Giáo án chuyên đề Công nghệ 12 Điện - Điện tử Kết nối Bài 4: Đặc điểm và các nội dung liên quan trong một dự án nghiên cứu thuộc lĩnh vực hệ thống nhúng

HOẠT ĐỘNG CỦA GV - HS

DỰ KIẾN SẢN PHẨM

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- GV yêu cầu HS thảo luận theo nhóm đôi, nghiên cứu SGK và trả lời hộp câu hỏi chức năng khám phá sgk trang 20.

- GV đặt câu hỏi gợi ý giúp HS làm quen với khái niệm hệ thống nhúng:

Từ Hình 4.2 SGK, các em thấy hệ thống nhúng trên robot tự hành có đặc điểm gì về hình dạng và chức năng?

- GV đưa ra câu hỏi thêm:

Theo em, hệ thống nhúng cần phải thực hiện các tính toán cụ thể nào trong quá trình hoạt động của robot tự hành? Máy tính truyền thống có thể thực hiện các có thể thực hiện được các tính toán này không?

- GV tổng kết về khái niệm hệ thống nhúng.

- GV nêu câu hỏi khắc sâu khái niệm cho HS:

Có thể thấy cả hệ thống nhúng và máy tính truyền thống đều có chung nguyên lí hoạt động dựa trên sự phối hợp giữa các phần cứng và phần mềm, vậy theo em sự khác nhau giữa chúng là gì?

- GV yêu cầu HS đọc thêm mục thông tin bổ sung sgk trang 21 để biết thêm về ba hướng chính để thực hiện các hệ thống nhúng hiện nay.

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- HS đọc thông tin SGK sau đó trao đổi, thảo luận trả lời các câu hỏi mà GV đưa ra.

- GV quan sát, hướng dẫn, hỗ trợ HS (nếu cần thiết).

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

- GV mời đại diện các nhóm báo cáo kết quả thảo luận:

*Trả lời câu hỏi khám phá: 

+ Cảm biến siêu âm: dùng để xác định khoảng cách từ robot tới vật cản.

+ Cảm biến hồng ngoại: dùng để cảm nhận môi trường xung quanh như phát hiện vật cản, vạch kẻ đường,…

+ Hệ thống nhúng: trên cơ sở thông tin thu thập được từ các cảm biến, tính toán và ra quyết định điều khiển hoạt động của robot.

+ Khối nguồn: cung cấp điện năng cho các cảm biến, tính toán và ra quyết định điều khiển hoạt động của robot.

+ Khối nguồn: cung cấp điện năng cho các cảm biến và hệ thống nhúng.

* Trả lời câu hỏi gợi ý

+ Đặc điểm về hình dạng: bo mạch điện tử bao gồm các vi mạch tích hợp (IC) gắn trên bảng mạch in (PCB)

+ Đặc điểm về chức năng: Đảm nhận các nhiệm vụ xử lí thông tin đầu vào từ các cảm biến, từ đó tính toán để đưa ra những quyết định điều khiển robot hoạt động mà không cần sự can thiệp của con người.

* Trả lời câu hỏi thêm

Các tính toán mà hệ thống nhúng cần thực hiện là: Xác định vị trí của robot cũng như vật cản xung quanh, từ đó xác định lệnh điều khiển tối ưu nhất cho các cơ cấu chấp hành ( ví dụ: động cơ) để điều khiển robot di chuyển theo quỹ đạo và vận tốc được lập trình từ trước bằng phần mềm. Các tính toán này hoàn toàn có thể thực hiện được trên hệ thống phần cứng và phần mềm của máy tính truyền thống.

* Đáp án câu hỏi khắc sâu kiến thức:

+ Máy tính truyền thống được dùng cho nhiều mục đích nên yêu cầu năng lực tính toán lớn, khả năng xử lí và huển thị nhiều loại thông tin một cách rõ ràng,

+ Máy tính nhúng được thiết kế để thực hiện một nhiệm vụ chuyên biệt nào đó theo thời gian, ít có sự can thiệp của con người nên phần cứng và phần mềm được tối giản hoá chỉ cho nhiệm vụ đó.

- GV mời HS khác nhận xét, bổ sung. 

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

- Từ kết quả thảo luận của nhóm, GV nhận xét, đánh giá quá trình HS thực hiện nhiệm vụ.

- GV chuyển sang nội dung tiếp theo.

1. KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG NHÚNG

- Hệ thống nhúng là một hệ thống tích hợp phần cứng và phần mềm được thiết kế cho mục đích tính toán và điều khiển cụ thể.

- Chúng thường được gắn (nhúng) bên trong hệ thống lớn để thực hiện một chức năng nhất định mà không cần hoặc ít cơ sự can thiệp của con người.

