Lịch sử phát triển thiết bị-công nghệ thiết bị ảo

Thuật ngữ instrument là nhằm nói đến một thiết bị được thiết kế để thu thập dữ liệu từ một môi trường hoặc từ một thiết bị được kiểm tra khác (DUT) và hiển thị thông tin tới người sử dụng dựa trên các dữ liệu thu thập được ngay trên chính bản than thiết bị đó. Một thiết bị kiểu như thế thường sử dụng một bộ chuyển đổi để chuyển các dữ liệu thu được thành các tín hiệu điện như là hiệu điện thế, cường độ dòng điện hay tần số (Các dữ liệu có thể là các tham số vật lí như áp suất, nhiệt độ…), thiết bị đó cũng bao gồm giao diện người dùng bao gồm màn hình hiển thị, các nút bấm, điều khiển và các cổng kết nối để truy xuất dữ liệu…. Các loại nguồn tín hiệu có thể thu thập và phân tích bởi các thiết bị như vậy rất đa dạng bao gồm cả các tham số vật lí như nhiệt độ, áp suất, khoảng cách, tần số biên độ của ánh sang và âm thanh và các tham số điện bao gồm hiệu điện thế, cường độ dòng điện và tần số. Hầu hết các chức năng cũng như tính năng sử dụng của thiết bị được thiết kế và xác định trước bởi nhà sản xuất do đó nó được xếp vào loại “Pre-define device”

Thiết bị ảo (Virtual instrumentation) là một thuật ngữ liên quan tới công nghệ kết hợp giữa phần mềm và phần cứng (Dạng module) để thiết lập lên các thiết bị tinh vi và linh hoạt trong các ứng dụng điều khiển và kiểm soát. Khải niệm thiết bị ảo lần đầu tiên được đưa ra là vào cuối những năm 1970 khi mà công nghệ bộ vi xử lí của máy móc đã cho phép một chức năng của máy đó có thể thể được dễ dàng thay đổi bởi việc thay đổi phần mềm của nó. Các trường hợp ứng dụng mà chỉ bằng việc sử dụng máy tính một cách đơn giản khi làm việc với các thiết bị điều khiển và truyền nhận dữ liệu thì không được coi là thiết bị ảo (thuật ngữ thiết bị ảo yêu cầu một mức độ cao trong việc tích hợp phần cứng và phần mềm). Thay vì các thiết bị chuyên dụng có tất cả các chức năng và tính chất ở ngay trên bản thân của thiết bị đó thì một thiết bị ảo thường bao gồm các module phần cứng, kết nối với máy tính cá nhân và luôn kèm theo một phần mềm được lập trình và cài đặt trên máy tính. Trên màn hình máy tính (thực chất là trên giao diện của phần mềm) có các nút bấm, điều khiển, các phím chức năng của thiết bị ảo và màn hình máy tính đóng vai trò là màn hình hiển thị các kết quả đo đạc, thu nhận và xử lí tín hiệu.

Trước khi xuất hiện công nghệ thiết bị ảo, lịch sử phát triển của các dòng thiết bị đã trải qua một vài giai đoạn và cột mốc đáng nhớ. Chúng ta hãy cùng điểm qua một vài giai đoạn chính của lịch sử phát triển các thiết bị đo lường và kiểm tra như sau.

Trong quá khứ, khi nói một hệ thống thiết bị chỉ bao gồm một thiết bị riêng lẻ được sử dụng để đo những phép đo đơn giản như nhiệt độ, khối lượng.Ngày nay, các hệ thống thiết bị đã bao gồm nhiều những thiết bị riêng lẻ kết hợp lại với nhau cùng kết nối với máy tính và tạo nên những hệ thống thiết bị nhỏ gọn. Và như vậy, lịch sử phát triển của hệ thống thiết bị có thể chia thành các giai đoạn như sau”

• ·         Giai đoạn của các thiết bị đo lường tương tự
• ·         Giai đoạn phát triển các thiết bị thu nhận và xử lí tín hiệu số
• ·         Giai đoạn ra đời củathiết bị ảo

Giai đoạn đầu tiên là sự ra đời của các thiết bị đo lường tương tự như mà điển hình là dao động ký tương tự. Chúng hoàn toàn gần giống với các thiết bị chuyên dụng bao gồm bộ cung cấp nguồn, sensor, bộ chuyển đổi và màn hình hiển thị. Chúng yêu cầu phải cấu hình, cài đặt bằng tay, hiển thị kết quả trên các màn hình hoặc trên giấy. Việc tái sử dụng dữ liệu đo được từ thiết bị không thuộc chức năng của thiết bị đó và một công nhân phải sao chép dữ liệu và một quyển tập hoặc data sheet. Với các thiết bị đó thì để thực hiện những phép đo phức tạp hay tự động kiểm tra là khá rắc rồi nếu không muốn nói là không thể. Mọi việc đều phải được cài đặt và thực thi bằng tay.

