Е.3.О. ЛАБОРАТОРИЯ «СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ» В МГУ: УЧЕБНЫЕ КУРСЫ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМ.
Московский государственный университет им. ,
Физический факультет и Международный учебно-научный лазерный центр МГУ
лаборатория «Современные системы автоматизации научных исследований»
т. (4, e-mail: *****@***phys. *****, сайт: http://labview. ilc. *****
На базе программно-аппаратного комплекса National Instruments в лаборатории «Современные системы автоматизации научных исследований» МГУ созданы новые учебные курсы и прикладные разработки.
За год, прошедший с предыдущей конференции, произошло много интересных событий: вышла новая версия LabVIEW 8.2 и LabVIEW Embedded Development Module, появилась система сбора данных CompactDAQ и многое другое. Для лаборатории-практикума «Современные системы автоматизации научных исследований» (физический факультет и МЛЦ МГУ) это время так же не прошло даром. Далее я хочу рассказать о новых учебных курсах и прикладных разработках, созданных нами на базе программно-аппаратного комплекса National Instruments LabVIEW. С подробным списком лабораторных работ практикума и дополнительной информацией о лаборатории можно ознакомиться на сайте по адресу http://labview. ilc. ***** .
Технологии National Instruments в образовательном процессе.
На физическом факультете МГУ обучение студентов программному комплексу LabVIEW проводится уже более 8 лет. В конце 2004 года в МЛЦ МГУ была создана лаборатория «Современные системы автоматизации научных исследований», которая в 2005 году получила официальный статус авторизованного учебного центра National Instruments. В настоящее время образовательная деятельность лаборатории связана с обучением студентов, проведением курсов повышения квалификации, созданием учебных стендов и курсов.
В настоящее время завершено создание учебного курса по системам технического зрения на базе модуля NI Vision и программного комплекса LabVIEW. Курс состоит из теоретической части, в которую входит описание возможностей пакета NI Vision, применение его базовых функций, рассмотрение особенностей работы с цифровыми и аналоговыми камерами, и возможностей анализа и обработки изображений. В практической части курса предлагается шесть лабораторных работ, охватывающих почти все практические аспекты создания систем технического зрения.
На основе DSP модуля и программного комплекса National Instruments LabVIEW создан курс по программированию цифровых сигнальных процессоров (DSP) компании Texas Instruments. В данном курсе изучаются основы графического программирования DSP, приводятся примеры создания приложений по сбору и цифровой обработке данных. Эти учебные курсы предназначены для студентов 3-4 курсов ВУЗов естественно-научных и технических специальностей.
Завершается создание курса по созданию ультрапортативных систем сбора и обработки данных на базе PDA модуля и программного комплекса LabVIEW. В курсе освещаются вопросы использования плат ввода/вывода данных с КПК, обработки данных и, что является принципиально важным, рассмотрены коммуникационные возможности таких систем: передача данных по протоколу TCP/IP через проводное и беспроводное соединение (Wi-Fi), через Bluetooth, ИК-порт и обмен данными через последовательный порт RS-232.
В МГУ интерес к технологиям National Instruments постоянно растет. Все бесплатные учебные курсы для сотрудников физического факультета традиционно проходят с полным аншлагом. Как следствие, данное направление было признано перспективным, и в ближайшее время планируется существенное расширение учебного центра и приобретение дополнительного оборудования.
В то же время, нельзя ограничить поле деятельности центра только обучением. В следующем разделе приводятся краткие описания основных прикладных разработок нашей лаборатории, выполненных за этот год по заказу различных организаций. Естественно, нельзя оставить без упоминания весомый вклад в эти работы сотрудников, аспирантов и студентов кафедры Общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ, особенно, И. Степаненко и А. Соболева.
Прикладные разработки на базе технологий National Instruments.
Проект «Измерение светопропускания полимерных пленок под воздействием напряжения» выполнялся для института элементоорганических соединений им. . В системе производился синхронный двухканальный сбор данных с помощью платы NI PCI-6040E, последующий анализ формы сигнала с автоматической аппроксимацией выделенного фрагмента данных функцией двухвременного экспоненциального спада.
Совместно с «Спектр» проведены работы по модернизации электромагнитного дефектоскопа серии ВД-40, который используется для поточного контроля качества труб. Управление дефектоскопом может осуществляться как при помощи клавиш на лицевой панели, так и по шине RS-232. На базе встроенной внутрь корпуса дефектоскопа платы сбора данных NI USB-6008 OEM реализован двухканальный осциллограф с несколькими режимами развертки. Реализован полноценный интерфейс оператора с возможностью автоматического создания и распечатки четырех видов отчетов, а также система ведения базы данных измерений на ПК. Встроенный web-сервер обеспечивает доступ к БД и отчетам по сети.
Завершена работа по созданию автоматизированной системы управления газоанализатором. С помощью платы NI USB 6009 производится управление напряжением газового разряда (задается временная зависимость напряжения произвольного вида, в виде кусочно-линейной или пилообразной функции), измеряются температура, давление, влажность и расход газа.
