(Trang 20)
Sau khi học xong bài này, em sẽ:
- Mô tả được các đặc điểm của một dự án nghiên cứu thuộc lĩnh vực hệ thống nhúng.
- Liệt kê được các nội dung liên quan trong một dự án cụ thể thuộc lĩnh vực hệ thống nhúng.
Hãy quan sát Hình 4.1 và kể tên một số ứng dụng nổi bật của hệ thống nhúng trong đời sống
Hình 4.1
HỆ THỐNG NHÚNG
I - KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG NHÚNG
Khám phá
| Quan sát robot tự hành Hình 4.2 và cho biết vai trò của các module được sử dụng trên robot này. |
Hình 4.2. Một số thiết bị bên trong robot tự hành |
(Trang 21)
Hệ thống nhúng (Embedded systems) là các hệ thống tích hợp phần cứng và phần mềm được thiết kế cho một mục đích tinh toán và điều khiển cụ thể. Chúng thường được gắn (nhúng) bên trong một hệ thống lớn để thực hiện một chức năng nhất định mà không cần hoặc ít có sự can thiệp của con người. Ví dụ bộ mạch nằm ở trung tâm robot trên Hình 4.2 là một hệ thống nhúng, dùng để điều khiển robot tự động tránh vật cản dựa trên dữ liệu thu được từ các cảm biến siêu âm và hồng ngoại lắp ở mặt trước.
Thông tin bổ sung
| Ba thường chính để thực hiện các hệ thống nhúng hiện nay là: - Dựa trên vi điều khiển: đây là hướng phổ biến nhất do dễ thân thiện, độ linh hoạt cao, chi phí đầu tư ban đầu thấp, nhưng sản phẩm thường có hiệu lực tiêu thụ năng lượng cao hơn và thời gian đáp ứng chậm hơn so với các hưởng chuyên kích thước. - Dựa trên ASIC (Application Specific Integrated Circuit) – mạch tích hợp cho các ứng dụng chuyên biệt): mọi chức năng của hệ thống được thiết kế và thực hiện hoàn toàn bằng phần cứng. Do đó sản phẩm có kích thước nhỏ, tốc độ đáp ứng cao, tiêu thụ ít năng lượng, đồng thời có thể tạo hàng loạt với số lượng lớn. Tuy nhiên, nhược điểm của nó là chi phí đầu tư ban đầu cao và các chức năng của hệ thống không thể thay đổi được sau khi chế tạo. - Dựa trên FPGA (Field Programmable Gate Array – mảng logic lập trình được): cho phép cấu hình tính năng sản phẩm hoàn toàn trên phần cứng cũng như ASIC, nhưng sau khi hoàn thiện vẫn có thể sửa đổi, cập nhật tính năng mới thông qua lập trình bằng các ngôn ngữ mô tả phần cứng (Hardware Description Language - HDL). |
II - ĐẶC ĐIỂM VÀ CÁC NỘI DUNG LIÊN QUAN CỦA MỘT DỰ ÁN NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC HỆ THỐNG NHÚNG
1. Đặc điểm của các dự án nghiên cứu thuộc lĩnh vực hệ thống nhúng
Ngoài đặc điểm của các dự án nghiên cứu nói chung, các dự án nghiên cứu thuộc lĩnh vực hệ thống nhúng có những đặc điểm riêng sau đây:
- Tính phức tạp cao và đặc thù vì phải đáp ứng những rằng buộc khắt khe về xử lí thời gian thực, độ tin cậy cao, giá thành thấp.
- Phạm vi nghiên cứu rộng, có tính liên ngành vì người chuyên môn sâu về điện tử và lập trình, đội ngũ thực hiện dự án cần có kết hợp kiến thức và phương pháp trong các lĩnh vực ứng dụng của sản phẩm.
- Tích hợp phần cứng – phần mềm chặt chẽ vì hệ thống nhúng là một chỉnh thể thống nhất giữa phần cứng và phần mềm nên các dự án nghiên cứu trong lĩnh vực hệ thống nhúng thường có yêu cầu cấu tích hợp phần cứng – phần mềm ngay từ khâu thiết kế cho đến khâu thực thi và kiểm thử.
(Trang 22)
Kết nối năng lực
| Hãy tìm hiểu và phân tích tính liên ngành trong một dự án nghiên cứu ứng dụng hệ thống nhúng để tự động tưới cho cây dưa lưới. |
2. Dự án phát hiện người bấm chuông trước sử dụng hệ thống nhúng
Trong một cuộc thi có hai người chơi dùng nút bấm để giành quyền trả lời (Hình 4.3), làm thế nào để ứng dụng hệ thống nhúng vào thiết bị phát hiện người bấm chuông trước?
Hình 4.3. Hai người chơi bấm nút để giành quyền trả lời
a) Giới thiệu về dự án
Để xác định người chơi nào bấm chuông nhanh nhất người ta sử dụng thiết bị như Hình 4.4. Trong thiết bị này, tín hiệu từ nút bấm của mỗi người chơi sẽ được truyền về một hệ thống nhúng (nằm trong hộp điều khiển) để xác định người nào bấm nút sớm nhất và hiển thị kết quả bằng cách bật sáng đèn LED tương ứng. Sau đây, chúng ta sẽ tìm hiểu các nội dung liên quan trong một dự án nghiên cứu ứng dụng hệ thống nhúng nhằm phát triển một thiết bị như vậy.
Hình 4.4. Thiết bị xác định người bấm chuông trước trong các trò chơi
(Trang 23)
b) Các nội dung liên quan
Về phần cứng
- Nút bấm & chân: cấu tạo, cơ chế hoạt động, dạng tín hiệu của nút bấm.
- Mạch điện tử: Mạch khử nhiễu rung (debouncing) cho nút bấm.
- Nền tảng phát triển: nền tảng phần cứng cho phát triển hệ thống nhúng (ví dụ: vi điều khiển, FPGA, ASIC).
Về phần mềm
- Kĩ thuật lập trình: lập trình phần mềm hệ thống hay phần mềm ứng dụng.
- Chuỗi công cụ (toolchain): các thư viện lập trình biên tập, công cụ sửa lỗi/biên dịch, môi trường lập trình tích hợp (IDE)... phù hợp với kĩ thuật lập trình cũng như nền tảng phát triển phần cứng đã chọn.
Về tích hợp và kiểm thử
- Phân định chức năng phần cứng - phần mềm (HW-SW partitioning): xử lí nhiễu trong tín hiệu của nút bấm bằng phần cứng hay phần mềm.
- Kịch bản và quy trình kiểm tra sau tích hợp: mô phỏng, chế tạo mẫu, đo kiểm...
Vận dụng
| Hãy phân tích các đặc điểm và trình bày các nội dung liên quan của dự án nghiên cứu ứng dụng hệ thống nhúng chế tạo robot tự hành trên Hình 4.2. |
