CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHÚNG ................................ 3 1.1. Lịch sử phát triển của hệ thống nhúng .................................................. 3 1.2. Khái niệm về hệ nhúng ........................................................................... 4 1.3. Đặc điểm của hệ thống nhúng................................................................ 5 1.4. Kiến trúc của hệ thống nhúng ................................................................ 6 1.5. Phân loại hệ thống nhúng ...................................................................... 7 1.6. Các thành phần của hệ thống nhúng .................................................... 8 1.7. Ngôn ngữ và môi trường phát triển hệ thống nhúng ........................... 9 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG .......................................... 10 2.1. Thiết kế phần mềm (Software Designed) ........................................... 10 2.2. Các phương pháp thiết kế phần cứng ................................................. 13 2.3. Vòng đời phát triển hệ thống nhúng EDLC ....................................... 15 2.4. Mô hình bảo vệ .................................................................................... 17 2.5. Mô hình xoắn ốc .................................................................................. 18 2.6. Các mô hình tính toán ......................................................................... 18 CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VỀ CÔNG NGHỆ BLUETOOTH ...................... 21 3.1. Khái niệm Bluetooth ............................................................................ 21 3.2. Lịch sử phát triển của Bluetooth ........................................................ 21 3.3. Đặc điểm của Bluetooth ....................................................................... 22 3.4. Các chuẩn kết nối Bluetooth ............................................................... 23 3.5. Ứng dụng của Bluetooth ...................................................................... 25 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MODULE BLUETOOTH ĐIỀU KHIỂN QUẠT ĐIỆN THÔNG MINH .................................................................................... 26 4.1. Tổng quan ............................................................................................ 26 4.2. Xây dựng hệ thống module ................................................................. 40 4.3. Kết quả và hướng phát triển ............................................................... 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 53 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHÚNG 1.1. Lịch sử phát triển của hệ thống nhúng Hệ thống nhúng đầu tiên là Apollo Guidance Computer (Máy tính Dẫn đường Apollo) được phát triển bởi Charles Stark Draper tại phòng thí nghiệm của trường đại học MIT. Hệ thống nhúng được sản xuất hàng loạt đầu tiên là máy hướng dẫn cho tên lửa quân sự vào năm 1961. Nó là máy hướng dẫn Autonetics D17, được xây dựng sử dụng những bóng bán dẫn và một đĩa cứng để duy trì bộ nhớ. Khi Minuteman II được đưa vào sản xuất năm 1996, D17 đã được thay thế với một máy tính mới sử dụng mạch tích hợp. Từ những ứng dụng đầu tiên vào những năm 1960, các hệ thống nhúng đã giảm giá và phát triển mạnh mẽ về khả năng xử lý. Bộ vi xử lý đầu tiên hướng đến người tiêu dùng là Intel 4004, được phát minh phục vụ máy tính điện tử và những hệ thống nhỏ khác. Tuy nhiên nó vẫn cần các chip nhớ ngoài và những hỗ trợ khác. Vào những năm cuối 1970, những bộ xử lý 8 bit đã được sản xuất, nhưng nhìn chung chúng vẫn cần đến những chip nhớ bên ngoài. Vào giữa thập niên 80, kỹ thuật mạch tích hợp đã đạt trình độ cao dẫn đến nhiều thành phần có thể đưa vào một chip xử lý. Các bộ vi xử lý được gọi là các vi điều khiển và được chấp nhận rộng rãi. Với giá cả thấp, các vi điều khiển đã trở nên rất hấp dẫn để xây dựng các hệ thống chuyên dụng. Đã có một sự bùng nổ về số lượng các hệ thống nhúng trong tất cả các lĩnh vực thị trường và số các nhà đầu tư sản xuất theo hướng này. Ví dụ, rất nhiều chip xử lý đặc biệt xuất hiện với nhiều giao diện lập trình hơn là kiểu song song truyền thống để kết nối các vi xử lý. Vào cuối những năm 80, các hệ thống nhúng đã trở nên phổ biến trong hầu hết các thiết bị điện tử và khuynh hướng này vẫn còn tiếp tục cho đến nay. Ứng dụng của hệ thống nhúng: Hình 1.1: Máy tính Apolo 4 Hình 1.2: Một số ứng dụng của hệ thống nhúng Mô hình hệ thống nhúng: Hình 1.3: Mô hình hệ thống nhúng 1.2. Khái niệm về hệ nhúng Hệ thống nhúng (ES Embedded System) là một thuật ngữ để chỉ một thống có khả năng xử lý thông tin được nhúng vào trong một môi trường lớn hơn và bình thường người dùng không thấy nó một cách trực tiếp. 1 5 Hệ thống tính toán nhúng (Embedded Computing System) là hệ thống tính toán được nhúng trong thiết bị điện tử (hầu như là các hệ thống tính toán khác máy tính). 