Реферат: Н. Э. Баумана А. М. Зимин автоматизированный лабораторный практикум

Федеральное агентство по образованию

Московский государственный технический университет

Имени Н.Э. Баумана


А.М. Зимин


АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ С УДАЛЕННЫМ ДОСТУПОМ В ПРАКТИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКЕ СТУДЕНТОВ


Пособие

для системы повышения квалификации

руководителей, преподавателей

и специалистов образовательных учреждений


Москва, 2006


Оглавление


Введение

1. Технические и программные средства для дистанционного управления реальным оборудованием через сеть

1.1. Технические средства управления оборудованием практикума

1.2. Программные средства управления оборудованием стенда

1.3. Связь удаленного пользователя с автоматизированным стендом

2. Методика использования лабораторий удаленного доступа в учебном процессе при различных технологиях обучения

3. Действующие АЛП УД

Список литературы


ВВЕДЕНИЕ


Одной из важнейших составляющих подготовки студентов в университетах естественнонаучного и технического профиля, способствующих выработке у обучаемых практических навыков, является лабораторный практикум, проводимый в соответствии с учебным планом как по общим, так и по специальным дисциплинам.

В настоящее время в связи с интенсивной разработкой методик использования в учебном процессе технологий дистанционного обучения (см., например, [1]) все большее значение приобретает автоматизированный лабораторный практикум с удаленным доступом (АЛП УД) [2-4], который проводится на реальном физическом оборудовании для условий эксперимента, индивидуально задаваемых самими обучающимися. Другие его названия, часто используемые в литературе – лаборатория удаленного доступа, система автоматизированного лабораторного практикума, Интернет-лаборатория. Структура АЛП УД и основные требования к его подсистемам строго регламентируются введенным в рамках Минобразования России отраслевым стандартом ОСТ 9.2-98 [5]. Важно отметить, использование АЛП УД предполагается не только в рамках дистанционного и открытого образования [3,6], но и при использовании традиционных очных технологий проведения учебного процесса. Для ряда созданных и постоянно функционирующих в нашей стране автоматизированных практикумов это уже и имеет место в течение нескольких лет.

Указанное обстоятельство связано также и с тем, что выделяемые в 80-х-90х годах 20-го столетия для развития материально-технической базы вузов средства оказались явно недостаточными не только для оснащения лабораторий современными приборами и оборудованием, но и для поддержания в рабочем состоянии тех стендов, которые уже имелись для обеспечения учебного процесса в высших учебных заведениях. Поэтому задача создания и последующего коллективного использования АЛП УД с целью существенного повышения уровня практической подготовки студентов является весьма актуальной для большинства вузов Российской Федерации. В связи с постоянно расширяющимся использованием глобальной сети Интернет практически для любых учебных заведений открываются возможности доступа не только к лабораторным установкам и новейшим методикам ведущих университетов РФ, но и к уникальным стендам академических и отраслевых научных организаций, что позволяет включить их в активное проведение учебного процесса.

Учитывая необходимость существенного повышения уровня практической подготовки специалистов, в рамках ряда научно-технических программ Министерства образования и науки Российской Федерации, в частности, в отраслевой программе «Научное, научно-методическое, материально-техническое и информационное обеспечение системы образования» и федеральной целевой программе «Развитие единой образовательной информационной среды (2001-2005 годы)» предусмотрено выполнение научных проектов, имеющих целью создание автоматизированных установок и стендов, используемых в лабораторных практикумах и учебно-исследовательской работе студентов, а также всероссийского специализированного сервера, содержащего сведения о разработанных учебно-лабораторных ресурсах.

Задача создания и последующего коллективного использования АЛП УД является весьма актуальной также при разработке концепции исследовательского университета и формировании его информационного пространства. Целевое использование ресурсов глобальной сети Интернет существенно расширяет кругозор и исследовательские навыки специалистов в процессе обучения. При подготовке специалистов для ключевых наукоемких отраслей последнее обстоятельство является особенно важным, т.к. крупные уникальные установки требуют весьма больших капиталовложений и создаются только в единичных экземплярах.

