Embedded System สู่โลกของระบบฝังตัว

Embedded System หรือระบบฝังตัว คือระบบคอมพิวเตอร์ที่ได้รับการออกแบบมาเพื่อดำเนินงานเฉพาะด้านโดยใช้ฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ที่ผสานเข้าด้วยกันอย่างสมบูรณ์ ระบบนี้ถูกนำมาใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ เช่น โทรศัพท์มือถือ เครื่องใช้ไฟฟ้า ยานยนต์ และอุปกรณ์ IoT (Internet of Things) เพื่อทำหน้าที่เฉพาะเจาะจง

คำย่อที่ใช้เรียกระบบควบคุมที่ใช้ฮาร์ดแวร์เป็นหลักในการทำงานมีหลายคำ เช่น

  • ระบบฝังตัว (Embedded System) เป็นคำที่ครอบคลุมระบบควบคุมที่ถูกฝังอยู่ในอุปกรณ์ต่างๆ เช่น ไมโครคอนโทรลเลอร์, ไมโครโปรเซสเซอร์ ซึ่งมักจะใช้ฮาร์ดแวร์เป็นหลักในการควบคุม
  • ระบบควบคุมแบบดิจิทัล (Digital Control System) เน้นย้ำว่าระบบใช้สัญญาณดิจิทัลในการควบคุม ซึ่งมักจะเกี่ยวข้องกับการใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์หรือไมโครโปรเซสเซอร์
  • ระบบควบคุมแบบลอจิก (Logic Control System) เน้นย้ำการใช้ตรรกะในการควบคุม โดยเฉพาะการใช้ลอจิกเกตต่างๆ เช่น AND, OR, NOT
  • ระบบควบคุมแบบโปรแกรม (Programmable Logic Controller PLC) เป็นระบบควบคุมอุตสาหกรรมที่ใช้ฮาร์ดแวร์เฉพาะทางในการควบคุมกระบวนการผลิตต่างๆ

ลักษณะของ Embedded System

Embedded System ได้รับการออกแบบมาเพื่อตอบสนองการใช้งานที่เฉพาะเจาะจง เช่น ระบบควบคุมอุณหภูมิ หรือระบบควบคุมเครื่องจักร ระบบฝังตัวส่วนใหญ่ต้องการการตอบสนองที่แม่นยำและรวดเร็ว เช่น ระบบเบรก ABS ในยานยนต์ แต่มักมีข้อจำกัดด้านหน่วยประมวลผล หน่วยความจำ

องค์ประกอบของ Embedded System

ฮาร์ดแวร์ (Hardware)

  • ไมโครคอนโทรลเลอร์ (Microcontroller)
  • เซ็นเซอร์ (Sensors)
  • แอคทูเอเตอร์ (Actuators)

ซอฟต์แวร์ (Software)

  • เฟิร์มแวร์ (Firmware)
  • ระบบปฏิบัติการฝังตัว (Embedded Operating System)

การสื่อสาร (Communication)

  • การเชื่อมต่อ เช่น UART, I2C, SPI, หรือโปรโตคอลไร้สาย เช่น Bluetooth, Zigbee

ข้อดีและข้อเสียของ Embedded System

ข้อดี

  • ขนาดเล็กและประหยัดพลังงาน
  • ประสิทธิภาพสูงเมื่อออกแบบสำหรับงานเฉพาะ
  • มีความน่าเชื่อถือและเสถียรภาพ

ข้อเสีย

  • มีข้อจำกัดในการอัปเกรดและปรับปรุง
  • ต้องการการออกแบบที่ซับซ้อนในขั้นต้น
  • ยากต่อการแก้ไขข้อผิดพลาดหลังการผลิต

แนวโน้มในอนาคต

การพัฒนาระบบ Embedded System คาดว่าจะเน้นไปที่การสนับสนุน AI และ Machine Learning มากขึ้น และการเชื่อมต่อกับเทคโนโลยี 5G จะทำให้ระบบฝังตัวมีความสามารถเพิ่มขึ้น โดยเฉพาะในอุปกรณ์ IoT