2 Thông thường các hệ nhúng là ứng dụng đơn chức năng. 3 Hệ thống nhúng là hệ thống mà chức năng chính của nó không chỉ có tính toán mà được điều khiển bởi máy tính được nhúng trong nó. 4 1.3. Đặc điểm của hệ thống nhúng Các hệ thống nhúng được thiết kế để thực hiện một số nhiệm vụ chuyên dụng. Không đóng vai trò là các hệ thống máy tính đa chức năng. Có thể đòi hỏi ràng buộc hoạt động về thời gian thực để đảm bảo độ an toàn và tính ứng dụng. Một số hệ thống không đòi hỏi ràng buộc chặt chẽ. Một hệ thống nhúng không phải nằm trong một khối riêng biệt mà là một hệ thống phức tạp nằm trong thiết bị mà nó điều khiển. Phần mềm được viết cho hệ thống nhúng được gọi là “firmware” và được lưu trữ trong các bộ nhớ chỉ đọc “readonly memory” hoặc bộ nhớ flash. Phần mềm thường chạy với số tài nguyên phần cứng hạn chế: . Không có bàn phím, màn hình hoặc có nhưng với kích thước nhỏ . Bộ nhớ hạn chế Các hệ thống nhúng có thể không có giao diện hoặc có đầy đủ giao tiếp với người dùng tương tự như các hệ điều hành trong các thiết bị để bàn. Đối với hệ thống đơn giản: sử dụng nút bấm; đèn LED; hiển thị chữ cỡ nhỏ hoặc chỉ hiển thị số. Đối với hệ thống phức tạp: Một màn hình đồ họa, cảm ứng có các nút bấm ở lề màn hình; cho phép thực hiện được các thao tác phức tạp mà tối thiểu hóa được không gian cần sử dụng; ý nghĩa của các nút bấm có thể thay đổi theo màn hình và lựa chọn. Trong các hệ thống mới: Có thể thông qua kết nối mạng; giao diện web; tránh được chi phí cho những màn hình phức tạp; vẫn cung cấp khả năng hiển thị và nhập liệu phức tạp khi cần đến, thông qua một máy tính khác. 1.4. Kiến trúc của hệ thống nhúng ※ Hệ thống nhúng bao gồm: Phần mềm ứng dụng (Application Software Layer) Phần mềm hệ thống (System Software Layer) Phần cứng (Hardware Layer) Hình 1.4: Kiến trúc của hệ thống nhúng Kiến trúc của một hệ thống nhúng là sự trừu tượng hóa thiết bị nhúng. Các thành phần phần cứng và phần mềm ở mức kiến trúc trong một hệ thống nhúng được đại diện bởi các phần tử có tác động lẫn nhau. Các thông tin ở mức kiến trúc được mô tả theo dạng cấu trúc. Một cấu trúc sẽ bao gồm tập hợp của các phần tử, các tính chất và thông tin về các mối quan hệ qua lại Một kiến trúc thường là sự kết hợp của nhiều cấu trúc khác nhau. 7 Tất cả các cấu trúc trong một kiến trúc có mối quan hệ thừa kế qua lại với nhau. ※ Các chuẩn sử dụng trong hệ thống nhúng: Hình 1.5: Các chuẩn sử dụng trong hệ thống nhúng 1.5. Phân loại hệ thống nhúng Hình 1.6: Phân loại hệ thống nhúng 8 1.6. Các thành phần của hệ thống nhúng Hệ thống nhúng bao gồm các thành phần: phần cứng (Hardware) và phần mềm (Software) Hình 1.7: Các thành phần của hệ thống nhúng Phần cứng (Hardware): gồm bộ vi xử lý, vi điều khiển, bộ nhớ,… Phần mềm (Software): là một chương trình được viết, biên dịch trên máy tính và nạp vào một hệ thống khác (gọi tắt là KIT) bao gồm một hoặc nhiều bộ vi xử lý đã được cài sẵn một hệ điều hành, bộ nhớ ghi chép được, các cổng giao tiếp với các phần cứng khác… Hình 1.8: Các thành phần của phần cứng Hardware 9 1.7. Ngôn ngữ và môi trường phát triển hệ thống nhúng Ngôn ngữ Assembly CC++ Java Python … Môi trường phát triển Keil (ASM, C, PIC, 8051, ARMSTM,… STM32CubeMX MLAB (PIC) CodeVisionAVR (AVR) AVR Studio … 10 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG 2.1. Thiết kế phần mềm (Software Designed) 2.1.1. Quy trình thiết kế phần mềm: Sơ đồ quy trình thiết kế phần mềm Phase 1: Requirement collection and analysis Phase 2: Feasibility study Phase 3: Design Phase 4: Coding Phase 5: Testing Phase 6: InstallationDeployment Phase 7: Maintenance 2.1.2. Các mô hình thiết kế phần mềm 2.1.2.1. Mô hình thác nước (Waterfall): Hình 2.1: Mô hình thiết kế dạng thác nước Requirement Requirement AnalysisAnalysis Feasibility Feasibility StudyStudy Design Design Coding Coding Testing Testing Install Install Deploy Deploy Maintenance Maintenance 11 2.1.2.2. Mô hình xoắn ốc: Hình 2.2: Mô hình thiết kế dạng xoắn ốc 2.1.2.3. Mô hình bản mẫu (Prototype): Hình 2.3: Mô hình thiết kế dạng bản mẫu 2.1.2.4. Mô hình chữ V: Hình 2.4: Mô hình thiết kế dạng chữ V 12 2.1.2.5. Mô hình lặp: Hình 2.5: Mô hình thiết kế dạng lặp 2.1.2.6. Mô hình tăng trưởng: Hình 2.6: Mô hình thiết kế dạng tăng trưởng 2.1.2.7. Mô hình RAD: Hình 2.7: Mô hình thiết kế RAD 13 2.1.2.8. Mô hình Agile: Hình 2.8: Mô hình thiết kế dạng Agile 2.1.2.9. Mô hình RUP (Rational Unified Process) Hình 2.9: Mô hình thiết kế dạng RUP 2.2. Các phương pháp thiết kế phần cứng 2.2.2.1. Phương pháp CoDesign