การวัดทางเครื่องมือเสมือนจริงคืออะไร?

การใช้งานพีซีอย่างแพร่หลายในช่วง 20 ปีที่ผ่านมาได้ก่อให้เกิดการปฏิวัติในด้านเครื่องมือสำหรับการทดสอบ การวัด และระบบอัตโนมัติ หนึ่งในพัฒนาการที่สำคัญซึ่งเป็นผลมาจากความแพร่หลายของพีซีคือแนวคิดของเครื่องมือเสมือนจริง ซึ่งมีประโยชน์หลายประการสำหรับวิศวกรและนักวิทยาศาสตร์ที่ต้องการเพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน ความแม่นยำ และสมรรถนะ

เครื่องมือเสมือนประกอบด้วยคอมพิวเตอร์หรือเวิร์กสเตชันมาตรฐานอุตสาหกรรมที่ติดตั้งซอฟต์แวร์แอปพลิเคชันที่มีประสิทธิภาพ ฮาร์ดแวร์ราคาประหยัด เช่น บอร์ดเสียบปลั๊ก และซอฟต์แวร์ไดรเวอร์ ซึ่งทำงานร่วมกันเพื่อทำหน้าที่ของเครื่องมือแบบดั้งเดิม เครื่องมือเสมือนแสดงถึงการเปลี่ยนแปลงพื้นฐานจากระบบเครื่องมือวัดแบบดั้งเดิมที่เน้นฮาร์ดแวร์ไปสู่ระบบที่เน้นซอฟต์แวร์ ซึ่งใช้ประโยชน์จากพลังการประมวลผล ประสิทธิภาพ การแสดงผล และความสามารถในการเชื่อมต่อของคอมพิวเตอร์เดสก์ท็อปและเวิร์กสเตชันยอดนิยม แม้ว่าเทคโนโลยีพีซีและวงจรรวมจะมีความก้าวหน้าอย่างมากในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมา แต่ซอฟต์แวร์ต่างหากที่เป็นตัวขับเคลื่อนที่แท้จริงในการสร้างเครื่องมือเสมือนบนพื้นฐานของฮาร์ดแวร์ที่ทรงพลังนี้ ซึ่งช่วยให้เกิดนวัตกรรมและลดต้นทุนได้อย่างมาก ด้วยเครื่องมือเสมือน วิศวกรและนักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างระบบการวัดและระบบอัตโนมัติที่ตรงกับความต้องการของตนเองได้อย่างแม่นยำ (กำหนดโดยผู้ใช้) แทนที่จะถูกจำกัดด้วยเครื่องมือแบบฟังก์ชันคงที่แบบดั้งเดิม (กำหนดโดยผู้ผลิต)

เอกสารฉบับนี้อธิบายถึงเครื่องมือการเขียนโปรแกรมที่มีประสิทธิภาพ ฮาร์ดแวร์การรับข้อมูลที่ยืดหยุ่น และคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล ซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญสำหรับการวัดแบบเสมือนจริง การทำงานร่วมกันระหว่างส่วนประกอบเหล่านี้จะมอบข้อได้เปรียบที่การวัดแบบดั้งเดิมไม่สามารถเทียบได้

เครื่องดนตรีเสมือนจริงเทียบกับเครื่องดนตรีแบบดั้งเดิม

เครื่องมือแบบดั้งเดิมที่ใช้งานได้โดยลำพัง เช่น ออสซิลโลสโคปและเครื่องกำเนิดสัญญาณรูปคลื่น มีประสิทธิภาพสูง ราคาแพง และได้รับการออกแบบมาเพื่อทำงานเฉพาะอย่างใดอย่างหนึ่งหรือมากกว่านั้นตามที่ผู้ผลิตกำหนด อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปแล้วผู้ใช้ไม่สามารถขยายหรือปรับแต่งเครื่องมือเหล่านี้ได้ ปุ่มและลูกบิดบนเครื่องมือ วงจรภายใน และฟังก์ชันที่มีให้ผู้ใช้ใช้งาน ล้วนเป็นสิ่งที่เฉพาะเจาะจงกับลักษณะของเครื่องมือนั้นๆ นอกจากนี้ ยังต้องมีการพัฒนาเทคโนโลยีพิเศษและส่วนประกอบที่มีราคาแพงเพื่อสร้างเครื่องมือเหล่านี้ ทำให้มีราคาแพงมากและปรับเปลี่ยนได้ช้า