В соответствии с разработанной концепцией использование АЛП УД начинается с младших курсов, где наряду с традиционными формами лабораторных практикумов используется сетевой доступ к учебным стендам других университетов. Такие общие банки лабораторных практикумов существенно расширяют перечень доступных студентам экспериментальных стендов и допускают значительно большие возможности выбора при индивидуализации обучения. На старших курсах в практическую подготовку включаются лабораторные практикумы и учебно-исследовательская работа на уникальных стендах ведущих научных организаций по соответствующему профилю знаний. В целом ряде направлений науки и техники (физика частиц высоких энергий, ядерная техника, физика плазмы и др.) с учетом особых условий работы на уникальных стендах и наличием ряда опасных для человека факторов (высокие напряжения, СВЧ- и рентгеновское излучение, нейтронные потоки и т.п.) пультовая, оснащенная сложными дистанционными системами управления и диагностики, вынесена на достаточно большое расстояние от установки и отгорожена от нее различными защитными сооружениями. Методы измерения большинства параметров в таких системах являются бесконтактными.

В этих условиях сбор информации о протекающих процессах и управление таким сложным устройством производятся практически всегда дистанционно. Поэтому в подготовке специалистов для различных отраслей, и прежде всего, для энергетики, в учебно-исследовательском процессе должно большое внимание уделяться методам дистанционного управления экспериментом. Они, безусловно, должны применяться в сочетании с лабораторными и учебно-исследовательскими работами, проводимыми традиционным способом, но желательно, чтобы освоение новых информационных технологий в этом направлении не было какой-то кампанией, а шло целенаправленно, начиная с общих и общетехнических (или общефизических) дисциплин. Именно на это и направлено применение автоматизированного лабораторного практикума с удаленным доступом.

Настоящая пособие посвящено анализу концепции, построению и оптимизации связей компонентов практикума, возможным техническим и программным средствам дистанционного сетевого управления реальным учебно-научным оборудованием и их применению в АЛП УД, а также методике использования автоматизированных лабораторных практикумов с удаленным доступом в университетах естественнонаучного и технического профиля.


^ 1. ТЕХНИЧЕСКИЕ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ РЕАЛЬНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ ЧЕРЕЗ СЕТЬ


В соответствии с [5] под системой автоматизированного лабораторного практикума понимается комплекс технических, программных и методических средств, обеспечивающих автоматизированное проведение лабораторных и экспериментальных исследований непосредственно на физических объектах и (или) математических моделях. В настоящей главе рассматриваются только практикумы, выполняемые на физических стендах, где ведутся реальные эксперименты.

^ Удаленный компьютерный доступ – такой режим функционирования системы АЛП, при котором работа с физическим объектом осуществляется с компьютера, удаленного на сколь угодно большое расстояние от места размещения самого объекта.

Таким образом, создание АЛП УД требует, во-первых, применения специальных технических средств как для автоматизации экспериментального стенда, так и для связи управляющего компьютера с удаленным пользователем; во-вторых, разработки прикладного программного обеспечения или использования в отдельных случаях специализированных пакетов программ; и в-третьих, методической поддержки лабораторного практикума.

^ 1.1. Технические средства управления оборудованием практикума. Как отмечалось выше, для создания АЛП УД необходим автоматизированный экспериментальный стенд. Для того чтобы осуществить локальную автоматизацию, требуется применение специальных технических средств - управляющего компьютера, связанного со стендом посредством устройства сопряжения с объектом [2,7], различных датчиков и исполнительных механизмов, модулей преобразования и согласования сигналов и т.п. Функциональная схема организации связей экспериментальной установки с ЭВМ представлена на рис. 1.

Состояние подсистем стенда обычно характеризуется аналоговыми сигналами с датчиков, расположенных в непосредственной близости от установки. Эти сигналы поступают на аппаратуру предварительной обработки сигналов (АПОС), которая обеспечивает предварительное усиление, фильтрацию и, если это необходимо, гальваническое отделение каналов дальнейшей обработки от входных цепей. Гальванические развязки позволяют разорвать замкнутые электрические контуры, образованные экранирующих сигнальных кабелей, по которым для стендов с мощными переменными электромагнитными полями (см., например, [8]) могут блуждать паразитные токи, вызывающие существенные искажения измеряемых сигналов.



