Информатизация инженерного образования (выпуск 1)

Г л а в а 12. Лабораторный практикум

Объектная плата содержит целевой набор блоков, узлов и элементов, а также средств их коммутации, необходимых для изучения свойств электрических цепей постоянного и переменного тока различной конфигурации. Для этого на объектной плате размещены следующие технические средства:

•блок элементов электрической цепи содержит три одинаковых набора

RLC-элементов (А, В, С), которые посредством электронных коммутаторов могут образовывать последовательное, параллельное, смешанное и многофазное соединения. При этом каждый элемент задается одним из четырех стандартных номиналов, указанных в меню настройки параметров (либо любой их комбинацией при параллельном включении), а также может быть выбран режим разрыва цепи на месте данного элемента или режим его короткого замыкания;

•трехфазный генератор тестовых сигналов выполнен на базе трех отдельных программно-управляемых от микроконтроллера 8-разрядных цифроаналоговых преобразователей (ЦАП1—ЦАП3) с последующим подключением к их выхо-

дам усилителей мощности (У1—У3) на базе операционных усилителей с выходным током до 100 мА по каждому каналу. Удобное пользовательское меню предусматривает индивидуальную настройку каждого канала с выбором стандартной синусоидальной формы, а также возможность табличной настройки тестового сигнала произвольной формы. Возможна настройка амплитуды (в диапазоне +/–3 В), частоты (в диапазоне 0…1000 Гц) и фазы (в диапазоне 0…360°);

• блок электронных коммутаторов, который в соответствии с поступившим индивидуальным заданием пользователя по каналу Ethernet после соответствующей его обработки на плате микроконтроллера осуществляет все необходимые переключения, связанные с выбором объекта изучения, настройкой его параметров, подачей тестовых сигналов, измерением контролируемых величин и пр. Блок выполнен на базе микросхем типа ADG714, которые имеют низкое значение переходного сопротивления (около 2,5 Ом), что очень важно при изучении электрических цепей (особенно резонансных явлений). Однако данный тип электронных коммутаторов требует низкого значения подаваемого на него напряжения (не более +/–3 В), поэтому в индивидуальных заданиях подаваемые на схему напряжения не должны превышать +/–2,5 В. Управление блоком коммутаций осуществляется с платы микроконтроллера по последовательному интерфейсу SPI;

• блок измерительных преобразователей включает датчики токов и операционные усилители, нормализующие сигналы токов и напряжений, приводя их в согласование со входом 16-канального 10-разрядного АЦП, входящего в состав микроконтроллера и имеющего время собственного преобразования 1 мкс;

• контролируемые параметры: три тока в каждой ветви электрической цепи (IA, IB, IC), измеряемые датчиками токов (Дт1—Дт3), и девять напряжений на каж-

дом элементе электрической цепи (UR, UC, UL) в каждой из трех ветвей (А, В, С).

2. Модуль «Диоды и транзисторы» (PIL002). Объектами изучения являются широко используемые полупроводниковые диоды и транзисторы (всего не менее 16 объектов). Для каждого типа полупроводникового прибора изучаются их вольтамперные характеристики и схемы включения.

Модуль выполнен в виде двух стандартных плат 100×200 мм (рис. 12.30). Плата микроконтроллера включает полный набор компонентов высокопроиз-

водительного микроконтроллера типа TMS320F243 и предназначена для связи

493

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

Рис. 12.30. Функциональная блок-схема модуля «Диоды и транзисторы»

объектного модуля с внешним пользователем по каналу Ethernet, выполнения всех необходимых коммутаций и измерений параметров на объектной плате.

