Лаборатория с Удаленным Доступом в курсе "Электроника"

1 Введение.

В настоящее время для проведения лабораторных практикумов очень часто реальные эксперименты заменяются компьютерным моделированием из

использованием специальных программ, например Electronics Workbench. Однако, для подготовки квалифицированных инженеров нужно умение

исследовать реальные физические процессы на реальном оборудовании. Компьютерное моделирование может дополнить натурный эксперимент, но

не заменить его. В дистанционной учебе существуют дополнительные трудности в

организации лабораторных работ на реальном оборудовании. Построение лабораторных практикумов в этом случае принципиально отличается от

традиционных — студент должен иметь лабораторию в домашних условиях. Одним из новых направлений есть создание виртуальных

Автоматизированных лабораторий с удаленным доступом. В этом случае органы управления приборов и индикаторы измерителей находятся на экране

персонального компьютера студента, подключенного к сети Internet. Для выполнения лабораторных работ с удаленным доступом нужно иметь

экспериментальный стенд, оснащенный современным оборудованием и управляемый компьютером через Internet. Этот стенд может находиться в

учебной лаборатории университета, в научно-исследовательском институте или на предприятии, что позволяет изучать современные устройства,

системы и сети, доступ к которым ограничен даже при глазной форме учебы. Дополнительным достоинством этой технологии является возможность

работы нескольких студентов на одном лабораторном стенде одновременно.

2 Описания лаборатории.

Лаборатория с удаленным доступом предназначена для проведения

Лабораторного практикума по курсу "Электроника". В состав практикума входят три работы:

Лабораторная работа №1— исследование полупроводниковых диодов.

Прямое включение.

Обратное включение.

Стабилитрон.

Выпрямитель.

Лабораторная работа №2 — исследование биполярного транзистора.

Схема из общимемиттером — входные характеристики.

Схема с общим эмиттером — исходные характеристики.

Схема из общимемиттером — передаточные характеристики.

Схема с общей базой — входные характеристики.

Схема с общей базой— исходные характеристики.

Схема с общей базой — передаточные характеристики.

Исследование усилителя набиполярном транзисторе.

Лабораторная работа №3 — исследование полевого транзистора.

Исходные характеристики.

Передаточные характеристики.

Исследование усилителя на полевом транзисторе.

Структурная схема установки для проведения лабораторных работ изображена на рисунке 1.

Рисунок 1. — Структурная схема лабораторной установки.

Установка состоит из сервера, подключенного к сети Internet. Сервер соединен с модулем Usb-6008, который является недорогой системой

сбору данных, производимую компанией National Instruments. В состав модуля входит восьмиканальный двенадцатиразрядний аналого-цифровой

преобразователь (АЦП), два цифроаналоговых преобразователя (КОЗЕЛ), двенадцать линий цифрового введения-вывода. Модуль подключается к серверу

через интерфейс

USB. Сборник электрической схемы исследования для каждой лабораторной работы осуществляется с помощью многоканального коммутатора

(аналогового мультиплексора), который управляется цифровыми линиями введения-вывода. При выборе студентом определенной работы, происходит

коммутация соответствующих входов АЦП и КОЗЕЛ к элементам исследуемой схемы. КОЗЕЛ используется в качестве программный регулируемых

источников питания. АЦП измеряет напряжение и токи в нужных узлах схемы. Рассмотрим взаимодействия элементов лаборатории на примере

измерение характеристик полупроводникового диода. Студент должен запустить на своем компьютере специальную клиентскую программу. В

результате на экране появится меню (Рисунок 2).

Рисунок 2. — Главное меню клиентской программы.

В этом меню студент вводит имя сервера Leso. Sibsutis. Ru, к которому подключенная удалена лаборатория,

фамилия и имя, номер учебной группы.

Дальше выбирается лабораторная работа №1. В результате появится окно с схемой исследования диода (Рисунок 3).

Рисунок 3. — Окно исследования вольтамперних характеристик диодов.

С помощью тумблера к схеме измерения подключается один из диодов

(Кремниевый или германиевый). В этом случае на удаленном стенде состоится подключение соответствующего реального диода. Дальше с помощью

мыши возвращая ручку регулятора напряжения, студент наблюдает по показаниям вольтметра и милиамперметра. При этом в реальном масштабе

времени (в режиме online) строится график вольтамперной характеристики диода. Для сравнения характеристик разных диодов их графики можно

Построить на одном экране. Результаты эксперимента студент копирует в свой отчет о выполненной работе.

На рисунке 4 изображено окно лабораторной работы по исследованию биполярного транзистора. В этой схеме используется два регулируемых

источники напряжения. Источник Eб служит для задания фиксированного тока базы. При изменении источника Eк происходит

построение одной характеристики. Для измерения семейства характеристик следует последовательно задать несколько фиксированных значений

токов базы.

Одним из важных достоинств предложенной технологии есть возможность исследования влияния температур окружающей среды на

исходные характеристики транзистора.