Рис. 1. Функциональная схема организации связей

экспериментальной установки с ЭВМ


Следующим элементом линии передачи сигналов являются нормализаторы (усилители с переменным коэффициентом передачи), позволяющие согласовывать динамический диапазон аналоговых сигналов с входными характеристиками аналогово-цифровых преобразователей (АЦП), осуществляющих кодирование величины сигнала в цифровой форме. Применяются также и другие типы кодировщиков: фаза – код, время – код, пороговые дискриминаторы, вырабатывающие одноразрядный сигнал "да – нет" (логические входы). Перечисленные элементы образуют каналы измерения автоматизированного стенда.

ЭВМ получает данные от стенда через устройство сопряжения с объектом (УСО) и через него же может вырабатывать управляющие воздействия, например, изменяющиеся напряжения на датчиках, питание шаговых двигателей, запускающие импульсы для различных подсистем стенда и т.п.

Аналогичная цепочка элементов (только в обратном порядке) расположена в цепи управления исполнительными механизмами стенда. Вместо АЦП она может включать в себя цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), преобразующий цифровой сигнал в аналоговый; модули управления шаговыми двигателями, перемещающими некоторые элементы стенда; программируемые таймеры, запускающие различные дополнительные системы установки, и т.п. Рассмотренные элементы образуют каналы управления.

Типы датчиков и исполнительных механизмов стенда могут быть весьма специфичными, что приводит к ряду особенностей локальной автоматизации эксперимента [9], однако набор стандартов на организацию измерительно-управляющих устройств и систем ограничен. Выбираемый в конкретном АЛП УД стандарт, как правило, должен определяться числом каналов измерения и управления, возможностью их расширения, удалением пульта управления от стенда, однако чаще всего связан с уже имеющейся аппаратурой, на базе которой осуществлялась локальная автоматизация. Естественно, что используемый стандарт приводит к специфике программного обеспечения ряда подсистем автоматизированного лабораторного практикума. В первую очередь, это относится к подсистемам измерения и управления (см. раздел 1.2). Перечень возможных УСО, позволяющих связать компьютер с экспериментальным стендом, довольно подробно рассмотрен в [2]. Ниже будут приведены их классификация и некоторые характеристики, а при рассмотрении характерных примеров из числа уже функционирующих практикумов будут представлены и рекомендации по их применению. При построении АЛП УД могут использоваться как платы сопряжения, встраиваемые в измерительные приборы или в компьютер (приборный интерфейс GPIB, измерительно-управляющие платы Plugin-Card), так и отдельные устройства в виде программируемых логических контроллеров, магистрально-модульных систем, комбинированных многоуровневых иерархических систем и т.п.

Различные типы УСО выполняют функции согласования быстродействующих ЭВМ, имеющих относительно небольшое число входных и выходных сигнальных линий, и измерительно-управляющих устройств с большим числом каналов и относительно медленной производительностью. В некоторых случаях УСО являются, по существу, расширением шины ЭВМ. В последнее время в связи с интенсивным развитием микропроцессорной техники и интеллектуализацией отдельных блоков измерительной аппаратуры роль УСО все чаще возлагается на сетевые методы передачи информации.

Одним из важнейших положений, используемым при построении измерительно-управляющих систем, является магистрально-модульный принцип организации. Здесь под магистралью понимают официально зарегистрированный международный или национальный стандарт на логические, механические и электрические параметры, обеспечивающий совместимость модулей, выполненных в данном стандарте. Модульность системы обеспечивает возможность объединения модулей с различными характеристиками для обеспечения необходимого количества и качества входных и выходных каналов.

В полной мере данный принцип организации реализован в так называемых магистрально-модульных системах. Здесь используются средства сопряжения, не зависящие от платформы и представляющие совокупность специальных элементов (модулей) с магистральным принципом организации. Обмен информацией между отдельными элементами происходит по правилам, определяемым конкретной системой и не зависящим от типа ЭВМ. Связь между системой и ЭВМ осуществляется с помощью специального интерфейса или контроллера, структура которого определяется типом ЭВМ.

Достоинствами такого подхода являются:

- создание гибких измерительных комплексов, которые можно легко наращивать и модернизировать;

- создание банков совместимых компонентов системы – модулей, приборных интерфейсов, контроллеров, разрабатываемых в различных организациях и странах;

- независимость структуры комплекса от типа ЭВМ (ее смена приводит к необходимости замены только одного элемента системы – контроллера).

