سیستم های امبدد Embedded Systems چه سیستم هایی هستند؟

‌آشنایی با سیستم‌های تعبیه‌شده

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

وظایف سیستم های Embedded Systems 

به طور کلی سیستم های امبدد وظیفه کنترل، مدیریت و پردازش اطلاعات در سیستم های بزرگ تر را برعهده دارند. این سیستم ها داده ها را از سنسورها میگیرند و پس از پردازش تصمیمات منطبق را انتخاب می کنند. مثلا در یک ماشین لباسشویی، سیستم امبدد دما، زمان شستشو و سرعت چرخش موتور را تأیین می‌کند تا بهترین عملکرد را ارائه دهد. همچنین این سیستم‌ها می‌توانند خروجی‌هایی دقیق و فوری تولید کنند. سیستم‌های ترمز ABS خودرو توسط سیستم های امبدد به سرعت واکنش نشان می‌دهند تا ایمنی حفظ شود. همچنین یکی دیگر از ویژگی های مفیدی که این سیستم ها برای کاربران دارند، برقراری ارتباط با افراد است. با رابط های کاربری ساده مثل دکمه، اپلیکیشن موبایل و نمایشگرها تعامل میان سیستم و کاربر برقرار می شود.

ویژگی‌های مشترک سیستم‌های امبدد

سیستم های امبدد با یکدیگر متفاوت هستند اما اصلی ترین ویژگی آنها در انجام یک وظیفه است. علاوه بر این ویژگی هایی دارند که در اکثریت آنها مشترک است:

• استفاده از MCU و CPU

میکروکنترلرها و میکروپردازنده ها در همه سیستم های تعبیه‌شده قرار می گیرند که هر کدام برای سیستم خاصیتی دارند. CPU، قدرت پردازشی بالا را در این نوع سیستم ها ارائه می دهد. MCU (میکروکنترلر) علاوه بر اینکه میکروپردازنده دارد، حافظه و ورودی و خروجی های لازم جهت کنترل دستگاه را نیز فراهم می کند. مثلا در یک خودرو مجهز به ترمز ABS، میکروکنترلر وظیفه دارد سرعت چرخ‌ها را در زمان بسنجد، فشار ترمز را کنترل کند و در صدم ثانیه واکنش نشان دهد تا از قفل شدن چرخ‌ها جلوگیری شود.

• کاربرد سیستم های Embedded در IOT

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

• نقش مهم در عملکردهای حساس به زمان

بسیاری از امبدد سیستم ها برای اینکه وظیفه خود را درست انجام دهند، 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 خودرو امنیت داشته باشد.

بخش های اصلی یک سیستم تعبیه‌شده

بخش سخت افزار

همانطور که گفتیم سیستم های امبدد Embedded Systems دارای میکروکنترلر و CPU هستند. این قطعات مغز دستگاه محسوب می‌شوند و با قطعات دیگر مانند حافظه، منبع تغذیه و نمایشگرهای LCD ارتباط دارند تا پردازش داده‌ها و اجرای دستورات را انجام دهند. این مجموعه بخش اصلی و سخت افزار سیستم های نهفته هستند.

نرم افزار دستگاه در سیستم های Embedded

Application Software همان نرم افزاری است که روی سخت افزار سیستم اجرا می شود. این نرم افزار عملکرد اصلی دستگاه را کنترل می کند و برنامه های خاصی دارد که با سخت افزار دستگاه ملحق می شود. این بخش می تواند یه رابط کاربری مثل موبایل، دکمه و نمایشگر برای کاربر فراهم کند. در بسیاری از دستگاه های امبدد جدید و مدرن می توان این نرم افزار ها را با اپلیکیشن خاص از فواصل دور آپدیت کرد. بخش نرم افزاری های سیستم امبدد در دو حالت ساده و پیچیده وجود دارد. در سیستمی مثل ساعت این بخش ساده و در سیستمی مثل کنترل خودرو این بخش بسیار سنگین است زیرا هم زمان اطلاعات چندین حسگر را پردازش می کند.

سیستم عامل بلادرنگ RTOS

این سیستم عامل لحظه ای است، یعنی به عملکردهای خارجی به سرعت جواب می دهد. این ویژگی در دستگاه هایی که به زمان حساس هستند، بسیار مهم است و حتی کوچکترین تأخیر باعث اختلال در روند کار می شود. به طور کلی این سیستم وظیفه دارد تا زمان فعالیت ها را به صورت دقیق کنترل مدیریت کند.