เครื่องดนตรีเสมือนจริง เนื่องจากทำงานบนพีซี จึงได้ประโยชน์จากเทคโนโลยีล่าสุดที่ติดตั้งอยู่ในพีซีทั่วไป เทคโนโลยีและประสิทธิภาพที่ก้าวหน้าเหล่านี้ ซึ่งกำลังลดช่องว่างระหว่างเครื่องดนตรีแบบสแตนด์อะโลนกับพีซีอย่างรวดเร็ว ประกอบด้วยโปรเซสเซอร์ทรงพลัง เช่น Pentium 4 และระบบปฏิบัติการและเทคโนโลยีต่างๆ เช่น Microsoft Windows XP, .NET และ Apple Mac OS X นอกจากจะมีคุณสมบัติที่ทรงพลังแล้ว แพลตฟอร์มเหล่านี้ยังช่วยให้เข้าถึงเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพ เช่น อินเทอร์เน็ต ได้ง่ายอีกด้วย เครื่องดนตรีแบบดั้งเดิมมักขาดความสะดวกในการพกพา ในขณะที่เครื่องดนตรีเสมือนจริงที่ทำงานบนโน้ตบุ๊กนั้นมีคุณสมบัติในการพกพาได้โดยอัตโนมัติ

วิศวกรและนักวิทยาศาสตร์ที่มีความต้องการ การใช้งาน และข้อกำหนดเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว จำเป็นต้องมีความยืดหยุ่นในการสร้างโซลูชันของตนเอง คุณสามารถปรับแต่งเครื่องมือเสมือนให้เข้ากับความต้องการเฉพาะของคุณได้โดยไม่ต้องเปลี่ยนอุปกรณ์ทั้งหมด เนื่องจากมีซอฟต์แวร์แอปพลิเคชันติดตั้งอยู่บนพีซี และมีฮาร์ดแวร์ปลั๊กอินให้เลือกมากมาย

ความยืดหยุ่น

นอกเหนือจากส่วนประกอบและวงจรเฉพาะทางที่พบในเครื่องมือแบบดั้งเดิมแล้ว สถาปัตยกรรมโดยทั่วไปของเครื่องมือแบบสแตนด์อะโลนนั้นคล้ายคลึงกับเครื่องมือเสมือนบนพีซีมาก ทั้งสองแบบต้องการไมโครโปรเซสเซอร์อย่างน้อยหนึ่งตัว พอร์ตการสื่อสาร (เช่น พอร์ตอนุกรมและ GPIB) และความสามารถในการแสดงผล รวมถึงโมดูลการรับข้อมูล สิ่งที่ทำให้แตกต่างกันคือความยืดหยุ่นและข้อเท็จจริงที่ว่าคุณสามารถแก้ไขและปรับแต่งเครื่องมือให้ตรงกับความต้องการเฉพาะของคุณได้ เครื่องมือแบบดั้งเดิมอาจมีวงจรรวมเพื่อทำหน้าที่ประมวลผลข้อมูลเฉพาะชุดหนึ่ง ในเครื่องมือเสมือน ฟังก์ชันเหล่านี้จะดำเนินการโดยซอฟต์แวร์ที่ทำงานบนโปรเซสเซอร์ของพีซี คุณสามารถขยายชุดฟังก์ชันได้อย่างง่ายดาย โดยมีข้อจำกัดเพียงแค่กำลังของซอฟต์แวร์ที่ใช้เท่านั้น