Примерами магистрально-модульных систем (ММС) являются КАМАК, общая шина (ОШ), канал общего пользования (КОП), И-41, Q-bus, MULTYBUS-I, MULTYBUS-II, VME-bus, VMX-bus, IEEE-488, HPIB-bus, FASTBUS, H-2000 и др. Рассмотрим структуру измерительно-вычислительного (или управляющего вычислительного) комплекса на базе магистрально-модульной системы (рис. 2) на примере одной из первых и весьма широко используемой (в том числе - и до сих пор, хотя выпуск функциональных модулей в этом стандарте прекращен несколько лет назад) - КАМАК (в англоязычной версии – САМАС – Computer Applications for Measuring And Control).

Основное достоинство системы КАМАК с магистральным принципом организации – стандартизация на трех основных уровнях: механическом, электрическом и логическом. Механическую основу системы составляет крейт – корзина или каркас, который имеет ряд станций - позиций, снабженных разъемами для установки в них функциональных модулей (ФМ): блоков ЦАП-АЦП, счетчиков импульсов, блоков управления шаговыми двигателями и т.п. Контакты разъемов всех станций соединены системой проводников – линий или шин, образующих многопроводный канал связи – магистраль крейта. Последние станции занимает специальный модуль – контроллер крейта (КК), который управляет работой ФМ через магистраль крейта и организует обмен информацией между модулями и компьютером по командам ЭВМ. Управление ФМ, а также обмен информацией между ними и КК осуществляется с помощью команд КАМАК, которые генерируются КК и передаются через магистраль для исполнения.




Рис. 2. Структура измерительно-вычислительного (или управляющего вычислительного) комплекса на базе магистрально-модульной системы [7]:

ФМ – функциональный модуль, КК – крейт-контроллер, УВВ – устройство ввода-вывода, ОЗУ – оперативное запоминающее устройство,

ЦП – центральный процессор


Модули, представляющие собой по сравнению с КК пассивные элементы системы, состоят из двух частей: функциональной и интерфейсной. Интерфейсная часть обеспечивает выполнение команд КАМАК и непосредственное управление работой функциональной части.

Как видно из рис. 2, в организации магистрально-модульной системы и ПЭВМ имеется достаточно много аналогий. В обоих устройствах используется магистральный принцип организации. В ПЭВМ процессами на магистрали управляет ЦП, в магистрально-модульной системе эти функции выполняет КК. При этом КК выступает для ЭВМ в качестве внешнего устройства ввода-вывода, соединяемого с магистралью компьютера через специальный адаптер, а все операции обмена «ЭВМ-КАМАК» идут только через КК. Модули в крейте, также как и внешние устройства в ПЭВМ, являются пассивными исполнителями команд, передаваемых по магистрали. В магистрали КАМАК, кроме того, имеются линии, играющие роль, аналогичную линиям требования прерывания (IRQ) в ПЭВМ. По этим линиям ФМ выставляют запросы на обслуживание, информирующие систему о том или ином событии, произошедшем на экспериментальном стенде, которые анализируются крейт-контроллером.

Несмотря на то, что стандарт КАМАК был разработан еще в 1972 г., он поддерживает достаточно высокие параметры обмена данными. Так, линии адресов и данных – 24-разрядные, а скорость передачи данных по магистрали составляет около 16 Мбит/с (правда, связь ФМ-КК-адаптер снижает скорость обмена до значения ~ 1 Мбит/с). Однако высокая частота синхронизации выполнения операций на магистрали КАМАК (в соответствии со стандартом она имеет значения 1 и 5 Мгц) позволяет во многих случаях использовать эту систему при не слишком высоких требованиях к быстродействию. Если учесть, что крейты КАМАК имеются во многих организациях РФ, включая ВУЗы, в больших количествах, создание АЛП УД на их технической базе является вполне оправданным, т.к. не требует дополнительных материальных затрат на автоматизацию стенда.

Дальнейшее развитие магистрально-модульных систем происходило на новой элементной базе. Здесь следует отметить системы VME (Versabus Module Europe-bus) и VXI (VME-bus eXtension for Instrumentation). Их принципиальные особенности заключаются в следующем. Во-первых, крейт-контроллер является интеллектуальным – программы управления модулем перенесены в состав крейта, в результате чего быстродействие системы повысилось примерно на порядок. Во-вторых, основу VXI составляет магистраль новой архитектуры (скорость обмена ~ 360 Мбит/с), которая разрешает прямое обращение одного модуля к другому. В-третьих, за счет встроенных микропроцессоров интеллектуальными являются и большинство модулей. Появились режим самодиагностики, реализованы предварительное накопление и обработка данных. Модули VXI имеют оперативную память до 64 Мбайт.

