‌آشنایی با سیستم‌های امبدد

سیستم‌های امبدد Embedded Systems یک مجموعه از قسمت های سخت افزار و نرم افزار کامپیوتر است. به همین علت به سیستم‌های Embedded، سیستم‌های نهفته‌ نیز می گویند. این سیستم‌های تعبیه یک ماموریت اشکار را برعهده دارند. این مجموعه داخل یک دستگاه بزرگتر الکترونیکی و مکانیکی قرار می گیرند و ماموریت های کنترلی و پردازشی را انجام می دهند. برای نمونه سیستم‌های تعبیه‌شده یک یخچال مدرن را مدیریت می کنند. در این وسیله هشدار باز ماندن درب یخچال و مقدار خنک سازی و دمای یخچال توسط سیستم‌های نهفته‌شده انجام می شود. هنگامی شما یک وسیله الکترونیکی یا مکانیکی را نگاه می‌کنید، همانند ماشین لباسشویی، ماشین یا تلفن همراه، بخشی از آن که مسئول کنترل دما، زمان‌بندی، پردازش اطلاعات حسگرها یا اجرای دستورات کاربر است، همان سیستم امبدد است.

ماموریت های سیستم‌های Embedded Systems 

به طور کلی سیستم‌های امبدد ماموریت کنترل، مدیریت و پردازش اطلاعات در سیستم‌های بزرگ تر را برعهده دارند. این سیستم‌ها داده ها را از سنسورها میگیرند و بعد از پردازش تصمیمات منطبق را انتخاب می کنند. برای مثال در یک ماشین لباسشویی، سیستم امبدد دما، زمان شستشو و شدت چرخش موتور را تأیین می‌کند تا بهترین کارکرد را اراعه دهد. این چنین این سیستم‌ها می‌توانند خروجی‌هایی دقیق و سریع تشکیل کنند. سیستم‌های ترمز ABS ماشین توسط سیستم‌های امبدد به شدت عکس العمل نشان خواهند داد تا ایمنی نگه داری شود. این چنین یکی دیگر از ویژگی های مفیدی که برای کاربران دارند، برقراری ربط با افراد است. با رابط‌های کاربری ساده همانند دکمه، اپلیکیشن موبایل و نمایشگرها تعامل بین سیستم و کاربر برقرار می‌شود.

ویژگی‌های مشترک سیستم‌های امبدد

مهم ترین ویژگی سیستم‌های امبدد در انجام یک ماموریت است. علاوه بر این ویژگی هایی دارند که در اکثریت آنها مشترک است:

·     منفعت گیری از MCU و CPU

میکروکنترلرها و میکروپردازنده‌ها در همه سیستم‌های تعبیه‌شده قرار می‌گیرند که هر کدام برای سیستم خاصیتی دارند. CPU، قوت پردازشی بالا را در این نوع سیستم‌ها اراعه می دهد. MCU (میکروکنترلر) علاوه بر این که میکرو‌ پردازنده دارد، حافظه و ورودی و خروجی های ملزوم جهت کنترل دستگاه را نیز فراهم می کند. برای مثال در یک ماشین تجهیزبه ترمز ABS، میکروکنترلر ماموریت دارد شدت چرخ‌ها را در زمان بسنجد.

·    کاربرد سیستم‌های Embedded در IOT

سیستم‌های تعبیه‌شده قسمت اساسی دستگاه های IOT محسوب می شوند. اینترنت اشیا یک مجموعه حرفه ای از دستگاه‌ها است که بدون این که به دخالت انسان نیاز داشته باشد، این قسمت‌ها با هم ربط می گیرند و اطلاعات را انتقال می دهند. سیستم‌های امبدد در این دستگاه‌ها مسئولیتی همانند جمع‌آوری داده از سنسورها، پردازش بلادرنگ و ارسال اطلاعات به سرور یا گوشی کاربر را انجام خواهند داد. برای مثال در ترموستات اتوماتیک خانه سنسور ابتدا حالت دما را می سنجد، سیستم Embedded داخل ترموستات سپس از پردازش دیتاهای ارسال شده تصمیم می گیرد سیستم گرمایشی را روشن یا خاموش کند. سپس از آن حالت تصمیم گرفته شده به اپلیکیشن موبایل شما ارسال می‌شود یا روی نمایشگر قرار می گیرد تا شما بتوانید آن را تحول دهید.

·    نقش مهم در عملکردهای حساس به زمان

تعداد بسیاری از امبدد سیستم‌ها برای این که ماموریت خود را درست انجام بدهند، باید در لحظه ای دقیق فعالیت داشته باشند. به این ویژگی مهم Real-Time می گویند. سیستم ABS ماشین از این دسته می باشد که باید در صدم ثانیه عمل کند تا ماشین امنیت داشته باشد.

قسمت‌های مهم یک سیستم تعبیه‌شده

قسمت سخت افزار

همانطور که گفتیم سیستم‌های امبدد Embedded Systems دارای میکروکنترلر و CPU می باشند. این قطعات مغز دستگاه محسوب خواهد شد و با قطعات دیگر همانند حافظه، منبع تغذیه و نمایشگرهای LCD ربط دارند تا پردازش داده‌ها و اجرای دستورات را انجام بدهند. این مجموعه قسمت مهم و سخت افزار سیستم‌های نهفته می باشند.