ต้นทุนที่ต่ำกว่า

ด้วยการใช้โซลูชันเครื่องมือวัดเสมือนจริง คุณสามารถลดต้นทุนการลงทุน ต้นทุนการพัฒนาระบบ และต้นทุนการบำรุงรักษาระบบ ในขณะเดียวกันก็ช่วยปรับปรุงระยะเวลาในการออกสู่ตลาดและคุณภาพของผลิตภัณฑ์ของคุณเอง

ฮาร์ดแวร์แบบเสียบปลั๊กและแบบเครือข่าย

มีฮาร์ดแวร์ให้เลือกใช้มากมาย ทั้งแบบเสียบเข้ากับคอมพิวเตอร์หรือเข้าถึงผ่านเครือข่าย อุปกรณ์เหล่านี้มีขีดความสามารถในการเก็บรวบรวมข้อมูลที่หลากหลายในราคาที่ต่ำกว่าอุปกรณ์เฉพาะทางอย่างมาก เนื่องจากเทคโนโลยีวงจรรวมพัฒนาขึ้น และส่วนประกอบสำเร็จรูปมีราคาถูกลงและมีประสิทธิภาพมากขึ้น บอร์ดที่ใช้ส่วนประกอบเหล่านั้นก็พัฒนาขึ้นตามไปด้วย ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีเหล่านี้ส่งผลให้ความเร็วในการเก็บรวบรวมข้อมูล ความแม่นยำในการวัด ความละเอียด และการแยกสัญญาณดีขึ้น

ขึ้นอยู่กับการใช้งานเฉพาะด้าน ฮาร์ดแวร์ที่คุณเลือกอาจรวมถึงอินพุตหรือเอาต์พุตแบบอนาล็อก อินพุตหรือเอาต์พุตแบบดิจิทัล ตัวนับ ตัวจับเวลา ตัวกรอง การสุ่มตัวอย่างพร้อมกัน และความสามารถในการสร้างรูปคลื่น บอร์ดและฮาร์ดแวร์ที่หลากหลายอาจมีคุณสมบัติเหล่านี้อย่างใดอย่างหนึ่งหรือหลายอย่างรวมกันก็ได้

ซอฟต์แวร์ในการวัดเสมือนจริง

ซอฟต์แวร์เป็นส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดของเครื่องมือเสมือนจริง ด้วยเครื่องมือซอฟต์แวร์ที่เหมาะสม วิศวกรและนักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างแอปพลิเคชันของตนเองได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยการออกแบบและบูรณาการขั้นตอนการทำงานที่กระบวนการเฉพาะต้องการ พวกเขายังสามารถสร้างส่วนติดต่อผู้ใช้ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับวัตถุประสงค์ของแอปพลิเคชันและผู้ที่จะโต้ตอบกับมันได้ พวกเขาสามารถกำหนดวิธีการและเวลาที่แอปพลิเคชันจะรับข้อมูลจากอุปกรณ์ วิธีการประมวลผล จัดการ และจัดเก็บข้อมูล และวิธีการนำเสนอผลลัพธ์แก่ผู้ใช้

ด้วยซอฟต์แวร์ที่มีประสิทธิภาพ คุณสามารถสร้างระบบอัจฉริยะและความสามารถในการตัดสินใจให้กับเครื่องมือ เพื่อให้เครื่องมือปรับตัวได้เมื่อสัญญาณที่วัดได้เปลี่ยนแปลงโดยไม่ตั้งใจ หรือเมื่อต้องการกำลังประมวลผลมากขึ้นหรือน้อยลง