Позднее появились и другие магистрально-модульные системы. Одним из лидеров в этой области (впрочем, как и применительно к другим техническим средствам сопряжения ЭВМ с экспериментальным стендом) является фирма National Instruments (http://www.ni.com/russia). Из современных магистрально-модульных систем, выпускаемых отечественными производителями, для вузов более реально приобретение систем Н-2000, выпускаемых ЗАО «Л-Кард» (http://www.lcard.ru). PC-совместимая станция сбора данных Н-2000 - специализированный измерительно-вычислительный комплекс для организации крупных систем сбора данных реального времени. H-2000 может быть применена для автоматизации научных исследований, заводских испытаний, и встроена в АСУ ТП. Станция обладает возможностью скоростной передачи данных на встроенный компьютер для их обработки, длительного хранения, визуализации, передачи системе верхнего уровня, выдачи команд управления. H-2000 обеспечивает высокие метрологические характеристики. Предусмотрена возможность организации сети из станций H-2000, персональных компьютеров и т.п., что радикальным образом решает проблему расширяемости системы в целом. На рис. 3 приведен внешний вид крейта этой станции, его размеры: высота 176 мм, глубина 438 мм, ширина 449 мм.

Аппаратура станции базируется на высокопроизводительной шине PCI (режим BusMaster), что позволяет проводить обмен данными между интерфейсными платами и встроенным компьютером в реальном времени. Скорость обмена HI-8 – компьютер равна 133 МБайт/с. Запас по пропускной способности шины позволяет гарантированно пропускать поток со средней скоростью 20 Мбайт/с даже в условиях интенсивных обменов кэш-памяти и основной памяти, а также выполнения операций BusMaster другими компонентами системы. В H-2000 обеспечена работа всех компонентов системы с помощью единой тактовой последовательности 40 МГц.




Рис.3. Внешний вид крейта станции сбора данных Н-2000


Основные технические характеристики станции H-2000 следующие:



Крейт

Питание

220 В, 50 Гц

^ Модули УСО (h-модули)

Количество

до 16 шт

Гальваническая развязка от корпуса крейта

до 300 В

^ Интерфейсные платы (HI-8)

Количество

1 или 2 шт, (каждая поддерживает 8 h-модулей.)

Системная шина

PCI

Внешние входы

Запуск, система единого времени

Прочее

Температура рабочая

+5…+40 oC

Температура хранения

-20…+55 oC

Относительная влажность

до 90 % при +20 oC

 

Модельный ряд основных функциональных модулей для различных измерительно-управляющих комплексов приведен ниже. Кроме того, ЗАО “Л-Кард” проводит разработку модулей по ТЗ заказчика.


Наим.

Описание

Цена (у.е.)

H-11

АЦП: 14 бит, до 400 кГц (на все каналы), 16 / 32 канала

320

H-22

^ АЦП для виброакустических измерений: до 78 кГц, 4 канала

600

H-25

АЦП для виброакустических измерений: до 234 кГц, 4 канала

750

LE-41

^ Усилитель заряда: до 20 кГц, 4 канала

240

H-34

ЦАП: 8 каналов, до 10 В, до 39 кГц

420

H-41

^ Дискретный ввод: оптопары, 16 каналов

150

H-42

Дискретный вывод: твердотельные реле, 16 каналов

150

H-43

^ Дискретный ввод/вывод: ТТЛ, 32 канала

150

HN-000

Источник питания внешних устройств: + 5 В, ± 15 В. Макетный модуль

60

^ Мезонинная система измерения медленноменяющихся сигналов с поканальной гальваноразвязкой

H-27

^ Носитель восьми субмодулей серии H-27x

160

H-27I-20

Измеритель тока: 2 канала, 0…20 мА

55

H-27I-10

Измеритель тока: 2 канала, ± 10 мА

55

H-27I-5

^ Измеритель тока: 2 канала, 0…5 мА

55

H-27T

Измеритель сигналов с термопар: 2 канала, -25 мВ…+75 мВ

65

H-27R-100

^ Измеритель термосопротивлений: 1 канал, 0…100 Ом

45

OP-27TR

Компенсатор холодного спая: -50...+150 ± 0,5 C. (Опция для субмодуля H-27R-100.)

