Достоинство такого подхода
– значительное (практически на порядок)
сокращение количества требуемых стендов
и стендового оборудования (а, следовательно,
и занимаемых площадей), упрощение его
обслуживания, упрощение реализации фронтального
метода выполнения лабораторных работ
(на все имеющиеся стенды можно одновременно
поставить один и тот же объект изучения).
Недостатки есть следствие
универсальности и сменности оборудования:
любое универсальное оборудование, как
правило, более сложное, дорогое и избыточное,
а при частой его смене уменьшаются сроки
безотказной работы, т.е. увеличиваются
эксплуатационные расходы.
Автоматизированные лабораторные
стенды (стенды третьего поколения – рис.3)
являются принципиальным шагом вперед,
поскольку на этом этапе в составе лабораторного
оборудования впервые появились интеллектуальные
средства обработки данных и многоканального
управления объектом в реальном времени
проведения эксперимента.
Рисунок 3. Пример реализации лабораторного
стенда
третьего поколения
Учебный лабораторный стенд
третьего поколения превратился в автоматизированное
рабочее место (АРМ), содержащее управляющую
вычислительную машину (УВМ) и устройства
ее сопряжения с объектом (УСО). В большинстве
случаев измерительные приборы как таковые
отсутствуют. Их функции выполняют датчики
соответствующего типа, подключенные
к входным каналам УСО, выполненным в виде
набора стандартных модулей сопряжения
(коммутаторы входных каналов, счетчики
импульсов, входные регистры, аналого-цифровые
преобразователи – АЦП и т.д.). Управление
объектом передается УВМ и реализуется
исполнительными механизмами через выходные
модули УСО (цифро-аналоговые преобразователи
– ЦАП, программируемые таймеры, выходные
регистры и т.д.).
В корне изменились функции
экспериментатора. Он удаляется из контура
непосредственного управления объектом
и превращается в оператора УВМ. Его задача
сводится к формированию программы проведения
эксперимента и оценке результатов. Экспериментатор
полностью освобождается от всех рутинных
операций (ручное поддержание режима проведения
эксперимента, съем и запись показаний
приборов, обработка результатов, построение
зависимостей – все это делает УВМ) и может
сосредоточиться на творческих вопросах
поиска оптимальных или экстремальных
решений.
Достоинством лабораторного
оборудования третьего поколения является,
как уже говорилось, полное исключение
рутинных операций, и использование всего
отведенного времени на реализацию индивидуальных
творческих решений. Появляется также
возможность предварительного моделирования
исследуемых физических процессов, что
делает процедуру экспериментального
поиска более осмысленной и продуктивной.
Можно исследовать как статические, так
и динамические показатели объектов в
режимах многоканального управления по
весьма сложным алгоритмам.
Главный недостаток, пожалуй,
состоит в неэффективном использовании
средств вычислительной техники. Действительно,
подключение к каждому лабораторному
стенду персонального компьютера со средствами
сопряжения (УСО) слишком дорого, если
к тому же учесть, что коэффициент загрузки
такого оборудования в течение учебного
года чрезвычайно низок.
Лабораторные стенды удаленного
коллективного доступа (стенды четвертого
поколения – рис.4) являются попыткой преодолеть
главный недостаток лабораторного оборудования
предыдущего поколения, сохранив все его
преимущества.
Рисунок 4. Пример реализации лабораторного
стенда
четвертого поколения
Технически суть сводится
к возложению на УВМ автоматизированного
лабораторного стенда третьего поколения
дополнительных функций сервера удаленного
доступа. В этом случае открывается возможность
коллективного доступа к одному лабораторному
стенду многих пользователей по компьютерным
сетям практически без ограничения расстояний.
Достоинства такого подхода
очевидны:
- значительно (на порядки) сокращается
количество требуемого лабораторного
оборудования, лабораторных площадей,
обслуживающего персонала;
- полностью исключаются рутинные операции
и открываются возможности для творческого
индивидуального подхода;
- практически снимаются временные ограничения
проведения лабораторных исследований,
поскольку лабораторные стенды этого
типа можно держать в круглосуточном рабочем
режиме.