دسته‌بندی سیستم های نهفته (Embedded)

مستقل

به آن دسته از سیستم های امبدد Embedded Systems، مستقل می گویند که بدون نیاز به کامپیوتر، دستگاه یا سرور کار می کنند. یعنی همه ابزارهای موردنیاز برای انجام فعالیت هایی مثل گرفتن ورودی، پردازش و خروجی گرفتن در یک دستگاه قرار گرفته است. ماشین حساب و ساعت دیجیتال و دستگاه تست قند خون نمونه هایی از سیستم های تعبیه‌شده مستقل است که عملکرد بسیار ساده ای دارند.

سیستم های امبدد شبکه ای (Network Systems)

این سیستم ها دسته ای از امبددها هستند که برای شروع و انجام فعالیت خود نیاز به اتصال به یک شبکه LAN یا اینترنت دارند. سیستم های شبکه بخش اصلی بسیاری از طراحی های IOT و سیستم های توزیع‌شده هستند و از راه دور کنترل و مانیتور می شوند. مودم اینترنت، دوربین امنیتی، دستگاه POS و ترموستات هوشمند نمونه هایی از امبددسیستم های شبکه ای می باشند. POS یک سیستم نهفته شبکه ای است که هم داده های تراکنش را پردازش می کند و هم به سرور بانکی متصل می شود.

موبایل

سیستم های تعبیه‌شده موبایلی، سیستم های کوچک، سبک و قابل حمل هستند. این دسته از امبدد سیستم ها منبع انرژی محدودی دارند و با باتری کار می کنند. بنابر این ویژگی مصرف انرژی یکی از نکات مهم است که هنگام طراحی باید آن را در نظر داشت. همه سیستم های امبدد موبایل به صورت مستقل کار می کنند و به اتصال دائم به شبکه نیاز ندارند. اما باید به این نکته توجه داشت که هر سیستمی که مستقل باشد موبایل نیست. کاربری این سیستم ها معمولا بسیار ساده است. اسپیکرهای کوچک قابل حمل، گوشی های هوشمند و دوربین های دیجیتال نمونه های رایج سیستم های امبدد موبایل هستند.

چرا سیستم‌های امبدد در دنیای امروز ضروری هستند؟

سیستم های امبدد Embedded Systems تقریبا در همه بخش های خانگی، پزشکی و صنعتی کاربرد دارند. در کارخانه ها، سیستم های امبدد خطوط تولید، اتوماسیون و روبات های صنعتی را کنترل می کنند. همچنین در خودروها سیستم های امبدد نقش بسیار مهمی در ایمنی و کنترل ترمز خودرو دارند. در حوزۀ پزشکی، دستگاه‌های مانیتورینگ علائم حیاتی، تجهیزات تصویربرداری و پمپ‌های تزریق به کمک سیستم‌های امبدد با دقت و اطمینان بالا عمل می‌کنند. از طرفی لوازم خانگی مثل سیستم های روشنایی، تلویزیون و یخچال از طریق این بخش ها کنترل می شوند. به خاطر کاربرد گسترده سیستم های Embedded، بازار کار مرتبط به آنها بسیار افزایش یافته است. مهندس سیستم‌های امبدد، مهندس سخت‌افزار، مهندس نرم‌افزار و Firmware و طراح RTOS مشاغلی هستند که به این سیستم ها مربوط 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، نمونه های کاربردی سیستم های امبدد هستند. این محصولات همه ویژگی هایی را که تا به حال بررسی کردیم در پروژه ارائه می دهند و گزینه اقتصادی در سیستم های Embedded هستند. این محصولات در پروژه‌های IoT، رباتیک، کنترل صنعتی، هوشمندسازی و پردازش بلادرنگ استفاده می‌شوند. بنابراین اگر می خواهید در پروژه های الکترونیکی و هوش مصنوعی خود سیستم های تعبیه‌شده را اجرا کنید می توانید از محصولاتی مثل برد Arduino Nano ESP32، میکروکنترلر ATMEGA8A-AU و Arduino Nano 33 Sense BLE Rev2 استفاده کنید.