ПРИМЕНЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ УДАЛЕННОГО ДОСТУПА К НАУЧНОМУ ОБОРУДОВАНИЮ ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ ДИСТАНЦИОННОГО
advertisement
ПРИМЕНЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ УДАЛЕННОГО ДОСТУПА К НАУЧНОМУ ОБОРУДОВАНИЮ ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ ДИСТАНЦИОННОГО ОБУЧЕНИЯ СТУДЕНТОВ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫХ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ А.Н. Савин, А.М. Куприянов Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского В настоящее время возникают проблемы при подготовке студентов естественнонаучных специальностей, связанные с отсутствием в ВУЗах требуемого количества измерительной техники для проведения индивидуальных практических занятий. Одним из путей решения этой проблемы является создание автоматизированных лабораторных практикумов с удаленным доступом (АЛП УД), обеспечивающих эффективное обучение работе с измерительной техникой без ее тиражирования, а с другой стороны безопасность обучающихся при работе с токами высокой частоты и иными опасными явлениями. Для использования оборудования в составе АЛП УД, оно должно иметь возможность вывода информации на ПЭВМ и удаленного управления. Современное автоматизированное измерительное оборудование, удовлетворяющее вышеперечисленным требованиям, как правило, не используется в учебном процессе из-за его высокой стоимости. С другой стороны ВУЗы обладают большим парком измерительной техники неавтоматизированной или частично автоматизированной, и соответственно не удовлетворяющей вышеуказанным требованиям. Таким образом, актуальной является задача разработки на основе современных информационных технологий методов включения такого оборудования в состав информационных обучающих систем. На современном этапе развития информационных технологий являются доступными профессиональные программные комплексы, объединяющие в себе возможности по сбору данных из различных источников, их анализу и обработке, а также имеющие встроенные средства для организации удаленных измерений. Одним из таких программных комплексов является продукт фирмы National Instruments LabView [1]. Соответственно, LabView может являться программной платформой для построения АЛП УД. Данная работа посвящена решению задач интегрирования различных по степени автоматизации приборов в АЛП УД. В исследовательских лабораториях ВУЗов широко представлен класс аналоговых приборов, не имеющих встроенного микропроцессорного управления и соответственно неприспособленных для обмена информации с ПЭВМ. Включение в состав АЛП УД приборов такого класса осуществляется обычно путем применения стандартных аппаратных средств цифро-аналогового ввода-вывода информации в ЭВМ. Например, на рис. 1 приведена схема установки, предназначенной для изучения характеристик кодированных сигналов. Программное обеспечение (ПО) установки позволяет формировать кодированные разными способами логические сигналы с добавлением в них помех различного вида на выходе ЦАПа и модулировать ими СВЧ генератор. Далее с помощью спектроанализатора и ЭВМ Амплитудно-временная реализация Спектроанализатор Спектр АЦП Модулирующий сигнал ЦАП Digital I/O Частотномодулированный СВЧ сигнал ) Генератор СВЧ ( ЧМ Стробоскопический осциллограф СВЧ Шина управления частотомером Частотомер Демодулированный сигнал 1800МГц Рис. 1. Схема установки для изучения характеристик кодированных СВЧ сигналов. стробоскопического осциллографа снимаются спектральные и амплитудно-временные характеристики модулированного СВЧ сигнала и вводятся с помощью АЦП в ЭВМ. Демодулированный преобразователем цифрового частотомера сигнал также вводится посредством АЦП в ЭВМ и сравнивается с исходными. При этом оценивается эффективность помехоустойчивого кодирования по ширине спектра, времени передачи и количеству ошибок [2]. Для ввода-вывода информации в ЭВМ использована плата NI-DAQ 6036E фирмы National Instruments. Программное обеспечение разработано в среде графического программирования LabView. Возможность работы на установке в удалённом режиме обеспечивается встроенными в LabView средствами для публикации виртуальных приборов в сети Интернет. Эта установка работает в составе АЛП УД по изучению спектральных и амплитудновременных характеристик СВЧ сигналов в системах передачи цифровой информации. Другой класс приборов, используемых для обучения, это приборы со встроенным управляющим микропроцессором, но не имеющие возможности обмена информацией с ЭВМ. Для обеспечения работы в удалённом режиме таких приборов необходима разработка и изготовление специализированных устройств сопряжения с ПЭВМ и соответствующего программного обеспечения. Например, в измерителях комплексных коэффициентов передачи Р4-36, Р4-37, Р4-38, применяемых для измерения S-параметров устройств СВЧ, предусмотрен вывод цифровой информации об измеряемом объекте, но отсутствует возможность внешнего управления. Для решения этой проблемы было разработано устройство, позволяющее осуществлять управление измерителем путём эмуляции нажатий встроенной в него клавиатуры через ПЭВМ и синхронизировать приём результатов измерений. В среде LabView реализованы управление