贝尔实验室的科学家最近研发出一种新的网络架构――把过去大的集中式管理的基站，分解成多个小型基站，通过云的网络进行分配管理，实现那些大型基站完成的通信任务。

今年，阿尔卡特-朗讯和飞思卡尔、惠普合作推出了相应的产品LightRadio。那些原来引发人们恐慌的天线塔现在缩小到一个2英寸见方的立方体中，变成了Jerome Meyer手上的盒子。“你可以把它安装在电线杆、建筑物两侧或者一些非常不起眼的地方。”Jerome Meyer说。而且，你甚至可以在家里安装一个小盒子，因为它现在的发射功率只有几瓦，甚至1瓦以下，完全可以不用担心辐射问题。

虽然体积小、发射功率低，但这些小巧设备在云的网络中可以完成庞大任务。如果把16个这样的小立方体组成一个阵列，就可以实现3G宏蜂窝基站的功能。这种结构让运营商的资本投资降低20%，而考虑占地、电力消耗等因素，运营维护成本可以减少50%。

这种新型基站得益于多核处理器嵌入式系统技术的发展，在一块采用28纳米制程技术的多核芯片上，由于它的处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个单芯片上去，称为“片上基站”。

在这场嵌入式风潮中，半导体行业已经走到了一个重要的拐点，他们不再像PC时代时那样一味地追求处理器的性能，而要增强嵌入式处理、传感器、射频、无线通信、功率管理与软件的无缝连接能力；同时，他们的创新更要从系统设计和应用的角度出发，而不仅仅只是硅的故事。