Các loại máy tính nhúng là gì? Đặc điểm, cấu tạo và ứng dụng

Máy tính nhúng là gì? các đặc điểm cấu tạo và ứng dụng của máy tính nhúng như thế nào? sự khác biệt giữa máy tính nhúng và máy tính thường như thế nào? tìm hiểu chi tiết trong bài viết dưới đây.

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.

Máy tính nhúng là gì?

Máy tính nhúng (Embedded Computer) 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 công nghiệp.

Ưu điểm của máy tính nhúng

Kích thước nhỏ cũng giúp triển khai các máy tính nhúng một số lượng lớn các địa điểm từ xa một cách dễ dàng hơn.

Chi phí thấp: Do máy tính nhúng thường nhỏ hơn nhiều so với máy tính có đa dụng và không cần phải mua màn hình, bàn phím, chuột nên chi phí ít hơn cho một hệ thống máy tính đa dụng.

Đặc điểm của máy tính nhúng là gì?

Tính linh hoạt, nhiều giao thức kết nối

Máy tính nhúng rất 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 (ADC) / Digital sang Analog (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.

Hoạt động bền bỉ 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, trình điều khiển driver, các hệ thống file và các ứng dụng thông thường như 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.

Sự phát triển của máy tính nhúng

Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của công nghệ thông tin và công nghệ chế tạo với những bước tiến vượt bậc. Một hệ thống máy tính nằm gọn trong một con chip hay một bo mạch không còn là điều quá bất ngờ với chúng ta nữa. Một thế hệ chip mới tích hợp cả hệ thống SoC hay là System on a Chip. Với 1 SoC, nhà phát triển có thể thiết kế ra các bo mạch khác nhau với các cổng IO thông dụng khác nhau như USB, LAN, WIFI, IR, CSI… để phục vụ cho các nhà phát triển thứ cấp tạo ra các sản phẩm thông minh trên đó (ngoài điện thoại thông minh). Các sản phẩm thông minh này với sự kết nối liên tục với Internet sẽ tạo ra mạng lưới các sản phẩm thông minh được kết nối với nhau qua Internet, RF hay Bluetooth … và tạo thành Internet vạn vật (Internet of Things).

Nói một cách đơn giản, như trước kia, mạng Internet được kết nối với bởi các mạng của các mạng của các mạng nhưng chủ yếu các nodes trên mạng vẫn là một máy tính để bàn, máy tính xách tay hay máy chủ. Thì bây giờ mạng Internet được kết nối không chỉ máy tính nữa mà cả các thiết bị thông minh khác như Tivi, Điều hòa, Tủ lạnh…

Ngoài ra, khi máy tính nhúng trở nên dễ tiếp cận hơn, nó trở thành một sản phẩm đơn giản mà bất cứ ai có một ý tưởng về một thiết bị thông minh nào đó có thể sẵn sàng phát triển nó bằng cách mua thiết bị, lập trình, và đưa ra ngoài thế giới.

Đặc biệt nhắc tới máy tính nhúng chúng ta không thể không đề cập đến Single Board Computers (SBC). Đây là từ khóa phát triển mạnh mẽ cùng Internet of Things, nó cũng đang là xu hướng phát triển của máy tính trên thị trường hướng tới khách hàng yêu thích điện tử, lập trình qua các dự án công nghiệp và hướng tới sự phát triển Khoa học máy tính.

Nếu chúng ta hiểu một cách đơn giản thì SBC là những chiếc máy tính mini, nghĩa là thay cho việc phải mang theo cả laptop, hoặc sử dụng PC không tiện cho việc di chuyển đi lại thì chúng ta chỉ cần mang theo 1 board mạch với kích thước nhỏ gọn, có thể là kích thước bằng 1 thẻ ATM, hoặc kích thước nhỏ hơn 1 chiếc Iphone, kết nối màn hình, nguồn và sử dụng như một PC, laptop thông thường.

