Ứng dụng vi xử lý ARM chế tạo thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường

 Thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường được sử dụng trong việc giám sát, cảnh báo những sự cố, bất thường của phóng xạ môi trường. Thiết bị được thiết kế, chế tạo dựa trên nền tảng công nghệ vi xử lý ARM. Với những ưu việt của vi xử lý ARM giúp thiết bị có được những tính năng hiện đại, khả năng thu thập và phân tích dữ liệu liên tục, kết nối đa dạng, truyền nhận trực tuyến với trung tâm điều hành và khả năng tương tác thời gian thực. Thông qua việc thực hiện đề tài nghiên cứu cấp nhà nước, mã số KC05.16/11-15, chúng tôi đã nghiên cứu và ứng dụng thành công vi xử lý ARM trong chế tạo thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường.

       Vi xử lý ARM (Advance RISC Machine) là một loại vi xử lý 32-bit kiểu RISC được sử dụng rộng rãi trong các thiết kế nhúng. ARM được nghiên cứu và phát triển từ những thập niên 80 của thế kỷ 20 bởi công ty Acorn, qua nhiều giai đoạn phát triển khác nhau với nhiều phiên bản của vi xử lý, ARM ngày càng chứng tỏ được sự ưu việt của vi xử lý trong phát triển các thiết bị.

       Vi xử lý ARM được thiết kế là trái tim của tất cả các thiết bị công nghệ từ điện thoại di động, máy ảnh kỹ thuật số đến những thiết bị điều khiển trên ô tô… cung cấp cho các thiết bị có hiệu năng cao, chi phí hợp lý và sử dụng năng lượng một cách hiệu quả nhất. Với sự tham gia của các tổ chức khác nhau, sự tích hợp vi xử lý ARM vào các SOC (System On Chip) giúp cho vi xử lý ARM có khả năng tích hợp cao, được hỗ trợ đầy đủ và nhanh chóng.

       Vi xử lý ARM cũng tương thích với hầu hết các hệ điều hành trên thị trường như Window, Linux... điều này giúp cho việc phát triển các giải pháp phần mềm trên ARM được dễ dàng và tối ưu.

       Vi xử lý ARM không chỉ đơn giản là một vi xử lý về mặt công nghệ, nó còn là một giải pháp hoàn chỉnh trong việc phát triển thiết bị dựa trên ARM. ARM có các giải pháp và các công cụ gỡ lỗi phần cứng, công cụ phát triển phần mềm, điều này giúp cho việc đẩy nhanh tiến độ thiết kế, phát triển thiết bị và đảm bảo cho một sản phẩm thành công.

       Với những đặc điểm trên vi xử lý ARM đã chứng tỏ được những ưu việt của mình trong quá trình phát triển các thiết bị nhúng, ARM cũng cung cấp đầy đủ các giải pháp trong việc phát triển từ phần cứng đến phần mềm.

       Hiện nay trên 75% vi xử lý nhúng là thuộc họ ARM chúng ta có thể thấy các thiết bị sử dụng vi xử lý ARM ở hầu hết các lĩnh vực từ các thiết bị cầm tay đến các thiết bị ngoại vi khác.

Các ưu điểm của vi xử lý ARM [3]:

- ARM có tập lệnh RISC với số lượng lệnh ít, độ dài lệnh cố định do đó có thể sử dụng một số giải thuật tăng tốc xử lý số liệu.

- Được xây dựng theo kiểu cấu trúc mở nên có được quy trình xử lý thuật toán hiệu quả hơn để bảo vệ CPU, tiết kiệm bộ nhớ và năng lượng.

- Có thành ghi đa năng lớn với tốc độ xử lý nhanh.

- Các lệnh đều có chức năng xử lý có điều kiện, điều này giúp cho việc điều khiển luồng dữ liệu linh hoạt hơn.

- Khối toán học của vi xử lý có thêm khối kỹ thuật số cho phép thực hiện các phép toán logic được nhanh chóng và hiệu quả.

