創(chuàng)建與購買——了解嵌入式系統(tǒng)設計的總成本

自定義的嵌入式系統(tǒng)設計——“創(chuàng)建”的方式

在開發(fā)之前，您必須為系統(tǒng)的核心控制器選擇一種處理器技術。例如如下所列舉的五種技術：

微控制器-微控制器的成本極為低廉，并且通常在單一的芯片上提供了集成的解決方案，且包括I/O外圍設備。它們通常帶有極小的片上存儲容量，而且不易于用于復雜性高和需要擴展的場合。此外，其時鐘速率通常是10M赫茲的數(shù)量級，因此您通常不能實現(xiàn)高性能的控制循環(huán)。

微處理器-利用微處理器，時鐘速率將更高而且通常具有外部存儲接口，因而性能和擴展性并不成問題。但是您的應用程序可能需要復雜的驅(qū)動開發(fā)，因為它們通常并不帶有片上模擬外圍設備。此外，高密度的封裝技術，例如球門陣列封裝(ball-grid array，即BGA)可能導致需要極為復雜的制造流程。這就增添了更為困難的硬件調(diào)試工作。

數(shù)字信號處理器(DSP)-DSP是一種專用的微處理器，它具有額外的指令以優(yōu)化特定的數(shù)學函數(shù)，例如乘法和累加操作。DSP對于計算繁重的應用場合來說是極為有用的，但是您通常需要專業(yè)的知識來利用它的軟件性能。

專用集成電路(ASIC)-一款ASIC芯片是專為某個特

定的應用而設計的，而不是為了通用的可編程性。ASIC廣泛被認為是一種極好的技術用來解決諸如功率消耗和產(chǎn)品成本等技術性問題。但是，極為昂貴的ASIC開發(fā)和制造流程通常讓人望而卻步，除了那些具有極大產(chǎn)量的產(chǎn)品。

現(xiàn)成可編程門陣列(FPGA)-FPGA在自定義的ASIC設計和現(xiàn)成的技術之間提供了極好的平衡。它們具有高度的專有化性能，但是它們可以重新配置，因而您不會付出與開發(fā)ASIC相同的高昂制造成本。雖然您可以在廣泛的處理應用場合中使用FPGA，但是會遇到并不常見的復雜的FPGA設計，因為對于大部分習慣于使用C語言進行順序編程的嵌入式軟件開發(fā)者來說，VHDL編程格式顯得十分陌生。

在許多情況下，單一的處理器技術并不足以解決應用的需要。因此，近年來混合式架構就變得極為流行。一種使用這種方式的架構如圖1所示。實時處理器用來管理網(wǎng)絡通信和用戶界面，而FPGA則管理著與I/O組件和高速控制任務間的接口。這種混合式架構在嵌入式系統(tǒng)設計中變得十分普遍。

圖1、混合式架構在嵌入式系統(tǒng)設計中變得十分普遍。在這種混合式架構中，實時處理器用來管理網(wǎng)絡通信和用戶界面，而FPGA則管理著與I/O組件和高速控制任務間的接口。

在確定了使用何種處理器技術之后，您必須開發(fā)I/O電路。如果嵌入式系統(tǒng)中存在任何的模擬信號，那么您就需要模擬-數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)字-模擬信號轉(zhuǎn)換器(DAC)、以及相應的軟件驅(qū)動。市面上許多書籍都講述了設計優(yōu)良模擬電路中所遇到的復雜性問題，因此本指南著力于系統(tǒng)中的嵌入式控制器，盡管其中許多的概念也適用于I/O組件的選擇。

現(xiàn)成的嵌入式系統(tǒng)-“購買”的方式

另外一種方式就是購買現(xiàn)成的平臺來開發(fā)控制器。雖然通常來說您付出了比板卡組件成本更高的價錢，但是您可以更加迅速地進入市場。除此之外，這些系統(tǒng)具有較好的擴展方式，所以在第一次原型設計后進行不可避免的性能改進之時就無需費心費力。而且隨著處理器技術的進步，您可以為您的嵌入式系統(tǒng)考慮如下幾種不同的實現(xiàn)技術：

非集成式嵌入式系統(tǒng)-它具有多種不同的波形系數(shù)(form factors)，例如Mini-ITX、PC/104等。非集成式嵌入式系統(tǒng)通常是最為經(jīng)濟的使用現(xiàn)成產(chǎn)品來建立嵌入式系統(tǒng)的解決方案。這些系統(tǒng)也具有各種不同的處理器架構以供您選擇，而且也會帶有一小部分操作系統(tǒng)和I/O支持套件。但是，針對這種系統(tǒng)的軟件開發(fā)工具幾乎從未集成，而且這些系統(tǒng)通常需要您進行強制性認證，例如EMI和CE兼容性。