Nền tảng chủ yếu của SBC hiện nay trên thị trường là Raspberry Pi (LINK), nó được thiết kế để chạy Linux trên kiến trúc ARM, ngoài ra còn có rất nhiều dòng SBC khác như: Nano Pi M3, Nano Pi NEO, Orange Pi, Banana Pi, C.H.I.P, BeagloBone Black, ODROID – XU4, ODROID C2, Udoo x86 Ultra, ASUS Tinker Board, ROCK 64, The Parallella Board, Humming Board, Libre Computer ROC Renegade, PINE A64, Z-turn board, Minnow Board Max, Tessel 2, …

Sự khác nhau giữa máy tính nhúng và máy tính thông thường

Máy tính thường như laptop, máy tính để bàn	Máy tính nhúng
Hoạt động nhiều chức năng khác nhau đồng thời	Chỉ có thể làm việc trên một nhiệm vụ cụ thể.
Có thể làm việc ở các tác vụ khác nhau trong khi chạy các phần mềm ứng dụng khác nhau.	Được lập trình cho các chức năng cụ thể.
Năng lực tính toán nhanh.	Không đòi hỏi nhiều năng lực và khả năng tính toán.
Hỗ trợ nhiều loại thiết bị mở rộng và thiết bị ngoại vi. Nó có thể được nâng cấp với công nghệ và thiết bị mới nhất.	Chỉ có thể hỗ trợ một thiết bị giới hạn.

• 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.

Một số 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.

Một số dòng máy tính nhúng thông dụng

Máy tính nhúng Raspberry Pi

Bo mạch máy tính nhúng thông dụng đầu tiên chính là Raspberry Pi, đã ra đời vào tháng 2 năm 2012. Phát triển bởi Raspberry Pi Foundation, với mục đích đầu tiên là hỗ trợ nghiên cứu khoa học máy tính trong trường học tại các nước đang phát triển. Theo thời gian, nó dần trở nên phổ thông hơn( giá rất rẻ) và sự tham gia nghiên cứu ngày càng nhiều người trên thế giới ( Không chỉ những người đang làm trong ngành tin học hay máy tính). Raspberry Pi trở thành bo mạch máy tính nhúng phổ thông nhất hiện nay và cái tên Pi gần như được đặt cho các bo mạch máy tính nhúng sau này.

Cho tới thời điểm hiện tại Raspberry Pi đã phát hành nhiều phiên bản từ … gần đây nhất là sự ra đời của phiên bản Raspberry Pi 4 Model B với sự nâng cấp vượt trội so với các phiên bản trước đó và trở thành phiên bản mạnh mẽ nhất cho đến thời điểm hiện tại với các lựa chọn: 2GB, 4GB, 8GB LPDDR4 SDRAM.

Máy tính nhúng LattePanda

LattaPanda là một máy tính nhúng nhỏ – gọn (8.8×7.0 cm) có thể cài đặt và sử dụng Windows 10 như một PC thông thường, Nó là một dòng Single Board Computer tương tự như Raspberry Pi. Nếu Raspberry Pi được thiết kế với ưu điểm vượt trội khi sử dụng hệ điều hành Window 10.

Trong bộ nhớ của LattePanda đã được cài đặt sẵn một phiên bản đầy đủ của Windows 10 Home Edition, bạn hoàn toàn có thể cài đặt và sử dụng các công cụ như: Visual Studio, NodeJS, Java, Processing,… Với các API rất đa dạng và có nhiều tài liệu hướng dẫn trên Internet, các bạn có thể phát triển các dự án phần cứng, phần mềm trên LattePanda như bạn có thể thực hiện trên một PC thông thường: C, C++, Python, C#, Javascript, Ruby,…

Trên board mạch của LattePanda còn được tích hợp một Co-Processor là Arduino. Điều này giúp bạn thuật tiện trong việc kết nối với Các thiết bị điều khiển, Cảm biến, … qua nền tảng Arduino rất phổ biến trên cộng đồng công nghệ và nhà trường. LattePanda thực sự linh động và phù hợp cho dù bạn là Windows developer, IoT developer, DIY fanatic, Interactive designer, Robotics whizz, hay bạn là một maker ưa thích sáng tạo.

LattePanda sử dụng CPU Intel Z8350 Quad Core up to 1.92GHz, có lẽ sự trải nghiệm sử dụng Windows 10 trên LattePanda sẽ đợi thời gian và sự trải nghiệm của người dùng, đó là những ý kiến khách quan nhất.

