Лабораторія з Видаленим Доступом в курсі "Електроніка"

1 Введення.

В даний час для проведення лабораторних практикумів дуже часто реальні експерименти замінюються комп'ютерним моделюванням з

використанням спеціальних програм, наприклад Electronics Workbench. Проте, для підготовки кваліфікованих інженерів потрібне уміння

досліджувати реальні фізичні процеси на реальному устаткуванні. Комп'ютерне моделювання може доповнити натурний експеримент, але

не замінити його. У дистанційному навчанні існують додаткові труднощі в

організації лабораторних робіт на реальному устаткуванні. Побудова лабораторних практикумів в цьому випадку принципово відрізняється від

традиційних — студент повинен мати лабораторію в домашніх умовах. Одним з нових напрямів є створення віртуальних

Автоматизованих лабораторій з видаленим доступом. В цьому випадку органи управління приладів і індикатори вимірників знаходяться на екрані

персонального комп'ютера студента, підключеного до мережі Internet. Для виконання лабораторних робіт з видаленим доступом потрібно мати

експериментальний стенд, оснащений сучасним устаткуванням і керований комп'ютером через Internet. Цей стенд може знаходитися в

учбової лабораторії університету, в науково-дослідному інституті або на підприємстві, що дозволяє вивчати сучасні пристрої,

системи і мережі, доступ до яких обмежений навіть при очній формі навчання. Додатковою гідністю цієї технології є можливість

роботи декількох студентів на одному лабораторному стенді одночасно.

2 Описи лабораторії.

Лабораторія з видаленим доступом призначена для проведення

Лабораторного практикуму по курсу "Електроніка". До складу практикуму входять три роботи:

Лабораторна робота №1— дослідження напівпровідникових діодів.

Пряме включення.

Зворотне включення.

Стабілітрон.

Випрямляч.

Лабораторна робота №2 — дослідження біполярного транзистора.

Схема з общимеміттером — вхідні характеристики.

Схема із загальним емітером — вихідні характеристики.

Схема з общимеміттером — передавальні характеристики.

Схема із загальною базою — вхідні характеристики.

Схема із загальною базой— вихідні характеристики.

Схема із загальною базою — передавальні характеристики.

Дослідження підсилювача набіполярном транзисторі.

Лабораторна робота №3 — дослідження польового транзистора.

Вихідні характеристики.

Передавальні характеристики.

Дослідження підсилювача на польовому транзисторі.

Структурна схема установки для проведення лабораторних робіт зображена на малюнку 1.

Малюнок 1. — Структурна схема лабораторної установки.

Установка складається з сервера, підключеного до мережі Internet. Сервер сполучений з модулем Usb-6008, який є недорогою системою

збору даних, вироблювану компанією National Instruments. До складу модуля входить восьмиканальний двенадцатіразрядний аналого-цифровий

перетворювач (АЦП), два цифроаналогові перетворювачі (ЦАП), дванадцять ліній цифрового введення-виводу. Модуль підключається до сервера

через інтерфейс

USB. Збірка електричної схеми дослідження для кожної лабораторної роботи здійснюється за допомогою багатоканального комутатора

(аналогового мультиплексора), який управляється цифровими лініями введення-виводу. При виборі студентом певної роботи, відбувається

комутація відповідних входів АЦП і ЦАП до елементів досліджуваної схеми. ЦАП використовується як програмний регульованих

джерел живлення. АЦП вимірює напругу і струми в потрібних вузлах схеми. Розглянемо взаємодії елементів лабораторії на прикладі

вимірювання характеристик напівпровідникового діода. Студент повинен запустити на своєму комп'ютері спеціальну клієнтську програму. У

результаті на екрані з'явиться меню (Малюнок 2).

Малюнок 2. — Головне меню клієнтської програми.

В цьому меню студент вводить ім'я сервера Leso. Sibsutis. Ru, до якого підключена видалена лабораторія,

прізвище і ім'я, номер учбової групи.

Далі вибирається лабораторна робота №1. В результаті з'явиться вікно з схемою дослідження діода (Малюнок 3).

Малюнок 3. — Вікно дослідження вольтамперних характеристик діодів.

За допомогою тумблера до схеми вимірювання підключається один з діодів

(Кремнієвий або германієвий). В цьому випадку на видаленому стенді відбудеться підключення відповідного реального діода. Далі за допомогою

миші повертаючи ручку регулятора напруги, студент спостерігає за свідченнями вольтметра і міліамперметра. При цьому в реальному масштабі

часу (у режимі online) будується графік вольтамперной характеристики діода. Для порівняння характеристик різних діодів їх графіки можна

Побудувати на одному екрані. Результати експерименту студент копіює в свій звіт про виконану роботу.

На малюнку 4 зображено вікно лабораторної роботи по дослідженню біполярного транзистора. У цій схемі використовується два регульованих

джерела напруги. Джерело Eб служить для завдання фіксованого струму бази. При зміні джерела Eк відбувається

побудова однієї характеристики. Для вимірювання сімейства характеристик слід послідовно задати декілька фіксованих значень

струмів бази.

Одним з важливих достоїнств запропонованої технології є можливість дослідження впливу температур навколишнього середовища на

вихідні характеристики транзистора.

В даній лабораторній установці передбачена можливість дослідження схем на змінному струмі в реальному часі. Частота змінних

сигналів обмежується в основному пропускною спроможністю комп'ютерної мережі. Приклади дослідження схем на змінному струмі зображені на

малюнках 5 і 6. На малюнку 5 зображено вікно дослідження підсилювача на польовому транзисторі. Схема дозволяє візуально досліджувати вплив

напруга зсуву затвора на нелінійні спотворення сигналу на виході підсилювача. На малюнку 6 зображено вікно дослідження

однонапівперіодного діодного випрямляча в тимчасовій області.>

Малюнок 5. — Вікно дослідження підсилювача на польовому транзисторі.

