Cuộc cách mạng của thiết bị ảo

Trong quá khứ, các nhà sản xuất thiết bị thực hiện các khâu như thiết kế, lập trình và chế tạo các máy móc thiết bị chuyên dụng, lúc đó người dùng chỉ việc mua máy móc về và sử dụng các chức năng, tính năng vốn đã được cố định và tuân theo ý đồ thiết kế ban đầu của nhà sản xuất. Những thế hệ máy móc đó gọi là thiết bị đã được xác định chức năng trước “pre-define device”. Tất nhiên để có được các thiết bị dùng sẵn đó thì người dùng phải bỏ ra một chi phí không hề nhỏ. Ngày nay, với kỷ nguyên của thiết bị ảo (Virtual instrumentation) thì cho phép người dùng can thiệp sâu hơn vào các tính năng và công dụng của một thiết bị. Thiết bị ảo là sự kết hợp các xu hướng công nghệ mới nhất của phần mềm và phần cứng lại với nhau. Nó cho phép các kỹ sư và nhà khoa học có thể tạo ra các hệ thống của riêng họ gọi là “user-define device” nhằm mục đích đáp ứng được các yêu cầu sử dụng của họ. Với thiết bị ảo, các kỹ sư và nhà khoa học có thể giảm thời gian phát triển, thiết kế các sản phẩm có chất lượng cao hơn và giá thành mua sắm giảm xuống.

Nói một cách đơn giản thì thiết bị ảo được xem như là sự kết hợp giữa các thiết bị thu thập dữ liệu (phần cứng) và các kỹ thuật lập trình (phần mềm) để xây dựng nên những hệ thống tích hợp. Như vậy, một thiết bị ảo (hay còn gọi là một hệ thống thiết bị ảo) bao gồm các khối như sau:

• Sensor mudule
• Sensor interface
• Information systems interface
• Processing module
• Database interface
• User interface

Hình trên đây chỉ ra một cấu trúc chung của một hệ thống thiết bị ảo. Khối sensor module thu nhận các tín hiệu vật lí và chuyển đổi các tín hiệu đó sang dạng điện, chuyển đổi sang dạng tín hiệu số (Digital Signal). Thông qua các giao thức kết nối giữa sensor và máy tính, các tín hiệu dạng số này được truyền về máy tính từ sensor module. Một khi các tín hiệu số đó ở trên máy tính thì chúng có thể được xử lí, trộn lẫn, so sánh và thực hiện các phép biến đổi, xử lí khác hoặc được lưu trữ trên một cơ sở dữ liệu, chia sẻ trên một hệ thống thông tin nào đó. Cũng có thể dữ liệu được hiển thị hoặc chuyển đổi ngược trở lại sang dạng tương tự cho những quá trình điều khiển tiếp theo. Tiếp theo đây sẽ mô tả các khối module trong thiết bị ảo một cách chi tiết.

Sensor module:

Sensor module thực hiện việc thu nhận và biến đổi tín hiệu vật lí sang hình thái tín hiệu dạng số cho các khâu phía sau. Một sensor module bao gồm 3 phần chính: Sensor, phần signal conditioning, phần chuyển đổi A/D.

Sensor thu nhận các tín hiệu vật lí từ môi trường. Nếu các tín hiệu đó không phải là tín hiệu dạng điện thì sensor phải có bộ phận chuyển đổi thông tin thu được sang một tín hiệu dạng điện. Signal conditioning có nhiệm vụ điều chỉnh tín hiệu trước khi tín hiệu đi sang bộ phận chuyển đổi AD. Signal conditioning thường làm nhiệm vụ khuyếch đại, tuyến tính hoá, tách lọc các tín hiệu thu nhận được. Cuối cùng phần chuyển đổi A/D sẽ chuyển các tín hiệu thu nhận và đã điều chỉnh sang dạng số. Quá trình chuyển đổi này được đặc trưng bằng các tham số như là độ phân giải, tần số lấy mẫu…

Sensor Interface

Có rất nhiều giao thức được sử dụng để kết nối giữa sensor module và máy tính. Dựa theo chủng loại kết nối, người ta có thể phân loại chúng thành kiểu có dây và kiểu không dây.

Giao thức kết nối kiểu dây thường là các chuẩn song song như GPIB, SCSI (Small Computer System Interface), PCI eXtension cho các loại thiết bị PXI, VME Extension cho các thiết bị VXI hoặc các bus nối tiếp như (RS232 hoặc giao thức USB)

Giao thức kết nối không dây đang ngày một gia tăng bởi tính tiện dụng của nó. Điển hình cho loại giao thức không dây này là các loại kết nối theo chuẩn 802.11, Bluetooth hoặc GPRS/GSM. Giao thức kết nối không dây đặc biệt quan trọng cho những chủng loại sensor mà việc kết nối dựa vào cable là không thể thực hiện được.