Объектная плата содержит целевой набор блоков, узлов и элементов, а также средств их коммутации, необходимых для изучения вольт-амперных характеристик и схем включения полупроводниковых приборов. Для этого на объектной плате размещены следующие технические средства:

•блок изучаемых диодов и транзисторов, который в базовом варианте содержит восемь диодов и восемь транзисторов. По требованию заказчика могут быть установлены другие типы диодов и транзисторов;

•источник входных сигналов, предназначенный для подачи на входы изучаемых транзисторов тестовых сигналов и выполненный на базе программно-управ- ляемого от микроконтроллера по последовательному интерфейсу SPI 8-разрядного цифроаналогового преобразователя (ЦАП1) с последующим подключением к его выходу преобразователя уровня выходного напряжения с 0…3,3 В до +/–13 В;

•источник базового напряжения, используемый для питания изучаемых диодов и транзисторов и выполненный на базе программно-управляемого от микроконтроллера по последовательному интерфейсу SPI 8-разрядного цифроаналогового преобразователя (ЦАП2) с последующим подключением к его выходу преобразователя уровня выходного напряжения с 0…3,3 В до +/–13 В и переключателя полярности;

•блок электронных коммутаторов, который в соответствии с поступившим индивидуальным заданием пользователя по каналу Ethernet после соответствующей его обработки на плате микроконтроллера осуществляет все необходимые переключения, связанные с выбором объекта изучения, настройкой его параметров, подачей тестовых сигналов, измерением контролируемых величин и пр.;

494

Гл а в а 12. Лабораторный практикум

•блок измерительных преобразователей, включающий датчики токов и операционные усилители, которые нормализуют сигналы токов и напряжений, приводя их в согласование со входом 16-канального 10-разрядного АЦП, входящего в состав микроконтроллера и имеющего время собственного преобразования 1 мкс;

•контролируемые параметры, включающие в себя входные и выходные токи и напряжения каждого объекта изучения.

3. Модуль «Выпрямительные устройства» (PIL003). Объектами изучения являются наиболее распространенные схемы выпрямителей: однофазная однополупериодная, однофазная двухполупериодная со средней точкой, однофазная мостовая, однофазная двухполупериодная двухполярная, трехфазная со средней точкой, трехфазная мостовая (всего не менее восьми объектов). Для каждого типа выпрямительного устройства изучаются его выходные показатели (среднее и действующее значения выпрямленного напряжения, коэффициент пульсации, КПД и пр.).

Модуль выполнен в виде двух стандартных плат 100×200 мм (рис. 12.31). Плата микроконтроллера включает полный набор компонентов высокопроиз-

водительного микроконтроллера типа TMS320F243 и предназначена для связи объектного модуля с внешним пользователем по каналу Ethernet, выполнения всех необходимых коммутаций и измерений параметров на объектной плате.

Объектная плата содержит целевой набор блоков, узлов и элементов, а также средств их коммутации, необходимых для изучения свойств типовых выпрямителей. Для этого на объектной плате размещены следующие технические средства:

• блок выпрямителей, который содержит шесть полупроводниковых выпрямительных элементов и при соответствующей коммутации образует любую из перечисленных схем выпрямительных устройств;

Рис. 12.31. Функциональная блок-схема модуля «Выпрямительные устройства»

495

ЧА С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

•блок нагрузок, состоящий из двух одинаковых узлов БН1 и БН2 (для изучения схемы двуполярного выпрямительного устройства) и последовательно подключаемой к ним катушки индуктивности (L = 15 мГ), служащей для изучения эффективности сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Каждый из узлов нагрузки содержит параллельное соединение набора резисторов и конденсаторов, независимый выбор которых определяется соответствующими меню;

•трехфазный генератор тестовых сигналов выполнен на базе трех отдельных программно-управляемых от микроконтроллера 8-разрядных цифроаналоговых преобразователей (ЦАП1—ЦАП3) с последующим подключением к их выходам усилителей мощности (У1—У3) на базе операционных усилителей с выходным током до 100 мА по каждому каналу. Удобное пользовательское меню предусматривает индивидуальную настройку каждого канала с выбором стандартной синусоидальной формы, а также возможность табличной настройки тестового сигнала произвольной формы. Возможна настройка амплитуды (в диапазоне +/–12 В), частоты (в диапазоне 0…1000 Гц) и фазы (в диапазоне 0…360°);

•блок электронных коммутаторов, который в соответствии с поступившим индивидуальным заданием пользователя по каналу Ethernet после соответствующей его обработки на плате микроконтроллера осуществляет все необходимые переключения, связанные с выбором объекта изучения, настройкой его параметров, подачей тестовых сигналов, измерением контролируемых величин и пр.;

•блок измерительных преобразователей содержит датчики токов (ДТ1, ДТ2), напряжений (ДН1, ДН2) и операционные усилители, нормализующие сигналы токов и напряжений, приводя их в согласование со входом 16-канального 10-разрядного АЦП, входящего в состав микроконтроллера и имеющего время собственного преобразования 1 мкс;

•контролируемые параметры, включающие в себя входные и выходные токи и напряжения каждого объекта изучения.