Малюнок 6. — Вікно дослідження однонапівперіодного діодного випрямляча.

3 Програмне забезпечення лабораторії.

Програмне забезпечення комплексу складається з двох частин — серверною і клієнтською. За основу мережевої взаємодії був вибраний протокол

гарантованої доставки Tcp/ip. Серверна частина є Win32 додаток, розроблений в середовищі Delphi 7. Програма приймає

клієнтів по протоколу TCP, управляє роботою мультиплексора, що комутує досліджувану схему, а також управляє АЦП і ЦАП DAQ пристрої

Ni-6008.

Робота з пристроєм ведеться за допомогою програмного прошарку, що поставляється разом з комплектом драйверів Ni-daqmx від National

Instruments.

Малюнок 5.— Інтерфейсу серверної частини ПО.

Згідно розробленому протоколу передачі клієнт-сервер, клієнт спочатку посилає

Яку-небудь команду, потім чекає, в цей час сервер обробляє команду і посилає відповідь (включаючи, якщо того вимагав запит, зміряні

дані). Прийняті дані візуалізуються на екрані користувача. При розробці протоколу особлива увага була приділена мінімізації трафіку

через інтернет, оскільки багато студентів до цих пір працюють по повільних модемних лініях. Для зменшення затримок між прийомом команди

і відправкою зміряних даних алгоритм Зухвала протоколу Tcp/ip був відключений на стороні сервера.

Одному із завдань, поставлених перед лабораторією, була реалізація можливості паралельної роботи декількох студентів над різними

пунктами лабораторних робіт. Рішення полягає в розподілі запитів від клієнтів за часом, наприклад, за рахунок використання

неблокуючого сокета, в цьому випадку черга запитів створюється засобами операційної системи. Завдяки цьому забезпечується загальне

кількість одночасна студентів, що комфортно працюють за стендом, не менше десяти чоловік.

Для зручності контролю якості виконання лабораторної роботи студентом, сервер

Зберігає в спеціальну базу даних інформацію про те хто, коли і які пункти лабораторних робіт виконав, і скільки у нього пішло на це

Часу. Викладачеві ця інформація доступна через web-интерфейс.

Клієнтська частина виконана в середовищі Labview 7.1. Labview був вибраний із-за великої бази візуалізованих приладів, що роблять процес роботи

студента інтуїтивно зрозумілим, також в Labview є вбудована підтримка протоколу Tcp/ip. Розглянемо частину початкової коди клієнтської

програми, призначеного для виконання лабораторної роботи по прямому включенню діодів (зовнішній вигляд див. На мал. 3):

Малюнок 5. — Частина клієнтської програми.

На малюнку зображений цикл, виконання якого буде припинено або у випадку якщо користувач натисне кнопку "Припинити експеримент", або

у разі виникнення помилки

Передачі даних по мережі Internet. Передача команд від клієнта до сервера здійснюється через три підпрограми:

CMD COM —обеспечиваєт вибір типу діода — кремнієвий або германієвий;

CMD PAR — веде передачу розширених параметрів, ветом пункті використовується для передачі стану кнопки "Скидання" лицьовий

панелі;

CMD E2 — передає на сервертребуємоє напругу джерела живлення E2.

Усередині кожної з підпрограм виконується модуль TCP Write. Підпрограми ведуть

Передачу тільки у разі зміни початкових даних експерименту (тобто у разі активності користувача), що мінімізує трафік через

Internet.

Сервер після прийому команди CMD E2 перемикає належним чином мультиплексор, що комутує вимірювані ланцюги, виставляє на ЦАП

необхідна напруга, проводить вимірювання аналогових величин і пересилає їх клієнтові у форматі double.

Далі клієнт приймає ці дані за допомогою модуля TCP Read, перетворить їх, і відображає на індикаторах

Ud (напруга на діоді) і Id (прямий струм діода). У разі успішного прийому даних на графіці отрісовиваєтся

нова крапка, за допомогою модулів XY DRAW. Асинхронний прийом даних від сервера (опція Buffered в модулі TCP Read) дозволяє

виключити вплив затримок передачі даних по мережах Internet на інтерактивність користувача з лицьовою панеллю.

Результати тестів показали, що навіть при найінтенсивнішому використанні каналу Internet клієнтською програмою (наприклад, при виконанні

пунтка "Випрямляч"), його завантаженість не перевищує 3 кб/сек, а затримки між відправкою початкових даних і отриманням результатів

вимірювань практично повністю визначаються затримками самого каналу. Це дозволяє комфортно виконувати лабораторні роботи через

низькошвидкісні модемні з'єднання, і навіть отримати прийнятну якість роботи при використанні мобільної інтернет-технології GPRS.

4 Практичні досягнення в поліпшенні навчання студентів.

Традиційні лабораторні стенди є набором регульованих джерел напруги, амперметрів і вольтметрів. Побудова

графіків вольтамперних характеристик приладів проводиться студентами уручну по зміряних значеннях струмів і напруги. У описуваній

видаленої лабораторії побудова графіків характеристик відбувається в автоматичному режимі на екрані комп'ютера. Це дозволяє проводити

теплові дослідження напівпровідникових приладів в реальному масштабі часу. Для студентів дистанційної форми навчанн

Інші статті