ฟิสิกส์อิเล็กทรอนิกส์ตอนที่4 : ไมโครคอนโทรลเลอร์และอิเล็กทรอนิกส์ยุคใหม่

 

รูปที่ 1 แสดงวงจรอะสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์ (ภาพจากเอกสารอ้างอิง [1])  

 

              เมื่อต่อหลอดไฟเข้ากับ output ของวงจร หลอดไฟจะติดดับตามจังหวะของสัญญาณไฟฟ้า ซึ่งความถี่ของการติดดับนี้จะแปรผกผันกับค่าของตัวต้านทานและตัวเก็บประจุในวงจรที่ต่ออยู่กับขาเบส(b) ของทรานซิสเตอร์ หากเราต้องการเปลี่ยนจังหวะการกระพริบของหลอดไฟ เราจำเป็นที่จะต้องเปลี่ยนตัวต้านทานและตัวเก็บประจุใหม่ให้มีค่าสอดคล้องกับความถี่ใหม่ที่ต้องการ ซึ่งจะเห็นว่าในบางครั้ง เราอาจไม่สามารถหาค่าของตัวต้านทานและตัวเก็บประจุได้ตามที่ต้องการ เพราะไม่มีจำหน่ายหรือไม่สามารถสร้างขึ้นมาเองให้มีค่าที่แม่นยำสูงแบบเปะๆได้ แต่ปัญหาเหล่านี้จะหมดไป เมื่อเราสร้างวงจรไฟกระพริบจากไมโครคอนโทรลเลอร์ซึ่งเราสามารถเปลี่ยนความถี่การกระพริบใหม่ได้โดยเพียงแค่การป้อนค่าที่ต้องการเข้าไปได้เลย ไม่จำเป็นที่จะต้องสร้างวงจรใหม่ หรือเพิ่ม-ลดอุปกรณ์ใหม่แต่อย่างใด


             ไมโครคอนโทรลเลอร์ เป็นแผ่นวงจรรวม (integrated circuit) ชนิดหนึ่งที่ภายในได้รับการออกแบบตามหลักสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ กล่าวคือ ภายในได้มีการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ให้มีโครงสร้างหลัก 5 ส่วนใหญ่ๆ อันได้แก่ หน่วยประมวลผลกลางหรือซีพียู (Central Processing Unit) หน่วยความจำ (Memory) ส่วนติดต่อกับอุปกรณ์ภายนอก (Port) ช่องทางเดินของสัญญาณ (BUS) และวงจรกำเนิดสัญญาณนาฬิกา ดังรูปที่2

 

รูปที่ 2 แสดงส่วนประกอบของไมโครคอนโทรลเลอร์ (ภาพจากเอกสารอ้างอิง [2])  

 

                ตัวอย่างต่อไปนี้จะเป็นการนำอาดุยโน่ (Arduino) ซึ่งเป็นไมโครคอนโทรลเลอร์ชนิดหนึ่งมาต่อเป็นวงจรและโปรแกรมให้จ่ายกระแสไฟฟ้าไปให้หลอดไฟ ซึ่งในที่นี้คือหลอดไฟแอลอีดีทั่วไป ให้กระพริบเหมือนกับที่ได้จากวงจรอะสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์ก่อนหน้านี้

 

รูปที่ 3 แสดงภาพการต่อวงจรอย่างง่าย (ภาพจากเอกสารอ้างอิง [3])

รูปที่ 4 แสดงโปรแกรมที่ใช้ควบคุมการทำงานของไมโครคอนโทรลเลอร์อาดุยโน่ (ภาพจากเอกสารอ้างอิง [3])

 

              จากโค้ดโปรแกรม เราสามารถเพิ่ม-ลดเวลาหรือความถี่ในการติดดับของหลอดไฟแอลอีดีได้โดยการแก้ไขตัวเลขเวลาในวงเล็บหลังคำว่า delay ได้เลยโดยไม่ต้องต่อวงจรเพิ่มเติมหรือเปลี่ยน-เพิ่ม ตัวเก็บประจุหรือตัวต้านทานให้กับวงจรแต่อย่างใด
ยิ่งกว่านั้น การออกแบบวงจรไฟฟ้าที่มีความซับซ้อนสูงมากๆอย่างเช่นระบบคอมพิวเตอร์ ระบบ Internet of Things (IoT) หรือแม้กระทั่งระบบหุ่นยนต์-เอไอ


              การจะสร้างระบบเหล่านี้โดยอาศัยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พื้นฐานเพียงอย่างเดียวโดยปราศจากการใช้งานไมโครคอนโทรลเลอร์นั้น เรียกได้ว่าแทบที่จะเป็นไปไม่ได้เลย 

 

