CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN toán, thiết kế gồm những phần nào như: thiết kế sơ đồ khối hệ thống, sơ đồ nguyên lý toàn mạch, tính toán thiết kế mạch. Chương 4: Thi Công Hệ Thống Chương này trình bày về quá trình vẽ mạch in lắp ráp các thiết bị, đo kiểm tra mạch, lắp ráp mô hình. Thiết kế lưu đồ giải thuật cho chương trình và viết chương trình cho hệ thống.
Hướng dẫn quy trình sử dụng hệ thống. Chương 5: Kết Quả Nhận Xét Đánh Giá Chương này trình bày về những kết quả đã được mục tiêu đề ra sau quá trình nghiên cứu thi công. Từ những kết quả đạt được để đánh giá quá trình nghiên cứu hoàn thành được bao nhiêu phần trăm so với mục tiêu ban đầu. Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển Chương này trình bày về những kết quả mà đồ án đạt được, những hạn chế, từ đó rút ra kết luận và hướng phát triển để giải quyết các vấn đề tồn đọng để đồ án hoàn thiện hơn.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.1 KHÁI QUÁT VỀ MÁY TÍNH NHÚNG VÀ LINUX 2.1 Máy tính nhúng và hệ thống nhúng Theo định nghĩa của IEEE: Hệ thống nhúng là một phần của hệ thống lớn hơn và thực hiện một số chức năng của hệ thống đó. Nói một cách đơn giản khi một hệ tính toán (có thể là PC, PLC, vi xử lý, vi điều khiển, v.v…) được nhúng vào trong một sản phẩm hay một hệ thống một cách “hữu cơ” và thực hiện một số chức năng cụ thể của hệ thống thì ta gọi đó là một hệ thống nhúng. Các nhà thống kê trên thế giới đã thống kê được số vi xử lý ở trong các máy PC và các máy chủ (server), các mạng LAN, WAN, Internet chỉ chiếm không đầy 1% tổng số vi xử lý có trên thế giới, hơn 99% số vi xử lý còn lại nằm trong các hệ thống nhúng.
Các hệ thống nhúng được tích hợp trong các thiết bị đo lường, điều khiển, các sản phẩm điện tử và tự động hóa tạo nên đầu não và linh hồn cho sản phẩm. Trong các hệ thống nhúng, hệ thống điều khiển nhúng đóng một vai trò hết sức quan trọng. Hệ thống điều khiển nhúng là hệ thống mà chương trình máy tính được nhúng vào vòng điều khiển của sản phẩm nhằm điều khiển một đối tượng, điều khiển một quá trình công nghệ đáp ứng các yêu cầu đặt ra. Hệ thống điều khiển nhúng lấy thông tin từ các cảm biến, xử lý tính toán các thuật toán điều khiển và phát tín hiệu điều khiển cho các cơ cấu chấp hành.
Khác với các hệ thống điều khiển cổ điển theo nguyên lý cơ khí, thuỷ lực, khí nén, relay, mạch tương tự, v.v… Hệ thống điều khiển nhúng là hệ thống điều khiển số được hình thành từ những năm 1960 đến nay. Trước đây các hệ điều khiển số thường do các máy tính lớn đảm nhiệm, ngày nay chức năng điều khiển số này do các chip vi xử lý, các hệ thống nhúng đã thay thế. Phần mềm điều khiển ngày càng tối ưu giúp cải thiện tính thông minh của thiết bị và ngày càng chiếm tỷ trọng lớn trong giá thành của thiết bị. Như vậy không phải tất cả các sản phẩm đo lường và điều khiển đều là các hệ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT thống nhúng. Hiện nay chúng ta còn gặp nhiều hệ thống điều khiển tự động hoạt động theo nguyên tắc cơ khí, thuỷ lực, khí nén, relay, hoặc điện tử tương tự, v.v…có các chương trình điều khiển được hình thành không cần sử dụng kỹ thuật nhúng. Ngược lại phần lớn các sản phẩm điện tử, tự động hóa hiện nay đều có nhúng trong nó các chip vi xử lý hoặc một mạng nhúng. Ngày nay, các sản phẩm điện tử ngày càng tinh xảo và càng thông minh mà phần hồn của nó do các phần mềm nhúng trong nó tạo nên, và đó là xu hướng không thể đảo ngược của khoa học công nghệ ở thế kỷ 21.