Для компании Standa Ltd создана система ввода лазерного излучения в оптоволокно. Разработана система автоматической установки торца оптоволокна, закрепленного на трехосной подвижке, в оптимальное положение, обеспечивающее максимальное проникновение лазерного излучения в волокно. Подсистема управления и сбора данных состоит из моторизованной трехосной подвижки Standa 7TF1, отвечающей за перемещение оптоволокна, которая управляется контроллером 8SMC1-USBh (через VISA USB). Оцифровка сигнала с фотоприемника осуществляется платой сбора данных NI USB-6008. Реализованный алгоритм автоматического позиционирования волокна допускает тонкую настройку под конкретный лазер и волокно, возможность сохранения настроек в профилях.
Для международного лазерного центра в Братиславе (Словакия) разработана система долговременного тестирования стабильности энергии излучения твердотельных лазерных систем с контролем параметров окружающей среды. Созданная система позволяет измерять энергию каждого лазерного импульса с частотой повторения до 10 Гц в течение нескольких суток непрерывной работы лазерной системы. Обязательным условием качественного тестирования является измерение параметров окружающей среды: температуры и влажности воздуха в помещении.
Для НИИ ФХБ им. МГУ произведена модернизация контрольно-измерительной части спектрофлуориметра AMINCO-BOWMAN. Асинхронные двигатели, вращающие дифракционные решетки монохроматоров возбуждения и испускания, были заменены шаговыми двигателями на редукторах (минимальный угол поворота — 0,04°). Шаговые двигатели управляются через контроллер Kemo-Electronics m109, подключенный к порту LPT компьютера. В среде LabVIEW разработан многофункциональный драйвер контроллера с поддержкой до четырех двигателей одновременно.
Для калибровки положения решеток установлены оптопарные датчики, сигнал с которых измеряется платой сбора данных NI PCI-6221, что позволяет программно управлять положением решеток. Вместо стандартных средств регистрации излучения установлена система на основе ФЭУ, работающего в режиме счета фотонов. Частота цифровых импульсов, соответствующее потоку попадающих на ФЭУ фотонов, измеряется цифровым счетчиком платы NI PCI-6221. Все функции управления электронно-измерительной части спектрофлуориметра реализованы в едином программном приложении и сравнимы по функциональности с коммерческими аналогами. Предусмотрена возможность предварительной автоматизированной калибровки по источнику с заданным линейчатым спектром, автоматическое усреднение по заданному числу спектров и умножение на поправочную кривую и удобный «журнал измерений» на основе СУБД SQLite.
Так же по заказу лазерного центра в Братиславе (Словакия) разработана система измерения качества лазерного пучка. Основными компонентами системы являются цифровая камера с интерфейсом Fireware, настройка которой осуществляется в LabVIEW c использованием программного модуля IMAQ и IMAQ for Fireware, и система перемещения камеры на базе контроллера шагового двигателя 8SMC1-USB, управляемого из-под LabVIEW с использованием драйверов USB VISA. На данном стенде можно измерить профиль пучка в произвольном сечении, эллиптичность пучка, длину и радиус перетяжки, угловую расходимость, центр масс пучка, диаметры пучка (Dox, Doy) и параметр качества пучка M2.
Совместно с институтом океанологии РАН разработана система автоматизированного управления движением глубоководного спускаемого аппарата ROSUB-6000 ROV (Индия). Создан алгоритм управления по модели третьего порядка, разработана программная модель подводного аппарата с шестью степенями свободы. Данный алгоритм написан полностью на LabVIEW и предназначен для исполнения на Compact FieldPoint с контроллером cFP-2020. Предусмотрено переключение в режим ручного управления по одной или более координатам. Система управления движением аппарата успешно прошла тестирование на устойчивость.
Для компании портал» создана dll-библиотека для использования в приложении на Borland Delphi 7, реализующая программные интерфейсы для управления двигателями сценических приводных систем. Для этого используется преобразователь напряжения Mitsubishi FR-A 500, подключенный к компьютеру по шине RS-485 через интерфейсную плату NI PCI-8431/4. К этой же шине последовательно подключены датчики положения Kuebler серии 58хх. Для управления вспомогательными системами используются линии цифрового вывода платы NI PCI-6527.
По заказу компании Инновационных технологий» для ЗАО "УралАлмаз" разработано программное обеспечение для автоматизированной системы контроля добычи алмазов «АСКДА». Основным элементом системы является промышленный контроллер PXI, в режиме реального времени производящий измерение и анализ сигналов фотоэлектронных умножителей и определяющий наличие объектов в породе на конвейере. Важно отметить, что длительность цикла измерение – анализ – управление составляет 4 мс, что приводит к необходимости использования системы жесткого реального времени. Основные возможности системы «АСКДА»: проведение интегрального анализа сигнала со встроенным адаптивным алгоритмом шумоподавления; автоматическая настройка системы анализа под изменившиеся условия; ведение протокола с записью формы сигнала; удаленный доступ к данным системы. Система «АСКДА» прошла успешные испытания на рентгенолюминисцентном сепараторе ЛС 20-04М.
