工业边缘实时自动化技术（工业边缘实时自动化设备）

一座新建机场曾花费2亿多美元建设行李处理系统，但由于系统故障，不得不彻底废弃并重建。当时，业界传言称，故障是由于系统使用了用于计算的高级操作系统（OS）而不是用于工业自动化的实时操作系统（RTOS）造成的。

最终结果表明，故障是由其他决定因素引起的，但操作系统故障的假设仍然成立。高级操作系统的作用是最大化计算吞吐量，而实时操作系统（RTOS）的作用是减少延迟。在机场环境中，重要的不是行李系统每小时能计数多少件行李，而是能否在行李到达传送带末端之前切换到正确的行李转盘，因此任务的及时性至关重要。高级操作系统是用于计算的，而实时操作系统是用于计时的。

当既需要先进操作系统提供的丰富的运行环境，又需要实时操作系统的及时性时，系统建设就变得更具挑战性。工业公司正在逐渐将实时系统的运营技术(OT) 与计算系统的信息技术(IT) 相结合。我在之前关于时间敏感网络(TSN) 和Layerscape LS1028A 处理器中内置TSN 以太网支持的博客文章中讨论了这种融合。 NXP 随后向i.MX 应用处理器添加了TSN 支持。为了解决类似的处理融合问题，恩智浦提供了实时边缘软件，为Linux 内核添加了实时扩展和Jailhouse 虚拟机管理程序选项。该软件是下一代OpenIL。

恩智浦实时边缘软件

如上所述，工业自动化系统可能需要与其他任务同时执行时间敏感的任务。不同的硬件（例如微处理器和微控制器）用于处理这两类任务。然而，理想的情况是在同一处理器上同时执行这些操作，而不会降低实时性能。商用软件可以满足这些要求。然而，随着工业系统开发人员希望在交叉兼容平台上部署控制系统以降低成本、简化维护并利用不断扩大的开源代码市场来满足未来需求，企业越来越希望采用开放、灵活、安全和可扩展的控制系统系统架构。

我们致力于满足工业客户不断增长的需求，为此我们最近宣布将大规模提供实时边缘软件。借助该软件，我们的客户可以在实时开源Linux 操作系统上构建实时应用程序。原始设备制造商（OEM）青睐Linux操作系统有多种原因：一方面，该操作系统是开放的并拥有广泛的社区支持，另一方面，公司希望减少技术专有性。恩智浦实时边缘软件为开发人员提供了所需的选择，让他们能够灵活地实现这些目标，同时保持应用程序正常工作所需的低延迟和高可靠性。

恩智浦的实时边缘软件为需要确定性延迟和高可靠性的应用程序提供了安全、开源、实时的Linux 环境，以实现高效、容错的自动化工业控制系统。典型应用包括工业物联网(IIoT) 或工业4.0 系统、运动控制、楼宇自动化、专业音频和汽车/航空信息娱乐系统。

NXP的实时边缘软件包含三个重要组件：实时系统、通信协议和TSN，如图1所示。下面详细介绍。该软件支持许多开箱即用的NXP i.MX 和Layerscape 参考设计板。这些参考设计板集成了工业设备使用的各种接口，可以直接有效地评估NXP SoC 的功能和软件支持。恩智浦技术还有助于开发符合IEEE/IEC60802 或其他规范的系统。基于OpenIL，恩智浦在Yocto构建系统中提供了实时边缘软件的版本，该版本与恩智浦基于Yocto的标准Linux SDK一起使用。

图1：实时边缘软件系统框图

实时系统

实时系统是一种灵活的异构架构，允许用户选择使用Linux实时操作系统、Jailhouse（允许不同操作系统同时运行在不同内核上）、在裸机上运行应用程序（如u-boot类似框架），或上述方法的组合。借助此架构，用户可以继续在Jailhouse 中运行他们选择的实时操作系统(RTOS) 版本及其应用程序，并计划过渡到Linux RTOS 或裸机框架，而不会中断当前的部署计划。

协议书

实时边缘软件支持常见的工业通信协议，例如EtherCAT、FlexCAN、CANopen、OPC UA 和Modbus。这些协议有助于互连工业控制系统中的系统、接口和仪器等各种节点。 [有关OPC UA 以及如何在工业4.0 中使用TSN 的更多信息，请参阅NXP 白皮书。 ] 这些协议为在网络上执行确定性和有时限的实时任务带来了独特的优势，并使控制系统能够高效且经济高效地运行。

恩智浦的实时边缘软件还支持Zigbee、BLE、NFC和最新Wi-Fi标准等低功耗无线通信协议，为用户提供广泛的连接选项，以满足其各种终端应用需求。此外，恩智浦还提供广泛的无线产品组合，以补充我们的微处理器和微控制器产品组合，详细信息请访问nxp.com/wireless。

时间敏感网络

IEEE 定义了时间敏感网络，为工业应用提供确定性以太网。恩智浦支持TSN 的SoC 可帮助客户构建符合IEEE/IEC60802 或其他TSN 规范的系统。实时边缘软件集成了TSN协议，可以为符合TSN规范的各种实时应用提供高可靠性、低冗余、确定性低延迟和资源管理能力。

下面的图2 显示了TSN 如何与精确时间协议(PTP/IEEE1588v2) 配合使用，通过为网络上的每个节点保留时间窗口来发送时间敏感数据，从而消除以太网上的带宽争用。

图2：以太网TSN 红色实线表示每个节点在不竞争带宽的情况下进行通信的预留时间窗口。

结论

总而言之，恩智浦的实时边缘软件支持异构操作系统架构、一系列工业协议和以太网TSN。它为用户提供更多选择和灵活性，以经济高效地实施开放、安全、可靠和可扩展的工业自动化控制系统。该软件基于恩智浦的Linux SDK 构建，补充了恩智浦广泛的微控制器、微处理器和无线产品组合。如果企业想要参与工业4.0，并计划通过工业设备的智能化以及IT和OT的融合来实现工厂的现代化，这款软件将带来很多好处。此外，专业的机场行李运输公司也可以从中受益。

审稿编辑：郭婷