Лабораторное автоматизированное рабочее место

Лабораторное автоматизированное рабочее место (ЛАРМ) — комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации экспериментов над электрическими схемами, собранными на коммутационной плате, а также над динамическими объектами, оснащёнными исполнительными устройствами, аналоговыми и цифровыми датчиками.

ЛАРМ подсоединяется к компьютеру через порт USB и включает в себя гамму источников и измерительных приборов. ЛАРМ оснащён источником изменяемого напряжения в диапазоне от 0 до 12 В, а также генератором сигналов, позволяющим генерировать сигналы основных трёх форм (синусоидальной, прямоугольной и треугольной), а также программируемой формой сигнала, один период которого формируется по точкам в компьютере и пересылается в ЛАРМ (сигналы перечисленных форм могут иметь частоту от 50 Гц до 2 МГц). К измерительным приборам относятся вольтметр, осуществляющий измерения напряжения относительно общей для всех приборов «Земли» в диапазоне от 0 до 12 В, амперметр, производящий измерение тока в диапазоне от 0 до 100 мА, а также двухканальный осциллограф, позволяющий исследовать два сигнала переменного напряжения с размахом 20 В.

Разработчиком программно-аппаратного комплекса ЛАРМ является коллектив инженеров и учёных, входящий в научную группу «РЕВИКОМ» (Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники).

Описание программно-аппаратного комплекса

ЛАРМ является универсальным программно-измерительным комплексом, реализованным на базе специализированного задающего и измерительного контроллера и специального программного обеспечения. Назначение ЛАРМа — это исследование и генерация электрических сигналов. Соединение ЛАРМа с персональным компьютером и физической моделью позволяет создать реально-виртуальную лабораторию (РВЛ) для учебно-исследовательских целей в различных технических дисциплинах (физике, электротехнике, САУ, настройка электронных схем), диагностика в медицине, при автоматизации научных исследований, а также в производственной сфере. ЛАРМ может быть использован для создания автоматизированных измерительных систем, являющихся основой рабочих мест исследователя, настройщика, метролога, а также студента или учащегося. Комплекс работает в режиме дистанционного управления через USB-интерфейс компьютера и платы сбора данных. По этому же интерфейсу в компьютер передаются данные измерений в виде отдельных значений или осциллограмм.

Такой комплекс позволяет значительно улучшить учебно-исследовательский процесс за счёт появления новых качественных характеристик образовательного процесса, обеспечения возможности оперативного контроля и самоконтроля качества приобретённых знаний, сокращения времени на обучение, возможности организации самостоятельной работы, приближения лабораторных работ к исследовательским задачам. Одновременно кратно уменьшаются затраты на оборудование.

В состав комплекса ЛАРМ входят следующие приборы:

Осциллограф цифровой двухканальный. Предназначен для исследования однократных и периодических электрических сигналов в диапазоне частот от 1 Гц до 100 кГц путем регистрации их в цифровой памяти и отображения на экране компьютера, и цифрового измерения амплитудных и временных характеристик сигналов.
Генератор сигналов. Предназначен для генерации сигналов различной формы.
Вольтметр. Предназначен для измерения постоянных и переменных напряжений.

На приборе ЛАРМ расположена макетная плата. Она состоит из информационной панели, штекеров, электромонтажной платы, индикаторов (светодиоды). Электромонтажная плата предназначена для беспаечного монтажа электрических схем и цепей. Обычно на ней собирается схема лабораторной работы.

Программное обеспечение ЛАРМа реализует:

спектроанализатор, fmax = 500 кГц;
АФЧХ построитель, fmax = 500 кГц;
логический анализатор, fmax = 500 кГц;
курсорные измерения параметров сигнала.

Состав программно-аппаратного комплекса

Регулируемый источник питания

В состав ЛАРМа входят два блока питания с гальванической развязкой. Напряжение на выходе этих блоков устанавливается программно в диапазоне от 0 до 12 В при токе до 0,5 А. Кроме того, имеется блок питания с фиксированным напряжением +5 В и током до 1 А, имеющий общую «землю» с контроллером комплекса. Все блоки питания имеют защиту от короткого замыкания.

Двухканальный осциллограф

Осциллограф ЛАРМа оснащён двумя высокоскоростными дифференциальными каналами с полосой пропускания 500 кГц. Два 12-разрядных аналого-цифровых преобразователя (АЦП) работают синхронно, что позволяет выполнять измерение фазовых соотношений двух сигналов. Частота дискретизации для двухканального режима — до 12 мГц. Имеется возможность объединения двух каналов в один для достижения частоты дискретизации 24 мГц. Входные дифференциальные усилители имеют программно-управляемые: аттенюаторы с частотной компенсацией и цепи обратной связи для регулировки усиления. В результате обеспечиваются следующие диапазоны чувствительности (в/деление): 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 2,0; 5,0; 10,0.

