Không giống như máy tính cấp tiêu dùng, máy tính nhúng và máy tính biên được xây dựng có chủ đích cho các ứng dụng phần mềm điều khiển cụ thể, đặc biệt là tại các thị trường tập trung vào sản xuất và tự động hóa công nghiệp luôn có nhu cầu cao hơn. Nhiều máy tính nhúng đóng vai trò quan trọng trong khuôn khổ cho các nền tảng tính toán, lưu trữ và kết nối IoT mạnh mẽ hiện nay.

Khi nhu cầu về khả năng tính toán nhanh hơn và tốt hơn tạo tiền đề cho tự động hóa, phần cứng máy tính chuyên dụng được yêu cầu để đảm bảo độ tin cậy và xử lý thời gian thực. Dưới đây là một số tính năng thiết kế phần cứng phổ biến nhất cần tìm kiếm ở máy tính nhúng.

1. Thiết kế không quạt có độ tin cậy cao hơn

Một trong những điểm hư hỏng phổ biến nhất của máy tính là do quạt bị lỗi. Quạt đóng một vai trò quan trọng trong động lực học nhiệt của máy tính vì chúng tản nhiệt ra khỏi các thành phần quan trọng. Ví dụ, các bộ xử lý đa lõi thực hiện các lệnh tuần tự sau các lệnh có thiết kế quạt và tản nhiệt làm mát toàn bộ hệ thống. Nhưng một khi quạt ngừng hoạt động, các thành phần có thể quá nóng, khiến hệ thống bị lỗi và gây nguy hiểm cho các ứng dụng. Mặc dù quạt là một giải pháp phổ biến để bảo vệ các thành phần không bị quá nhiệt, nhưng chính nó lại là điểm yếu làm giảm độ tin cậy lâu dài trong các thiết kế nhúng. Thêm vào đó, việc sử dụng quạt cần có lỗ thông gió hút luồng không khí từ bên ngoài vào làm mát hệ thống. Luồng không khí xâm nhập vào bên trong luôn kèm theo bụi và các mảnh vụn, lâu dần sẽ tích tụ và gây ảnh hưởng tới tuổi thọ của các thành phần bên trong máy. Một khi quạt hỏng, các thành phần như bộ xử lý sẽ quá nóng và có thể bị hỏng. Một số trường hợp bị lỗi main, bạn có thể tìm hiểu thêm lỗi thường gặp này trong bài viết: Máy tính công nghiệp có quạt có thực sự lọc được hết bụi với thiết kế AirFilters?

Trường hợp máy tính công nghiệp có quạt lỗi main do quạt bị lỗi

Vì vậy, đó là lý do tại sao các máy tính nhúng thường được áp dụng nguyên tắc thiết kế không quạt để hoạt động êm ái liên tục trong 24/7. Lợi ích đằng sau thiết kế không quạt là khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt. Chỉ cần loại bỏ phần tử quay ra khỏi thiết kế nhiệt tổng thể sẽ làm tăng độ tin cậy và loại bỏ nguy cơ dễ hỏng hóc nhất với máy tính nhúng. >>Xem thêm: PC không quạt làm mát bằng cách nào?

Máy tính nhúng không quạt hoàn toàn khác về thiết kế vì chúng sử dụng công nghệ làm mát thụ động và kỹ thuật cơ khí mạnh mẽ. Các phương pháp làm mát thụ động đạt được mức quy ước không khí tự nhiên và độ bền nhiệt cao thông qua thiết kế cơ học và công nghệ tản nhiệt.

Các kỹ sư máy tính nhúng tận dụng một khung có tấm tản nhiệt bằng nhôm hoạt động như một bộ tản nhiệt để truyền nhiệt ra khỏi các thành phần quan trọng như bộ xử lý mà không cần đến hoạt động của quạt. Ngoài ra, các ống dẫn nhiệt bằng đồng cũng được tận dụng trong thiết kế để truyền một lượng nhiệt cao ra khỏi hệ thống máy tính. Đặc biệt là khi bộ xử lý và các thành phần máy tính khác tăng hiệu suất, máy tính nhúng không quạt cần có khả năng hỗ trợ các gói thiết kế nhiệt cao hơn (TDP) để đảm bảo độ tin cậy công nghiệp trong các ứng dụng từ xa và di động. Một lợi ích khác từ thiết kế không quạt trong máy tính nhúng là hoạt động yên tĩnh, phù hợp trong các ứng dụng yêu cầu tiếng ồn thấp.