измерителями, сбор, накопление принимаемых данных об измеряемом устройстве и их дальнейшая обработка. Предусмотрена также возможность проведения удалённых измерений. Модернизированные таким образом измерители работают в составе автоматизированного комплекса по исследованию электродинамических характеристик устройств СВЧ [3]. Выпускается также современное оборудование, автоматизированное, но изначально неприспособленное для работы в составе АЛП УД. Такие приборы состоят из измерительного блока и сопряженной с ним управляющей ЭВМ. Прибор обычно поставляется с ПО, обеспечивающим управление прибором; контроль состояния измерений и прибора и представление результатов измерений в удобной для дальнейшей обработки форме. Данная схема работы измерительных приборов позволяет использовать вычислительные мощности компьютера для обработки результатов и получать разнообразные отчеты, но не предполагает проведение удаленных измерений. Примером такого устройства является сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) Р4 производства фирмы NT-MDT [4], используемый для проведения исследовательских работ в области СЗМ 1 нанотехнологий. Измерительный комплекс, состоит 2 из собственно микроскопа и управляющей ПЭВМ типа IBM PC. Он поставляется с ПО, работающим под управлением операционной системы (ОС) MSRS-232 DOS или Windows9x и не позволяющим осуществлять работу СЗМ в режиме удалённого 3 4 Internet доступа. Использование данных ОС обусловлено тем, что сетевые ОС общего назначения Рис. 2. Схема работы СЗМ в режиме (Windows XP, Linux) не обеспечивают режима удалённого доступа. 1 – управляющая реального времени. Задачу включения описанного выше класса ЭВМ СЗМ, 2 – измерительный блок приборов в состав АЛП УД возможно решить путем СЗМ, 3 – дополнительная ЭВМ, 4 – использования дополнительной ПЭВМ с функциями ЭВМ удалённого пользователя. мониторинга и управления измерительным процессом, работающей под управлением сетевой ОС общего назначения, связанной с управляющей ЭВМ стандартным интерфейсом, например RS-232 или Ethernet (рис. 2). Управление измерительным процессом при этом возможно осуществлять путем эмуляции нажатий клавиш клавиатуры, а мониторинг процесса измерений производить путем анализа содержимого видеопамяти управляющей ЭВМ. Для реализации таких возможностей ПО управляющей ЭВМ необходимо дополнить резидентным драйвером, не нарушающим работу стандартного ПО измерительного прибора [5]. При указанной конфигурации измерения осуществляются, как и раньше управляющей ЭВМ с использованием штатного ПО. Схема взаимодействия управляющей ЭВМ (1) СЗМ с дополнительной ЭВМ (3) с использованием стандартного ПО СЗМ и разработанного драйвера удаленного доступа представлена на рис. 3. Драйвер осуществляет приём сигналов от дополнительной ЭВМ, запись их в буфер клавиатуры и регистры Программное Драйвер удаленного позиционирования Совместно используемые обеспечение СЗМ доступа ресурсы ПЭВМ курсора, обеспечивая тем самым управление СЗМ. Буфер клавиатуры Контроль над процессом RS-232 Буфер позиционирования измерений реализован курсора путём передачи через драйвер информации, Управляющие регистры видеоадаптера находящейся в памяти Сканирующий Дополнительная зондовый видеоконтроллера ПЭВМ Память видеоконтроллера микроскоп управляющей ЭВМ на дополнительную ЭВМ, где Рис. 3. Схема взаимодействия управляющей ЭВМ СЗМ с эта информация дополнительной ЭВМ. преобразуется в изображение, отображающее текущее состояние процесса измерений. Полученные с СЗМ изображения далее обрабатываются с помощью средств пакета Vision, входящего в состав LabView. Применение LabView на дополнительной ЭВМ обеспечивает удаленный доступ к СЗМ и позволяет использовать СЗМ в качестве ресурса для создания АЛП УД. Таким образом, рассмотренные в работе технологии позволяют интегрировать в состав АЛП УД различные приборы, а использование LabView в качестве единой программной платформы позволяет не только автоматизировать процесс измерений, но и создавать распределенные измерительные системы с удаленным доступом на их основе. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Сайт компании «National Instruments». - http://www.labview.ru (1.06.2005). 2. Савин А.Н., Гамова А.Н., Летов А.Д., Попов А.А. Разработка программных средств для оценки характеристик кодированных сигналов и методов кодирования в среде графического программирования LabView// Проблемы системного подхода при изучении естественнонаучных дисциплин слушателям гуманитарных специальностей. Материалы межвуз. науч.-практ. семинара. – Саратов: СЮИ МВД России, 2004, с. 88–97. 3. Савин А.Н., Синельников Е.А. Автоматизированный комплекс для исследования электродинамических характеристик СВЧ-устройств методом резонансных возмущений// Актуальные проблемы электронного приборостроения. АПЭП-2002: Материалы междун. науч.-техн. конф. Саратов, 2002, с. 188-192. 4. Сайт компании «NT-MDT». - http://www.ntmdt.ru (1.06.2005). 5. Куприянов А.М., Савин А.Н. Методика организации удаленного доступа к измерительным приборам для их интеграции в состав сетевых измерительновычислительных комплексов// Теоретические проблемы информатики и ее приложений. Межвузовский сборник – Саратов: Изд-во Саратовского ун-та 2004. - Вып.6.
