Измерительные лабораторные приборы на основе программируемых встраиваемых систем могут заменить некоторые стандартные стационарные измерительные приборы такие как генератор сигналов, осциллограф, вольтметр и многие другие. О реализации такой концепции как виртуальные измерительные приборы в облачном хранилище мы поговорим с инженером электронщиком Петром Сафиром - главным инженером в институте физики Раках, Еврейского университета в Иерусалиме.

Петр, расскажите о концепции виртуальных измерительных приборах, основанных на встраиваемых системах.

Виртуальная измерительная лаборатория состоит из плат, встраиваемых систем на основе микропроцессора для сбора данных и их первичной обработки, к этим платам подключаются всевозможные измерительные сенсоры. Подключить и объединить все эти приборы можно средствами обычного компьютера. Всю полученную информацию от измерительных приборов можно обрабатывать и визуализировать на облачном хранилище. Такая технология дает сразу несколько преимуществ по сравнению с традиционной. Во-первых, многие исследователи могут подключаться к измерительным приборам, не находясь физически в лаборатории или исследовательском центре. Во-вторых, сразу несколько человек могут работать на этих приборах, им выделяется время, при этом они сохранят свои настройки на этом измерительном оборудовании, что позволяет сразу приступить к работе. И что очень важно, не каждая лаборатория может позволить использовать очень дорогое оборудование, а в данном случае виртуальная лаборатория позволяет сэкономить существенные средства.

Как вы используете виртуальную лабораторию в вашем исследовательском центре?

В своей работе я использую такие встраиваемые системы как Raspberry Pi и Arduino. Все зависит от сложности проекта. Например, для работы с Raspberry Pi можно использовать такие языки программирования как Python и Matlab. Так как весь нужный интерфейс уже присутствует на самой плате, а весь нужный софт устанавливается очень легко, и что очень важно очень часто программное обеспечение имеет категорию Open Source, что позволяет его использовать абсолютно законно и бесплатно. Измерительные модули такие как вольтметр, аналого-цифровые преобразователи и цифро-аналоговые преобразователи и многие другие можно приобрести за небольшие деньги а также найти готовые библиотеки программного обеспечения  на различных форумах или в Github. Но не всегда можно создать какой-то измерительный прибор из готовых решений. Один из моих последних проектов — это сенсор фотонов. Наши ученные создали такой сенсор, я написал программное обеспечение к нему и графический интерфейс для  удобной работы с ним. Сенсор был подключен к облачному хранилищу, что позволило многим ученым и студентам подключаться удаленно и работать с ним.

Насколько популярна технология виртуальной лаборатории?

Во многих учебных заведениях при обучении инженеров и ученых  используют облачное хранилище, куда загружена вся виртуальная среда для проведения исследования. После получения теоретических знаний студенты должны получить практические навыки на измерительном оборудовании. Виртуальная лаборатория — это информационная оболочка, в которой можно проводить опыты и исследования в некоторых случаях без прямого контакта с исследуемым объектом. Эксперименты могут проводится при помощи загруженных математических моделей, полученных непосредственно во время прямого физического  исследования с объектом или напрямую с объектом через облако. На облаке находится весь графический интерфейс измерительного оборудования, которым пользуется исследователь, ему только стоит загрузить все свои настройки, которые он уже использовал с прошлого своего доступа к этому эксперименту. Также, когда во время какого-либо исследования требуется приобрести новое дорогое измерительное оборудование иногда целесообразней проводить обучение в виртуальной лаборатории. Также важным достоинством виртуальной лаборатории является возможность подключения к ней через облачные сервисы с сохранением всех настроек. Существует также полностью готовое решение от фирмы National Instrument которое называется LabView. В этой среде можно виртуально создать практически любой виртуальный прибор. Можно использовать виртуальные приборы предоставляемые самой программой, но также к этой среде можно подключить свои встраиваемые системы такие как Arduino или Raspberry Pi и на основе их уже делать свои виртуальные приборы. Единственный минус этой виртуальной среды, нужно покупать шаcси, это такое устройство к которому физически подключаются датчики и другие измерительные приборы, а стоит это не дешево.

Применяете ли вы виртуальные системы в обработке цифровых сигналов в своих проектах?

Довольно часто мне приходится обрабатывать сигналы во время исследования, но при этом я не могу находиться в самой лаборатории. До начала эксперимента я устанавливаю свои системы, которые будут непосредственно снимать информацию во время эксперимента. Все это я делаю под четким контролем ученых, которые проводят эксперимент. Ко многим из датчиков, которые используются в исследованиях, я создавал код непосредственно под определенный эксперимент. Все исследовательское оборудование посредством интернета соединяется с моим облачным  сервером, где я могу производить любую обработку  данных и при этом находится далеко от лаборатории. На основе полученных данных иногда можно составить математическую модель для виртуальных симуляций и студенты смогут по ней обучаться.

Почему просто не подключить лабораторное измерительное оборудование как это делалось раньше?

Современные исследования проводятся обычно в составе исследовательской группы, а иногда один и тоже объект исследования изучают сразу несколько независимых групп, единственное что их объединяет это оборудование подключенное к объекту. Также довольно часто бывает, что объект исследования не один, а несколько и они размещены в разных лабораториях мира и тогда все лаборатории объединяются в одну сеть и исследования через виртуальную измерительную лабораторию воспринимаются всеми участниками проекта как одно целое. Ученные этих исследовательских групп обычно находятся в разных странах, и чтобы работать над проектом нужен независимый доступ к оборудованию в любое время из любой точки мира. Поэтому старый подход к подключению исследовательского оборудования не всегда подходит.

Дальнейшие развитие технологии виртуальной лаборатории на основе встраиваемых систем позволит значительно снизить затраты, увеличить свободное место в лаборатории, дать доступ к одному исследованию сразу нескольким группам исследователей без перенастройки оборудования, а также удаленный доступ с любой точки мира.

Дата публикации: 7 февраля 2023