Mikroprosessori - elektroniikkalaitteen digitaalinen äly
Laitteiden olemukseen kuuluu yhä useammin kyky jalostaa tietoa ja käyttää sitä hyväksi omassa toiminnassaan. Esimerkiksi yksinkertaisessa elohopealämpömittarissa nesteen laajenemisesta aiheutuva tilavuuden muutos jalostetaan nestepatsaan ja mitta-asteikon avulla suoraan lämpötilalukemaksi.
Kun James Watt 1760-luvulla kehitteli höyrykoneensa pyörimisnopeuden hallintaa, hän tarvitsi laitteen, joka jalosti pyörimisnopeuden höyrykoneen säädön kannalta käyttökelpoiseen muotoon. Watt kehitti "Governorin", keskipakovoimalla toimivan höyrykoneen akseliin kytketyn mekaanisen höyryventtiilisäätimen, joka avasi koneen päähöyryventtiiliä pyörimisnopeuden ollessa liian alhainen ja sulki sen taas, kun pyörimisnopeus oli riittävän suuri.
Säätimen avulla Watt onnistui kehittämään höyrykoneen pyörimisnopeussäädön. Syntyi käytännön toteutus ns. takaisinkytketystä säädöstä. Governor mittasi koneen pyörimisnopeutta – takaisinkytkentäsignaalia – ja sääti tiedon perusteella koneen toimintaa. Vaikka Governor on vanha keksintö, sovelletaan sitä edelleen lähes sellaisenaan mm. polttomoottorilla toimivissa ruohonleikkureissa.
Sulautettu äly korvaa fyysiset laitteet ja hienomekaniikan
Nykyajan tekniikassa tiedon jalostamiseen ei käytetä pelkästään fyysisiä laitteita ja kallista hienomekaniikkaa, vaan yhä useammin tietokoneita. Esimerkiksi elektroninen parin euron digitaalikello pystyy jopa parempaan tarkkuuteen kuin huippukallis mekaaninen kronometri.
Suurin osa tietokoneista on nykyisin rakennettu osaksi modernien teknisten laitteiden toimintaa, jolloin puhutaankin mieluummin sulautetuista järjestelmistä tai sulautetusta älystä. Tietokoneesta on tullut niin kiinteä osa kokonaisjärjestelmää, että se sulautuu osaksi kokonaisuutta.
Käytetyimpiä sulautetun älyn laitteita ovat nykyaikaiset kodinkoneet ja viihde-elektroniikkalaitteet. Lähes kaikissa niissä on prosessoreja, jotka ohjailevat laitteiden monimutkaisiakin toimintoja kätevästi.
Kuinka tietokone tai sulautettu äly toimivat?
Kaikissa tietokoneissa on mikroprosessori, joka osaa suorittaa erilaisia laskutoimituksia. Tieto siitä, missä järjestyksessä ja mitä laskutoimituksia suoritetaan, on talletettu ohjelmamuistiin sellaisessa muodossa, jonka mikroprosessori ymmärtää. Kun mikroprosessorille annetaan käynnistyskomento, se alkaa lukea ohjeita ohjelmamuistista muistipaikka kerrallaan. Laskutoimituksiin kuuluu myös numeroita ja välituloksia, jota kutsutaan yleisesti dataksi.
Datavarastona mikroprosessorilla on yleensä erillinen datamuisti. Ohjelmamuistin ja datamuistin keskeisin ero on siinä, että mikroprosessorilla ei normaalitilanteessa ole tarvetta kirjoittaa ohjelmamuistiin. Laskutoimitusten tuloksia mikroprosessori sen sijaan kirjoittaa usein datamuistille.
Käsitteet ROM (Read Only Memory) ja RAM (Random Access Memory) viittaavat juuri ohjelmamuistin ja datamuistin erilaiseen toimintatapaan.