نرم افزار دستگاه در سیستم‌های Embedded

Application Software همان نرم افزاری است که روی سخت افزار سیستم اجرا می شود. این نرم افزار کارکرد مهم دستگاه را کنترل می کند و برنامه‌های خاصی دارد که با سخت افزار دستگاه ملحق می شود. این قسمت می تواند یه رابط کاربری همانند موبایل، دکمه و نمایشگر برای کاربر فراهم کند. در تعداد بسیاری از دستگاه‌های امبدد تازه و مدرن می‌توان این نرم افزارها را با اپلیکیشن خاص از فواصل دور آپدیت کرد. قسمت نرم افزاری‌های سیستم امبدد در دو حالت ساده و پیچیده وجود دارد. در سیستمی همانند ساعت این قسمت ساده و در سیستمی همانند کنترل ماشین این قسمت زیاد سنگین است چون هم‌زمان اطلاعات چندین حسگر را پردازش می کند.

سیستم عامل بلادرنگ RTOS

این سیستم عامل لحظه‌ای است، یعنی به عملکردهای خارجی به شدت جواب می دهد. این ویژگی در دستگاه‌هایی که به زمان حساس می باشند، زیاد مهم است و حتی کوچکترین تأخیر علتاختلال در روال کار می شود. به طور کلی این سیستم ماموریت دارد تا زمان فعالیت‌ها را به طور دقیق کنترل مدیریت کند.

دسته‌بندی سیستم‌های نهفته (Embedded)

۱. جدا گانه

به آن دسته از سیستم‌های امبدد Embedded Systems، جدا گانه می گویند که بدون نیاز به کامپیوتر، دستگاه یا سرور کار می کنند. یعنی همه ابزارهای موردنیاز برای انجام فعالیت‌هایی همانند گرفتن ورودی، پردازش و خروجی گرفتن در یک دستگاه قرار گرفته است. ماشین حساب و ساعت دیجیتال و دستگاه تست قند خون مثالهایی از سیستم‌های تعبیه‌شده جدا گانه است که کارکرد زیاد ساده ای دارند.

۲. سیستم‌های امبدد شبکه ای (Network Systems)

این سیستم‌ها دسته ای از امبددها می باشند که برای اغاز و انجام فعالیت خود نیاز به اتصال به یک شبکه LAN یا اینترنت دارند. سیستم‌های شبکه قسمت مهم تعداد بسیاری از طراحی‌های IOT و سیستم‌های توزیع‌شده می باشند و از راه دور کنترل و مانیتور می شوند. مودم اینترنت، دوربین امنیتی، دستگاه POS و ترموستات هوشمند مثالهایی از امبدد سیستم‌های شبکه ای می باشند. POS یک سیستم نهفته شبکه ای است که هم داده‌های تراکنش را پردازش می‌کند و هم به سرور بانکی متصل می‌شود.

۳. موبایل

سیستم‌های تعبیه‌شده موبایلی، سیستم‌های کوچک، سبک و قابل حمل می باشند. این دسته از امبدد سیستم‌ها منبع انرژی محدودی دارند و با باتری کار می‌کنند. بنابر این ویژگی مصرف انرژی یکی از نکات مهم است که زمان طراحی باید آن را در نظر داشت. همه سیستم‌های امبدد موبایل به طور جدا گانه کار می‌کنند و به اتصال دائم به شبکه نیاز ندارند. اسپیکرهای کوچک قابل حمل، گوشی های هوشمند و دوربین های دیجیتال نمونه های رایج سیستم‌های امبدد موبایل می باشند.

چرا سیستم‌های امبدد در دنیای امروز الزامی می باشند؟

سیستم‌های امبدد Embedded Systems تقریبا در همه قسمت های خانگی، پزشکی و صنعتی کاربرد دارند. در کارخانه‌ها، سیستم‌های امبدد خطوط تشکیل، اتوماسیون و روبات های صنعتی را کنترل می کنند. این چنین در خودروها سیستم‌های امبدد نقش زیاد مهمی در ایمنی و کنترل ترمز ماشین دارند. در حوزۀ پزشکی، دستگاه‌های مانیتورینگ علائم حیاتی، تجهیزات تصویربرداری و پمپ‌های تزریق به پشتیبانی سیستم‌های امبدد با دقت و مطمعن بالا عمل می‌کنند. از طرفی لوازم خانگی همانند سیستم‌های روشنایی، تلویزیون و یخچال از طریق این قسمت‌ها کنترل می شوند. 

بردهای امبدد

سیستم‌های تعبیه شده حتما باید رو یک سخت افزار اجرا شوند. بردهای آردوینو و ماژول‌هایی که با معماری AVR طراحی‌ شده‌اند، مثالهای کاربردی سیستم های امبدد می باشند. این محصولات همه ویژگی هایی را که تا به حال بازدید کردیم در پروژه اراعه می دهند و گزینه اقتصادی در سیستم‌های Embedded می باشند. به این علت اگر می خواهید در پروژه‌های الکترونیکی و هوش مصنوعی خود سیستم‌های تعبیه‌شده را اجرا کنید می توانید از محصولاتی همانندبرد Arduino Nano ESP32، میکروکنترلر ATMEGA8A-AU و Arduino Nano 33 Sense BLE Rev2 منفعت گیری کنید.