4. Модуль «Стабилизаторы постоянного напряжения» (PIL004). Объектами изучения являются наиболее распространенные типы стабилизаторов: параметрический, линейный с параллельным и последовательным включением регулирующего элемента, импульсный понижающий, повышающий и полярно-инвертирую- щий (всего не менее шести объектов). Для каждого типа стабилизатора изучаются свойства поддержания выходного напряжения при изменении нагрузки и входного напряжения.

Модуль выполнен в виде двух стандартных плат 100×200 мм (рис. 12.32). Плата микроконтроллера включает полный набор компонентов высокопроиз-

водительного микроконтроллера типа TMS320F243 и предназначена для связи объектного модуля с внешним пользователем по каналу Ethernet, выполнения всех необходимых коммутаций и измерений параметров на объектной плате.

Объектная плата содержит целевой набор блоков, узлов и элементов, а также средств их коммутации, необходимых для изучения свойств различных типов стабилизаторов постоянного напряжения. Для этого на объектной плате размещены следующие технические средства:

• блок изучаемых стабилизаторов, включающий в себя все перечисленные типы стабилизаторов постоянного напряжения;

496

Г л а в а 12. Лабораторный практикум

Рис. 12.32. Функциональная блок-схема модуля «Стабилизаторы постоянного напряжения»

• блок нагрузок, состоящий из двух одинаковых узлов БН1 и БН2. Каждый из узлов нагрузки представляет собой параллельное соединение набора резисторов

иконденсаторов, независимый выбор которых определяется соответствующими меню;

•источник входного напряжения, предназначенный для подачи на входы изучаемых стабилизаторов программно-управляемого напряжения в диапазоне +/–12 В и выполненный на базе программно-управляемого от микроконтроллера 8-разрядного цифроаналогового преобразователя (ЦАП1) с последующим подключением к его выходу усилителя мощности с выходным током до 100 мА;

•блок электронных коммутаторов, который в соответствии с поступившим индивидуальным заданием пользователя по каналу Ethernet после его обработки на плате микроконтроллера осуществляет все необходимые переключения, связанные с выбором объекта изучения, настройкой его параметров, подачей тестовых сигналов, измерением контролируемых величин и пр.;

•блок измерительных преобразователей включает датчики токов и напряжений, операционные усилители, нормализующие сигналы токов и напряжений, приводя их в согласование со входом 16-канального 10-разрядного АЦП, входящего в состав микроконтроллера и имеющего время собственного преобразования 1 мкс;

•контролируемые параметры, включающие в себя входные и выходные токи и напряжения каждого объекта изучения.

497

ЧА С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

5.Модуль «Операционные усилители» (PIL005). Объектами изучения являются широко используемые электронные схемы на основе операционного усилителя: усилители инвертирующий и неинвертирующий, суммирующий, дифференциальный, логарифмический, интегратор инвертирующий и неинвертирующий, дифференциатор, компаратор, фильтр низкой и высокой частоты, триггер Шмитта, мультивибратор (всего не менее 15 объектов).

Модуль выполнен в виде двух стандартных плат 100×200 мм (рис. 12.33). Плата микроконтроллера включает полный набор компонентов высокопроиз-

водительного микроконтроллера типа TMS320F243 и предназначена для связи объектного модуля с внешним пользователем по каналу Ethernet, выполнения всех необходимых коммутаций и измерений параметров на объектной плате.