Chức năng xử lý thông tin ở PC và ở các thiết bị nhúng có những nét khác biệt. Đối với PC và mạng Internet chức năng xử lý đang được phát triển mạnh ở các lĩnh vực như thương mại điện tử, ngân hàng điện tử, chính phủ điện tử, thư viện điện tử, đào tạo từ xa, báo điện tử v. Các ứng dụng này thường sử dụng máy PC để bàn, mạng WAN, LAN hoạt động trong thế giới ảo. Còn đối với các hệ thống nhúng thì chức năng xử lý tính toán được ứng dụng cụ thể cho các thiết bị vật lý (thế giới thật) như điện thoại di động, quần áo thông minh, các thiết bị điện tử cầm tay, thiết bị y tế, xe ô tô, tàu tốc hành, phương tiện vận tải thông minh, máy đo, đầu đo cơ cấu chấp hành thông minh, các hệ thống điều khiển, nhà thông minh, v.2 Hệ thống điều khiển tích hợp (SoC) Ngày nay, công nghệ thiết kế chip có xu hướng chuyển từ linh kiện riêng rẽ sang chip vi hệ thống (SoC) có khả năng lập trình được phát triển rất mạnh mẽ.
Các chip vi hệ thống (SoC) trong tương lai sẽ có tới 1000 bộ xử lý và 100 MB memory, đồng thời được tích hợp rất nhiều khối như: ADC, I2C, PWM, DAC, Wireless, SPI, USB, Ethernet.v… Các chip SoC này sẽ là nền tảng của các sản phẩm có khả năng kết nối mạng WAN-LAN không dây cho các dịch vụ thông tin, giải trí, truyền thông, định vị ở bất cứ đâu, bất cứ thời gian nào cho tất cả công dân trên hành tinh này. Các vật dụng sẽ có khả năng nhìn, nghe, nói, có cảm xúc và nhạy bén thích nghi với yêu cầu của con người. Hiện nay, các sản phẩm của hệ thống nhúng đa phần đều sử dụng chip SoC với tốc độ xử lý lên đến hàng GHz mà điển hình là chip ARM-CortexA8. Với tính linh hoạt trong lập trình phần mềm cho các hệ thống nhúng nên SoC sẽ là công cụ chủ chốt cho các sản phẩm điện tử.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƯƠNG 2.3 Hệ điều hành LINUX Embedded Linux hiện đang phát triển mạnh và chiếm vị trí số 1trong các hệ điều hành. Hiện nay 40% các nhà thiết kế các hệ thống nhúng cân nhắc đầu tiên sử dụng Embedded Linux cho các ứng dụng mới của mình và sau đó mới đến các hệ điều hành nhúng truyền thống như Win CE. Các đối thủ cạnh tranh của Embedded Linux hiện nay là các hệ điều hành nhúng tự tạo và Windows CE. Embedded Linux có sự phát triển vượt bậc là do có sức hấp dẫn đối với các ứng dụng không đòi hỏi thời gian thực như; các hệ server nhúng, các ứng dụng giá thành thấp và đòi hỏi thời gian đưa sản phẩm ra thị trường nhanh.