В данной лабораторной установке предусмотрена возможность исследования схем на переменном токе в реальном времени. Частота переменных

сигналов ограничивается в основном пропускной способностью компьютерной сети. Примеры исследования схем на переменном токе изображены на

рисунках 5 и 6. На рисунке 5 изображено окно исследования усилителя на полевом транзисторе. Схема позволяет визуально исследовать влияние

напряжение сдвига затвора на нелинейные искажения сигнала на выходе усилителя. На рисунке 6 изображено окно исследования

однополупериодного диодного выпрямителя во временной области.>

Рисунок 5. — Окно исследования усилителя на полевом транзисторе.

Рисунок 6. — Окно исследования однополупериодного диодного выпрямителя.

3 Программное обеспечение лаборатории.

Программное обеспечение комплекса состоит из двух частей — серверной и клиентской. За основу сетевого взаимодействия был выбран протокол

гарантированной доставки Tcp/ip. Серверная часть есть Win32 дополнение, разработанное в среде Delphi 7. Программа принимает

клиентов по протоколу TCP, управляет работой мультиплексора, который коммутирует исследуемую схему, а также управляет АЦП и КОЗЕЛ DAQ устройства

Ni-6008.

Работа с устройством ведется с помощью программной прослойки, которая поставляется вместе с комплектом драйверов Ni-daqmx от National

Instruments.

Рисунок 5.— Интерфейса серверной части ПО.

Согласно разработанному протоколу передачи клиент-сервер, клиент сначала посылает

Какую-либо команду, потом ожидает, в это время сервер обрабатывает команду и посылает ответ (включая, если того требовал запрос, измеренные

даны). Приняты данные визуализируются на экране пользователя. При разработке протокола особенное внимание было уделено минимизации траффика

через интернет, поскольку многие студенты до сих пор работают по медленным модемным линиям. Для уменьшения задержек между приемом команды

и отправлением измеренных данных алгоритм Дерзкая протоколу Tcp/ip был отключен на стороне сервера.

Одному из заданий, поставленных перед лабораторией, была реализация возможности параллельной работы нескольких студентов над разными

пунктами лабораторных работ. Решение заключается в распределении запросов от клиентов по времени, например, за счет использования

неблокирующего сокета, в этом случае очередь запросов создается средствами операционной системы. Благодаря этому обеспечивается общее

количество одновременно студентов, которые уютно работают за стендом, не менее десяти человек.

Для удобства контроля качества выполнения лабораторной работы студентом, сервер

Хранит в специальную базу данных информацию о том кто, когда и какие пункты лабораторных работ выполнил, и сколько у его пошло на это

Времени. Преподавателю эта информация доступна через web-интерфейс.

Клиентская часть выполнена в среде Labview 7.1. Labview был выбран из-за большой базы визуализированных приборов, которые делают процесс работы

студента интуитивно понятным, также в Labview есть встроенная поддержка протокола Tcp/ip. Рассмотрим часть начального кода клиентской

программы, предназначенного для выполнения лабораторной работы по прямому включению диодов (внешний вид см. На рис. 3):

Рисунок 5. — Часть клиентской программы.

На рисунке изображен цикл, выполнение которого будет прекращено или в случае если пользователь нажмет кнопку "Прекратить эксперимент", или

в случае возникновения ошибки

Передачи данных по сети Internet. Передача команд от клиента к серверу осуществляется через три подпрограммы:

CMD COM —обеспечивает выбор типа диода — кремниевый или германиевый;

CMD PAR — ведет передачу расширенных параметров, ветом пункте используется для передачи состоянию кнопки "Сброса" лицевой

панели;

CMD E2 — передает на сервертребуемое напряжение источники питания E2.

Внутри каждой из подпрограмм выполняется модуль TCP Write. Подпрограммы ведут

Передачу только в случае изменения начальных данных эксперимента (то есть в случае активности пользователя), который минимизирует траффик через

Internet.

Сервер после приема команды CMD E2 переключает должным образом мультиплексор, который коммутирует измеряемые цепи, выставляет на КОЗЕЛ

необходима напряжение, проводит измерения аналоговых величин и пересылает их клиенту в формате double.

Дальше клиент принимает эти данные с помощью модуля TCP Read, превратит их, и отображает на индикаторах

Ud (напряжение на диоде) и Id (прямой ток диода). В случае успешного приема данных на графике отрисовивается

новая точка, с помощью модулей XY DRAW. Асинхронный прием данных от сервера (опция Buffered в модуле TCP Read) позволяет

исключить влияние задержек передачи данных по сетям Internet на интерактивность пользователя с лицевой панелью.

Результаты тестов показали, что даже при самом интенсивном использовании канала Internet клиентской программой (например, при выполнении

пунтка "Выпрямитель"), его загруженность не превышает 3 кб/сек, а задержки между отправлением начальных данных и получением результатов

измерений практически полностью определяются задержками самого канала. Это позволяет уютно выполнять лабораторные работы через

низкоскоростные модемные соединения, и даже получить приемлемое качество работы при использовании мобильной интернет-технологии GPRS.

4 Практических достижения в улучшении учебы студентов.

Традиционные лабораторные стенды являются набором регулируемых источников напряжения, амперметров и вольтметров. Построение

графиков вольтамперних характеристик приборов проводится студентами вручную по измеренным значениям токов и напряжения. В описываемой

удаленно