缩小硬件，增加功能
毫无疑问，板级和芯片级控制产品的物理尺寸正在缩小，同时继续增加嵌入式功能。这是一种自然发展的一部分，朝着更小、更便携、更多功能的设备和小工具发展，这是商业和消费者世界所需要的。这一趋势也延伸到了工业领域，原始设备制造商(oem)面临着不断的需求。
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毫无疑问，板级和芯片级控制产品的物理尺寸正在缩小，同时继续增加嵌入式功能。这是一种自然发展的一部分，朝着更小、更便携、更多功能的设备和小工具发展，这是商业和消费者世界所需要的。这一趋势也延伸到了工业领域，原始设备制造商(oem)面临着不断减少产品尺寸和成本的需求。
生产微型部件和系统仍然是硬件萎缩的另一个方面。这就是在设计效率、制造成本、热管理、功耗以及像处理许多微型部件这样的基本问题之间必须权衡的地方。实现这一切的关键是电路板和微处理器的集成水平不断提高。
可编程的或现成的
赛普拉斯微系统公司(Cypress MicroSystems，赛普拉斯半导体公司(Cypress Semiconductor Corp.)的子公司)战略营销总监内森•约翰(Nathan John)指出，推动“硬件缩小、功能增加”趋势的最大因素是可编程技术的普及，这种技术使高集成度的设备能够根据特定应用的需求进行定制。专用集成电路(asic)提供了一种获得高集成度的方法，尽管只有在足够高的最终产品量的情况下。John解释说，最近出现了其他可编程技术，使普通工程师能够生产出集成的解决方案。他引用了cpld(复杂可编程逻辑器件)和fpga(现场可编程门阵列)作为纯数字设计的例子，以及赛普拉斯微系统公司用于混合信号设计的PSoC工具等产品CE， 2004年4月，第39页)。
根据Kontron美国的经验，嵌入式系统产品的设计者希望在更小的封装中获得更高的性能，需要更少的功率。Kontron的高级电子工程师Ingo Kupper表示，与此同时，消费者不断将嵌入式计算技术与台式电脑进行比较。
芯片设计师和制造商，如英特尔，支持少硬件多功能的趋势。Kupper提到了英特尔的XScale PXA255设备，作为专门为嵌入式计算应用设计的最新处理器的一个例子。由于该处理器的高集成度(加上速度高达400mhz)， Kontron使用它作为其X-Board&PXA> CPU模块的基础，开发了一种非常紧凑的嵌入式格式，提供了完整的功能集，但需要相对较低的功率(通常为1.5 W, 3.3 V)。
Moxa Technologies公司的产品经理Charles Chen解释说，在设备网络和通信领域，小型化的主要诱因是更小的安装空间和复杂的应用。这包括在没有前端处理器的情况下，将采集的数据从设备传输到基于web的数据管理或数据库。他说，在当今的IT行业，更小的尺寸意味着更低的成本，而更多的功能总是会缩短开发到市场的时间。
为响应市场趋势，Moxa最近推出了用于工业串行设备的NE-4000系列网络使能器(NE)嵌入式模块。特别是该系列中最小的网元板(封面照片)易于与用户的PCB或小型设备集成。“这不仅节省了空间，而且还意味着该板可以集成到用户现有的串行设备中，”Chen继续说道。
更快进入市场
此外，新增的嵌入式功能可帮助设计人员更快地将传统设备与以太网功能集成在一起。例如，Moxa NE-4000系列提供了通过Web浏览器，串行控制台或微软Windows实用程序的简单配置。据报道，其应用就绪的TCP/IP通信固件允许用户在不修改电路的情况下使其传统串行设备支持以太网，从而加快了上市时间，从而降低了研发或生产成本。“使用全功能嵌入式模块代替芯片级解决方案也可以帮助设计人员节省三到六个月的开发时间，”陈说。
MEN Micro Inc.对更小，更集成的嵌入式解决方案的趋势有两个不同的观点-新的控制应用不断创造市场需求，更小，更功能的电子产品创造新型控制应用。“虽然市场需求推动了更多集成电子解决方案的发展，但高度集成的解决方案释放了创造力和创新，从而产生了新的应用，”MEN Micro总裁Ernest Godsey, P.E.说，“最终，这两股力量都推动了更小，更多功能的电子产品。”
