在工業(yè) 4.0 加速推進(jìn)的背景下，定制化嵌入式工業(yè)平板電腦憑借靈活適配性與穩(wěn)定性能，成為工業(yè)自動(dòng)化、智能監(jiān)控等場(chǎng)景的核心設(shè)備。然而，工業(yè)環(huán)境中設(shè)備常需長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，部分場(chǎng)景下甚至依賴電池供電，這使得低功耗技術(shù)成為保障設(shè)備續(xù)航、降低能耗的關(guān)鍵。如何在滿足高性能運(yùn)算需求的同時(shí)，最大限度降低功耗，已成為定制化嵌入式工業(yè)平板電腦研發(fā)與應(yīng)用的重要課題。

一、硬件層面：從核心組件到系統(tǒng)架構(gòu)的深度優(yōu)化

處理器作為平板電腦的運(yùn)算核心，其功耗水平直接影響整體能耗。在定制化設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)先選擇低功耗架構(gòu)的處理器，如 ARM 架構(gòu)芯片。以瑞芯微 RK3568 為例，采用臺(tái)積電 22nm 工藝制程，在保證多核心高效運(yùn)算的同時(shí)，通過動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)整（DVFS）技術(shù)，可根據(jù)負(fù)載自動(dòng)調(diào)節(jié)電壓與頻率，將功耗控制在較低水平。在存儲(chǔ)模塊方面，選用低功耗的 LPDDR 內(nèi)存和 eMMC 存儲(chǔ)芯片，相較于傳統(tǒng)組件，能減少 20%-30% 的能耗。同時(shí)，合理規(guī)劃主板布局，縮短信號(hào)傳輸路徑，降低信號(hào)傳輸過程中的能量損耗。

顯示屏幕是平板電腦的耗能大戶，工業(yè)場(chǎng)景中常需高亮度、高分辨率屏幕以滿足復(fù)雜環(huán)境下的顯示需求，這無疑加劇了功耗問題。為此，可采用新型顯示技術(shù)，如 AMOLED 屏幕，其具備自發(fā)光特性，黑色像素點(diǎn)不發(fā)光，相比 LCD 屏幕能大幅降低功耗。在屏幕背光設(shè)計(jì)上，采用動(dòng)態(tài)背光調(diào)節(jié)技術(shù)，根據(jù)顯示內(nèi)容實(shí)時(shí)調(diào)整背光燈亮度，避免全亮度顯示帶來的能源浪費(fèi)。例如，在顯示大面積黑色背景時(shí)，背光燈亮度自動(dòng)降低，從而減少能耗。

外設(shè)接口的使用狀態(tài)同樣影響著設(shè)備功耗。工業(yè)平板電腦往往配備多種接口，如 USB、以太網(wǎng)、串口等，但在實(shí)際應(yīng)用中，并非所有接口都需持續(xù)工作。通過設(shè)計(jì)智能接口管理電路，可對(duì)接口進(jìn)行動(dòng)態(tài)供電控制。當(dāng)某一接口長(zhǎng)時(shí)間無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，自動(dòng)切斷該接口電源，待有數(shù)據(jù)交互需求時(shí)再恢復(fù)供電，以此降低不必要的功耗。

二、軟件層面：智能調(diào)度與精準(zhǔn)控制的協(xié)同作用

操作系統(tǒng)是管理硬件資源、調(diào)度軟件任務(wù)的核心，其對(duì)功耗的優(yōu)化能力至關(guān)重要。選擇具備低功耗管理功能的操作系統(tǒng)，如 Linux 系統(tǒng)，可通過內(nèi)核優(yōu)化和電源管理模塊定制，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件資源的精細(xì)化控制。例如，利用 Linux 的 cpufrequtils 工具，可根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)整 CPU 頻率，在輕負(fù)載時(shí)降低頻率，減少能耗；在高負(fù)載時(shí)提升頻率，保障運(yùn)算性能。此外，對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行裁剪，去除不必要的服務(wù)和功能，既能減少系統(tǒng)資源占用，又能降低運(yùn)行功耗。

在應(yīng)用程序開發(fā)階段，遵循低功耗設(shè)計(jì)原則，避免編寫高資源消耗的代碼。合理規(guī)劃程序的執(zhí)行周期，采用異步處理和事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制，減少程序不必要的運(yùn)行時(shí)間。例如，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求不高的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，可設(shè)置較長(zhǎng)的采樣間隔，在保證數(shù)據(jù)有效性的前提下，降低處理器的運(yùn)算負(fù)荷。同時(shí)，優(yōu)化算法邏輯，采用高效的數(shù)據(jù)處理算法，減少數(shù)據(jù)處理過程中的計(jì)算量，從而降低功耗。

軟件層面的智能電源管理策略不可或缺。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和電量信息，動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)備的工作模式。當(dāng)設(shè)備電量較低時(shí)，自動(dòng)切換至節(jié)能模式，降低屏幕亮度、關(guān)閉非必要的外設(shè)和服務(wù)，延長(zhǎng)設(shè)備續(xù)航時(shí)間。此外，還可根據(jù)設(shè)備的使用場(chǎng)景，預(yù)設(shè)不同的功耗管理方案。如在設(shè)備處于閑置狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入深度睡眠模式，僅保留關(guān)鍵監(jiān)測(cè)功能，最大限度降低能耗。

三、電源管理系統(tǒng)：能量高效利用的保障

高效的電源管理系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)低功耗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。采用先進(jìn)的電源轉(zhuǎn)換芯片，如具有高轉(zhuǎn)換效率的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，能將電源轉(zhuǎn)換過程中的能量損耗降至最低。例如，部分 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率可達(dá) 95% 以上，相比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器大幅提升了能源利用率。同時(shí)，合理設(shè)計(jì)電源電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，減少電源路徑中的阻抗，降低線路損耗。

電池作為移動(dòng)場(chǎng)景下工業(yè)平板電腦的主要能源，其性能與管理方式直接影響設(shè)備續(xù)航。選擇高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命的電池，如鋰電池，為設(shè)備提供持久動(dòng)力。在電池管理系統(tǒng)（BMS）設(shè)計(jì)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)與保護(hù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)，避免過充、過放、過熱等情況發(fā)生，延長(zhǎng)電池使用壽命。此外，采用智能充電策略，根據(jù)電池狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整充電電流和電壓，在保證充電速度的同時(shí)，降低充電過程中的能耗。

能量回收技術(shù)為低功耗設(shè)計(jì)開辟了新路徑。在工業(yè)平板電腦的使用過程中，部分能量以熱能、動(dòng)能等形式散失，通過能量回收裝置，可將這些散失的能量轉(zhuǎn)化為電能重新利用。例如，利用溫差發(fā)電片，將設(shè)備運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)化為電能；在設(shè)備移動(dòng)過程中，通過壓電材料將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。雖然目前能量回收技術(shù)的轉(zhuǎn)化效率有待提高，但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，其在低功耗領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。

定制化嵌入式工業(yè)平板電腦的低功耗技術(shù)是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要從硬件、軟件和電源管理等多個(gè)層面協(xié)同發(fā)力。通過硬件組件的優(yōu)化選型、軟件系統(tǒng)的智能調(diào)度以及高效電源管理系統(tǒng)的構(gòu)建，能夠在保障設(shè)備性能的前提下，有效降低功耗，滿足工業(yè)場(chǎng)景對(duì)設(shè)備續(xù)航和能源效率的嚴(yán)格要求。隨著技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新，低功耗技術(shù)將不斷突破，為定制化嵌入式工業(yè)平板電腦在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供更堅(jiān)實(shí)的支撐。

審核編輯 黃宇