Tài liệu Ứng dụng máy tính nhúng trong công nghiệp pot

Ứng dụng máy tính nhúng trong
công nghiệp
Có thể khẳng định mọi người đều biết máy tính là gì. Song rất nhiều người không thể
phân biệt được sự khác nhau giữa một máy tính đa dụng với một máy tính nhúng. Máy
tính đa dụng như PC văn phòng điển hình được sử dụng để chạy hàng loạt chương trình
và ứng dụng.
Thí dụ, rất nhiều người trong chúng ta đã từng sử dụng phần mềm xử lí văn bản Word,
các chương trình bảng tính, các tiện ích của email hay hàng nghìn trò chơi máy tính có
trên thị trường. Trong khi đó, máy tính nhúng được thiết kế để thực hiện một ứng dụng cụ
thể như giám sát cửa an ninh, báo cáo tình trạng của cảm biến cho một hệ thống điều
khiển hay quản lí đèn giao thông tại chỗ giao nhau đông người qua lại.

Có hai ưu điểm khi sử dụng máy tính nhúng. Đầu tiên là giảm thiểu được chi phí. Thứ hai
là chúng dễ dàng triển khai. Trên thực tế, cả hai ưu điểm đó đều liên quan đến kích thước
của máy tính nhúng. Do máy tính nhúng thường nhỏ hơn nhiều so với máy tính có đa
dụng, và không cần phải mua một màn hình, bàn phím, chuột nên chi phí ít hơn cho một
hệ thống máy tính đa dụng. Kích thước giảm đi cũng giúp triển khai các máy tính nhúng
một số lượng lớn các địa điểm từ xa một cách dễ dàng hơn.
Địa điểm cho ứng dụng của bạn có thể có tác động lớn đến loại thiết bị mà bạn mua, và
điều này cũng đúng đối với máy tính nhúng. Một ví dụ đơn giản là ứng dụng cửa ra vào.
Nếu lối vào là một cánh cửa nằm bên trong một tòa nhà có điều hòa, máy tính nhúng chỉ
cần hoạt động tin cậy trong một dải nhiệt độ hẹp và độ ẩm tương đối thấp. Ngược lại, nếu
lối vào nằm ở ngoài trời, bạn có thể cần phải sử dụng một máy tính nhúng đảm bảo hoạt
động tin cậy trong nhiệt độ cực lạnh (ví dụ, thấp -35°C), và nhiệt độ cực nóng (ví dụ như
cao +70°C).
Đối với các ứng dụng nhúng liên quan đến điều kiện môi trường khắc nghiệt, bạn nên sử
dụng máy tính nhúng đáp ứng các tiêu chuẩn sau đây:
l Truy cập luôn sẵn sàng: Một thiết kế vững chắc và khả năng quản lí từ xa là một điều
bắt buộc nhằm giảm thiểu chi phí bảo dưỡng và đảm bảo máy tính nhúng hoạt động một
cách tin cậy.
l Truyền thông tin cậy: Đối với các ứng dụng đòi hỏi một kiến trúc hệ thống phân tán,

phải đảm bảo sử dụng máy tính nhúng đem đến lựa chọn các giao diện và hỗ trợ các giao
thức truyền thông bảo mật.
l Phù hợp với môi trường khắc nghiệt: Rất nhiều các ứng dụng công nghiệp cần đến hệ số
hình dạng tiêu chuẩn DIN-rail và hỗ trợ nhiệt độ hoạt động rộng. Đối với các bus và thiết
bị lắp đặt trên máy với các bộ phận chuyển động, cần phải xem xét đến khả năng chống
rung.
l Lựa chọn mở rộng linh hoạt: Máy tính nhúng với nhiều khe mở rộng, nhiều lựa chọn bộ
nhớ và cổng giao tiếp đem lại cho nhà tích hợp hệ thống nhiều lựa chọn hơn khi thiết kế
một hệ thống mới và khi tái sử dụng thiết bị hiện có cho các ứng dụng khác.
l Quản lí hiệu quả: Có khả năng lắp đặt máy tính nhúng nhanh chóng và dễ dàng là điều
cần thiết khi giải quyết vấn đề của các hệ thống lớn. Ngoài ra, khả năng quản lí từ xa giúp
nâng cao độ tin cậy của hệ thống và giúp dễ dàng cấu hình cũng như cập nhật vi chương
trình và phần mềm.
Hướng đến sự linh hoạt cao hơn
Mặc dù các máy tính nhúng không đòi hỏi một màn hình, bàn phím và chuột nhưng
chúng vẫn cần đến các phương tiện giao tiếp với các thiết bị khác trong hệ thống. Ở mức
tối thiểu thì máy tính cũng cần có một hoặc 2 cổng serial để kết nối với các thiết bị ngoài.
Tuy nhiên, đối với máy tính nhúng là một thành phần tồn tại độc lập trong một hệ thống
điều khiển hiện đại, nó cũng cần có khả năng kết nối với nhiều loại giao thức khác:
l Serial (SCI): RS-232, RS-422, và RS-485 là những giao thức serial tiêu chuẩn cho các
ứng dụng công nghiệp.
l Bus Serial đa năng (USB): Mặc dù RS-232/422/485 vẫn là tiêu chuẩn cho các ứng dụng
công nghiệp, tuy nhiên USB đang bắt đầu xâm nhập thị trường.
l Kết nối mạng: Ethernet giờ đây đang phổ biến ở môi trường văn phòng và nhà ở, đang
được sử dụng ngày càng nhiều hơn trong các hệ thống công nghiệp. Ngoài ra, một số ứng
dụng công nghiệp sử dụng giao thức CAN (Control Area Network).
l IO rời rạc: Các hệ thống điều khiển diện rộng ứng dụng rộng rãi công nghệ General
Purpose Input/Output (GPIO).
l Chuyển từ Analog sang Digital/Digital sang Analog (ADC/DAC): Khả năng chuyển đổi
tín hiệu analog sang tín hiệu số và ngược lại là một yêu cầu đối với nhiều ứng dụng công

nghiệp.
l Giao thức truyền thông không dây: Các ứng dụng công nghiệp trong hệ thống khó kết
nối dây có thể phù hợp với việc sử dụng kết nối không dây để truyền dữ liệu qua mạng.
Máy tính nhúng cho môi trường khắc nghiệt