集成式嵌入式系統(tǒng)-除了具有與非集成式嵌入式系統(tǒng)相同的組件之外，集成式嵌入式系統(tǒng)提供了諸如沖擊、振動、工作溫度、以及環(huán)境認證之類的技術說明。通常來說，這些系統(tǒng)更加昂貴，但是他們通常帶有集成式軟件開發(fā)工具而且具有更為豐富的集成式I/O選擇。

工業(yè)級PC- 利用現(xiàn)成可得的PC技術，工業(yè)級PC為開發(fā)工具及I/O性能提供了最為豐富的選擇。它們也具有許多與其它集成式嵌入式系統(tǒng)相同的技術說明和認證，但這種性能是以成本為代價的。這種系統(tǒng)比前述兩種方式更為昂貴。

圖2、NI CompactRIO正是集成式嵌入式系統(tǒng)的一個實例

NI CompactRIO集成式嵌入式系統(tǒng)架構與圖1所示的簡單的方框圖極為相似。它使用了Freescale公司的PowerPC微處理器并運行VxWorks實時操作系統(tǒng)。PowerPC通過內(nèi)部的PCI總線與Xilinx FPGA相連接。此外，F(xiàn)PGA直接連接至各種模擬和數(shù)字I/O模塊的連接頭，從而使得您可以連接傳感器、激勵器、以及通信總線。如果您需要高度自定義的I/O，那么您可以設計您自定義的模塊。圖2示出了NI CompactRIO集成式嵌入式系統(tǒng)示意圖，而圖3示出了嵌入式系統(tǒng)方框圖。

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圖3、CompactRIO系統(tǒng)方框圖

做出決定-嵌入式系統(tǒng)設計中的“隱性”成本

通常在選擇采用創(chuàng)建還是購買方式時，技術性能并不是決定性因素。相反，它通常會演變成一個簡單的經(jīng)濟性分析。如果最終的利潤所得足以填補產(chǎn)品開發(fā)過程中所花費的工程成本投資，那么您就做出了一個明智的決定。

如果要做出一個明智的決定，您必須準確地估計創(chuàng)建您自定義解決方案所花費的成本。但這并是看上去那么簡單;如果您只是把板卡組件的成本和硬件及軟件的開發(fā)時間相加，那么您只是非常粗略地低估了總投資成本。您應當考慮其它的“隱性”成本才能準確地評估真正的任務成本。

例如，制造和庫存成本通常是系統(tǒng)銷售成本的百分之二十到三十。此外，平均來說，百分之三十的軟件開發(fā)時間花在操作系統(tǒng)、驅(qū)動、以及中間件開發(fā)上-盡管在選擇帶有集成硬件和軟件的集成平臺后您可以不必進行這樣的板卡啟動工作。另外，您還需要考慮其它的隱性成本，包括環(huán)保標準、驗證、易耗元器件、以及最后時刻的技術變更

所導致設計變更和徹底的重新設計。最后，最難以感覺但可能是最為重要的成本是機會成本，即把工程時間花費在設計此種系統(tǒng)，而不是花費在其它將帶來收益的項目上。

一旦您評估了工程投資成本，那么您就可以計算一個簡單的財務收支平衡分析。假設您指派兩個工程師花費九個月的時間來開發(fā)一個自定義的板卡，從技術說明到供貨，其投資成本大約是$300,000。下一步，在預安裝、原型設計、預發(fā)布單元、加工以及其它偶然的工程成本等每個方面您都花費了$25,000，從而使得整個投資成本上升到$400,000。在您完成了這些工作后，自定義設計產(chǎn)品的成本將比現(xiàn)成的平臺便宜$400。使用公式1，您將看到投資收支平衡點位于第1000個單位產(chǎn)品，而且直到售出第1001個單位產(chǎn)品才會盈利。而且，這并沒有包含上面所討論的其它“隱性”成本。但是，如果您選擇了集成式嵌入式系統(tǒng)，那么您可以縮短上市時間，但是早期的利潤將會用于成本優(yōu)化和特性改進。通過這種方式，您可以在整個產(chǎn)品生命周期內(nèi)攤銷投資成本，而不是在早期的開發(fā)過程中投入所有的資金。

公式1、您可以使用簡單的公式來計算任何自定義系統(tǒng)的收支平衡點

結論

因此就不要開發(fā)自定義的板卡了?當然不是。反而，對于那些需要極高專用化波形系數(shù)且具有極高產(chǎn)量的系統(tǒng)、或者具有極為苛刻技術要求(例如極低的功率消耗)的系統(tǒng)來說，當您評估對您產(chǎn)品成功至關重要的技術時它將節(jié)省您的辛苦付出。而在那些您使用現(xiàn)成技術的領域，可以讓供應商負擔物流和“隱性”成本從而使得您可以專注于技術差異化以獲得更優(yōu)的產(chǎn)品。