ข้อได้เปรียบที่สำคัญอย่างหนึ่งของซอฟต์แวร์คือ ความสามารถในการแบ่งส่วนย่อย เมื่อต้องจัดการกับโครงการขนาดใหญ่ วิศวกรและนักวิทยาศาสตร์มักจะแบ่งงานออกเป็นหน่วยย่อยที่สามารถแก้ไขได้ตามหน้าที่ การแบ่งส่วนย่อยเหล่านี้จัดการได้ง่ายกว่าและทดสอบได้ง่ายกว่า เนื่องจากลดการพึ่งพาซึ่งกันและกันที่อาจทำให้เกิดพฤติกรรมที่ไม่คาดคิด คุณสามารถออกแบบเครื่องมือเสมือนเพื่อแก้ปัญหาแต่ละส่วนย่อยเหล่านี้ จากนั้นจึงรวมเข้าด้วยกันเป็นระบบที่สมบูรณ์เพื่อแก้ปัญหาใหญ่ ความง่ายในการแบ่งงานนี้ขึ้นอยู่กับสถาปัตยกรรมพื้นฐานของซอฟต์แวร์เป็นอย่างมาก

แอปพลิเคชันแบบกระจาย

เครื่องมือเสมือนไม่ได้จำกัดอยู่แค่บนเครื่องพีซีแบบสแตนด์อะโลนเท่านั้น อันที่จริง ด้วยความก้าวหน้าล่าสุดในเทคโนโลยีเครือข่ายและอินเทอร์เน็ต ทำให้เครื่องมือต่างๆ ใช้ประโยชน์จากพลังของการเชื่อมต่อเพื่อการแบ่งปันงานได้มากขึ้น ตัวอย่างทั่วไปได้แก่ ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ อุปกรณ์ตรวจสอบและควบคุมแบบกระจาย รวมถึงการแสดงข้อมูลหรือผลลัพธ์จากหลายตำแหน่ง

การวัดเสมือนจริงในกระบวนการทางวิศวกรรม

เครื่องมือเสมือนจริงมอบข้อได้เปรียบที่สำคัญในทุกขั้นตอนของกระบวนการทางวิศวกรรม ตั้งแต่การวิจัยและการออกแบบ ไปจนถึงการทดสอบการผลิต

การวิจัยและการออกแบบ

ในการวิจัยและการออกแบบ วิศวกรและนักวิทยาศาสตร์ต้องการความสามารถในการพัฒนาและสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว ด้วยเครื่องมือเสมือนจริง คุณสามารถพัฒนาโปรแกรม วัดค่าจากเครื่องมือเพื่อทดสอบต้นแบบ และวิเคราะห์ผลลัพธ์ได้อย่างรวดเร็ว ทั้งหมดนี้ใช้เวลาเพียงเศษเสี้ยวของเวลาที่ต้องใช้ในการสร้างการทดสอบด้วยเครื่องมือแบบดั้งเดิม เมื่อคุณต้องการความยืดหยุ่น แพลตฟอร์มแบบเปิดที่ปรับขนาดได้จึงเป็นสิ่งสำคัญ ตั้งแต่เดสก์ท็อป ระบบฝังตัว ไปจนถึงเครือข่ายแบบกระจาย

ข้อกำหนดที่เข้มงวดของงานวิจัยและพัฒนา (R&D) ต้องการการบูรณาการซอฟต์แวร์และฮาร์ดแวร์ที่ราบรื่น ไม่ว่าคุณจะต้องการเชื่อมต่อเครื่องมือแบบสแตนด์อะโลนโดยใช้ GPIB หรือรับสัญญาณเข้าสู่คอมพิวเตอร์โดยตรงด้วยบอร์ดรับข้อมูลและฮาร์ดแวร์ปรับสภาพสัญญาณก็ตาม

