CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ PYTHON VÀ MÁY TÍNH NHÚNG LINUX
2.2. MÁY TÍNH NHÚNG 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. 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.
Một ví dụ đơn giản khác 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, 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).
25
Đối với các ứng dụng nhúng liên quan đến điều kiện môi trường khắc nghiệt, nên sử dụng máy tính nhúng đáp ứng các tiêu chuẩn sau đây:
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.
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.
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 xết đến khả năng chống rung.
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.
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 về 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.
Phân tích các điểm vượt trội của máy tính nhúng 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
26
trong một hệ thống điều khiển hiện đại, nó cũng cần có khả năng kết nối với nhiều loại giao thức khác:
Serial (SCI): RS232,RS-422, và RS485 là những giao thức serial tiêu chuẩn cho các ứng dụng công nghiệp.
Bus Serial đa năng (USB): Mặc dù RS232/422/485 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 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 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
27
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, 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 có băn khoăn về tính năng của máy tính để hoạt động tin cậy trong môi trường nhiệt độ nóng và lạnh, nên yêu cầu nhà sản xuất cung cấp 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 sánh 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 xẩy ra với nhiều ứng dụng RS485 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 RS485 cần có mức bảo vệ cách li quang tới 2 KV.
Nếu mạng RS485 bao phủ một khoảng cách tương đối lớn, bảo vệ cách giữ cho các bộ phận giao tiếp của thiết bị RS485 được khô ráo 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.
28
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. Vì lí do này, bạn nên tìm các nhà cung cấp 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.
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.
Như vậy phần này 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:
• Thiết kế dải nhiệt độ rộng
• Bảo vệ cách li
• Thân thiện với người sử dụng
• Hệ điều chạy sẵn sàng hoạt động
• Phần mềm chuyển đổi giao thức giao tiếp
So sánh giữa máy tính nhúng và các vi điều khiển, ta thấy như sau:
Hiện nay mạng Modbus RTU có thể tích hợp vào trong các vi điều khiển từ 8 bit đến 32 bit. Tuy nhiên hiệu quả của nó cần phải xem xét lại trên nhiều yếu tố. Bằng việc lập bảng so sánh các dòng vi điều khiển này với máy tính nhúng, chúng ta quan sát được các tính năng, ưu điểm mà máy tính nhúng vượt trội hơn.
29
Phạm vi so sánh Vi điều khiển Máy tính nhúng
Kích thước, giá thành Nhỏ, gọn, rẻ To hơn tùy theo loại, mắc hơn
Môi trường công nghiệp Không sử dụng trong công nghiệp nơi có môi trường khắc nghiệt
Máy tính nhúng công nghiệp đảm bảo sự hoạt động lâu dài trong môi trường khắc ngiệt của công nghiệp, xưởng, nhà máy
Bộ nhớ Thấp hơn nhiều so với máy
tính nhúng
Cao phù hợp với các ứng dụng cỡ lớn, thậm chí dùng để điều khiển nhiều loại máy móc
Tốc độ xử lý Vi điều khiển hiện hay có tốc độ xử lí nhỏ hơn
200Mhz. Trong cùng 1 thời gian, vi điều khiển không xử lý kịp các loại máy tính nhúng
Máy tính nhúng đạt đến tốc độ ít nhất lớn hơn 1.2Ghz.
Vượt trội so với vi điều khiển
Ngoại vi Ngoại vi giống nhau Ngoại vi giống nhau
Hệ điều hành RTOS Linux nhúng, hỗ trợ đa
ngôn ngữ, đa tính năng, ứng dụng. Khả năng mở rộng chức năng cực kì lớn.
Công cụ lập trình Qua máy tính và các thiết bị nạp
Lập trình trực tiếp
Bảng 2.3: So sánh vi điều khiển và máy tính nhúng.
Như vậy trong các ứng dụng nhỏ và cực nhỏ, không trong môi trường công nghiệp thì có thể dùng vi điều khiển. Tuy nhiên trong môi trường công nghiệp, việc sử
30
dụng máy tính nhúng thể hiện các ưu điểm vượt trội hơn, đảm bảo một hệ thống nhanh, an toàn và có thể mở rộng.
Máy tính nhúng Banana Pro là một loại máy tính nhúng Linux được nhóm Lemaker tạo ra với các tính năng vượt trội (xem bảng 2.4). Banana Pro chạy trên nền tảng Linux (Lubuntu), Debian, Bananian, BerryBoot, OpenSuse, Scratch, Fedora, Gentoo, Open MediaVault, OpenWRT.
Banana Pro được sản xuất có giá thành thấp có thể làm các ứng dụng như server, video game, các hệ thống an ninh, hệ thống tự động, hệ thống xử lý dữ liệu...
SoC Allwinner® A20(sun 7i)
CPU ARM® Cortex™-A7 Dual-Core
GPU Mali400MP2, hỗ trợ OpenGL ES 2.0/1.1
RAM 1GB DDR3 SDRAM
PMU AXP209
Lưu trữ MicroSD (TF)
SATA 2.0
Ethernet 10/100/1000Mbps ethernet (Realtek RTL8211E/D) Mạng không dây WiFi 802.11 b/g/n 2.4GHz
USB 2 x USB2.0 Host
1 x USB 2.0 OTG
Giao diện 1 x HDMI 1.4
1 x LVDS/RGB/CPU display interface (DSI)
Composite video (PAL and NTSC) (Độ phân giải 640×480 đến 1920×1080)
Âm thanh HDMI
Analog audio I2S audio 1 micphone
Camera 1 x Parallel 8-bit camera interface
Bảng 2.4: Cấu hình máy tính nhúng banana Pro
31
Hình 2.1: Mặt dưới máy tính nhúng Banana Pro
Hình 2.2: Mặt trên máy tính nhúng Banana Pro
Như vậy chương 2 đã đưa ra được cách nhìn tổng quát về ngôn ngữ python, máy tính nhúng và đưa ra các lý do vì sao đề tài này lại chọn Python và máy tính nhúng banana pro như các công cụ phục vụ cho quá trình lập trình cũng như mô phỏng của đề tài luận văn này. Từ chương 1 và chương 2 có thể xây dựng nên các thuật toán ở chương 3 được viết theo ngôn ngữ Python.
32