20

H-27R-250

^ Измеритель термосопротивлений: 1 канал, 0…250 Ом

45

H-27U-20

Измеритель напряжения: 2 канала, 0...20 В

65

H-27U-10

^ Измеритель напряжения: 2 канала, 10 В

65




Итак, относительными недостатками магистрально-модульных систем являются их избыточность для автоматизации простых объектов и дороговизна. Применение магистрально-модульных систем оправдано для сложных многоканальных экспериментальных стендов, когда требуется высокая точность измерений при повышенном быстродействии всей системы.

Модульный принцип организации персональных ЭВМ позволяет подключать измерительную аппаратуру через соответствующий интерфейс непосредственно к магистрали персонального компьютера. По этому пути, как правило, создаются специализированные измерительно-вычислительные комплексы, ориентированные на подключение к ЭВМ небольшого числа измерительных и управляющих устройств. В ряде случаев функционирование прибора осуществляется по жестким программам, которые хранятся в программируемых постоянных запоминающих устройствах (ППЗУ). Для создания гибких, легко перестраиваемых и наращиваемых автоматизированных систем, необходимых в лабораторных исследованиях, рассмотренный подход практически не используется, поскольку физическая нагрузочная способность магистрали ПЭВМ ограничена. Непосредственное подключение к магистрали большого количества разнородных элементов измерительной аппаратуры и элементов управления практически не представляется возможным, т.к. увеличение числа нагрузок приводит к снижению надежности работы ПЭВМ и всего комплекса в целом.

В автоматизированных системах с небольшим числом каналов связи чаще всего применяются измерительно-управляющие платы (в английской транскрипции - Plugin-Card), называемые часто также просто платами ЦАП-АЦП (рис. 4). Их преимущества: во-первых, между компьютером и устройствами ввода-вывода отсутствуют какие-либо промежуточные звенья, а во-вторых, вследствие расположения непосредственно в слотах на материнской плате IBM/PC-совместимого компьютера может быть существенно (максимум - до 132 Мбайт/с) повышена скорость обмена данными и командами. Выпускаются платы с собственными микропроцессорными средствами обработки, быстрыми буферами-накопителями типа FIFO (First Input – First Output), а технические характеристики лучших образцов приближаются к приведенным выше для функциональных модулей магистрально-модульных систем.

Типичные характеристики плат ЦАП-АЦП следующие:

- входной коммутатор – 8-64 канала;

- АЦП – 8-16 разрядов;

- ЦАП – 8-16 разрядов;

- встроенные программируемые счетчики/таймеры;

- порты цифрового ввода/вывода (8-128 разрядов).




Рис. 4. Быстродействующая плата аналого-цифрового преобразования

для шины PCI


Ниже в качестве примера приведен перечень плат сбора данных на базе АЦП с различным быстродействием, выпускаемых ЗАО «Руднев-Шиляев» (http://www.rudshel.ru):

- низкочастотные на шине PCI: ЛА-1,5PСI, ЛА-1,5PСI-У, ЛА-1,5PСI-14;

- то же на шине ISA: ЛА-70М4; ЛА-7; ЛА-4; ЛА-2М5;

- высокочастотные на шине PCI: - ЛА-н10М6PСI; ЛА-н20-12PCI; ЛА-н150-14PСI; ЛА-н10М8PСI МЕЗ-0208-100;

- то же на шине ISA: ЛА-н10М6;

- высокочастотные для продолжительного сбора на шине PCI: ЛА-БПн25-12PCI;

- то же на шине ISA: ЛА-БПн25-12 МЕМ128;

- ультрабыстродействующие на шине PCI: ЛА-н10М8PСI МЕЗ-0108-500;

- то же на шине ISA: ЛА-н1;

- ультрабыстродействующие для продолжительного сбора на шине PCI:

ЛА-БПн2-8PCI.