Особенности эксплуатации
такого лабораторного оборудования (их
нельзя назвать недостатками) связаны
с разработкой, созданием и поддержанием
всей инфраструктуры сетевого обмена
информационными и техническими ресурсами.
1.1.2 Практическая значимость
Данный виртуальный лабораторный
практикум создан для электрических специальностей
по просьбе «Иркутского энергетического
колледжа». А именно преподавателем по
электротехнике Стахерской Нины Ивановны.
Для использования этого программного
продукта в качестве быстрого обучающего
практикума студентам, при лабораторных
работах.
1.2 Инструкция средства
создания
1.2.1 Программный комплекс
для виртуальной лабораторной
работы
Для выполнения виртуальных
работ требуется лишь компьютер с соответствующим
программным обеспечением. Поэтому виртуальный
лабораторный практикум может использоваться
на периферийных отделениях вуза, где
недостаточна лабораторная база, а также
в самостоятельной работе студентов.
1.2.2 LabVIEW
1.2.2.1 Пакет
LabVIEW – среда конструирования
виртуального лабораторного практикума
Пакет LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation
Engineering Workbench) представляет собой универсальную
систему (инструмент) программирования
с расширенными библиотеками программ,
ориентированную на решение задач управления
инструментальными средствами измерения
и задач сбора, обработки и представления
экспериментальных данных. В более общем
определении LabVIEW можно рассматривать
как интегрированную среду разработки,
отладки и выполнения программ для измерительных,
тестирующих и управляющих систем, аппаратно-программных
комплексов сбора, обработки и представления
измерительной информации. LabVIEW - высоко
интерактивная система, предназначенная
для наиболее эффективного взаимодействия
разработчика программной системы и среды
разработки. Она содержит развитую систему
меню, проблеммно-ориентированные библиотеки
стандартных модулей и процедур для задач
проектирования систем сбора и обработки
данных, традиционные средства разработки
и отладки программных продуктов.
LabVIEW - система визуального
(графического) программирования. Ее характерной
особенностью является использование
универсального объектно-ориентированного
языка визуального программирования,
который оперирует графическими символами
- пиктограммами, изображениями органов
управления, приборных индикаторов, других
элементов, близких и понятных предметной
области инженеров и проектировщиков
средств измерения. Это дает возможность
пользователю даже с небольшим опытом
программирования создавать качественный
программный продукт, готовый для решения
широкого круга прикладных задач. В процессе
работы с LabVIEW пользователь создает программные
модули, называемые виртуальными инструментами
(ВИ), поскольку их назначение и характер
функционирования в составе ЭВМ соответствует
характеру функционирования реальных
инструментов. Такие программные модули
содержат мощные библиотеки математических
функций, позволяющих решать задачи обработки
сигналов, корреляционно-спектрального
и регрессионного анализа анализа, фильтрации
и статистической обработки данных, других
функций. Используя подобные библиотеки,
ВИ позволяют решать широкий комплекс
задач измерения, контроля и регулирования,
управления объектами.
Виртуальные инструменты, создаваемые
в среде LabVIEW, включают три основные части:
Передняя панель (рис.5 ) - интерактивный
графический интерфейс пользователя,
имитирующий лицевую панель реального
физического инструмента. Она может содержать
графические изображения кнопок, клавиш,
цифровых и логических органов управления
и индикации, которые обеспечивают большую
наглядность выполнения процедур ввода
команд управления и отображения результатов
эксперимента на экране компьютера. Используя
манипулятор "мышь", оператор управляет
работой ВИ, имитируя действие с обычными
органами управления физических приборов.
Блок-диаграмма (рис.6 ) представляет графическое
изображение программы, задающей алгоритм
решения задачи и являясь в то же время
"исходным текстом" для спроектированного
ВИ. Виртуальный инструмент получает инструкции
от блок-диаграммы, которая конструируется
на языке графического программирования
(язык G). Блок-диаграмма виртуального
лабораторного практикума "Исследование
резонанса напряжений".