Vào những năm 1950, khi yêu cầu từ lĩnh vực điều khiển và kiểm soát từ các ngành công nghiệp tăng lên thì thế hệ thứ hai của hệ thống thiết bị ra đời. Chúng là những hệ thống mà cho phép đo tín hiệu dạng số, xử lí tín hiệu số của dữ liệu và tiến hành phân tích các dữ liệu này. Tuy nhiên đối với thế hệ này thì các yêu cầu về các tác vụ xử lí tín hiệu số một cách real-time vẫn là một đòi hỏi quá cao. Các thiết bị đó vẫn là do những nhà sản xuất xác định các chức năng, đặc tính đo lường, điều khiển và phân tích.

Ở giai đoạn thứ 3, các thiết bị đo đã cho phép kết nối với máy tính thông qua các giao thức kết nối khác nhau. Đầu tiên là giao thức kết nối GPIB (General purpose interface bus được hang sản xuất nổi tiếng Hewlette-Packard (HP) đưa ra vào những năm 1960 (ban đầu người ta vẫn thường gọi là HPIB) nhằm mục đích điều khiển các thiết bị bởi máy tính HP. Ban đầu các máy tính đó chỉ được dùng như là các thiết bị off-line. Chúng thực hiện các phép xử lí dữ liệu sau khi các kết quả đo đạc được lưu trữ lên các ổ đĩa. Khi tốc độ cũng như năng lực của các máy tính trở nên đủ nhanh cho phép thực hiện các phép đo yêu cầu tốc độ cao và phức tạp thì khả năng ứng dụng realtime của các hệ thống thiết bị này được mở rộng ra. Xu hướng chung là các máy tính từ các nhà sản xuất đều có thể kết hợp với các phần cứng, thiết bị của các hãng sản xuât khác nhau và đều yêu cầu những phần mềm chuyên biệt để điều khiển các thiết bị từ máy tính. Lợi thế chính của các máy tính cá nhân là giá thành thấp, thị trường cung cấp rộng rãi và chuẩn hoá. Mặc dù tốc độ, năng lực của các thế hệ máy tính đang ngày một phát triển nhưng lúc đó việc điều khiển các thiết bị từ máy tính vẫn còn gặp nhiều khó khăn. Đây cũng được coi như là giai đoạn hình thành và phát triển của một lịch vực nghiên cứu và sản xuất thiết bị mới: Thiết bị ảo.

Gần như tất cả các chương trình điều khiển thiết bị ban đầu đều được viết bằng ngôn ngữ lập trình Basic bới vì nó là thứ ngôn ngữ có ưu thế hơn cả trong việc sử dụng với các bộ điều khiển thiết bị chuyên dụng. Nó yêu cầu các kỹ sư và những người sử dụng khác phải trở thành một nhà lập trình trước khi trở thành một người sử dụng thiết bị chuyên nghiệp. Vì thế thất khó cho họ khai thác hết các tiềm năng mà các thiết bị đó có thể mang lại. Bởi vậy, một cột mốc quan trọng trong lịch sử phát triển của thiết bị ảo đã xẩy ra trong năm 1986 khi mà lần đầu tiên hãng National Instrument giới thiệu LabVIEW 1.0 trên nền tảng PC. LabVIEW là một ngôn ngữ lập trình đồ hoạ cho phép người dùng khai thác tối đa các tính năng của thiết bị, cho phép người dùng viết các ứng dụng để điều khiển và kiểm soát thiết bị, cho phép người dùng thực hiện các nhiệm vụ thu nhận tín hiệu dữ liệu từ các máy đo…nguồn gốc tên của phần mềm này LabVIEW cũng nói lên chức năng và ứng dụng của nó . LabVIEW được viết tắt từ cụm từ (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench). Ngày nay, máy tính đã trở nên một yếu tố không thể thiếu của hầu hết các phép đo và một giao diện đồ hoạ trực quan sinh động của một phần mềm kiểm soát điều khiển rất cần thiết cho người sử dụng. Từ đó thiết bị ảo làm giảm bớt sự đầu tư vào việc mua sắm thiết bị. Bởi vì thiết bị ảo phụ thuộc rất ít vào các phần cứng chuyên dụng, một khách hàng có thể sử dụng máy tính riêng của mình trong khi các nhà sản xuất thiết bị có thể chỉ cần cung cấp những gì mà người dùng không thể mua được từ thị trường phổ biến. Hầu hết các nhà sản xuất, các hang chế tạo thiết bị cũng đã đầu tư rất nhiều để khai thác và chế tạo các thiết bị. Nổi bật trong số này có những hãng sản xuất thiết bị đo lường như Agilen, Tektronic, National Instrument…Các kỹ sư và nhà khoa học cũng đã áp dụng rộng rãi công nghệ thiết bị ảo trong hàng trăm hàng nghìn các ứng dụng đo lường và kiểm tra tự động của mình. Công nghệ thiết bị ảo đang ngày càng chiếm lĩnh thị trường thiết bị đo lường và kiểm tra tự động. một ngày không xa, các ứng dụng trong các nhà máy, các phòng thí nghiệm và các lĩnh vực cần đến máy móc, thiết bị đo lường sẽ sử dụng thiết bị ảo như là một giải pháp để tiết kiệm chi phí, giảm thời gian và giá thành phát triển, tận dụng tối đa công nghệ phát triển của máy tính cá nhân. Tận dụng tối đã sự sang tạo và năng lực của các nhà khoa học, các kỹ sư trên khắp thế giới.