Mặt khác Linux là phần mềm mã nguồn mở nên bất kỳ ai cũng có thể hiểu và thay đổi theo ý mình. Linux cũng là một hệ điều hành có cấu trúc module và chiếm ít bộ nhớ trong khi Windows không có các ưu điểm này. Bên cạnh các ưu điểm trên thì Embedded Linux cũng có các nhược điểm sau: - Embedded Linux không phải là hệ điều hành thời gian thực nên có thể không phù hợp với một số ứng dụng như điều khiển quá trình, các ứng dụng có các yêu cầu xử lý khẩn cấp. - Embedded Linux thiếu một chuẩn thống nhất và không phải là sản phẩm của một nhà cung cấp duy nhất nên khả năng hỗ trợ kỹ thuật chưa cao.
Do thị trường của các sản phẩm nhúng tăng mạnh nên các nhà sản xuất ngày càng sử dụng các hệ điều hành nhúng để bảo đảm sản phẩm có sức cạnh tranh và Embedded Linux đang là sản phẩm hệ điều hành nhúng có uy tín chiếm vị trí số 1 trên thế giới. Phần mềm nhúng là phần mềm tạo nên phần hồn, phần trí tuệ của các sản phẩm nhúng. Phần mềm nhúng ngày càng có tỷ lệ giá trị cao trong giá trị của các sản phẩm nhúng. Hiện nay, phần lớn các phần mềm nhúng nằm trong các sản phẩm truyền thông và các sản phẩm điện tử tiêu dùng (consumer electronics), tiếp đến là trong các sản phẩm ô tô, phương tiện vận chuyển, máy móc thiết bị y tế, các thiết bị năng lượng, các thiết bị cảnh báo bảo vệ, các sản phẩm đo lường và điều khiển.
Trên phương diện phần mềm (software) thì Embedded Linux là một hệ điều hành chủ chốt trong việc phát triển các sản phẩm nhúng hiện nay. Đối với bộ xử lý trung tâm thì có khoảng 75% trong tổng các CPU nhúng 32 bit hiện nay dựa trên kiến BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT trúc vi xử lý ARM.2 CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU NỐI TIẾP UART UART – là viết tắt của Universal Asynchronous Receiver – Transmitter có nghĩa là truyền nhận dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ Đặc điểm: Truyền dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ có 1 đường phát dữ liệu (Tx) và 1 đường nhận dữ liệu (Rx), do không có tín hiệu xung clock nên gọi là bất đồng bộ. Để truyền được dữ liệu thì cả bên phát và bên nhận phải tự tạo xung clock có cùng tần số và thường được gọi là tốc độ baud, ví dụ: 2400 baud, 4800 baud, 9600 baud.
Ưu điểm: Đơn giản, chi phí truyền thấp, hiệu quả tương đối cao. Khuyết điểm: Tồn tại các bit start và bit stop, khoảng trống dẫn đến thời gian truyền chậm.1 Quá trình truyền dữ liệu UART Để bắt đầu cho việc truyền dữ liệu bằng UART, một START bit được gửi đi, sau đó là các bit dữ liệu và kết thúc quá trình truyền là STOP bit. Khi ở trạng thái chờ (idle) mức điện thế ở mức 1 (high). Khi bắt đầu truyền START bit sẽ chuyển từ 1 xuống 0 để báo hiệu cho bộ nhận là quá trình truyền dữ liệu sắp xảy ra.
Sau START bit là đến các bit dữ liệu D0 - D7 (các bit này có thể ở mức High hoặc Low tùy theo dữ liệu, theo hình ví dụ như trên byte dữ liệu là LSB – 11010010 – MSB). Sau khi truyền hết dữ liệu thì đến bit kiểm tra Parity. Cuối cùng là STOP bit là 1 báo cho thiết bị rằng các bit đã được gửi xong. Thiết bị nhận sẽ tiến hành kiểm tra khung truyền nhằm đảm báo tính đúng đắn của dữ liệu.
Cấu trúc cơ bản của 1 frame dữ liệu Để quá trình truyền thành công thì việc tuân thủ các tiêu chuẩn truyền là hết sức quan trọng. Vì vậy cần phải nắm rõ các khái niệm quan trọng trong phương thức BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƯƠNG 2.