Измеритель медленных сигналов

Восемь аналоговых дифференциальных каналов с полосой пропускания 20 кГц подключаются к общему АЦП через мультиплексор. Все каналы измерителя снабжены усилителями с возможностью переключения входных диапазонов от 0,05 до 20 В/деление. Общий для всех каналов 10-разрядный АЦП обеспечивает частоту дискретизации до 38 кГц. Оцифрованные данные могут передаваться в компьютер в виде усредненных значений или в виде осциллограмм.

Генератор аналоговых сигналов

Аналоговый генератор сигналов с частотой дискретизации 24 МГц предназначен для формирования сложных сигналов. Помимо 5 стандартных форм сигнала: синусоида, прямоугольные импульсы со скважностью 2, пила нарастающая, спадающая и двухгранная, предусмотрена возможность ввода произвольного сигнала, введённого по точкам, либо из файла.

TTL-генератор

Данный генератор предназначен для создания сигналов прямоугольной формы, с управлением длительностью и периодом. Максимальная частота сигнала — 24 МГц. Кроме того, имеется 16 цифровых выходов, значения которых задаются либо статически, либо по заданному алгоритму (сдвиги кода, прямой или обратный счет).

Логический анализатор

В ЛАРМе реализованы 16 цифровых выходов и входов. Для цифровых входов возможно отображение цифровых диаграмм, а также выдача двоичного кода снимаемого цифрового сигнала.

Спектроанализатор

Программное обеспечение ЛАРМа позволяет строить спектральный анализ сигналов, снимаемых осциллографом в режиме реального времени. В качестве алгоритма получения спектра используется быстрое преобразование Фурье (БПФ). Максимальная частота сигнала — 500 кГц.

АФЧХ-построитель

Построитель амплитудной и фазовой частотных характеристик (АФЧХ) реализован на базе осциллографа и свип-генератора. Воздействие (синусоида меняющейся частоты) подаётся с генератора на иследуемую цепь и отклик цепи снимается осциллографом. Далее оцифрованный сигнал поступает на блоки обработки и отображается в виде частотных характеристик. Предельная частота построителя — 500 кГц.

Интерфейс программно-аппаратного комплекса

80-контактный интерфейс ЛАРМа состоит из 40-контактного выходного разъёма (слева), на который выведены выходы блоков питания, аналогового и цифровых генераторов, 16 цифровых выходов и 40-контактного входного разъёма (справа) для подключения к осциллографу, каналам медленных аналоговых измерений и регистратору цифровых сигналов.

Исследуемый объект может подключаться к ЛАРМу следующими способами:

с помощью макетных плат WBU-502 фирмы Wisher, содержащих 160 пятиконтактных узлов + шины питания (исследуемая схема набирается на макетной плате без пайки);
в виде тематических модулей — специально спроектированных плат для определенного курса лабораторных работ;
посредством шлейфов (многожильных кабелей).

Сопряжение программно-аппаратного комплекса с системой виртуальных инструментов и приборов

Схема взаимодействия программно-аппаратного комплекса ЛАРМ с системой виртуальных инструментов и приборов включает в себя:

Реальный исследуемый объект, который формируется из реальных компонентов на коммутационной плате.
Приборы аппаратно-программного комплекса ЛАРМ, в которые входят источники и генераторы сигналов, а также измерительные приборы.
Измерительно-управляющий контроллер X-Mega, работающий под управлением программы, написанной на языке управления механизмами X-Robot. В отличие от существующих языков программирования контроллеров, он поддерживает до 254 параллельных процессов, обеспечивая их синхронизацию. Управление каждым процессом может осуществляться из компьютера в виде кадра определенного вида, включающего в себя идентификатор команды и её один целочисленный атрибут.
В качестве драйвера используется универсальный драйвер FTDI, позволяющий организовать дуплексный обмен данными между аппаратно-программным комплексом ЛАРМ и функционирующим на компьютере программным обеспечением с достаточной скоростью.
Виртуальный прибор, представляющий собой реализованный на компьютере оконный интерфейс, имитирующий на компьютере логику работы реального прибора и предназначенный для генерации сигналов на реальный объект и для отображения результатов измерения.

Перспективы развития программно-аппаратного комплекса

Разработчики постоянно совершенствуют как аппаратную, так и программную части ЛАРМа при сохранении интерфейсов и основных концепций.

В аппаратной части расширяется диапазон регистрируемых и генерируемых сигналов. В программной части — добавляются новые виртуальные приборы, происходит стыковка с другими программными системами.