Недостатки использования такого подхода, кроме указанных выше, заключаются в следующем: а) как правило, относительно дешевые платы не содержат выходного буфера в ЦАП, что вызывает необходимость работы в реальном времени; б) относительная дороговизна и потребность (для импортных плат) в дорогом лицензионном программном обеспечении; в) невысокая мощность сигналов управления, питание которых происходит от блока питания ПЭВМ. Несколько снизить стоимость автоматизации стенда позволяет использование внешних систем сбора данных, подключаемых к ПЭВМ через последовательный порт или USB-шину (рис. 5), однако при этом снижается быстродействие системы. На рис. 5 приведен общий вид системы сбора данных на USB-шину ЛА-125USB (Minilab 1008), поставляемой ЗАО «Руднев-Шиляев», а ниже в таблице приведены ее основные технические характеристики.



Рис. 5. Система ЛА-125USB (Minilab 1008) сбора данных на USB-шину


Технические характеристики системы ЛА-125USB

^ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (АЦП)

Количество каналов

4 дифференциальных или 8 с общей землей

Разрядность АЦП

12 бит

Коэффициент усиления

1, 2, 4, 5, 8, 16, 20 для дифференциального режима

Время преобразования

10 мкс

Входное сопротивление

не менее 100 кОм

Диапазон входного сигнала

±20 В, ±10 В, ±5 В, ±4 В, ±2,5 В, ±2 В, ±1.25 В, ±1 В

- дифференциальный режим

±10В - однополюсный режим

Частота преобразования

8 кГц - при заполнении 4К FIFO;
1,2 кГц - продолжительный сбор;
50 Гц - программный сбор 

Защита входов

При включенном питании ±40 В
При выключенном питании ±10 В

^ ЦИФРОВЫЕ ВХОДЫ И ВЫХОДЫ

Цифровые входы и выходы

24 цифровые линии ввода/вывода (байтно независимы)
4 цифровые линии ввода/вывода (байтно независимы)

^ ЦИФРО-АНАЛОГОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

ЦАП

2 выхода; разрешение - 10 бит; диапазон выходного напряжения: 0-5 В; максимальная частота вывода: 100 Гц

Режим энергопотребления

< 20 мА

Длина соединительного кабеля USB

до 3 метров


Измерительно-управляющие комплексы на базе плат ЦАП-АЦП целесообразно создавать и использовать в следующих случаях:

- при удалении комплекса от объекта исследования не далее нескольких метров (в противном случае будут иметь место существенное нарушение синхронизации процессов и снижение надежности обмена данными, что повлечет за собой необходимость применения дорогостоящих фильтров и других систем помехоподавления);

- при управлении физическими объектами с относительно медленно меняющимися процессами, не требующими высокого быстродействия;

- при небольшом количестве каналов измерения-управления и плат сопряжения, потребных для автоматизации данного стенда, т.к. число слотов расширения в ПЭВМ ограничено.

Реже, чем два предыдущих класса устройств связи ЭВМ с объектом, для автоматизации экспериментальных стендов в целях создания АЛП УД применяются программируемые логические контроллеры (PLC). Их применение оправдано в сложных разветвленных измерительно-управляющих подсистемах, когда необходимо разгрузить главный компьютер от рутинной работы (сбор – накопление данных, предварительная обработка и т.п.). Скорость обмена данными, которую поддерживают PLC, относительно невысока. Типичный представитель этого класса устройств – микропроцессор Intel i80C51 [2].

Среди других способов связи ПЭВМ с экспериментальным стендом, которые могут быть использованы при создании АЛП УД, следует отметить методики, предложенные фирмой Hewlett-Packard и принятые в качестве стандартов в 1975 г. Комитетом IEEE и в 1976 г. Комитетом МЭК. Соответствующие концепции интерфейсов основаны на последовательно-паралелльном побайтовом сопряжении с ЭВМ, допускают подключение до 15 устройств на расстояние до 20 м и в настоящее время известны под названием МЭК-625 или интерфейсной магистрали Hewlett-Packard (HP-IB).

Как уже упоминалось, отдельно будут рассмотрены разработки фирмы National Instruments: технические средства сопряжения ЭВМ с экспериментальными стендами и программные среды для их использования. Кроме того, при автоматизации эксперимента используются также и комбинации различных УСО. Так например, при создании АЛП УД по механике деформируемого твердого тела [10,11], использовался обмен данными ПЭВМ со специальным силовым блоком питания и управления через последовательный порт в стандарте RS-232, а сам блок МР-20М содержал логический контроллер, поддерживающий ряд макрокоманд измерения и управления.