Пиктограмма-соединитель - графический
символ ВИ, который задает условное обозначение
данного ВИ в общей иерархии виртуальных
инструментов, а также определяет схему
входо-выходных терминалов ВИ, через которые
осуществляется его подключение к другим
ВИ. Пиктограмма-соединитель работает
подобно графическому параметрическому
списку так, что остальные ВИ могут передавать
данные к суб-блокам ВИ. Последнее качество
обеспечивает принцип модульности и иерархии
системы ВИ, позволяя самостоятельно выполнять
как программы верхнего уровня, так и подпрограммы
нижнего уровня.
Рисунок 5. Передняя панель
Рисунок 6. Блок-диаграмма |
|
ВИ как приложение, создаваемое
в среде LabVIEW (LV-приложение), имеет модульно-иерархическую
структуру. Подобная структура представляет
собой иерархию модулей, каждый из которых
является самостоятельным суб-модулем
(суб-блоком), который может рассматриваться
как самостоятельный ВИ - субВИ со своей
передней панелью, блок-диаграммой и пиктограммой-соединителем.
Разбив блок-диаграмму ВИ на отдельные
суб-блоки - субВИ, можно их использовать
как самостоятельные инструменты или
компоненты для построения ВИ более сложной
архитектуры. В то же время, создав пиктограмму
для собственного ВИ, его можно использовать
как отдельный независимый элемент в других
ВИ.
Объекты передней панели. Проблемная ориентированность
пакета LabVIEW обуславливает наличие специальной
библиотеки объектов, предназначенных
для конструирования передней панели
виртуального инструмента. Библиотека
доступна в режиме редактирования и открывается
выбором Control главного меню, которое находится
в окне после выбора Show Diagram меню Windows. Основными
разделами библиотеки, в которых сконцентрированы
объекты создания передних панелей ВИ,
являются:
Numeric- библиотека цифровых органов управления и индикаторов
Boolean - библиотека органов управления и индикаторов логического (булевского) типа
String - библиотека органов управления и индикаторов строкового типа
Array & Cluster - библиотека органов управления и индикаторов массивов и кластеров
Graph - библиотека индикаторов отображения графиков
Path & RefNum - библиотека органов управления и индикаторов отображения связей и ссылочных номеров
Decorations - библиотека элементов декоративного оформления передней панели.
Примеры некоторых объектов
передней панели, соответствующих органам
управления и индикаторам. Выбор нужного
органа управления или индикатора осуществляется
открытием соотвотствующего окна меню
и щелчком курсора мыши на требуемом объекте.
Объекты блок-диаграммы. Блок-диаграмма
- это по сути программный код приложения.
Объекты конструирования блок-диаграммы
ВИ сгруппированы в библиотеках, которые
становятся доступными в режиме редактирования.
Все объекты конструирования блок-диаграмм
разделяются на различные типы, к которым
относятся:
Узлы - программно-исполняемые
элементы, которые являются аналогами
элементов языка программирования, как
утверждения, операторы, функции, процедуры.
К узлам также относятся узлы кодовых
интерфейсов, формулы, атрибуты органов
управления и т.д.
Терминалы - это порты, через
которые передаются данные между блок-диаграммой
и передней панелью, так же как и между
узлами на блок-диаграмме. Терминалы подразумевают
соответствие определенным пиктограммам
функций, а также и самим виртуальным инструментам.
Для отображения терминала некоторой
функции или ВИ необходимо вызвать их
пиктограмму и вызвать опцию Show Terminal во
всплывающем меню данного объекта.
Соединения - передают данные между входными
и выходными терминалами элементов блок-диаграммы.
Они изображаются в виде линий различного
типа, связывающих отдельные пиктограммы
или терминалы на блок-диаграмме.
Библиотеки объектов конструирования
блок-диаграммы открываются после выбора
опции Functions главного меню, которое находится
в окне блок-диаграмм и открывается после
выбора Show Panel меню Windows