从更大的意义上说，自然力量总是推动更小的硬件具有更大的功能。Godsey列举了竞争的力量及其对电子产品成本的影响。更小的硬件需要更少的材料来生产，一旦达到批量生产，它就会变得更具成本效益。他说，电子产品公司从竞争对手那里赢得市场份额的一个有力方法是以更低的成本提供更多的功能……通过更小的硬件和更强大的功能。
WinSystems副总裁Robert Burckle认为，PC技术推动了微处理器从办公室向嵌入式工业控制应用的迁移。随时可用的微电子和支持pc的庞大软件基础设施已被用于在恶劣工业环境中生存的产品。他说:“这种结合的结果是硬件体积缩小，功能增加，同时以更低的风险和合理的成本提供更快的上市时间。”
昂贵的继承
然而，继承个人电脑产业的技术是一把双刃剑。虽然巨大的进步为工业控制必不可少的部件带来了非凡的价格/性能，但在追求功能更强大和更复杂的技术时，部件也很快被抛弃。他说，一个关键问题是产品过时。
因此，制造商和设计师在试图预测电路板和组件的长期可用性方面面临困难。对于商用PC技术来说，两年就是一辈子。然而，对于工业市场来说，时间线从7年到10年甚至更长。保证零件的可用性即使不是不可能，也变得很困难。
有些(虽然不是全部)半导体公司提供特定产品，延长供货期限。Burckle说，主要的cpu和芯片组更容易买到，但频率合成器、视频控制器和网络控制器等组件可能很难或根本买不到。为了预测关键部件的可用性，设计师经常必须对不同的供应商进行多次调查。这可能导致早于预期的重新设计或提前购买未来几年生产的产品的零部件。他还说，这两种选择都代价高昂。
同样，主机工程公司总裁罗伯特·奥格尔斯比(Robert Oglesby)——一位以太网接口卡专家和AutomationDirect (www.automationdirect.com)的技术提供商——指出，主机公司一直在寻找包含所需功能的微控制器，以寻求将更小的功能以更低的价格放入更小的封装中。他说:“这可能是非常有益的，也可能是非常令人沮丧的，这取决于合适部件的可用性。”
“热”fpga
Oglesby解释说，FPGA和软处理器技术的最新进展为板级开发人员提供了拥有正确部件的好处，而不必担心部件过时、可用性或供应商依赖性。fpga使主机工程能够以非常快速和低成本的方式“构建”所需的精确处理器。“(它)为我们提供了相当于每个应用程序的定制ASIC。我们预计未来的大部分设计都将基于fpga。”
在过去，fpga对于低端嵌入式应用来说过于昂贵。“然而，像其他芯片技术一样，fpga遵循摩尔定律，在提高密度的同时降低了价格，”Oglesby继续说道。“在过去的几年里，价格与密度的关系使它们成为我们产品的可行之选。霍斯特认为，由于半导体工艺的不断改进，fpga的优势还会更大。他总结说，合理的价格下限更多地与芯片封装有关，而不是与芯片内容有关。
美国国家仪器公司(NI)的DAQ产品经理Todd Dobberstein指出，尽管存在热管理、可靠性和成本等问题，但电路板级设计人员仍在不断寻找新的方法，在保持效率的同时，在更小的尺寸内增加功能。这种趋势将会持续下去，直到科技将我们带向收益递减的临界点。他说，在我们找到一个效率高于规模的点之前，工业将继续缩小规模，增加功能。
他在美国国家仪器公司的可重构I/O (RIO)技术中给出了这一趋势的一个例子，其中LabView图形编程语言进行硬件设计，而软件工具自动设计一个优化的、可重构的硬件电路来实现硅上的应用。LabView的数字环路速率可高达40 MHz。NI的方法超越了使用ASIC芯片的控制系统oem普遍采用的现成硬件方法。使用RIO技术，用户可以在LabView中为每个控制应用配置和重新配置FPGA。Dobberstein解释说，这导致了“硬件定制的终极水平”，允许控制系统oem以紧凑的尺寸提供具有更多可定制功能的解决方案。
NI看到可重构I/O技术的发展和扩展到新的和不同类型的设备/系统，从集成I/O电路的插入式计算机模块到嵌入式机器视觉系统。
功率、I/O结构限制?