Trái ngược với môi trường văn phòng an toàn, nhiệt độ ổn định, các ứng dụng trong môi
trường khắc nghiệt cần đến thiết bị có thiết kế cứng vững. Máy tính nhúng của bạn cần
đến một vỏ bọc kim loại chắc chắn và nhỏ gọn, sử dụng ít cáp (nếu có), và không sử dụng
các bộ phận chuyển động như ổ cứng và quạt làm mát. Đặc biệt, ổ cứng thường bị xước
hoặc hỏng làm cho việc sử dụng bộ nhớ flash trở thành một lựa chọn lí tưởng. Bên cạnh
đó, khả năng chống rung và sốc có thể nâng cao độ ổn định của hệ thống được sử dụng
trên xe bus, tàu hỏa, xe tải và các vật thể chuyển động.
Thiết kế dải nhiệt độ rộng
Thiết kế nhiệt độ hoạt động rộng là một nhân tố quan trọng đối với các ứng dụng trong
một trường khắc nghiệt, ngoài trời, do nhiệt độ có thể dao động từ thấp -35°C đến cao
+70°C. Vì lí do này, bạn nên chọn các máy tính nhúng được làm từ các cấu kiện chất
lượng cao sinh ra ít nhiệt và thời gian máy hoạt động giữa hai lần bị hư hỏng dài. Nếu
bạn có băn khoăn về tính năng của máy tính để hoạt động tin cậy trong môi trường nhiệt
độ nóng và lạnh, bạn nên yêu cầu nhà sản xuất cung cấp cho bạn tài liệu xác minh và các
chứng nhận liên quan.
Bảo vệ cách ly
Thiết bị điện tử có thể được hưởng lợi từ việc sử dụng công nghệ cách li quang học để
bảo vệ vòng tiếp đất và các tác nhân gây nhiễu điện khác. Công cụ cách li này hoạt động
bằng cách chuyển đổi tín hiệu điện sang ánh sáng, tín hiệu mà được truyền qua một khe
hở nhỏ trong các thiết bị điện tử. Khi tín hiệu ánh sáng đến mặt bên kia của khe hở, nó
được chuyển đổi trở lại thành tín hiệu điện. Khe hở được tạo ra trong mạch điện tử
thường được đặt giữa bộ truyền và bộ nhận.
Một vấn đề thường xảy ra với nhiều ứng dụng RS-485 là dòng điện vòng tiếp đất chạy
qua dây ngầm khi mức điện áp dây nguội khác nhau giữa các thiết bị được kết nối. Để
loại bỏ vấn đề này, một số sản phẩm RS-485 cần có mức bảo vệ cách li quang tới 2 KV.

Nếu mạng RS-485 bao phủ một khoảng cách tương đối lớn, bảo vệ cách giữ cho các bộ
phận giao tiếp của thiết bị RS-485 được khô ráo. Bạn nên tìm những sản phẩm cung cấp
bảo vệ cách li quang ít nhất là 2 KV.
Thân thiện với người sử dụng

Đối với vấn đề thời gian tung ra thị trường, máy tính nhúng cần nhiều hơn như chỉ là một
hộp ổ cứng cần cài đặt và cấu hình mở rộng. Tìm những tính năng quan trọng sau đây khi
quyết định mua loại máy tính nhúng nào cho ứng dụng công nghiệp của bạn:
l Hệ điều hành sẵn sàng hoạt động: Hầu hết các nhà tích hợp hệ thống và những người sử
dụng máy tính nhúng khác đều tìm những máy tính với hệ điều hành, drivers, các hệ
thống file và các ứng dụng thông thường như Open VPN hay IPsec VPN được cài sẵn.
l Chuyển đổi giao thức: máy tính nhúng phải thường kết nối được với nhiều thiết bị
không thường xuyên sử dụng cùng giao thức truyền thông. Vì lí do này, bạn nên tìm các
nhà cung cấp phần mềm chuyển đổi giao thức tiện lợi để làm thuận tiện nhiệm vụ truyền
dữ liệu qua lại giữa các thiết bị khác nhau.
l Truy cập từ xa: Người quản lí của nhiều hệ thống hiện nay vẫn còn phải đối mặt với
thách thức của việc cần phải gửi kỹ sư tại hiện trường tới quản lí máy tính nhúng của
mình. Một cách đơn giản để biến thách thức này thành memorable dream là sử dụng máy
tính nhúng có thể truy cập từ xa qua Ethernet hay mạng tế bào. Ngoài ra, các công cụ
quản lí thiết bị online hiệu quả có thể tiết kiệm hàng giờ của kỹ sư.
Trong bài này, chúng tôi đã giải thích sự khác nhau cơ bản giữa máy tính đa dụng và máy
tính nhúng, và nhấn mạnh đặc điểm mà máy tính nhúng cần có khi được sử dụng trong
các ứng dụng công nghiệp. Đặc điểm quan trọng nhất là:
l Thiết kế dải nhiệt độ rộng
l Bảo vệ cách li
l Thân thiện với người sử dụng
l Hệ điều chạy sẵn sàng hoạt động
l Phần mềm chuyển đổi giao thức giao tiếp q