- ARM có kiến trúc load-store cho phép load số liệu từ ngoài vào trực tiếp thanh ghi và store số liệu thanh ghi ra ngoài. Điều đó có nghĩa là các lệnh đều được thực hiện trên thanh ghi, chỉ có lệnh copy giá trị từ bộ nhớ vào thanh ghi (load) hoặc chép lại giá trị từ thanh ghi vào bộ nhớ (store) mới có ảnh hưởng đến bộ nhớ.

- Các vi xử lý ARM hiện tại đều hỗ trợ tập lệnh THUMB-32bit. Việc hỗ trợ này sẽ tối ưu cho các thiết bị có khả năng di động.

- ARM được thiết kế sao cho tối giản chu kỳ xung nhịp cho một chỉ lệnh.

- ARM hiện đang được ứng dụng một cách rất rộng rãi do đó các công cụ phát triển sẽ đa dạng cho cả phần cứng lẫn phần mềm, cộng đồng phát triển đa dạng nên sẽ có những kinh nghiệm phong phú trong việc thiết kế và chế tạo thiết bị.          

       Vi xử lý ARM mà nhóm lựa chọn thực hiện là ARM Tiny6410, đây một bản mạch máy tính có hiệu năng cao, được thiết kế dựa trên kiến trúc ARM với những thông số kỹ thuật hiện đại và tiên tiến, được hỗ trợ đa nền tảng giúp các nhà phát triển có nhiều sự lựa chọn trong thiết kế và chế tạo thiết bị. Tiny6410 sử dụng CPU S3C6410 tốc độ 533MHz của SAMSUNG, là một vi xử lý ARM 32 bit được thiết kế để cung cấp các giải pháp với chi phí thấp, năng lượng sử dụng thấp, hiệu năng cao thích hợp trong thiết kế và chế tạo với các thiết bị có khả năng di động và các ứng dụng chung [4]. 

Hình 1: mô hình S3C6410

Hình 2: Sơ đồ khối thiết bị

       Trung tâm của thiết bị là vi xử lý ARM cùng với 256 MB RAM, 2GB NAND Flash, vi xử lý này hỗ trợ hầu hết các chuẩn kết nối thông dụng hiện nay như USB, RS-232, GPIO, SPI, I2C... [2, 3]. Với các chuẩn kết nối đa dạng này cho phép thiết bị có thể ghép nối với nhiều các thiết bị ngoại vi khác để xử lý các thông tin từ các thiết bị ngoại vi đó như ghép nối 3G để truyền số liệu, ghép nối với bộ phân tích đa kênh(MCA) để xử lý số liệu từ các hệ thống đầu đo, ghép nối với các màn hình chỉ thị giúp cho việc điều khiển và cảnh báo được trực quan... Hệ thống đầu đo có độ nhạy cao bằng việc sử dụng detector nhấp nháy NaI, sử dụng ống đếm GM để đo dải liều cao cho việc cảnh báo các sự cố hạt nhân. Hệ phân tích nhiều kênh MCA sẽ chuyển các thông tin cần thiết thu thập được từ các thiết bị thu nhận dữ liệu chuyên dụng (ví dụ: các đầu dò, hệ thống thu thập mẫu khí...) sang cho bộ xử lý trung tâm của thiết bị, để thiết bị có những thông số cần thiết cho việc hiển thị và gửi về trung tâm điều hành. Màn hình hiển thị LCD: hiển thị các thông số hoạt động của thiết bị, tình trạng của thiết bị, giao tiếp với người dùng bằng màn hình cảm ứng. Người dùng qua màn hình cảm ứng điều khiển được thiết bị theo các yêu cầu cụ thể, có thế thiết lập các thông số hoạt động tự động của thiết bị. Màn hình hiển thị cũng giúp cảnh báo trong một số trường hợp khẩn cấp. Bộ phận lưu trữ thông tin các dữ liệu thu thập được và đã qua xử lý: bộ phận lưu trữ sẽ lưu giữ các dữ liệu của thiết bị thu thập được trong khoảng thời gian quy định phục vụ cho việc hiển thị số liệu tại chính thiết bị, lưu trữ số liệu trong trường hợp mất kết nối với Trung tâm điều hành và sẽ tiến hành gửi lại các số liệu này khi kết nối với Trung tâm được thiết lập lại. Bộ phận này cũng có vai trò quan trọng trong việc cập nhật thông số, nâng cấp phần mềm hệ thống cho thiết bị từ Trung tâm điều hành. Hệ thống cảnh báo sẽ được kết nối với các công cụ cảnh báo khác nhau (ví dụ: loa, đèn báo...) giúp người sử dụng có thể nhận biết dễ dàng tình trạng hiện tại của thiết bị hoặc môi trường mà thiết bị đang theo dõi. Hiện tại chúng tôi đang sử dụng hệ thống đèn LED ma trận cho việc cảnh báo phóng xạ môi trường. Với việc sử dụng bảng LED ma trận này sẽ giúp cho việc cảnh báo trực quan, các thông số hiện thị rõ ràng, có thể nhận biết từ xa… Phần kết nối thiết bị với Trung tâm điều hành, dựa trên sự phát triển mạnh mẽ của cơ sở hạ tầng mạng internet cũng như mạng viễn thông, thiết bị sẽ được thiết kế để có thể tận dụng một cách tốt nhất các cơ sở hạ tầng này. Thiết bị sẽ được tích hợp cả hai phương án kết nối là sử dụng đường truyền internet tốc độ cao (ADSL, cáp quang...) và sử dụng kết nối với mạng viễn thông 2,5G/3G.      