HOẠT ĐỘNG CỦA GV - HS

DỰ KIẾN SẢN PHẨM

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

 - GV cho HS ôn lại khái niệm và một số đặc điểm của dự án nghiên cứu nói chung đã được học từ lớp 11:

Em hãy cho biết sự án nghiên cứu là gì và có đặc điểm gì nổi bật?

- GV hướng dẫn HS tìm hiểu về đặc điểm riêng của các dự án nghiên cứu trong lĩnh vực hệ thống nhúng thông qua câu hỏi tìm hiểu kiến thức: 

Theo các em, để ứng dụng hệ thống nhúng trong thiết bị phun xăng điện tử cần phải đáp ứng yêu cầu gì?

- GV yêu cầu HS trả lời câu hỏi tìm hiểu phạm vi nghiên cứu: 

Để ứng dụng được hệ thống nhúng trong thiết bị phun xăng điện tử đội ngũ thực hiện dự án cần tiến hành nghiên cứu trong những lĩnh vực gì?

- GV đặt câu hỏi thêm cho HS: 

Theo các em, làm thế nào để hệ thống nhúng đảm bảo các yêu cầu khắt khe về độ tin cậy và đáp ứng thời gian thực?

- GV giải thích thêm về tích hợp phần cứng- phần mềm ở khâu thiết kế bằng cách sử dụng hình 4.1 đính dưới HĐ2.

- GV yêu cầu HS hoạt động nhóm, trả lời câu hỏi trong hộp chức năng kết nối năng lực (Trang 22 SGK) để tìm hiểu về một dự án nghiên cứu ứng dụng hệ thống nhúng để tự động tưới nước cho cây dưa lưới.

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- HS đọc thông tin SGK, thảo luận trả lời các câu hỏi mà GV đưa ra.

- GV quan sát, hướng dẫn, hỗ trợ HS (nếu cần thiết).

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

- GV mời đại diện các nhóm báo cáo kết quả thảo luận:

Đáp án:

Dự án nghiên cứu là các dự án của cá nhân hoặc một nhóm về chủ đề khoa học, kĩ thuật nhằm tìm kiếm các tri thức mới, hoặc ạo ra các ứng dụng mới trong thực tiễn. 

Đặc điểm:

+ Mục tiêu phải cụ thể.

+ Có tính sáng tạo và duy nhất, kết quả luôn mới, trước đây chưa từng có.

+ Vòng đời của dự án nghiên cứu có hạn.

+ Môi trường dự án nghiên cứu phức tạp, có sự tham gia của nhiều cá nhận và đơn vị, nhiều ngành, chuyên môn khác nhau.

* Đáp án câu hỏi tìm hiểu kiến thức:

+ Yêu cầu về xử lí thời gian thực: hệ thống cần phải tính toán và điều khiển được lượng xăng phun vào buồng đốt liên tục trong suốt thời gian hoạt động của động cơ.

+ Yêu cầu về độ tin cậy: hệ thống cần phải hoạt động tốt suốt vòng đời của động cơ mà không cần hoặc it có sự can thiệp của con người.

+ Yêu cầu về tính đặc thù: Cấu trúc của hệ thống cần được tối ưu cho mục đích ứng dụng duy nhất ( điều khiển phun xăng ) qua đó giúp tăng độ tin cậy và giảm giá thành, đồng thời phải đảm bảo hoạt động trong điều kiện đặc thù của động cơ.

* Đáp án câu hỏi phạm vi nghiên cứu:

Ngoài nghiên cứu chuyên sâu về hệ thống nhúng, đội ngũ thực hiện dự cán còn thực hiện về các lĩnh vực:

+ Động cơ đốt trong: thiết kế được quy trình phun nhiên liệu tối ưu cho từng loại động cơ khác nhau.

+ Thiết kế cơ khí: chế tạo và tích hợp được hệ thống nhúng vào trong động cơ một cách phù hợp.

* Đáp án câu hỏi thêm:

Hệ thống nhúng là một chỉnh thể thống nhất giữa phần cứng và phần mềm, do đó cần tuân thủ yêu cầu nghiêm ngặt về tích hợp phần cứng với phần mềm, từ khâu thiết kế, thực thi cho đến kiểm thử.

- GV mời HS khác nhận xét, bổ sung. 

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

- Từ kết quả thảo luận của nhóm, GV nhận xét, đánh giá quá trình HS thực hiện nhiệm vụ.

- GV chuyển sang nội dung tiếp theo.

1. ĐẶC ĐIỂM DỰ ÁN NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC HỆ THỐNG NHÚNG.

- Tính phức tạp.

- Tính đặc thù.

- Phạm vi nghiên cứu rộng, có tính liên ngành.

- Tích hợp phần cứng - phần mềm chặt chẽ.