Hệ thống nhúng và các ứng dụng thời gian thực của nó

Hệ thống nhúng và các ứng dụng thời gian thực của nó

(Cơ điện tử Việt Nam) Hệ thống nhúng là một trong những lĩnh vực phát triển nhất trong kỹ thuật điện. Hàng ngàn kỹ sư hệ thống nhúng đang làm việc trên các dự án hệ thống nhúng khác nhau mỗi ngày và họ đang sản xuất ngày càng nhiều công nghệ sáng tạo hơn cho thế giới này. 

Hệ thống nhúng được sử dụng trong nhiều ứng dụng bắt đầu từ ứng dụng với nước đến ứng dụng công nghiệp, thiết bị y tế, Điện thoại di động, xe đua, điện thoại thông minh, hệ thống nhà thông minh, máy ảnh kỹ thuật số, điều khiển tự động máy công nghiệp, TV thông minh và hầu hết mọi thứ trong gia đình, văn phòng, công nghiệp, máy bay đều có ứng dụng hệ thống nhúng. Tất cả các thiết bị này đều có máy tính nhúng trong đó. Máy tính này đang sử dụng ngôn ngữ lập trình. Chủ yếu là hệ điều hành Linux đang chạy trên các máy tính này.

Hệ thống nhúng là gì?

Hệ thống nhúng như tên gọi của nó có nghĩa là nhúng một cái gì đó vào hệ thống. Trong hệ thống nhúng, một máy tính được nhúng vào hệ thống để thực hiện nhiệm vụ cụ thể. Hệ thống nhúng được xây dựng với mục đích đặc biệt cho các ứng dụng cụ thể. Ví dụ trong máy ảnh kỹ thuật số, một máy tính siêu nhỏ được nhúng vào đó. Mục đích của máy vi tính trong máy ảnh kỹ thuật số là chụp ảnh và một số chức năng khác để điều khiển đã được nhúng trong máy vi tính dưới dạng hướng dẫn lập trình. 

Một số máy tính nhúng có chạy hệ điều hành Linux để thực hiện các tác vụ cụ thể, hệ thống nhúng có mục đích khác nhau cho những người khác nhau, ví dụ ai đó muốn điều khiển tốc độ của động cơ một chiều thông qua vi điều khiển, nó cũng là một hệ thống nhúng đơn giản nhất và người khác muốn tạo ra điện thoại thông minh có bộ xử lý nhúng bên trong. Vì vậy, nó có các ứng dụng khác nhau cho những người khác nhau. 

Tổng quan chính về kiến ​​trúc hệ thống nhúng được đưa ra dưới đây:

Hệ thống nhúng và các ứng dụng thời gian thực của nó

Khối xây dựng cơ bản của hệ thống nhúng

Máy tính hệ thống nhúng:

Hệ thống nhúng nói chung là một máy tính nhưng các chức năng của nó ít hơn các máy tính đa năng, bởi vì nó chỉ phải thực hiện các nhiệm vụ cụ thể. Máy tính hệ thống nhúng có CPU chạy với tốc độ chậm hơn so với máy tính đa năng để tiết kiệm điện năng. Nó có ít bộ nhớ hơn và bộ xử lý cũng chạy ở tốc độ thấp hơn so với các máy tính đa năng. Khác với hệ thống nhúng này có một phần mềm chạy bên trong nó. Phát triển phần mềm nhúng cũng là một phần chính của phát triển hệ thống nhúng, một số hệ thống nhúng chỉ sử dụng ngôn ngữ lập trình C và C ++ và một số hệ thống nhúng Linux được sử dụng, điều đó có nghĩa là chúng có hệ điều hành Linux đang chạy trên chúng.

Vì vậy hệ thống nhúng sử dụng cả phần cứng và phần mềm để điều khiển và giám sát hoạt động trên nhiều thiết bị. Cả phần cứng và phần mềm đều là phần chính của các dự án hệ thống nhúng.

Các thành phần phần cứng:

Như tôi đã đề cập ở trên, hệ thống nhúng bao gồm cả phần cứng và phần mềm. Hệ thống nhúng có các thành phần phần cứng sau:

  • Bộ xử lý trung tâm hoặc bộ vi điều khiển.
  • Mạch cung cấp điện
  • Giao diện mạch như cảm biến, màn hình tinh thể lỏng.
  • Bộ nhớ ROM và RAM
  • Hẹn giờ
  • Mạch đầu vào
  • mạch đầu ra
  • Thiết bị giao tiếp nối tiếp

Bộ xử lý trung tâm hoặc bộ xử lý / vi điều khiển:

Khối xử lý trung tâm là thành phần chính của hệ thống nhúng. Nó giống như một bộ não của hệ thống, nó được lập trình với sự trợ giúp của các ngôn ngữ lập trình để thực hiện các tác vụ cụ thể. Khối xử lý trung tâm là một chip tích hợp trên máy tính. Nó chứa đơn vị logic số học, đồng hồ thời gian thực, bộ đếm chương trình, các cổng nối tiếp, ngắt bên trong và ngắt bên ngoài, nó không thể làm bất cứ điều gì một mình. Các thiết bị ngoại vi khác cũng được kết nối với bộ xử lý. Bộ vi xử lý cũng có các thành phần sau được đính kèm với nó.

Hệ thống nhúng và các ứng dụng thời gian thực của nó

  • RAM
  • ROM
  • TIMERS
  • Cổng giao tiếp nối tiếp
  • Cổng đầu vào / đầu ra

Mặt khác vi điều khiển là máy tính tích hợp chip đơn. Nó được tích hợp sẵn RAM, ROM, bộ hẹn giờ, cổng vào / ra. các cổng giao tiếp nối tiếp, bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số, bộ đếm và bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự giúp chúng sẵn sàng sử dụng máy tính tích hợp chip đơn. Bộ vi điều khiển có thể dễ dàng giao tiếp với các cảm biến và mạch giao tiếp khác do tích hợp các cổng đầu vào / đầu ra, sau đây là các dòng vi điều khiển nổi tiếng.