Объектная плата содержит целевой набор блоков, узлов и элементов, а также средств их коммутации, необходимых для изучения статических и динамических характеристик операционных усилителей в различных схемах их включения. Для этого на объектной плате размещены следующие технические средства:

•универсальный блок настройки параметров операционных усилителей,

содержащий микросхему операционного усилителя, а также настраиваемые элементы его «обвязки», выбирая которые можно собрать одну из 15 схем операционных усилителей в соответствии с индивидуальным заданием;

•двухканальный генератор тестовых сигналов, предназначенный для подачи тестовых сигналов на инвертирующий и неинвертирующий входы операционного усилителя и выполненный на базе двух отдельных программно-управляе- мых от микроконтроллера 8-разрядных цифроаналоговых преобразователей (ЦАП1, ЦАП2) с последующим подключением к их выходам усилителей мощности (У1, У2) на базе операционных усилителей с выходным током до 100 мА по каж-

Рис. 12.33. Функциональная блок-схема модуля «Операционные усилители»

498

Г л а в а 12. Лабораторный практикум

дому каналу. Удобное пользовательское меню предусматривает индивидуальную настройку каждого канала с выбором стандартной синусоидальной формы, а также возможность табличной настройки тестового сигнала произвольной формы. Возможна настройка амплитуды (в диапазоне +/–12 В), частоты (в диапазоне 0…1000 Гц) и фазы (в диапазоне 0…360°);

•блок электронных коммутаторов, который в соответствии с поступившим индивидуальным заданием пользователя по каналу Ethernet после его обработки на плате микроконтроллера осуществляет все необходимые переключения, связанные

свыбором объекта изучения, настройкой его параметров, подачей тестовых сигналов, измерением контролируемых величин и пр.;

•блок измерительных преобразователей включает операционные усилители, нормализующие контролируемые сигналы, приводя их в согласование со входом 16-канального 10-разрядного АЦП, входящего в состав микроконтроллера и имеющего время собственного преобразования 1 мкс;

•контролируемые параметры, включающие в себя входные и выходные напряжения каждого объекта изучения.

6. Модуль «Микроконтроллеры» (PIL006). Объектом изучения является микропроцессорный контроллер (МПК), широко используемый в системах цифрового управления различными устройствами автоматики. Модуль позволяет проводить изучение структуры микроконтроллера и возможностей его периферийных устройств: портов ввода/вывода, прерываний, таймеров, ЦАП, АЦП, блоков ШИМ (всего не менее шести работ).

Модуль выполнен в виде одной стандартной платы 100×200 мм (рис. 12.34).

499

Ч А С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

Объектная плата содержит изучаемый микроконтроллер Philips 80C552 и технологический микроконтроллер Atmel AT89S8252, предназначенный для связи объектного модуля с внешним пользователем по каналу Ethernet, выполнения всех необходимых коммутаций и измерений параметров, а также целевой набор блоков, узлов, элементов и средств их коммутации, необходимых для изучения свойств микроконтроллера.

Условно модуль для изучения микроконтроллера можно разделить на две части, имеющие разное функциональное назначение. Первая часть выполняет функции измерительно-управляющей подсистемы и реализует следующие функции:

•прием задания от сервера стенда;

•загрузку управляющей программы в ОЗУ программ МК CPU2;

•формирование тестовых сигналов, соответствующих заданию;

•контроль выходных сигналов МК CPU2;

•передачу результатов выполнения задания на сервер стенда.

Вторая часть является объектом изучения и содержит микроконтроллер

идополнительную периферию, необходимую для выполнения типовых задач. Изучаемый микроконтроллер имеет следующие показатели:

•8-разрядное ядро, совместимое по системе команд и архитектуре с микросхемой 8051 фирмы Intel;

•внутреннее ОЗУ 256 байт, не считая управляющих SFR-регистров, с возможностью внешнего расширения памяти до 64 кб;

•два 16-битных таймера Т0 и Т1 стандартной архитектуры от 8051;

•дополнительный 16-битный таймер Т2, сопряженный с четырьмя встроенными схемами захвата и тремя регистрами сравнения;

•10-битный АЦП с 8-канальным мультиплексором. Питание АЦП изолировано от цифровых цепей;

•два независимых 8-битовых ШИМ генератора с программно-регулируемым периодом следования;

•пять стандартных цифровых портов ввода/вывода (P0—P4), из которых два используются как микропроцессорная шина, а остальные имеют альтернативные функции, а шестой порт ввода совмещен с аналоговым входом;

•стандартный последовательный асинхронный канал UART, предоставляющий возможность сопряжения с компьютером;

•аппаратный интерфейс приборной шины I2C поддерживает как Master-, так

иSlave-режимы и позволяет подключать внешние устройства ввода/вывода, использующие последовательный канал. Скорость передачи регулируется;

•сторожевой таймер T3, осуществляющий сброс микроконтроллера, если он входит в ошибочные состояния процессора.