Elektroniset aivot teknisissä laitteissa
Jos lämpömittari toteutetaan mikroprosessoripohjaisena, kannattaa lämpötilan aistimiseen käyttää jotain sellaista sensoria, joka kykenee muuntamaan lämpötilan suoraan sähköiseksi signaaliksi.
Esimerkiksi termoelementti antaa lämpötilasta riippuvaista analogista jännitesignaalia. Tarkkoja mittauksia saadaan myös lämpötilasta riippuvien sähkövastusten avulla. Sähköinen signaali käsitellään A/D-muuntimella, joka muuntaa sähköisen (analogisen) tiedon numeeriseen (digitaaliseen) muotoon. Tässä vaiheessa mikroprosessori lukee numeerisen tiedon ohjelman käskyttämänä siitä muistiosoitteesta, johon A/D-muunnin on kytketty. Mikroprosessori muuntaa edelleen lämpötilan numeerisen tiedon halutun asteikon mukaiseksi lämpötilan arvoksi. Digitaalisen mittarin asteikon valinnassa käytetään esimerkiksi Fahrenheit-Kalvin-Celsius-valintakytkintä, jota mikroprosessori ohjelman käskyttämänä lukee säännöllisesti. Lopuksi mikroprosessori kirjoittaa tuoreen lämpötila-arvon digitaalimittarin näyttöpaneeliin, josta kuka tahansa voi sen lukea.
Miksi digitaalinen lämpömittari on parempi kuin analoginen?
Mikroprosessoripohjainen toteutus tarjoaa monia sellaisia mahdollisuuksia, mitä analogiamittarissa ei ole.
Mikroprosessorin ja ohjelman avulla mittari voi esimerkiksi tallentaa vuorokauden alimman ja ylimmän lämpötilan. Kun mittariin lisätään toinen anturi, voidaan samalla mikroprosessorilla käsitellä sekä ulko- että sisälämpötilan mittaukset. Edelleen digitaalimittari voi tallentaa pitkäaikaisen trendin vuorokauden keskilämpötiloista.
Tiedon lähettäminen muihin järjestelmiin onnistuu mainiosti: digitaalimittari vain liitetään sopivalla tiedonsiirtoprotokollalla tietoverkkoon, jolloin sen lukemat voidaan välittää internetin kautta vaikka ulkomaan serkuille Uuteen Seelantiin.
Digitaalielektroniikka tarjoaa älyä joka lähtöön
Edellä kuvattu mikroprosessoripohjainen äly on arkipäivää nykyajan elektroniikkalaitteissa. Mikroprosessorien valtaisa suorituskyky mahdollistaa yhä korkeatasoisemman ohjelmiston sulauttamisen elektroniikkalaitteisiin.
Teollisuusprosessien monimutkainen säätötekniikka perustuu mikroprosessoreiden hyväksikäyttöön. Nykyaikainen paperikone tai huippuunsa viritetty biodieselin valmistusprosessi ei voisi toimia ilman mikroprosessoreihin perustuvaa automaatiotekniikkaa. Keskeisessä asemassa ovat myös älykkäät anturit ja niihin liittyvä signaalinkäsittely, johon usein käytetään erityisesti signaalinkäsittelyyn räätälöityä mikroprosessoria (Digital Signal Processor-DSP).
Monien mittaus- ja säätöjärjestelmien kehitystyössä laskentakapasiteetti ei enää ole pullonkaula, kysymys on enemmän siitä, onko kehittäjillä kykyä keksiä ja soveltaa yhä parempia laskenta-algoritmeja. Tähän läheisesti liittyy myös sulautettujen järjestelmien ohjelmistotekniikka; osataanko toteuttaa luotettavia ja tehokkaita algoritmeja, joiden varaan mm. teollisuus, liikenne ja viihde-elektroniikka yhä laajemmin nojautuvat. Elektroniikan sulautetun älyn hallinta vaatii yhä laajemman joukon asiantuntijoita, jotka hallitsevat elektroniikkaa ja informaatiotekniikkaa."