工業(yè)邊緣實(shí)時(shí)自動(dòng)化

某新建機(jī)場(chǎng)曾耗資2億多美元建設(shè)行李處理系統(tǒng)，但因?yàn)橄到y(tǒng)故障，最終不得不徹底廢棄重建。當(dāng)時(shí)，業(yè)內(nèi)傳言稱，出現(xiàn)故障的原因是該系統(tǒng)采用了適用于計(jì)算的高級(jí)操作系統(tǒng)（OS），而不是適用于工業(yè)自動(dòng)化的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）。

最終結(jié)果表明，故障由其他決定性因素造成，但操作系統(tǒng)故障的假設(shè)仍然成立。高級(jí)操作系統(tǒng)的作用是最大限度地提高計(jì)算吞吐量，而實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）是為了減少延遲。在機(jī)場(chǎng)環(huán)境中，重要的不是行李系統(tǒng)每小時(shí)能計(jì)算多少件行李，而是能否在行李到達(dá)傳送帶末端之前將其切換到正確的行李轉(zhuǎn)盤(pán)上，因此任務(wù)的時(shí)效性至關(guān)重要。高級(jí)操作系統(tǒng)適用于計(jì)算，而實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)則適用于時(shí)效。

既要求高級(jí)操作系統(tǒng)提供的豐富操作環(huán)境，又要求實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的時(shí)效性時(shí)，系統(tǒng)搭建的挑戰(zhàn)性較高。工業(yè)企業(yè)逐漸將實(shí)時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)技術(shù)（OT）與計(jì)算系統(tǒng)的信息技術(shù)（IT）融合。我之前曾發(fā)表過(guò)一篇關(guān)于時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）和Layerscape LS1028A處理器中內(nèi)置TSN以太網(wǎng)支持方案的博文，其中討論過(guò)這種融合。恩智浦隨后在i.MX應(yīng)用處理器添加了TSN支持。為了解決類似的處理融合問(wèn)題，恩智浦提供了實(shí)時(shí)邊緣軟件，為Linux?內(nèi)核增加了實(shí)時(shí)擴(kuò)展及Jailhouse管理程序等選項(xiàng)。該軟件是OpenIL的下一代 。

恩智浦Real-Time邊緣軟件

如上所述，工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)可能需要在執(zhí)行時(shí)效性任務(wù)的同時(shí)執(zhí)行其他任務(wù)。不同的硬件（如微處理器和微控制器）可分別用于處理這兩類任務(wù)。然而比較理想的情況是，在同一個(gè)處理器上同時(shí)進(jìn)行，并且不降低實(shí)時(shí)性能。商用軟件可滿足這些要求。然而，工業(yè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員希望在跨界兼容平臺(tái)上部署控制系統(tǒng)，以降低成本、簡(jiǎn)化維護(hù)并利用不斷擴(kuò)展的開(kāi)源代碼市場(chǎng)來(lái)滿足未來(lái)的需求，因此企業(yè)愈加希望采用開(kāi)放、靈活、安全和可擴(kuò)展的系統(tǒng)架構(gòu)。

我們矢志不渝地滿足工業(yè)客戶日益增長(zhǎng)的需求，為此我們?nèi)涨靶紝⒋笠?guī)模供應(yīng)real-time邊緣軟件。通過(guò)這款軟件，我們的客戶能夠在實(shí)時(shí)開(kāi)源Linux?操作系統(tǒng)上構(gòu)建實(shí)時(shí)應(yīng)用程序。原始設(shè)備制造商（OEM）對(duì)Linux操作系統(tǒng)青睞有加，出于多種考量：一方面，該操作系統(tǒng)是開(kāi)放性的，擁有廣泛的社區(qū)支持，另一方面，企業(yè)希望減少技術(shù)專有性。恩智浦實(shí)時(shí)邊緣軟件讓開(kāi)發(fā)人員能夠根據(jù)自己的需求進(jìn)行選擇，從而靈活地實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，同時(shí)保持應(yīng)用程序正常工作所需的低延遲與高可靠性。

恩智浦的實(shí)時(shí)邊緣軟件為需要確定性延遲和高可靠性的應(yīng)用提供了安全的開(kāi)源實(shí)時(shí)Linux環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)高效且容錯(cuò)的自動(dòng)化工業(yè)控制系統(tǒng)。典型應(yīng)用包括應(yīng)用于工業(yè)、運(yùn)動(dòng)控制、樓宇自動(dòng)化、專業(yè)音頻和汽車/航空信息娛樂(lè)系統(tǒng)等領(lǐng)域的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）或工業(yè)4.0系統(tǒng)。

