Chương 4. Các bộ điều khiển dựa trên vi xử lý và vi điện tử

4.3 Tổng quan về các máy tính điều khiển

Các máy tính lớn đồ sộ, phức tạp và tốn năng lượng, và sau đó, các máy tính nhỏ đơn hộp đã từng được dùng phần lớn cho các tính toán khoa học và kỹ thuật (chẳng hạn như trong FORTRAN, ALGOL) và cho các ứng dụng cơ sở dữ liệu (như trong COBOL). Việc phát minh vào năm 1971 của một đơn vị xử lý trung tâm (CPU) chung trong một bộ vi xử lý đơn chíp đã dẫn đến một cuộc cách mạng trong công nghệ máy tính. Bắt đầu từ năm 1981, các vi máy tính đa hộp (máy tính để bàn, màn hình, bàn phím, chuột) hay đơn hộp (máy tính xách tay) đã trở thành một công cụ cá nhân trong đời sống hàng ngày dùng cho xử lý văn bản, tính toán dữ liệu công tác, chơi trò chơi, vẽ, xử lý đa phương tiện, và trình bày báo cáo. Khi được kết nối trong một mạng cục bộ (LAN – Local Area Network) hay Internet, các “máy tính cá nhân (PC)” này có khả năng trao đổi dữ liệu và truy cập vào mạng diện rộng toàn cầu (WWW-World Wide Web).

HÌNH 4.3 Ví dụ về một hệ cơ điện tử nhỏ:

Thiết bị ALAMBETA dùng cho đo lường tính chất nhiệt của tấm thủy tinh và vải (được sản xuất bởi SENSORA, Cộng hòa Séc). Nó thực hiện môt phương pháp đo lường duy nhất dùng cảm biến luồng nhiệt mỏng mở rộng, đo lường độ dày mẫu kết hợp trong truyền động đỉnh, điều khiển vi xử lý, và kết nối với một máy tính cá nhân.

Bên cạnh những máy tính “hữu hình” này, nhiều vi máy tính nhúng được ẩn trong các sản phẩm như máy móc, phương tiện giao thông, thiết bị đo lường, thiết bị viễn thông, dụng cụ gia đình, sản phẩm điện tử dân dụng (máy ảnh, hệ thống hi-fi, vô tuyến truyền hình, máy quay phim, điện thoại di động, nhạc cụ, đồ chơi, điều hòa nhiệt độ). Chúng được kết nối với các cảm biến, các giao diện cho người dùng (các nút bấm và màn hình hiển thị), và các cơ cấu chấp hành. Khả năng lập trình của các bộ điều khiển này mang lại sự linh hoạt cho các thiết bị (chọn chức năng bằng chương trình), một số tính chất thông minh (logic mờ), và hoạt động thân thiện với người dùng. Nó bảo đảm độ tin cậy cao hơn và sự bảo trì, sửa chữa, hiệu chuẩn (tự động), chẩn đoán (tự động) một cách dễ dàng hơn, và đưa ra khả năng tương hỗ – truyền thông qua lại hoặc điều khiển phân cấp trong thiết bị tổng thể hay trong một ngôi nhà thông minh. Một hình ảnh về một thiết bị hoạt động điện tử được đưa ra trên hình 4.3.

Các vi máy tính nhúng dựa trên kiến trúc Harvard nơi mà các bộ nhớ dữ liệu và mã được tách riêng. Chương trình cơ sở (Firmware) được dịch chéo trong một hệ thống phát triển và sau đó được tập trung vào một bộ nhớ không thay đổi. Theo cách này, chương trình chính đơn có thể chạy ngay lập tức sau khi nguồn được bật. Các thiết bị nhớ cơ học nhạy với sốc và tương đối đắt (các ổ cứng) và các màn hình ống chân không được thay thế bằng các thẻ nhớ và các đĩa bán dẫn (nếu một bộ nhớ lưu trữ là cần thiết) và các thiết bị hiện thị thanh LED hay các LCD.  Một bàn phím máy tính có thể được thay thế bởi một thiết bị/bộ các phím được gán chức năng riêng biệt và/hoặc các phím thường dùng (các phím mũi tên, Enter, Escape) được thực hiện bằng các phím số, nếu cần thiết. Những bộ phím, công tắc hỗ trợ, nút bấm lớn, công tắc chính và màn hình hiển thị này có thể được đặt trong các bảng điều khiển chịu được nước và bụi.

Sự tiến bộ trong việc tích hợp mạch dẫn tới sự phát triển nhanh chóng của các bộ vi điều khiển trong 2 thập kỷ gần đây. Bộ nhớ mã, bộ nhớ dữ liệu, bộ tạo nhịp, và tập hợp các mạch ngoại vi khác nhau được tích hợp với CPU (Hình 4.4) để chèn các vi máy tính đơn chíp hoàn toàn này vào trong một PCB ứng dụng riêng.

Bộ xử lý tín hiệu số (DSP) là các bộ vi xử lý nhúng đặc biệt với một vài thiết bị ngoại vi trên chíp nhưng với ADC/DAC bên ngoài đại diện cho kênh vào/ra quan trọng nhất. Các DSP có một kiến trúc tính toán song song và một tập hợp thanh ghi con trỏ động hoặc con trỏ cố định được tối ưu cho các thao tác xỷ lý tín hiệu điển hình như phép biến đổi rời rạc, lọc, chập, và mã hóa. Chúng ta có thể tìm thấy các DSP trong các ứng dụng như tạo/xử lý âm thanh, phân tích tín hiệu cảm biến (như dao động), truyền thông qua đường điện thoại (ví dụ như bộ lọc dải và bộ điều chế/giải điều chế số trong điện thoại di động, bộ thu phát cho truyền thông, các modem), và điều khiển vector của động cơ AC.

HÌNH 4.4 Sơ đồ khối của một vi điều khiển

Sản xuất hàng loạt (tức là giá thành hạ), kiến thức rộng lớn về sự hoạt động, sự truy cập toàn diện tới các công cụ gỡ lỗi và phát triển phần mềm, và hàng triệu dòng mã sẵn có làm cho các PC trở lên hữu ích cho các ứng dụng điều khiển và đo lường cần độ tập trung tính toán, mặc dù kiến trúc và hệ điều hành của chúng không hẳn thích hợp cho mục đích này.

Với sự phát triển mạnh của máy tính, có rất nhiều công cụ siêu máy tính, các PC đầu cuối và các hệ thống VXI (64/32 bit, trên 1000 MFLOPS/MIPS, 1000 MB bộ nhớ, công suất đầu vào 100 W, giá khoảng 10,000 USD), đến các mô-đun/thẻ máy tính PC (32 bit, 100-300 MFLOPS/MIPS, 10-100 MB, giá thấp hơn 1000 USD). Các mô-đun/thẻ vi xử lý (16/8 bit, 10-30 MIPS, 1 MB, giá khoảng 100 USD) và các bộ vi điều khiển 8 chân đơn giản (8 bit, 1-5 MIPS, 1 KB, 10 mW, giá khoảng 1 USD) cũng có sẵn với giá thành rất rẻ.