Для того, чтобы пользователь мог иметь доступ к новым разработкам, ЛАРМ содержит уникальный механизм дистанционного обновления. С помощью этого механизма пользователь может безопасно изменять как встроенное программное обеспечение ЛАРМа, так и его схемотехнику. Для этого нужно выполнить следующие шаги:

Через сеть Интернет или у разработчика получить файл с новым программным обеспечением, имеющий расширение «*.lrm»;
Выполнить программу обновления из состава поставляемого с ЛАРМ ПО;
Если по какой-либо причине обновление не завершено, повторить его или вернуться к предыдущей версии, которая была поставлена при приобретении ЛАРМа.

В результате обновления меняется внутренняя программа ЛАРМа и может измениться его схема, так как она в большой степени определена в программируемом логическом устройстве (PLD).

Удалённые лаборатории

Ещё одним важным направлением для развития программно-аппаратного комплекса ЛАРМ является разработка его дистанционной (удалённой, сетевой) версии, что открывает путь к созданию дистанционных реально-виртуальных лабораторий (ДРВЛ)^[1].

Согласно этой концепции, ДРВЛ будет представлять собой помещение, в котором располагаются лабораторные установки (ЛАРМы), подключённые к устройству ввода/вывода, которое, в свою очередь, подключается к измерительному серверу. Измерительный сервер «собирает» всю поступающую с установок информацию, а также служит для управления такими установками. Количество ДРВЛ может варьироваться от одного до нескольких единиц. Каждая ДРВЛ соединяется посредством глобальной вычислительной сети Интернет с главным (основным) сервером, который служит связующим звеном между всеми ДРВЛ, администратором системы и удалёнными пользователями. В качестве удалённых пользователей могут выступать как отдельные школьники, студенты, исследователи, так и целые компьютерные классы, расположенные в школах, техникумах, вузах, НИИ и т. д.

Примерами систем удалённых лабораторий являются: AIM-Lab (Automated Internet Measurement Laboratory), Lab-on-Web (Норвегия); дистанционная лаборатория национального университета (Сингапур); ACEL (Automatic Control Engineering Laboratory) (Сербия); uCV-Lab, лаборатория гидродинамики и теплообмена, дистанционные лабораторные практикумы по курсу оптики и физики атомного ядра, Интерактивная Диалоговая Удаленная Система (ИНДУС) (Россия).

Основное преимущество, получаемое от создания ДРВЛ — это существенная экономия человеческих ресурсов и затрат на перемещение лабораторного оборудования.

Аналоги программно-аппаратного комплекса

Примечания

↑ Панов С. А., Алексеенко С. С. Дистанционные реально-виртуальные лаборатории для автоматизации лабораторных и научных экспериментов в современном техническом вузе // Современное образование: повышение профессиональной компетентности преподавателей вуза — гарантия обеспечения качества образования: материалы международной научно-методической конференции, 1-2 февраля 2018 г., Россия, Томск. — Томск: Изд-во Томск. гос. ун-та систем упр. и радиоэлектроники, 2018. — С. 223—224.

Литература

Дмитриев В. М. Концепция лабораторного автоматизированного рабочего места на архитектуре ARM / В. М. Дмитриев, В. В. Ганджа // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. — 2014. — № 1 (31). — С. 171—173.
Дмитриев В. М. ЛАРМ: автоматизированный лабораторный практикум по электротехнике и электронике / В. М. Дмитриев, А. В. Шутенков, Т. В. Ганджа, А. Н. Кураколов — Томск: В-Спектр, 2010, — 186 с.
Дмитриев В. М. Дистанционные реально-виртуальные лаборатории по техническим дисциплинам / В. М. Дмитриев, Т. В. Ганджа, С. А. Панов // Развитие образовательного пространства региональных вузов в системе координат приоритетных проектов РФ: лучшие практики [Электронный ресурс]: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции с международным участием (20-21 сентября 2018 г., Барнаул). — Электрон. текст. дан. (6,8 Мб). — Барнаул: Изд-во АлтГУ, 2018. — 1 электрон. опт. диск (DVD). — ISBN 978-5-7904-2322-2. — № гос. регистрации 0321804393. — С. 118—121.

Ссылки

[1] Панов С. А., Алексеенко С. С. Дистанционные реально-виртуальные лаборатории для автоматизации лабораторных и научных экспериментов в современном техническом вузе // Современное образование: повышение профессиональной компетентности преподавателей вуза — гарантия обеспечения качества образования: материалы международной научно-методической конференции, 1-2 февраля 2018 г., Россия, Томск. — Томск: Изд-во Томск. гос. ун-та систем упр. и радиоэлектроники, 2018. — С. 223—224.

[1]