Processing module

Các bộ vi xử lí và vi điều khiển trên module này cho phép hệ thống thiết bị ảo thực hiện các chức năng xử lí tinh vi và linh hoạt. Vì các chức năng của thiết bị ảo phụ thuộc rất ít vào các phần cứng chuyên dụng (chức năng phụ thuộc chủ yếu vào việc thiết kế phần mềm) cho nên người dùng có thể thiết lập nên những quá trình xử lí, chức năng cho hệ thống thiết bị ảo theo mong muốn của mình. Có thể phân loại chúng thành hai thuật ngữ là kỹ thuật xử lí phân tích (Analytic processing) và kỹ thuật trí tuệ nhân tạo (artificial intelligence).

Analytic processing. Chức năng phân tích xác định rõ ràng các mối liên hệ giữa các tham số đầu vào. Một số kỹ thuật phân tích trong các thiết bị ảo bao gồm: Spectral analysis, filtering, windowing, transform, peake detection hoặc curve fitting.

Artificial intelligence. Công nghệ trí tuệ nhân tạo có thể được sử dụng để nâng cao và cải thiện hiệu suất, năng suất và các tính năng của thiết bị trong các lĩnh vực ứng dụng liên quan đến đo lường và điều khiển. Những kỹ thuật đó khai thác tối đa năng lực tính toán nâng cao của các thế hệ máy tính đời mới để biên dịch và hiệu chỉnh các tín hiệu đầu vào rồi xuất ra kết quả của các phép đo như mong muốn. Trong số này bao gồm neural networks, fuzzy logic và expert systems…Chúng được ứng dụng ở các khía cạnh như: sensor fusion, system identification, prediction, system control, calibration…

Database interface

Với hệ thống thiết bị ảo cho phép các dữ liệu thu được có thể lưu trữ trên các cơ sở dữ liệu để sau đó có thể thực hiện những quá trình xử lí offline hoặc có thể dùng cho các phép đo online khác. Có một vài công nghệ database được sử dụng cho mục đích này như là SQL, Oracle, MySQL hay Access. Rất nhiều thiết bị ảo sử dụng DBMSs (DataBase Management Systems) cho mục đích lưu trữ và truy xuất dữ liệu. Hầu hết những DBMSs này cho phép thực hiện các câu lệnh insert, update, delete hay select….Các thiết bị ảo kết nối với những cơ sở dữ liệu

Thông qua ODBC, JDBC, ADO hay DAO.

Information system Interface

Hệ thống thiết bị ảo có thể cũng có sự kết nối với các hệ thống thông tin khác. Ví dụ như là thông qua mạng internet, một thiết bị ảo có thể chia sẻ các dữ liệu của nó hoặc kết nối với dữ liệu của một hệ thống khác cho các mục đích khác nhau. Và như vậy lúc đó mỗi một thiết bị ảo có thể được xác định bởi một URLs (Unified Resource Locators) hay mộtđịa chỉ IP.

Presentation and Control

Một giao diện người dùng hiệu quả trong việc hiển thị dữ liệu và điều khiển thiết bị của môt thiết bị ảo có tác động rất lớn đến người sử dụng. Từ việc thực hiện các phép đo, vận hành thiết bị ảo cho đến việc nhìn nhận và đánh giá kết quả đo. Bởi vì giao diện người dùng của thiết bị ảo do người dùng lập trình và tạo ra nên chúng dễ dàng thay đổi và thuận tiện hơn so với các giao diện người dùng của một thiết bị chuyên dụng do nhà sản xuất thiết kế.

Công ty INO và định hướng phát triển các hệ thống thiết bị ảo.

Như đã đề cập trên đây thì phần mềm là trái tim của một hệ thống thiết bị ảo. Công ty INO chuyên về lập trình và thiết lập các phần mềm để kết nối các thiết bị đo lường riêng lẻ, các ứng dụng thu nhận dữ liệu các hệ thống đo lường và kiểm tra tự động. Công ty chúng tôi sử dụng ngôn ngữ lập trình LabVIEW trong hầu hết các ứng dụng và sản phẩm của mình. Ngôn ngữ lập trình đồ hoạ LabVIEW có một sức hấp dẫn và chiếm phần lớn thị phần trong các ứng dụng thu nhận tín hiệu và điều khiển thiết bị trong lĩnh vực đo lường và kiểm tra tự động được thể hiện qua cuộc khảo sát các độc giả của các tạp chí đo lường và kiểm tra tự động, các cá nhân chủ chốt trong các tập đoạn, hãng sản xuất thiết bị, hãng phát triển và sản xuất liên quan đến lĩnh vực đo lường và thu nhận dữ liệu.