Light-following vehicle

การสร้างรถเดินตามแสงเป็นตัวอย่างหนึ่งของการนำ Embedded System มาใช้ในชีวิตจริง โดยในโปรเจกต์นี้จะใช้ระบบควบคุมแบบลอจิก (Logic Control System) ซึ่งใช้การคำนวณสมการตรรกศาสตร์ด้วย K-map เพื่อควบคุมการทำงานของรถ

  • Integrated Circuit IC (AND, OR, NOT)
  • เซ็นเซอร์แสง (Light Sensors)
  • มอเตอร์และล้อ (Motors and Wheels)
  • วงจรลอจิก (Logic Circuits)

ตัวอย่างสมการตรรกศาสตร์

สมมติว่าเรามีเซ็นเซอร์แสงสองตัว (L1 และ L2) และมอเตอร์สองตัว (M1 และ M2) เราสามารถใช้ K-map เพื่อคำนวณสมการตรรกศาสตร์ที่ควบคุมการทำงานของมอเตอร์ได้ดังนี้

  • เมื่อ L1 ตรวจจับแสงและ L2 ไม่ตรวจจับแสง: M1 = 1, M2 = 0
  • เมื่อ L2 ตรวจจับแสงและ L1 ไม่ตรวจจับแสง: M1 = 0, M2 = 1
  • เมื่อทั้ง L1 และ L2 ตรวจจับแสง M1 = 1, M2 = 1
  • เมื่อไม่มีเซ็นเซอร์ใดตรวจจับแสง M1 = 0, M2 = 0

จากนั้นใช้ K-map เพื่อหาสมการตรรกศาสตร์ที่เหมาะสมสำหรับการควบคุมมอเตอร์ แน่นอนว่าค่าที่ได้จาก Light Sensors นั้นเป็น Analog เราเลยจะมีวงจรแบงแรงดันเพื่องแปลงสัญญาณ Analog ที่ได้จาก Light Sensors เป็น Digital

ตารางค่าความจริง (Truth Table)

L
C
R
ML
MR
0
0
0
0
1
0
0
1
1
0
0
1
0
1
1
0
1
1
1
1
1
0
0
0
1
1
0
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1

ML K-Map L CR: C + R (OR Gate)

00
01
11
10
0
1
1
1
0
1
1
1

MR K-Map L CR: L + C + R (OR Gate)

00
01
11
10
1
0
1
1
1
1
1
1

วงจรแบ่งแรงดัน (Voltage Divider หรือ Potential Divider)

เราเลือกใช้ Op-amp เบอร์ 741 มาใช้ร่วมกับวงจรแบ่งแรงดัน (Voltage Divider) เพื่อแปลงสัญญาณ Analog ที่ได้จาก Light Sensors เป็น Digital หลักการคือ ถ้าแรงดันขา in+ และ in- รวมกันแล้วมีค่า >= 6V ฝั่ง output ก็จะปล่อยไฟ 6V ถ้า in+ และ in- รวมกันแล้วมีค่า < 6V ฝั่ง output ก็จะปล่อยไฟ 0V ก็จะแทนได้ว่า 0 1

ตัวอย่างวงจร

vt2

วงจรโดยรวม

embedded

สามารถ Simulation และดูอุปกรณ์ที่ใช้ หรือดู Schematic ได้ที่ My Tinkercad

สรุป

Embedded System เป็นส่วนสำคัญของเทคโนโลยีสมัยใหม่ที่ช่วยให้เกิดความสะดวกสบายและเพิ่มประสิทธิภาพในการใช้งานอุปกรณ์ต่างๆ ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ ระบบฝังตัวจึงมีศักยภาพที่จะเปลี่ยนแปลงโลกได้อย่างมากในอนาคต