Máy tính nhúng không quạt hoàn toàn khác về thiết kế vì chúng sử dụng công nghệ làm mát thụ động và loại bỏ phần tử quay

2. Thiết kế chắc chắn, có khả năng chống rung sốc

Hầu hết các máy tính sử dụng chung được thiết kế để hoạt động trong các môi trường được kiểm soát như văn phòng và nhà riêng. Nhưng khi nói đến máy tính nhúng, khả năng chịu đựng mọi thách thức từ môi trường cũng là yếu tố then chốt tạo nên độ tin cậy. Ví dụ: nhiều thiết bị IoT di động và triển khai Edge từ xa cho các ứng dụng trong xe tận dụng máy tính nhúng không quạt để chống sốc và rung. Các yếu tố môi trường như sốc và rung có thể cực kỳ gây hại cho các máy tính nói chung, gây ra hỏng hóc hoặc thậm chí gây hại cho chức năng tổng thể. Một số triệu chứng chính gặp phải do sốc và rung là cáp bị rút phích cắm, các bộ phận bên trong bị dịch chuyển khỏi ổ cắm và thậm chí là hư hỏng vật lý đối với chính các bộ phận.

Khả năng chống va đập và rung sốc là một tính năng thiết kế chính mà hầu hết các máy tính nhúng đều hỗ trợ thông qua các bài kiểm tra. Mức độ chống sốc và độ rung cao là rất quan trọng đối với các máy tính nhúng, ví dụ như tuân thủ tiêu chuẩn quân sự “MIL-STD-810G”. MIL-STD-810G cung cấp một hướng dẫn cơ bản để đảm bảo kỹ thuật và quy trình thử nghiệm của nó đối với thiết bị quân sự được đáp ứng. Mặc dù tiêu chuẩn này chỉ dành riêng cho thiết bị quân sự, nhưng các thiết kế máy tính nhúng tận dụng tiêu chuẩn này để đảm bảo độ tin cậy và chức năng cao nhất đối với các thách thức về môi trường.

Ví dụ, hầu hết các máy tính nhúng đều tuân thủ tiêu chuẩn này bằng cách đáp ứng mức độ sốc lên đến 50G, 1/2 sin, 11ms và mức độ rung lên đến 5 Grms, 5 - 500 Hz, 0,5 giờ / trục.

Để đáp ứng các tiêu chuẩn về sốc và rung, đây là 2 yếu tố kỹ thuật thiết kế phổ biến được các kỹ sư sử dụng cho máy tính nhúng:

• Thiết kế trạng thái rắn, dạng tấm: Các máy tính nhúng tốt nhất được thiết kế với ít khớp và mảnh cơ khí nhất, thường ở thiết kế một mảnh bao gồm bo mạch chủ và khung bên ngoài. Tính năng này cực kỳ hữu ích để chống lại các tác nhân môi trường như va đập và rung động vì nó loại bỏ các điểm hư hỏng quan trọng từ các ốc vít và khớp cơ khí không cần thiết.
• Thiết kế không dây: Một tính năng khác biệt quan trọng trong các máy tính nhúng được thiết kế tốt nhất là khả năng cung cấp thiết kế không dây. Toàn bộ kiến trúc và thiết kế phù hợp với nhau mà không cần sử dụng dây cáp hoặc kết nối với bo mạch chủ. Bằng cách loại bỏ các dây cáp khỏi thiết kế, đảm bảo tất cả các thành phần được đặt trực tiếp vào bo mạch chủ và loại bỏ một điểm lỗi chung. Thiết kế không có cáp đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng chịu sốc và rung.