การทดสอบและการตรวจสอบความถูกต้องของการพัฒนา

ด้วยความยืดหยุ่นและประสิทธิภาพของเครื่องมือเสมือนจริง คุณสามารถสร้างขั้นตอนการทดสอบที่ซับซ้อนได้อย่างง่ายดาย สำหรับการทดสอบการตรวจสอบการออกแบบแบบอัตโนมัติ คุณสามารถสร้างรูทีนการทดสอบและผสานรวมซอฟต์แวร์ เช่น National Instruments TestStand ซึ่งมีคุณสมบัติการจัดการการทดสอบที่มีประสิทธิภาพ ข้อดีอย่างหนึ่งของเครื่องมือเหล่านี้ทั่วทั้งองค์กรคือการนำโค้ดกลับมาใช้ใหม่ คุณพัฒนาโค้ดในกระบวนการออกแบบ จากนั้นนำโปรแกรมเดียวกันเหล่านี้ไปใช้กับเครื่องมือที่ใช้งานได้จริงสำหรับการตรวจสอบ การทดสอบ หรือการผลิต

การทดสอบการผลิต

การลดเวลาในการทดสอบและทำให้ขั้นตอนการทดสอบง่ายขึ้นเป็นเป้าหมายหลักในการทดสอบการผลิต เครื่องมือเสมือนจริงที่ผสานรวมกับซอฟต์แวร์การจัดการการทดสอบที่มีประสิทธิภาพสูงจะมอบประสิทธิภาพสูงเพื่อตอบสนองความต้องการเหล่านั้น เครื่องมือเหล่านี้ตรงตามข้อกำหนดด้านปริมาณงานที่เข้มงวดด้วยเอนจินแบบมัลติเธรดความเร็วสูงสำหรับการเรียกใช้ลำดับการทดสอบหลายลำดับพร้อมกัน

เครื่องดนตรีเสมือนจริงที่เหนือกว่าคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล

เมื่อไม่นานมานี้ เทคโนโลยีพีซีเชิงพาณิชย์เริ่มถูกนำมาใช้ในระบบฝังตัวมากขึ้น ตัวอย่างเช่น Windows CE, โปรเซสเซอร์ Intel x86, บัส PCI และ CompactPCI และอีเธอร์เน็ตสำหรับการพัฒนาแบบฝังตัว เนื่องจากเครื่องมือวัดเสมือน (Virtual Instrumentation) อาศัยเทคโนโลยีเชิงพาณิชย์เป็นอย่างมากเพื่อลดต้นทุนและเพิ่มประสิทธิภาพ จึงทำให้มีการขยายขอบเขตไปสู่ความสามารถด้านฝังตัวและเรียลไทม์มากขึ้นด้วย

ตัวอย่างการเปลี่ยนแปลงทางเทคโนโลยีครั้งสำคัญที่ส่งผลต่อการพัฒนาระบบฝังตัวคือ เครือข่ายและเว็บ ด้วยความแพร่หลายของพีซี อีเธอร์เน็ตจึงกลายเป็นโครงสร้างพื้นฐานเครือข่ายมาตรฐานสำหรับบริษัทต่างๆ ทั่วโลก นอกจากนี้ ความนิยมของอินเทอร์เฟซเว็บในโลกของพีซีได้ขยายไปสู่การพัฒนาโทรศัพท์มือถือ PDA และปัจจุบันรวมถึงระบบเก็บรวบรวมและควบคุมข้อมูลทางอุตสาหกรรมด้วย

ในอดีต ระบบฝังตัวหมายถึงการทำงานแบบแยกเดี่ยว หรืออย่างมากก็คือการเชื่อมต่อในระดับต่ำกับส่วนประกอบภายนอกผ่านบัสแบบเรียลไทม์ แต่ปัจจุบัน ความต้องการข้อมูลที่เพิ่มขึ้นในทุกระดับขององค์กร (และในผลิตภัณฑ์สำหรับผู้บริโภค) ทำให้คุณจำเป็นต้องเชื่อมต่อระบบฝังตัวเข้ากับเครือข่าย ในขณะเดียวกันก็ยังคงรับประกันการทำงานที่เชื่อถือได้และมักจะเป็นแบบเรียลไทม์

