Máy tính nhúng (không quạt) công nghiệp là gì? Đặc điểm và một vài ứng dụng của máy tính nhúng

Máy tính nhúng là gì ?

Trước tiên ta cần nhắc lại về khái niệm của hệ thống nhúng là gì ?

Hệ thống nhúng (Embedded System) là một thuật ngữ để chỉ một hệ thống có khả năng tự trị được nhúng vào trong một môi trường hay một hệ thống mẹ. Đó là các hệ thống tích hợp cả phần cứng và phần mềm phục vụ các bài toán chuyên dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, tự động hoá điều khiển, quan trắc và truyền tin. Đặc điểm của các hệ thống nhúng là hoạt động ổn định và có tính năng tự động hoá cao.

Hệ thống nhúng thường được thiết kế để thực hiện một chức năng chuyên biệt nào đó. Khác với các máy tính đa chức năng, chẳng hạn như máy tính cá nhân, một hệ thống nhúng chỉ thực hiện một hoặc một vài chức năng nhất định, thường đi kèm với những yêu cầu cụ thể và bao gồm một số thiết bị máy móc và phần cứng chuyên dụng mà ta không tìm thấy trong một máy tính đa năng nói chung. Vì hệ thống chỉ được xây dựng cho một số nhiệm vụ nhất định nên các nhà thiết kế có thể tối ưu hóa nó nhằm giảm thiểu kích thước và chi phí sản xuất. Các hệ thống nhúng thường được sản xuất hàng loạt với số lượng lớn. Hệ thống nhúng rất đa dạng, phong phú về chủng loại. Đó có thể là những thiết bị cầm tay nhỏ gọn như đồng hồ kĩ thuật số và máy chơi nhạc MP3, hoặc những sản phẩm lớn như đèn giao thông, bộ kiểm soát trong nhà máy hoặc hệ thống kiểm soát các máy năng lượng hạt nhân. Xét về độ phức tạp, hệ thống nhúng có thể rất đơn giản với một vi điều khiển hoặc rất phức tạp với nhiều đơn vị, các thiết bị ngoại vi và mạng lưới được nằm gọn trong một lớp vỏ máy lớn.

Cũng tương tự như vậy máy tính nhúng là một thiết bị, một hệ thống được thiết kế để phục vụ cho một yêu cầu, một bài toán, ứng dụng, một chức năng nhất định nào đó và được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực công nghiệp, tự động hóa điều khiển, quan trắc và truyền tin… Máy tính nhúng sử dụng trong công nghiệp còn được gọi với tên khác là máy tính nhúng công nghiệp.

Sự khác biệt của máy tính thông thường với máy tính nhúng

• Tất cả các hệ thống điều khiển hiện đại đều dựa trên máy tính nhúng hoặc trên PLC, tức là điều khiển logic lập trình được.
• PLC được sử dụng trong các ngành công nghiệp nhưng máy tính nhúng được sử dụng ở mọi nơi.
• Trong các máy tính nhúng, tất cả hệ thống được đặt trong một số trường hợp trong khi nó được cung cấp cùng với giao diện người dùng.
• Giao diện này dành cho người dùng kiểm soát và quản lý các hoạt động của máy tính và để xem đầu ra trong một số trường hợp.
• Máy tính nhúng được thiết kế để đáp ứng các thông số kỹ thuật của hệ thống điều khiển.
• Máy tính nhúng phải được lập trình theo cách nó có thể kiểm soát các biến và quy trình. Chương trình nên là thời gian thực để nó có thể thực hiện tất cả các hoạt động trong một khoảng thời gian đáp ứng yêu cầu.
• Các hệ thống điều khiển cũng yêu cầu các cơ chế an toàn được điều khiển bởi các máy tính nhúng.

Đặc điểm của máy tính nhúng

Tính linh hoạt với khả năng kết nối với nhiều loại giao thức khác nhau

• Giao thức Serial (SCI): RS-232,  RS-422, và RS-485 là những giao thức serial tiêu chuẩn cho các ứng dụng công nghiệp.
• 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.
• 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).
• IO rời rạc: Các hệ thống điều khiển diện rộng ứng dụng rộng rãi công nghệ General Purpose Input/Output (GPIO).
• 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.
• 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 hoạt động trong 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 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

Đây 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.

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.

Thân thiện với người dùng

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.

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.

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.

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.

Ưu điểm của máy tính nhúng

Chi phí thấp: máy tính nhúng được thiết kế nhỏ gọn không cần sử dụng đến các phụ kiện nên chi phí đầu tư thấp.

Kích thước nhỏ gọn dễ dàng cho việc triển khai số lượng lớn hay khoảng cách xa.