恩智浦實(shí)時(shí)邊緣軟件包含3個(gè)重要組件：real-time系統(tǒng)、通信協(xié)議和TSN，具體如圖1所示。下面進(jìn)行了詳細(xì)介紹。該軟件支持許多開(kāi)箱即用的恩智浦i.MX和Layerscape參考設(shè)計(jì)板。這些參考設(shè)計(jì)板集成了工業(yè)設(shè)備所使用的多種接口，從而可以直接有效地評(píng)估恩智浦SoC和軟件支持工具（software enablement）的功能。恩智浦技術(shù)還有助于開(kāi)發(fā)符合IEEE/IEC60802或其他規(guī)范的系統(tǒng)。恩智浦以O(shè)penIL為基礎(chǔ)，在 Yocto 構(gòu)建系統(tǒng)中提供實(shí)時(shí)邊緣軟件版本，Yocto 構(gòu)建系統(tǒng)與恩智浦基于 Yocto 的標(biāo)準(zhǔn) Linux SDK 配套使用。

圖1：實(shí)時(shí)邊緣軟件系統(tǒng)框圖

Real-time系統(tǒng)

Real time系統(tǒng)是一種靈活的異構(gòu)架構(gòu)，允許用戶選擇使用Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、Jailhouse（允許不同的操作系統(tǒng)同時(shí)在不同的內(nèi)核上運(yùn)行）、在裸機(jī)上運(yùn)行應(yīng)用程序（例如在類u-boot框架中），或綜合使用上述多種方式。采用該架構(gòu)，用戶可以繼續(xù)在Jailhouse中運(yùn)行自己選擇的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）版本及其應(yīng)用程序，并規(guī)劃在不中斷其當(dāng)前部署計(jì)劃的情況下向Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)或裸機(jī)框架過(guò)渡。

通信協(xié)議

實(shí)時(shí)邊緣軟件支持常用的工業(yè)通信協(xié)議，如EtherCAT?、FlexCAN?、CANopen?、OPC UA和Modbus。這些協(xié)議有助于在工業(yè)控制系統(tǒng)中互連各種節(jié)點(diǎn)，如系統(tǒng)、接口和儀表。[有關(guān)OPC UA以及如何在工業(yè)4.0中使用TSN的更多信息，請(qǐng)參見(jiàn)恩智浦白皮書(shū)。]這些協(xié)議帶來(lái)了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可在網(wǎng)絡(luò)上執(zhí)行確定性和有時(shí)限的實(shí)時(shí)任務(wù)，并使控制系統(tǒng)能夠高效、低成本地運(yùn)行。

恩智浦的實(shí)時(shí)邊緣軟件還支持低功耗無(wú)線通信協(xié)議（如Zigbee?、BLE、NFC以及最新的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)），為用戶提供廣泛的連接選擇，滿足其各種終端應(yīng)用需求。此外，恩智浦還提供廣泛的無(wú)線產(chǎn)品組合，作為我們的微處理器和微控制器產(chǎn)品組 合的補(bǔ)充，詳細(xì)信息請(qǐng)?jiān)L問(wèn)nxp.com/wireless。

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)

IEEE定義了時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)，用于提供面向工業(yè)應(yīng)用的確定性以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。恩智浦支持TSN的SoC可幫助客戶構(gòu)建符合IEEE/IEC60802或其他TSN規(guī)范的系統(tǒng)。實(shí)時(shí)邊緣軟件集成了TSN協(xié)議，能夠?yàn)楦鞣N遵循TSN規(guī)范的實(shí)時(shí)應(yīng)用提供高可靠性、低冗余、確定性低延遲和資源管理能力。

下面的圖2展示了TSN如何與精確時(shí)間協(xié)議（PTP/IEEE1588v2）一起，為網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)預(yù)留時(shí)間窗口，消除以太網(wǎng)上的帶寬爭(zhēng)用，從而發(fā)送時(shí)間敏感數(shù)據(jù)。

圖2：以太網(wǎng)TSN 紅色實(shí)線表示每個(gè)節(jié)點(diǎn)在不爭(zhēng)用帶寬的情況下進(jìn)行通信的預(yù)留時(shí)間窗口。

結(jié)束語(yǔ)

總而言之，恩智浦的real-time邊緣軟件支持異構(gòu)操作系統(tǒng)架構(gòu)、一系列工業(yè)協(xié)議和以太網(wǎng)TSN。它為用戶提供了更多選擇，可靈活地以經(jīng)濟(jì)高效的方式實(shí)施開(kāi)放、安全、可靠和可擴(kuò)展的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)。該軟件基于恩智浦的Linux SDK構(gòu)建，很好地補(bǔ)充了恩智浦廣泛的微控制器、微處理器和無(wú)線產(chǎn)品組合。企業(yè)如果希望參與工業(yè)4.0，并計(jì)劃通過(guò)工業(yè)設(shè)備智能化以及IT和OT融合來(lái)實(shí)現(xiàn)工廠現(xiàn)代化，該軟件將帶來(lái)諸多好處。另外，專業(yè)機(jī)場(chǎng)行李運(yùn)輸企業(yè)也能夠從中獲益。

審核編輯：郭婷