大多数专家都认为，更小、功能更强的嵌入式产品将在一段时间内继续发展。
根据MEN Micro的说法，虽然预测技术创新的限制是危险的，但嵌入式控制系统设计师面临着一些真正的物理限制。随着集成电路不断缩小并增加更密集的功能，输入/输出(I/O)通道的基本问题仍然存在于控制系统中。Godsey解释说:“随着处理器和计算模块变得越来越小，连接到‘现实世界’的I/O变得越来越困难。”
他说，大部分问题基本上都是机械性的。高点计数控制系统的连接器占用空间。(事实上，市场上出现的一些微型电路板上的连接器即使不比基本产品大，至少也和基本产品一样大。)如果需要电源开关或电气隔离，则进一步限制最小总体系统尺寸。Godsey提到，一些开发人员声称，当所有I/O通道都变成无线通道时，这个问题就会消失。他认为，无线只是将I/O扩展到更大的空间，隐藏了布线/连接器的问题。
提供信号访问同样被认为是Kontron的潜在尺寸限制。Kupper说:“随着行业向小型化发展，信号路由和连接也提出了挑战。”“公共汽车和别针占用空间。Kontron X-board设计通过消除传统总线，在一定程度上解决了这个问题。
其他限制也可能即将出现。首先，Kupper提到了当今cpu和芯片核心材料的最低功耗要求。例如，硅需要至少0.7 V来执行功能。他说:“芯片制造商正开始研究一些可以降低功耗的替代材料，但只要我们还在使用电子，我们就只能走到这一步。”
当然，更高的功能密度会导致更高的功耗。减轻由此产生的热量成为一个大问题。Kupper补充道:“通常情况下，想要小型嵌入式应用解决方案的客户不需要移动部件，并且需要在完全封闭的环境中放置。”控创在其“计算机模块”产品中应用了各种热管理解决方案。对于ETX板，解决方案包括热垫、散热板和散热器/风扇。对于基于risc的嵌入式计算机e2brain来说，所谓的“大脑帽”有助于散热，使模块更加坚固耐用。
赛普拉斯微系统公司的约翰说:“更密集的功能会对整个系统的功耗产生巨大的影响。”集成电路中最大的功耗来源之一是I/O结构，它将信息传递给电路板上的其他设备。他补充说:“更多的系统功能集成在更少的板载设备中，或者理想情况下集成在单个片上系统中，将降低整体系统功耗。”
Moxa科技公司的陈说:“小型化设计总是让主处理器满负荷处理。”它导致更高的工作温度，传统的解决方案试图通过在控制板上增加风扇或冷却系统来解决这个问题。但是，这在很多情况下是不可接受的。他说:“然而，为了缩小电路板设计，平衡热管理的最佳方法是使用低功耗处理器，如英特尔8051或RISC-CPU。
Moxa通过将NE-4000系列嵌入式设备网络板的功耗控制在1.5 W以下来解决热管理问题。这些包括NE-4000T串行(TTL)到10M以太网插入模块;NE-4100T串行(TTL)到10/100M自传感以太网26引脚插入模块;NE-4120S/A, RS-232/422/485转10/100M自感知以太网组网板。这些电路板减轻了用户对过热，可靠性和产品寿命的担忧。
将人工操作员连接到控制系统提出了另一个关键的I/O功能。MEN Micro的Godsey指出，不管电子元件缩小到多小，这总是限制了整个系统的尺寸。例如，显示必须是操作符可读的;还有开关、按钮、触摸屏等，需要操作者与系统进行交互，扩大了硬件占地面积。他总结道:“最终，这些平凡但必要的因素将为整个系统的小型化程度设定一个底线。”
在线额外
集成系统模块vs.开放式总线系统。
