Е.14.О. применение usb устройства сбора данных
компании National instruments
для расширения возможностей Lv- симулятора
,
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет,
Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29,
(812)5 *****@***stu. *****
1. Введение
Авторы имеют достаточно большой опыт работы в российской образовательной среде, чтобы ясно представлять трудности внедрения виртуального эксперимента для обучения студентов физических (технических) специальностей. Существует стойкое убеждение преподавателей, что обучение на виртуальных измерительных приборах не может заменить работу с реальными устройствами. В данном докладе авторы ставят задачу убедить аудиторию в том, что новые разработки компании NI позволяют не только создавать виртуальный измерительный комплекс, полностью адекватный реальному, т. е. тренажер реальной установки, но и в совокупности с новым устройством компании - USB устройства сбора данных осуществлять операции для контроля визуальной компоненты эксперимента, связанной с непрерывным изменением параметров или введения сигналов от измерительных устройств, т. е. обработкой реального сигнала. Таким образом, реализуется основной принцип обучения - осуществляются «вручную» практически все операции с реальными приборами.
Опыт авторов [1-3] в применении программно-аппаратного комплекса NI показал ограниченность предложенной концепции внедрения симуляторов для создания лабораторного практикума по курсу общей физике в случае, когда имеем дело с необходимостью проведения экспериментов с визуальной компонентой. Имеются в виду лабораторные работы, в которых необходимы демонстрационные составляющие обучения. Это в основном касается работ по механике, оптике и электромагнитным явлениям. Для решения данной проблемы предлагается использование устройства сбора данных USB-6008 компании NI, который выполняет две функции:
первая, это функция симулятора по шаговому выполнению операций лабораторной работы и вторая, - обработки реального сигнала, синхронизованного с реальным процессом. Приведенный подход использован для создания лабораторного практикума по электромагнитным явлениям. В сообщении подробно анализируется работа данного практикума, где демонстрационной компонентой является совокупность положений элементов волноводной техники и исследуемых объектов.
2. Результаты работы
О создании симулятора (тренажера) нового типа авторы не только сообщали, но и показали, не раскрывая особенностей построения, на конференциях NI [1-3]. На кафедре экспериментальной физики тренажеры работают уже два года, и за это время даже искушенным в физике не удалось отличить их от реальных установок. Авторы надеются, что простота построения тренажеров с использованием уже отработавших свой ресурс приборов, изменит общее представление о виртуальной измерительной среде, как средстве обучения студентов реальными навыками.
Для обучения студентов технических специальностей в учебных лабораториях, где отсутствует наглядная (демонстрационная) компонента эксперимента, проведение большинства работ заключается в пошаговом выполнении инструкции по работе с реальными измерительными приборами.
Авторами ранее была решена задача по использованию программного продукта LabVIEW, без привлечения дополнительных аппаратных средств компании NI, для пошагового контроля за выполнением реальных учебных работ в лабораторном практикуме. Подробно описывалась реализация специально разработанного для этих целей устройства управления и согласования по com-порту, которое позволяла практически любые учебные лабораторные работы по общей физике дополнить функцией контроля проведения реального физического эксперимента в программной среде LabVIEW.
Опыт авторов показывает, что использование устройств такого рода повышает не только интерес студентов к проведению лабораторной работы, но и прикладную компоненту обучения. При этом виртуальная лабораторная работа в среде программирования LabVIEW превращается в инженерную работу с набором определенных не виртуальных операций по установлению заданных параметров. Кроме того, при проведении экспериментов может быть использован обычный набор реальных силовых приборов, подключение которых программно и аппаратно контролируется.
В процессе работы был выявлен существенный недостаток в использовании учебных тренажеров. При таком подходе оказалось невозможным построение лабораторных работ с обязательным присутствием реальной демонстрационной компоненты. В механике мы не можем контролировать механическое перемещение объекта (лабораторные работы по центральному столкновению стальных шаров, принцип эквивалентности масс, определение момента инерции и др.). В оптике мы не можем контролировать углы поворота элементов оптических систем (линз, призм, поляризаторов), и их юстировку. В молекулярной физике не можем регистрировать температуру и газовые потоки. Такие примеры можно найти практически в любой области физики.
