Tài liệu Ứng dụng máy tính nhúng trong công nghiệp pdf

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