3. Phạm vi nhiệt độ hoạt động mở rộng cho môi trường khắc nghiệt

Một nguyên tắc thiết kế khác có lợi cho máy tính nhúng là khả năng hoạt động trong phạm vi nhiệt độ mở rộng. Với sự kết hợp của làm mát thụ động không quạt và thiết kế cơ khí cấp công nghiệp, máy tính nhúng là giải pháp hoàn hảo trong môi trường đầy thử thách. Loại máy tính này được lựa chọn và triển khai trong các ứng dụng khắc nghiệt nhất như tự động hóa nhà máy, trong xe và giám sát giao thông, ki-ốt ngoài trời, hệ thống điện tử hàng không và quân sự. Các kỹ sư nhúng cũng tuân theo tiêu chuẩn MIL-STD-810G để điều chỉnh thiết kế công nghiệp của thiết bị nhằm chịu được phạm vi nhiệt độ mở rộng. Ví dụ, một số máy tính nhúng tốt nhất hỗ trợ nhiệt độ hoạt động thấp đến 40°C và lên đến 70°C.

4. Các tùy chọn I/O có thể mở rộng và mô-đun được thiết kế để hợp nhất khối lượng công việc

Khi những tiến bộ công nghệ trong IoT và Edge Computing đặt ra nhu cầu lớn hơn đối với các ngành như sản xuất và tự động hóa, thì dữ liệu và giá trị của nó tiếp tục có sự thay đổi lớn về hiệu quả của IT và OT.

Máy tính nhúng đóng một vai trò quan trọng trong việc hợp nhất và hội tụ khối lượng công việc ở cấp cục bộ hoặc cấp độ cạnh. Nói cách khác, các hệ thống máy tính nhúng hiện nay cần có khả năng quản lý nhiều loại đầu vào dữ liệu khác nhau để truyền thông tin có giá trị qua lại cho việc ra quyết định theo thời gian thực. Do đó, các máy tính nhúng cần phải hỗ trợ nhiều loại I / O cũ và mới để có các hoạt động tính toán mạnh mẽ hơn. Một số thiết kế máy tính nhúng tốt nhất hỗ trợ vô số thiết bị ngoại vi kế thừa và hiện đại với nhiều cổng I/O. Để chuẩn bị cho Công nghiệp 4.0, nhiều nhà sản xuất sử dụng máy móc truyền thống có thể tận dụng công nghệ điện toán tiên tiến để thu thập phân tích dữ liệu và cái nhìn sâu sắc cho các quyết định chiến lược. Bằng cách cung cấp các tùy chọn có thể mở rộng cho các nhà tích hợp hệ thống, các máy tính cạnh chắc chắn cung cấp một nền tảng linh hoạt để tích hợp các cảm biến và bộ truyền động khác nhau cho bối cảnh IoT đang phát triển. Một số I/O và thiết bị ngoại vi tốc độ cao phổ biến nhất bao gồm: USB, cổng Serial, LAN / PoE, GPIO và các cổng DP độc lập.

>> Xem thêm: 6 cổng I / O phổ biến nhất của máy tính công nghiệp

5. Bảo vệ nguồn điện áp

Không giống như các máy tính thông thường được thiết kế cho môi trường được kiểm soát, các thiết kế máy tính nhúng có tính đến nguồn điện đầu vào và điều chỉnh điện áp. Tích hợp bảo vệ nguồn cung cấp một lớp bảo mật bổ sung để bảo vệ các linh kiện điện tử khỏi sự thay đổi điện áp đột ngột và các tình huống khác thường phải đối mặt trong môi trường khó kiểm soát. Máy tính nhúng cần duy trì điện áp đầu vào rộng để đối phó với lưới điện dao động tăng đột biến đến mức nguy hiểm có thể gây hại cho máy tính. Ví dụ, một số máy tính nhúng tốt nhất hỗ trợ đầu vào điện áp rộng nằm trong khoảng từ 9VDC đến 50VDC. Máy tính nhúng cũng bao gồm các tính năng bảo vệ chống quá áp, quá dòng và phân cực ngược bằng cách định tuyến lại mạch để ổn định điện tử.