Е.11.О. ЦИКЛ ЛАБОРАТОРНЫХ ПРАКТИКУМОВ В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ПОДГОТОВКЕ СТУДЕНТОВ НАПРАВЛЕНИЯ «ПРИБОРОСТРОЕНИЕ»
, ,
Санкт-Петербургский Государственный электротехнический университет СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова д.5, (812), *****@
Аннотация работы: доклад посвящен рассмотрению лабораторных практикумов, обеспечивающих дисциплины, направленные на обучение проектированию измерительно-вычислительных устройств и систем.
Большинство современных измерительных каналов и приборов имеют в своем составе процессор, выполняющий не только управляющие функции, но и реализующий измерительный алгоритм (непосредственно участвующий в формировании именованного значения физической величины). Поэтому в учебные планы специальностей направления «Приборостроение» включены дисциплины, образующие цикл вычислительной подготовки:
- информатика;
- компьютерные технологии в приборостроении;
- микропроцессорные устройства;
- информационно-измерительные комплексы и интерфейсы;
- сетевые технологии в информационно-измерительной технике.
На каф. ИИСТ СПбГЭТУ лабораторные практикумы в трех из пяти дисциплин реализованы с применением среды графического программирования LabView [1].
Опыт проектирования микропроцессорных измерительных устройств и систем показывает, что наихудшие результаты при проектировании получаются при работе пары, состоящей из непрограммирующего специалиста в некой предметной области (знающего технологические процессы или физические эффекты) и программиста. Следовательно, там, где это возможно, необходимо предоставить непрограммирующему специалисту самостоятельно решить задачу проектирования измерительного канала, для чего удачным применением является LabView.
Изучение среды LabView происходит в следующих курсах: компьютерные технологии в приборостроении, информационно-измерительные комплексы и интерфейсы, сетевые технологии в информационно-измерительной технике.
1. Дисциплина «Компьютерные технологии в приборостроении» [2] предполагает с одной стороны, изучение программных систем поддержки проектирования измерительных каналов и устройств, а с другой стороны – изучение принципов функционирования вычислительных устройств. При этом выполняются лабораторные работы, посвященные изучению систем счисления и кодов, применяемых в процессорных измерительных устройствах, выполнению арифметических и логических операций, а также возможностям формирования и отображения сигналов измерительной информации.
В частности студент должен: в среде LabView организовать устройства ввода целых чисел со знаком и без знака и выполнить операции сложения, вычитания, умножения и деления с заданными числами. Входные и выходные данные (операнды и результат) необходимо отобразить в десятичном, двоичном и шестнадцатеричном кодах в знаковом и беззнаковом представлении в 8-и 16-разрядном форматах. Задание содержит числа, позволяющие экспериментальным путем определить максимально представимые целые числа в знаковом и беззнаковом представлении.
Рис. 1. Лицевая панель и структура виртуального инструмента для изучения арифметических операций.
При выполнении работы по изучению логических операций студент на практике осваивает основные операции Булевой алгебры, выполняя операции над логическими переменными и целыми числами без знака (поразрядно). Также выполняются операции логических сдвигов и логических сдвигов с переносом, позволяющие изучить правила формирования бита “C” в слове состояния процессора, см. рис. 2.
Рис. 2. Лицевая панель и структура ВИ для изучение сдвига с переносом.
Данный практикум закладывает навыки работы с LabView для изучения последующих дисциплин цикла.
2. В рамках дисциплины «Информационно-измерительные комплексы и интерфейсы» студенты занимаются моделированием измерительных каналов и систем [3].
Измерительный канал представляет собой последовательность преобразований физических и числовых величин, в результате которых получается числовой эквивалент измеряемой физической величины с заданной погрешностью (в единицах этой величины). Например, последовательность преобразований при измерении влажности
G → C → f → N → NG → GN,
где G - измеряемая величина; C - изменение значения емкости конденсатора; f - изменение значения частоты; N - значение кода, соответствующее значению частоты; NG - значение кода в единицах измеряемой величины; GN - числовой эквивалент измеряемой величины с заданной погрешностью.
Измерительный канал представляет собой последовательность из пяти преобразований:
1) значения влажности в значение емкости конденсатора (физическое преобразование);
2) значения емкости конденсатора в значение частоты напряжения (электрическое преобразование);
3) значения частоты напряжения в кодовый эквивалент (аналого-цифровое преобразование - АЦП);
4) значения кода в значение кода в единицах измеряемой величины (масштабирование);
5) значение кода в числовой эквивалент измеряемой величины (воспроизведение обратной функции всех предшествующих преобразований).