Một vài ứng dụng của máy tính nhúng

Giải pháp giao thông thông minh

Ngày càng có nhiều thiết bị và phần mềm điện tử vận ​​chuyển được tích hợp vào các hệ thống giao thông thông minh (ITS) để giảm tắc nghẽn giao thông, hạn chế tiêu thụ năng lượng và cung cấp trải nghiệm vận chuyển tốt hơn cho khách hàng, các sản phẩm thuộc dòng tBOX của Axiomtek đã được xếp hạng là lựa chọn hàng đầu cho các giải pháp ITS. xu hướng ITS như vậy. Với sự ổn định, độ tin cậy và tính linh hoạt, dòng tBOX của Axiomtek được thiết kế để đáp ứng các tiêu chuẩn E-Mark, ISO 7637, EN 50155 và 50121, IEC 60945 và DNV 2.4 cho các ứng dụng vận tải đường bộ, đường sắt và đường biển khác nhau.

Giải pháp cổng IoT

Bảo trì dự đoán cho phép các nhà sản xuất giải quyết các rủi ro thất bại nằm trong các nhà máy ở giai đoạn đầu. Nhưng việc đưa ra dự đoán chính xác cần có các chuyên gia với bí quyết tên miền và hầu hết các nhà sản xuất không thể mua được. Các công cụ phân tích đám mây kết hợp các mô hình toán học được tạo ra dựa trên dữ liệu lịch sử và các mẫu của các trường hợp tham chiếu nổi lên như một sự thay thế thực tế cho các nhà sản xuất. Để chạy phân tích, các nhà sản xuất có thể chỉ cần thu thập và gửi dữ liệu và thông tin được tạo trên trường lên đám mây.

Trong thực tế rung động máy bảo trì dự đoán được phát hiện bởi các cảm biến và được xử lý bằng chuyển đổi tần số thời gian biến đổi nhanh Fourier. Dữ liệu đã xử lý, sau đó được IoT Gateway ICO300-MI thu thập và gửi đến bảo trì dự đoán SCADA. Với sự tích hợp liền mạch với các dịch vụ đám mây nơi áp dụng các module toán học, tình trạng sức khỏe của máy móc công nghiệp bao gồm máy phát điện, máy làm lạnh, máy bơm và các dịch vụ khác có thể được theo dõi và phân tích chặt chẽ để giảm thời gian ngừng hoạt động bất ngờ.

Máy móc thông minh

Bộ điều khiển IoT dựa trên PC của NEXCOM có khả năng tích hợp tầm nhìn của máy đang xuất hiện trực tuyến theo nghĩa đen. Được thiết kế để chạy các giải pháp thị giác trên máy trong khi kết nối các hệ thống sản xuất vật lý với mạng nhà máy và doanh nghiệp, NIFE 300, cung cấp kết nối IoT, tăng hiệu suất xử lý hình ảnh và xử lý hình ảnh, lưu trữ dữ liệu nhiều hơn và kết nối với các giải pháp Dữ liệu lớn. Tầm nhìn trên máy của nó cho phép độ chính xác và phối hợp tốt hơn trong kiểm tra chất lượng, gia công phức tạp, phân tích các quy trình phức tạp và điều phối chuỗi cung ứng. Tất cả các chức năng chạy trên một nền tảng thống nhất.

Đơn giản hóa việc thiết kế các hệ thống robot

Robotics đang đóng một vai trò quan trọng trong việc làm cho các quy trình sản xuất có năng suất cao hơn và ít tốn công hơn, điều này đặc biệt quan trọng ở Trung Quốc, nơi thiếu hụt lao động ở một số khu vực. Nhưng cản trở nhiều nhà sản xuất là sự phức tạp của thiết kế hệ thống robot, điều này trở nên khó khăn hơn bởi nhu cầu xác định và tích hợp các hệ thống con từ nhiều nhà cung cấp.

Đơn giản hóa quá trình thiết kế robot, NEXCOM, hợp tác chặt chẽ với các nhà cung cấp giải pháp khác nhau, đã phát triển các giải pháp mô-đun mở cho một loạt các ứng dụng robot. Với các mô-đun điều khiển robot được tích hợp sẵn và xác nhận trước, giải pháp robot NEXCOM NexROBO thực hiện điều khiển robot chính xác và chạy phần mềm ứng dụng công nghiệp thiết yếu.

Các thành phần hệ thống robot điển hình

Trên đây là một vài ứng dụng của máy tính nhúng trong thực tế của hãng Axiomtek và Nexcom, ngoài ra còn rất nhiều các ứng dụng thực tiễn khác mà máy tính nhúng được tích hợp.