รูปที่ 5 แสดงระบบหุ่นยนต์ที่พัฒนาด้วยไมโครคอนโทรลเลอร์อาดุยโน่ (ภาพจากเอกสารอ้างอิง [4])

 

                ไมโครคอนโทรลเลอร์เปิดโอกาสให้เราสามารถโปรแกรมหรือควบคุมทิศทางของกระแสไฟฟ้าได้ด้วยระเบียบ-ขั้นตอนที่เราออกแบบมาไว้เป็นอย่างดี เรียกว่าอัลกอริทึม (algorithm) เราสามารถควบคุมทิศทางของกระแสไฟฟ้า การจัดสรรพลังงาน และอื่นๆได้โดยแทบที่จะไม่ต้องปรับเปลี่ยนวงจรหรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เป็นจำนวนมาก


                 ในบางครั้งเราก็สามารถ “แบ่ง” ส่วนงานขนาดใหญ่ให้เป็นขนาดย่อยๆ เพื่อง่ายต่อการบริหารจัดการได้ ตัวอย่างเช่น เราอาจจะใช้แบ่งระดับชั้นในการพัฒนาออกเป็น OSI Model 7 Layers ดังแผนภาพต่อไปนี้ 

รูปที่ 6 แสดง OSI Model 7 Layers (ภาพจากเอกสารอ้างอิง [5])

 

              หากเปรียบเทียบอย่างง่ายๆกับโทรศัพท์สมาร์ทโฟน ระดับชั้นที่ 1 (ล่างสุด) ก็คือตัววงจรอิเล็กทรอนิกส์ของสมาร์ทโฟนนั่นเอง ระดับชั้นที่ 7 คือแอพพลิเคชั่นต่างๆที่อยู่ในระบบสมาร์ทโฟน เราจะเห็นได้ว่า ถึงแม้เราจะมีการเพิ่ม-ลดแอพพลิเคชั่นบนสมาร์ทโฟนของเรามากมายเพียงใด เราก็ไม่จำเป็นที่จะต้องแกะสมาร์ทโฟนของเราออกมาเพิ่ม-ลดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ภายในแต่อย่างใด สิ่งนี้ทำให้เทคโนโลยีต่างๆพัฒนาไปอย่างก้าวกระโดด อาจกล่าวได้ว่า วงจรอิเล็กทรอนิกส์อย่างเช่นระบบคอมพิวเตอร์-ระบบไมโครคอนโทรลเลอร์ คือสุดยอดสิ่งประดิษฐ์ทางฟิสิกส์ของมนุษย์ เป็นสิ่งประดิษฐ์ที่รวม ฟิสิกส์-คณิตศาสตร์-ศิลปะและสถาปัตยกรรมเข้าไว้ในหนึ่งเดียว!


             ยังไม่หมดเพียงเท่านี้ ในตอนต่อๆไป เราจะได้พบกับการที่ “จักรกลอิเล็กทรอนิกส์” สามารถที่จะ “เรียนรู้” สิ่งต่างๆได้คล้ายกับสิ่งมีชีวิต(ใกล้เคียง) เหมือนมีอารมณ์สุนทรีย์ถึงขนาดสามารถสร้างได้แม้กระทั่งงานศิลปะ! ติดตามต่อได้ในฟิสิกส์อิเล็กทรอนิกส์ตอนที่5 : สติปัญญาอิเล็กทรอนิกส์และการเรียนรู้ได้ของเครื่องจักร
 

เรียบเรียงโดย

 

อภิสิทธิ์ ศรีประดิษฐ์
 

นักศึกษาระดับปริญญาเอก

ภาควิชาวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์และโทรคมนาคม
คณะวิศวกรรมศาสตร์มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี

อ้างอิง

[1] https://www.electronics-tutorials.ws/wp-content/uploads/2018/05/waveforms-tim20.gif  
     (สืบค้นเมื่อวันที่ 24 ธันวาคม พ.ศ. 2563)
[2] https://www.electronicsforu.com/wp-contents/uploads/2016/05/8c2acbb3d9c4ab2807cec
     1275225fec7.jpg (สืบค้นเมื่อวันที่ 24 ธันวาคม พ.ศ. 2563)
[3] https://www.arduino.cc/en/Tutorial/BuiltInExamples/Blink     
     (สืบค้นเมื่อวันที่ 24 ธันวาคม พ.ศ. 2563)
[4] https://arxiv.org/pdf/2008.02164.pdf  (สืบค้นเมื่อวันที่ 24 ธันวาคม พ.ศ. 2563)
[5] https://www.cloudflare.com/learning/ddos/glossary/open-systems-interconnection-model-
     osi/ (สืบค้นเมื่อวันที่ 24 ธันวาคม พ.ศ. 2563)