Последовательность преобразований при измерении температуры
Т → R → e → U → N → NT → TN,
где T - измеряемая величина; R - изменение значения сопротивления резистора; e - изменение значения напряжения на резисторе; U - изменение значения напряжения на входе АЦП; N - значение кода, соответствующее значению напряжения; NT - значение кода в единицах измеряемой величины; TN - числовой эквивалент измеряемой величины с заданной погрешностью.
Измерительный канал представляет собой последовательность из шести преобразований:
1) первичный измерительный преобразователь (ПИП) - в рассматриваемом примере это терморезистор, который имеет функцию преобразования f1 = Rt(T);
2) вторичный измерительный преобразователь (ВИП) - может представлять электрическую цепь с постоянным источником тока (I = const), т. е. функцию преобразования f2 = e = I Rt;
3) нормирующий преобразователь (НП) - преобразователь, который приводит диапазон выходного напряжения ВИП к диапазону входного напряжения АЦП, имеет функцию преобразования вида f3 = U = k(e - emin), где k - нормирующий коэффициент;
4) АЦП с функцией преобразования f4 = (U/Umax) Nmax=N, где Umax - опорное напряжение; Nmax = 2n - 1; n - число разрядов АЦП;
5) масштабирующее преобразование (МП) - приведение полученного кода к диапазону и единицам измерения физической величины (температура) - имеет функцию преобразования f5 = NT = Θ((Tmax - Tmin)/ Nmax) - Tmin, где Θ = N/Nmax;
6) преобразование, компенсирующее нелинейность (ПКН) всех предыдущих преобразований, имеет функцию f6 = F-1, где F-1 – функция, обратная градуировочной характеристике измерительных преобразований.
Студентам необходимо построить модель измерительного канала и его компонент: первичного измерительного преобразователя, нормирующего преобразователя, Аналого-цифрового преобразователя и функции обратного преобразования. Моделируются термоэлектрические преобразователи, терморезистивные, преобразователи влажности и других физических величин. Возможно исследование встроенных в оболочку моделей термопар с помощью стандартных градуировочных характеристик.
Моделирование структуры измерительного канала связано с созданием математических моделей всех его элементов. Математическая модель должна адекватно отражать физическую реализацию каждого элемента, учитывать единицы измерения и размерности всех передаваемых величин.
3. В курсе «Сетевые технологии в измерительной технике» изучаются способы построения распределенных информационно-измерительных систем.
В процессе выполнения работы студент должен организовать в среде LabView два виртуальных инструмента один из которых передает, а другой принимает и отображает устанавливаемое пользователем целочисленное значение.
Виртуальный инструмент №1 (далее – передатчик) осуществляет передачу заданного пользователем числа по указанному адресу в сети по протоколу UDP. Передача осуществляется непрерывно с периодом устанавливаемым пользователем. Ориентировочный вид интерфейса пользователя передатчика представлен на рисунке 3.
Виртуальный инструмент №2 (далее – приёмник) должен ожидать данные на определенном UDP порту, на который отправляет данные передатчик. Приемник должен отобразить полученные данные (числовое значение) на графике, а также:
- сетевой адрес отправителя;
- UDP порт отправителя;
- количество циклов получения данных.
Ориентировочный вид интерфейса пользователя приемника представлен на рисунке 4.
Необходимо реализовать приемник и передатчик и осуществить эксперимент по:
1) Передаче и приёму данных на одном компьютере;
2) Передаче и приёму данных, когда передатчик находится на одном компьютере, а приемник находится на другом компьютере, связанном вычислительной сетью;
3) Передаче данных с двух передатчиков, один из которых находится на том же компьютере (прд1), что и приемник, а второй (прд2) работает с другого компьютера сети.
Одним из положительных результатов можно считать то, что на стадии дипломного проектирования в качестве среды для разработки программного обеспечения применяется LabView, причем как в случаях проектов, выполняемых на кафедре, так и в организациях – потребителях выпускников специальности 200106 – «Информационно-измерительная техника и технологии».
Литература:
1. LabVIEW для всех / Джеффри Тревис: Пер. с англ. – М.:ДМК Пресс; ПриборКомплект, 2004. – 544с.:ил.
2. Компьютерные технологии в приборостроении: Методические указания к лабораторным работам / Сост.: , , . СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 20с.
3. Построение измерительных каналов с применением среды графического программирования LabView: Методические указания к лабораторным работам / Сост.: , , . СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 20с.