       Phần mềm của thiết bị được phát triển bằng nhiều ngôn ngữ khác nhau như C, Bash scripting và QT trên nền tảng của hệ điều hành nhúng Linux. Hệ điều hành nhúng Linux là hệ điều hành mã nguồn mở đã được tùy biến sử dụng thích hợp với vi xử lý ARM. Với hệ điều hành nhúng Linux ta có thể có những lựa chọn thích hợp về cách trình điều khiển khác nhau cho các thiết bị, đồng thời cũng dễ dàng hơn trong quá trình phát triển các trình điều khiển riêng cho các thiết bị đặc thù của hệ thống phù hợp với mục đích của bài toán đặt ra.

       Sau thời gian nghiên cứu và phát triển, hiện tại thiết bị đang được lắp đặt thử nghiệm tại Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội và đã thể hiện được những tính năng ưu việt bao gồm: tự động ghi nhận các bức xạ môi trường xung quanh để tính toán ra được các phông môi trường với dải liều thấp (từ 0,01 µSv/h đến 20 µSv/h), với các trường hợp có sự cố hạt nhận thiết bị sẽ ghi nhận với dải liều cao từ 20 µSv/h đến 50 µSv/h; khoảng năng lượng bức xạ ghi nhận của thiết bị là từ 50 keV đến 3 MeV; thiết bị tự động nhận diện được một số đồng vị bức xạ; thiết bị tự động gửi thông số môi trường về Trung tâm bằng tin nhắn SMS, lưu trữ và gửi các dữ liệu ghi nhận liên tục về Trung tâm theo yêu cầu; thiết bị tự động cập nhật chương trình theo yêu cầu từ Trung tâm; thiết bị có khả năng tự chẩn đoán lỗi thông thường và gửi các dữ liệu chẩn đoán này về Trung tâm và gửi email cho người quản lý trong trường hợp cần thiết.

         Thiết bị với thiết kế xử dụng vi xử lý ARM thể hiện được những tính năng kỹ thuật ưu việt của mình. Quá trình ghép nối các thiết bị ngoại vi với ARM được thực hiện dễ dàng, việc xây dựng và phát triển các giao thức ghép nối cũng thuận tiện. Việc ghép nối song song trực tiếp từ bộ phân tích đa kênh với vi xử lý ARM điều này giúp tăng được tốc độ truyền tải và an toàn dữ liệu, sử dụng các cổng GPIO cho ghép nối với các sensor (như sensor nhiệt, độ ẩm...), ghép nối USB với khối GSM. Với cấu trúc các câu lệnh 32 bit, việc thực thi cũng nhanh hơn và hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu khắt khe về mặt thời gian xử lý của các ADC sử dụng trong các thiết bị hạt nhân. Với khả năng tiết kiệm năng lượng vượt trội của mình, vi xử lý ARM giúp thiết bị có thời gian sử dụng pin lâu hơn điều đó nâng cao khả năng ứng dụng của thiết bị ở những môi trường, địa điểm khó khăn, vùng xa, đi lại khó khăn.