Máy tính nhúng AI Coral Dev Board

Coral Dev Board là một Single-Board Compute(SBC) với một System-on-Module(SOM) có thể tháo rời chứa bộ nhớ eMMC, SOC, Wireless radios và Edge TPU của Google. Nó hoàn hảo cho các thiết bị IoT và các hệ thống nhúng yêu cầu suy luận Machine Learning trên thiết bị một cách nhanh chóng.

Bạn có thể sử dụng Dev Board như một SBC để tăng tốc quá trình xử lý Machine Learning trong một cấu hình nhỏ gọn. SOM trên Dev Board với kích thước 40mmx48mm. Bạn có thể kết hợp với phần cứng PCB mà bạn custom bằng cách sử dụng cổng kết nối board-to-board để tích hợp vào các sản phẩm.

SOM dựa trên System-on-Chip (SOC) đặc biệt sức mạnh độc đáo của nó đến từ bộ đồng xử lý Edge TPU. Edge TPU là một ASIC nhỏ được thiết kế bởi Google cung cấp khả năng suy luật Machine Learning hiệu suất cao với mức tiêu thụ năng lượng thấp. Nó có thể thực hiện các Model Mobile Vision như MobileNet v2 với 100+ FPS.

Máy tính nhúng AI NVIDIA Jetson

NVIDIA Jetson Dev Kit là những máy tính có kích thước siêu nhỏ nhưng vô cùng mạnh mẽ cho phép người dung chạy song song nhiều mạng Neural sử dụng cho các ứng dụng như: Phân loại hình ảnh (Image Classification), Phát hiện đối tượng (Object Detection), Phân đoạn hình ảnh (Image Segmentation) cũng như xử lý giọng nói (Speech Processing).

Bên cạnh đó các thiết bị này cũng được ứng dụng cho các hệ thống AI hiệu suất cao như: Các hệ thống tự động (Autonomous Machines), Các hệ thống Robot phục vụ cho thương mại – chăm sóc khách hàng (commercial robots), Các thiết bị y tế (medical devices), Các hệ thống camera giám sát thông minh (smart cameras), Các hệ thống cảm biến có độ phân giải cao (high-resolution sensors), Kiểm tra quang tự động (automated optical inspection) là phương pháp kiểm tra không tiếp xúc trong quá trình sản xuất, Các nhà máy và các hệ thống thông minh (smart factories and systems) cũng như các hệ thống nhúng AIoT khác…

NVIDIA Jetson được trang bị bộ công cụ tính toán thực sự kinh ngạc qua bảng thông số sau đây:

Thông số	Jetson Nano Developer Kit	Jetson TX2 Developer Kit	Jetson Xavier NX Developer Kit	Jetson AGX Xavier Developer Kit
AI Performance	0.5 TFLOPS (FP16)	1.3 TFLOPS (FP16)	6 TFLOPS (FP16) 21 TOPS (INT8)	5.5-11 TFLOPS (FP16) 20-32 TOPS (INT8)
GPU	128-core NVIDIA Maxwell™ GPU	256-core NVIDIA Pascal™ GPU architecture with 256 NVIDIA CUDA cores	NVIDIA Volta architecture with 384 NVIDIA CUDA® cores and 48 Tensor cores	512-Core Volta GPU with Tensor Cores
CPU	Quad-core ARM A57 @ 1.43 GHz	Dual-Core NVIDIA Denver 2 64-Bit CPU Quad-Core ARM® Cortex®-A57 MPCore	6-core NVIDIA Carmel ARM®v8.2 64-bit CPU 6 MB L2 + 4 MB L3	8-Core ARM v8.2 64-Bit CPU, 8 MB L2 + 4 MB L3
Memory	4 GB 64-bit LPDDR4 25.6 GB/s	8GB 128-bit LPDDR4 1866 MHz – 59.7 GB/s	8 GB 128-bit LPDDR4x @ 51.2GB/s	32 GB 256-Bit LPDDR4x | 137 GB/s
Power Consumption	5-10W	7.5-15W	10-15W	10-30W

Trên đây, wikimaytinh vừa chia sẻ với quý vị các thuật ngữ máy tính nhúng là gì, Máy tính nhúng AI là gì và xem qua một vài dòng máy tính nhúng, máy tính nhúng AI phổ thông hiện nay.