Лаборатория с Удаленным Доступом в Курсе «Электроника»

В настоящее время для проведения лабораторных практикумов очень часто реальные эксперименты заменяются компьютерным моделированием с использованием специальных программ, например Electronics Workbench. Однако, для подготовки квалифицированных инженеров требуется умение исследовать реальные физические процессы на реальном оборудовании. Компьютерное моделирование может дополнить натурный эксперимент, но не заменить его. В дистанционном обучении 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 является 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 очной форме обучения. 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:

1. Лабораторная работа №1— исследование полупроводниковых диодов.
   • Прямое включение.
   • Обратное включение.
   • Стабилитрон.
   • Выпрямитель.
2. Лабораторная работа №2 — исследование биполярного транзистора.
   • Схема с общимэмиттером — входные характеристики.
   • Схема с общим эмиттером — выходные характеристики.
   • Схема с общимэмиттером — передаточные характеристики.
   • Схема с общей базой — входные характеристики.
   • Схема с общей базой— выходные характеристики.
   • Схема с общей базой — передаточные характеристики.
   • Исследование усилителя набиполярном транзисторе.
3. Лабораторная работа №3 — исследование полевого транзистора.
   • Выходные характеристики.
   • Передаточные характеристики.
   • Исследование усилителя на полевом транзисторе.

Рисунок 1. — Структурная схема лабораторной установки.

Установка состоит из сервера, подключенного к сети Internet. Сервер соединен с модулем USB-6008, который представляет собой недорогую систему сбора данных, производимую компанией National Instruments. В состав модуля входит восьмиканальный двенадцатиразрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), два цифроаналоговых преобразователя (ЦАП), двенадцать линий цифрового ввода-вывода. Модуль подключается к серверу через интерфейс USB. Сборка электрической схемы исследования для каждой лабораторной работы осуществляется с помощью многоканального коммутатора (аналогового мультиплексора), который управляется цифровыми линиями ввода-вывода. При выборе студентом определенной работы, происходит коммутация соответствующих входов АЦП и ЦАП к элементам исследуемой схемы. ЦАП используется в качестве программно регулируемых источников питания. АЦП измеряет напряжения и токи в нужных узлах схемы. Рассмотрим взаимодействия элементов лаборатории на примере измерения 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 www.leso.sibsutis.ru, к которому подключена удаленная лаборатория, фамилию и имя, номер учебной группы.

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

Рисунок 3. — Окно исследования вольтамперных характеристик диодов.

С помощью тумблера к схеме измерения подключается один из диодов (кремниевый или германиевый). В этом случае на удаленном стенде произойдет подключение соответствующего реального диода. Далее с помощью мыши поворачивая ручку регулятора напряжения, студент наблюдает за показаниями вольтметра и миллиамперметра. При этом в реальном масштабе времени (в режиме online) строится график вольтамперной характеристики диода. Для сравнения характеристик различных диодов их графики можно построить на одном экране. Результаты эксперимента студент копирует в свой отчет о проделанной работе. На рисунке 4 изображено окно лабораторной работы по исследованию биполярного транзистора. В этой схеме используется два регулируемых источника 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 является возможность исследования влияния температур окружающей среды на выходные 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 напряжения смещения 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 представляет собой Win32 приложение, разработанное в среде Delphi 7. Программа принимает клиентов по протоколу TCP,управляет работой мультиплексора, коммутирующего исследуемую схему, а также управляет АЦП и ЦАП DAQ устройства NI-6008.

Работа с устройством ведётся посредством программной прослойки, поставляемой вместе с комплектом драйверов NI-DAQmx от National Instruments.

Рисунок 5.— Интерфейс серверной части ПО.

Согласно разработанному протоколу передачи клиент–сервер, клиент сначала посылает какую-либо команду, затем ожидает, в это время сервер обрабатывает команду и посылает ответ (включая, если того требовал запрос, измеренные данные). Принятые данные визуализируются на экране пользователя. При разработке протокола особое внимание было уделено минимизации трафика через Интернет, так как многие студенты до сих пор работают по медленным модемным линиям. Для уменьшения задержек между приёмом команды и отправкой измеренных данных алгоритм Нагла протокола TCP/IP был отключен на стороне сервера.

Одной из задач, поставленных перед лабораторией, была реализация возможности параллельной работы нескольких студентов над различными пунктами лабораторных работ. Решение заключается в распределении запросов от клиентов по времени, например, за счёт использования неблокирующего сокета, в этом случае очередь запросов создаётся средствами операционной системы. Благодаря этому обеспечивается общее количество одновременно комфортно работающих за стендом студентов не менее десяти человек.

Для удобства контроля качества выполнения лабораторной работы студентом, сервер сохраняет в специальную базу данных информацию о том кто, когда и какие пункты лабораторных работ выполнил, и сколько у него ушло 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, делающих процесс работы студента интуитивно понятным, также в LabView есть встроенная поддержка протокола TCP/IP. Рассмотрим часть исходного 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 либо в случае если пользователь нажмет кнопку «Прекратить эксперимент», либо 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 — ведёт передачу расширенных параметров, вэтом пункте используется для передачи состояния кнопки «Сброс» лицевой панели;
• CMD E2 — передаёт на сервертребуемое напряжение источника питания E2.

4.Практические достижения в улучшении обучения студентов.

Традиционные лабораторные стенды представляют собой набор регулируемых источников напряжения, амперметров и вольтметров. Построение графиков вольтамперных характеристик приборов производится студентами вручную по измеренным значениям токов и напряжений. В описываемой удаленной лаборатории построение графиков характеристик происходит в автоматическом режиме на экране компьютера. Это позволяет производить тепловые исследования полупроводниковых приборов в реальном масштабе времени. Для студентов дистанционной формы обучения эта технология является практически единственным способом выполнить лабораторные работ на реальном оборудовании. В 2006-2007 годах в СибГУТИ на кафедре технической электроники были проведены статистические исследования среди студентов, по результатам которых лабораторный практикум получил большое количество положительных отзывов.