Для решения данной проблемы мы предлагаем использовать сравнительно новую разработку компании NI - устройство сбора данных USB-6008. В этом устройстве нас привлекли легкость подключения и управления, универсальность, надежность, идеальная совместимость программными продуктами NI, малогабаритность, и, что немаловажно для образовательных учреждений, доступность. В этом устройстве мы можем использовать цифровые входы для реализации функций контроля пошагового выполнения работ (аналогично нашей разработке в симуляторе), и функций наличия элементов, связанных с дискретным изменением параметров лабораторной работы. Аналоговые входы устройства можно использовать для контроля визуальной компоненты эксперимента, связанной с непрерывным изменением параметров или введения сигналов от измерительных устройств. Например, в оптике, включение силовых приборов, наличие оптического излучения и регистрация излучения (юстировка) - примеры дискретных сигналов, а углы поворота и перемещений поляризаторов, призм, пластинок - примеры непрерывных сигналов, реализуемых, например, при помощи потенциометров.
Предлагаемая концепция реализована в лабораторном практикуме по электромагнитным волнам для физической лаборатории 4 семестра нашей кафедры.
Одним из важнейших доводов при создании данного практикума было представление о том, что познание общих закономерностей происходит наиболее эффективно, когда от пассивного наблюдения, студент переходит к активным действиям. В основе лабораторных работ практикума лежат измерения распределения интенсивности поля электромагнитной волны, как от угла поворота приемной антенны, так и от расположения отражающей поверхности. Такие эксперименты, обладая четкой демонстрационной составляющей, помогают лучшему восприятию сложных физических процессов в таких явлениях, как дифракция и интерференция, визуализировать распределение полей за границами раздела сред.
На Рис. 1 представлен общий вид учебной установки по электромагнитным волнам. Установка позволяет проводить следующие работы:
1. исследовать характеристики электромагнитного поля излучаемого щелью и рупором в 8 мм диапазоне длин волн,
2. моделировать случайные величины в электромагнитном эксперименте,
3. исследовать электромагнитные волны у поверхностей раздела с разной проводимостью,
4. исследовать дифракцию электромагнитных волн на узкой щели, круглом отверстии, статистически распределенных массивах,
5. исследовать поглощающие и отражающие свойства нанокомпозитных материалов.
Рис. 1. Общий вид установки практикума по электромагнитным волнам.
При реализации установки нами использованы цифровые входы устройства сбора данных для:
1. контроля включения приборов (СВЧ генератор, запускающий низкочастотный генератор, фазовый детектор, селективный усилитель, источники питания). Цифровой сигнал снимается с индикаторов включения данных приборов.
2. контроля наличия электромагнитного поля в зоне образца (цифровой сигнал снимается с дополнительного СВЧ- детектора).
Аналоговые входы использованы для регистрации амплитуды СВЧ сигнала измерительного детектора и угла поворота измерительного рупора. Сигнал измерительного детектора используется при проведении реального физического эксперимента. Для ввода угла поворота вводится сигнал с потенциометра, жестко связанного с осью вращения. На Рис. 2 показано расположение указанных элементов. На Рис. 3 представлена измерительная панель лабораторной работы «Диаграмма направленности излучающей щели».
Рис. 2. Расположение элементов контроля визуальной составляющей.
Слева показано устройство сбора данных USB-6008, справа расположен рупор, совмещенный с
потенциометром.
Рис. 3. Измерительная панель лабораторной работы «Диаграмма направленности излучающей щели». По оси x - поворот рупора: 1 град /c.
3. Оборудование
Представляемая работа выполнена с использованием программы LabVIEW 7.0 в рамках кафедеральной лицензии СПбГПУ, на компьютерах Celeron 1700 с лицензионным программным обеспечением Windows XP. Связь экспериментальных установок с компьютерами происходила посредством соединения через устройство сбора данных USB-6008 аппаратно-программного комплекса NI.
4. Преимущества технологий National Instruments
Представленные материалы позволяют сделать вывод – использование устройства сбора данных позволяет в рамках LV – симулятора не только упростить процедуру пошагового контроля выполнения работы, но и вести контроль визуальной компоненты эксперимента, а также проводить реальные эксперименты. В основе результативности нашей деятельности – активное использование новейших разработок NI для учебного процесса.
Выражаем признательность Представительству “National Instruments” в Российской Федерации, а также лично Погосу Сепояну, за поддержку и предоставление устройства сбора данных USB-6008.
Работа выполнена при поддержке гранта Швейцарского национального научного фонда SNSF IB.
Литература
1. , . Сб. Трудов международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments». Москва. 14-15 ноября. С. 15-
2. , . Материалы международной конф. «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments».
15 ноября 2004 г. Москва. С.
3. , . Сб. трудов конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments». Москва, Россия, 18-19 ноября 2005 г, С. 86-92. (Доклад E.17.O в трудах конференции на сайте http://www. *****/ ).