在向更高集成度迈进的过程中，专家们注意到控制行业的进一步趋势，即用高度集成的系统模块、片上系统(soc)和越来越小的印刷电路板组件取代开放总线系统。MEN Micro公司与开放式总线系统消亡的预测不同。
MEN Micro总裁Ernest Godsey P.E.表示:“我们相信开放总线和离散解决方案将继续占有一席之地，但这种地位将被推向更高端的应用，在这些应用中，计算带宽和大量I/O通道只能通过开放总线系统来实现。”他认为，随着时间的推移，基于soc和开放总线的解决方案将变得更加强大(而且更便宜)。
“随着时间的推移，soc将成为更多现有应用的可行解决方案，”Godsey补充道。“开放式公交系统不会消失，但它们将被迫进入食物链的上游。”它们将服务于更新的高端应用程序，这些应用程序可能无法用当今的任何技术实现。
区分“系统元件”和标准电子元件
Robert Burckle，副总裁WinSystems他指出，熟练工程师的短缺正迫使企业从专有的内部设计转向嵌入式个人电脑和用作系统组件的PC/104模块。它能让你更专注于核心竞争力。他强调标准电子元件和系统元件之间是有区别的。开发人员越来越依赖后者作为实现这一转变的关键。
Burckle解释说，标准组件是那些熟悉的有源器件，如集成电路、微处理器、存储器、二极管、晶体管等，以及“无源”器件，如电阻、电容器和电感。“它们是安装在电路板上的基本元素，用于定制特定应用的设计。”相比之下，系统组件具有安装在为特定任务配置的电路板上的有源和无源部件。系统组件既可以是单一功能模块，也可以是多功能模块，作为系统的高度集成的构建块。他说:“一个系统组件可以像数字I/O板一样简单，也可以像计算机一样复杂，视频、内存、网络和I/O点都在一块板上。”“最终结果是，控制工程师可以选择一个标准平台来解决非标准世界中的问题。”
全面小型化
更小的封装中的更多功能正在向更广泛的嵌入式控制组件扩展。
Analog Devices Inc. (ADI)最近推出了其第一批成员纳米DAC系列数模(D/A)转换器，为空间有限的应用提供非常紧凑的尺寸和低功耗。ADI公司表示，最小的器件AD5641比同类器件占用的电路板面积少70%，功耗低80%。它提供14位的分辨率和“保证单调行为”，最大功耗为100
尺寸和性能源于ADI的设计和包装方法-两者都获得了专利。“分段串”结构提供了精度，显著节省了模具尺寸，而先进的芯片导联式模具组装技术最大限度地提高了封装腔尺寸，实现了最小的电路板占地面积。
该系列的其他低分辨率器件ad5621(12位)、AD5611(10位)和AD5601(8位)为不需要最高性能的应用提供了替代方案。这些设备目前正处于样品阶段，预计2004年12月开始批量生产。
微小的光耦合器
除了占地面积小(3.5 x 3.5毫米)和低轮廓(最大1.20毫米)。安装高度)，仙童半导体的新型FODB100微耦合器具有-40至125°C的宽温度范围，适用于工业和消费应用。这种表面贴装器件被称为第一个单通道光耦合器，其晶体管输出封装在球栅阵列(BGA)封装中。
据Fairchild介绍，微耦合器是为电力系统反馈电路中的电压隔离而设计的，也可用于高压、电噪声环境中的信号隔离。它的特点是2500伏rms隔离一秒钟和“高电流传输比在低输入电流水平。“FODB100现已上市，交货时间为8周。
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