เนื่องจากซอฟต์แวร์เครื่องมือเสมือนสามารถรวมสภาพแวดล้อมการพัฒนาเดียวสำหรับทั้งระบบเดสก์ท็อปและระบบเรียลไทม์โดยใช้เทคโนโลยีการคอมไพล์ข้ามแพลตฟอร์ม คุณจึงสามารถใช้ประโยชน์จากเว็บเซิร์ฟเวอร์ในตัวและฟังก์ชันเครือข่ายที่ใช้งานง่ายของซอฟต์แวร์เดสก์ท็อป และกำหนดเป้าหมายไปยังระบบเรียลไทม์และระบบฝังตัวได้

การพัฒนาระบบฝังตัวเป็นหนึ่งในสาขาวิศวกรรมที่เติบโตเร็วที่สุด และจะยังคงเติบโตต่อไปในอนาคตอันใกล้ เนื่องจากผู้บริโภคต้องการรถยนต์ เครื่องใช้ไฟฟ้า บ้าน และอื่นๆ ที่ฉลาดขึ้น การพัฒนาเทคโนโลยีเชิงพาณิชย์เหล่านี้จะผลักดันให้เครื่องมือวัดเสมือน (Virtual Instrumentation) สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้มากขึ้นในแอปพลิเคชันต่างๆ บริษัทชั้นนำที่ให้บริการซอฟต์แวร์และฮาร์ดแวร์เครื่องมือวัดเสมือนจำเป็นต้องลงทุนในความเชี่ยวชาญและการพัฒนาผลิตภัณฑ์เพื่อรองรับแอปพลิเคชันที่กำลังเติบโตนี้

เครื่องมือวัดเสมือนจริงรุ่นใหม่จำเป็นต้องรวมเทคโนโลยีเครือข่ายไว้ด้วย เพื่อให้สามารถผสานรวม Bluetooth, อีเธอร์เน็ตไร้สาย และมาตรฐานอื่นๆ ได้อย่างรวดเร็วและง่ายดาย นอกจากการใช้เทคโนโลยีเหล่านี้แล้ว ซอฟต์แวร์วัดเสมือนจริงยังต้องการวิธีการที่ดีกว่าในการอธิบายและออกแบบความสัมพันธ์ด้านเวลาและการซิงโครไนซ์ระหว่างระบบแบบกระจายในลักษณะที่ใช้งานง่าย เพื่อช่วยให้การพัฒนาและการควบคุมระบบฝังตัวเหล่านี้ทำได้เร็วขึ้น

แนวคิดการวัดค่าเสมือนจริงที่ผสานรวมซอฟต์แวร์และฮาร์ดแวร์ เครื่องมือแบบโมดูลาร์ที่ยืดหยุ่น และการใช้เทคโนโลยีเชิงพาณิชย์ รวมกันเป็นกรอบการทำงานที่ช่วยให้คุณสามารถพัฒนาและบำรุงรักษาระบบได้อย่างรวดเร็วในระยะยาว เนื่องจากการวัดค่าเสมือนจริงมีตัวเลือกและความสามารถมากมายในการพัฒนาฝังตัว จึงเป็นเรื่องสำคัญที่นักพัฒนาฝังตัวควรทำความเข้าใจและทบทวนเครื่องมือเหล่านี้

บทสรุป

ระบบเครื่องมือวัดเสมือนจริง (Virtual Instrumentation) ได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่องด้วยเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ที่ก้าวหน้า และมอบพลังให้คุณสามารถสร้างและกำหนดระบบของคุณเองบนพื้นฐานของกรอบการทำงานแบบเปิด แนวคิดนี้ไม่เพียงแต่รับประกันว่างานของคุณจะยังคงใช้งานได้ในอนาคต แต่ยังให้ความยืดหยุ่นในการปรับเปลี่ยนและขยายขอบเขตตามความต้องการที่เปลี่ยนแปลงไปอีกด้วย