Hệ thống nhúng và các ứng dụng thời gian thực của nó

  • Bộ vi điều khiển PIC Microchip
  • Bộ vi điều khiển ARM
  • Bộ vi điều khiển AVR
  • Bộ vi điều khiển MSP
  • Bộ vi điều khiển Motorola
  • Bộ vi điều khiển intel 8051

Bộ vi điều khiển có chi phí thấp, bộ nhớ nhỏ, tốc độ chậm và tiêu thụ điện năng thấp so với bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số. Bộ vi điều khiển có thể dễ dàng giao tiếp với các cảm biến tương tự và kỹ thuật số để điều khiển và giám sát dữ liệu, để truyền dữ liệu.

Các thành phần phần mềm hệ thống được nhúng:

Các nhà phát triển phần mềm nhúng cũng là một phần chính của phát triển hệ thống nhúng. Nếu phần cứng là cơ thể của hệ thống nhúng, thì phần mềm là linh hồn của hệ thống nhúng, nhiều ngôn ngữ lập trình được sử dụng để phát triển hệ thống nhúng. Trong các dự án dựa trên vi điều khiển, ngôn ngữ lập trình C được sử dụng hầu hết, nhiều ngôn ngữ đã được phát triển cho hệ thống nhúng và mỗi ngôn ngữ lập trình có thể hữu ích hơn cho một ứng dụng cụ thể. Nói cách khác, một ngôn ngữ có thể hữu ích cho các dự án dựa trên điều khiển và giám sát và nó có thể không hữu ích cho các dự án hệ thống nhúng dựa trên xử lý đơn lẻ và điều hòa. Các ngôn ngữ lập trình sau được sử dụng để phát triển hệ thống nhúng.

  • Ngôn ngữ phần cứng (HDL và VHDL)
  • Ngôn ngữ phần mềm (C, C ++, JAVA, Andriod, Linux)
  • Ngôn ngữ Data flow
  • Ngôn ngữ Hybrid

Mạch hệ thống nhúng giao tiếp với thế giới vật lý:

Hệ thống nhúng giao tiếp với môi trường bên ngoài thông qua cảm biến và đầu dò, cảm biến có thể là loại tương tự hoặc kỹ thuật số. Như bạn đã biết, máy vi tính chỉ có thể hiểu các giá trị kỹ thuật số, bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số được sử dụng để giao tiếp cảm biến tương tự với bộ xử lý hệ thống nhúng và bộ vi điều khiển. Nhiều bộ vi điều khiển đã tích hợp sẵn bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số và bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự. Ví dụ trong hệ thống nhúng giám sát từ xa, bạn cần giao diện cảm biến nhiệt độ, cảm biến ánh sáng, cảm biến độ ẩm và các cảm biến khác để hiển trị các giá trị của nó, tất cả các cảm biến này là cảm biến tương tự. Vì vậy, bạn phải cần một bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang kỹ thuật số, hệ thống nhúng cũng giao tiếp với các thiết bị bên ngoài bằng các tính năng sau:

  • Truyền thông nối tiếp
  • USB
  • Giao tiếp I2C
  • CAN (Mạng khu vực bộ điều khiển)
  • Ethernet
  • Máy chủ web
  • Cổng đầu vào / đầu ra kỹ thuật số và tương tự

Các loại hệ thống nhúng:

Hệ thống nhúng được phân thành hai nhóm dựa trên hiệu suất, yêu cầu chức năng. Theo cách sử dụng của bộ vi xử lý và vi điều khiển. Hệ thống nhúng có hai loại.

  • Dựa trên hiệu suất của vi điều khiển.
  • Dựa trên hiệu suất và yêu cầu chức năng.

Dựa trên hiệu suất của vi điều khiển, các hệ thống nhúng được phân loại thành ba nhóm:

  • Hệ thống nhúng quy mô nhỏ.
  • Hệ thống nhúng quy mô trung bình
  • Hệ thống nhúng quy mô lớn

Dựa trên hiệu suất và yêu cầu của dự án nhúng, các hệ thống nhúng được phân thành bốn nhóm:

  • Hệ thống nhúng thời gian thực
  • Stand alone
  • Networked
  • Phần mềm nhúng ứng dụng di động

Các ứng dụng của hệ thống nhúng:

Như tôi đã đề cập đến nhiều ví dụ về hệ thống nhúng ở đầu bài viết. Lĩnh vực nhúng có các ứng dụng to lớn trong lĩnh vực y tế, công nghiệp tự động hóa, điện thoại thông minh, Tv thông minh, Máy bay và nhiều lĩnh vực khác. Dưới đây là danh sách các dự án của hệ thống nhúng mới nhất được đưa ra:

  • Hệ thống điều khiển nhà thông qua giọng nói
  • Giám sát thời gian thực của điện để tiết kiệm khỏi trộm cắp
  • Hệ thống thanh toán năng lượng thông minh
  • Hệ thống giám sát lưới điện thông minh
  • Trạm lưới điện thông minh
  • Bảo vệ tai nạn trong thời gian thực sử dụng gsm
  • Hệ thống giám sát từ xa sử dụng vi điều khiển gsm và pic
  • Quản lý và hiển thị lưới điện thông minh

>>> Xem thêm: Hệ thống nhúng trên phương tiện vận tải

Cơ điện tử Việt Nam

1 Nhận xét

Mới hơn Cũ hơn