^ 1.2. Программные средства управления оборудованием стенда. Программное обеспечение (ПО) для функционирования АЛП УД должно, с одной стороны, обслуживать в интерактивном режиме диалог удаленного пользователя с Web-сервером при настройке условий эксперимента, а с другой – реализовать заданный режим на стенде и трансляцию результатов его выполнения на удаленный компьютер или на Web-сайт практикума. Кроме того, разработанное для данного АЛП УД специализированное ПО должно осуществлять и методическую поддержку лабораторных работ, т.е. содержать описание лабораторного стенда, методику измерений, различные справочные материалы и т.п. Очевидно, что бόльшая часть программного обеспечения является оригинальной, написанной на языках высокого уровня (обычно используются программные среды С++ и DELPHI) специально для данного практикума, хотя при его создании могут быть использованы и другие программы, например, средства графического программирования [2], среди которых следует специально выделить продукты фирмы National Instruments (LabVIEW, BridgeVIEW и др.) – см, например, [12].

В алгоритме программ можно выделить два больших блока. Первый из них поддерживает работу Web-сервера практикума, а второй – обеспечивает его связь со стендом, выполнение эксперимента по сценариям удаленных пользователей и трансляцию полученных результатов. Для программной реализации второго блока в качестве одного из путей часто используется последовательность так называемых CGI-приложений (см, например, [13]).

CGI (Common Gateway Interface) - это стандартный шлюзовой интерфейс для запуска внешних программ под управлением Web-сервера. Под приложениями CGI понимают программы, которые, пользуясь этим интерфейсом, получают через протокол HTTP от удаленного пользователя информацию, обрабатывают ее и возвращают результат обработки в виде ссылки на существующую HTML-страницу или в виде документа HTML, созданного динамически. Передача информации CGI-приложениям начинается с заполнения форм, которое осуществляется удаленным пользователем на соответствующих HTML-страницах при формировании сценария автоматизированного практикума.

Перед запуском CGI-приложения Web-сервер выбирает в соответствии с заданной разработчиком программы директивой [13] один из двух способов (GET или POST) передачи полученных данных для обработки. Метод GET предполагает передачу данных CGI-приложению через переменные среды (environment variables), а при использовании метода POST оно получает данные из формы через стандартный поток ввода STDIN. Каждый из этих методов имеет свои достоинства и недостатки. Метод GET обычно используется для обработки небольших форм, в то время как POST не накладывает ограничений на размер передаваемых данных. Для передачи файлов из локального компьютера в Web-сервер пригоден только второй метод. Кроме того, при выборе метода передачи данных необходимо учитывать ее скрытность, чтобы она не отображалась в адресной строке Web-сервера [13]. Этот вопрос весьма важен при реализации сценария удаленного эксперимента, чтобы удаленный пользователь не мог изменить последовательность команд управления удаленным оборудованием, что может привести к выводу его из строя.

Вне зависимости от метода передачи данных CGI-приложение направляет результаты своей работы в стандартный поток вывода STDOUT. Чаще всего их используют для создания динамических документов HTML, вид которых зависит от выполненной CGI-приложением операции и ее параметров. Эта динамическая HTML-страница затем публикуется на Web-сервере, благодаря чему пользователь видит на экране результат выполнения заданной операции именно с тем параметром, который был задан в соответствующей форме.

В МГТУ им. Баумана для всесторонней поддержки проведения автоматизированных лабораторных практикумов с удаленным доступом разработана интерактивная диалоговая удаленная система ИНДУС [4,14]. При ее создании задача с самого начала ставилась так, чтобы удаленный пользователь не только получал данные эксперимента, но и мог активно изменять условия его проведения, а режимы эксперимента были индивидуальными для каждого студента. В ней предусмотрены также тестирование пользователей перед допуском к удаленному пульту управления стендом и возможность контроля правильности обработки данных преподавателем, который находится вместе со студентом на удаленном рабочем месте пользователя.

Для проведения удаленного лабораторного практикума система включает наглядные и простые в усвоении методические пособия, необходимые как для подготовки к выполнению лабораторной работы, так и для написания отчета после проведения эксперимента и обрабо