Конкретными объектами изучения являются:

•цифровые порты ввода/вывода. Данная работа позволяет изучить основы функционирования портов ввода/вывода, способы индивидуального программирования линий порта на ввод/вывод или на применение альтернативных функций. Знания, полученные в данной работе, являются базовыми и будут использоваться во всех дальнейших работах;

•блок прерываний (обработка внешних и внутренних прерываний). Данная работа предназначена для исследования организации и возможностей системы прерываний;

500

Гл а в а 12. Лабораторный практикум

•стандартные 16-битные таймеры/счетчики. Данная работа предназначена для изучения принципа действия двух программируемых Т/С, которые могут быть использованы как в качестве таймеров, так и в качестве счетчиков внешних событий;

•расширенный 16-битный таймер/счетчик с функциями захвата и сравнения.

Вданной работе рассматриваются дополнительные возможности, которые предоставляет третий таймер/счетчик в режимах захвата/сравнения и генерации произвольной выдержки;

•внешний цифроаналоговый преобразователь. Целью данной работы является исследование возможностей микроконтроллера по формированию аналоговых сигналов по заданной программе с помощью внешнего ЦАП, а также изучение особенностей его взаимодействия с внешними устройствами;

•встроенный блок ШИМ. Данная работа предназначена для изучения способов формирования ШИМ-сигналов с помощью данного блока и возможностей использования сигналов для управления аналоговыми устройствами;

•встроенный аналого-цифровой преобразователь. Данная работа предназначена для исследования функциональных возможностей встроенного АЦП с восемью мультиплексированными аналоговыми входами.

Кроме того, в каждой работе предусмотрены типовые задачи обработки информации, взаимодействия с внешней памятью программ и данных и использования сторожевого таймера.

Портативная Интернет-лаборатория «Основы электроники» отмечена Золотой медалью ВВЦ № 1512 (Постановление от 23.10.2003 г. № 55), а также Дипломом Всероссийского форума «Образовательная среда—2004».

Авторские права защищены Свидетельствами об официальной регистрации программно-технических комплексов [12.4—12.8].

12.3.Виртуальный лабораторный практикум

Виртуальный лабораторный практикум (ВЛП) предполагает замену всех реальных частей лабораторного практикума на программные модели, что уводит обучаемого от реальных объектов изучения. Однако использование ВЛП имеет и положительные стороны, так как позволяет работать с моделями процессов, оборудования и приборов, которые не могут быть использованы в учебном процессе.

Стоит ли использовать, приобретать и тем более разрабатывать виртуальные лабораторные практикумы, зависит от дисциплины, поставленной педагогической задачи, сложившихся в данном педагогическом коллективе традиций и от многого другого.

Разнообразие видов виртуальных лабораторных практикумов, способов их применения, архитектур, платформ для разработки очень широко, поэтому здесь все этапы формулировки концепции, выбора архитектуры, технологий создания, применения ВЛП рассматриваются на примере виртуального лабораторного практикума по электротехническому материаловедению (ВЛП ЭТМ), опубликованного по адресу http://eltech.mpei.ac.ru/webapps/etm/. Для иллюстрации некоторых приложений используются примеры из других виртуальных лабораторных практикумов.

Трудоемкость разработки виртуальных лабораторных практикумов существенно выше, чем трудоемкость создания электронных учебников: написать, издать, опубликовать и использовать электронный учебник при желании можно

501

ЧА С Т Ь 3. ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ

спомощью «подручных» средств, установленных практически на каждом современном компьютере. Создание электронного учебника — это издательский проект, а ВЛП — проект программный, требующий написания, отладки и сопровождения достаточно больших объемов программного кода. Именно поэтому в заключительной части раздела кратко рассматриваются вопросы, связанные с оценкой трудоемкости разработки ВЛП.

Кроме того, демонстрируется, что ВЛП могут быть разработаны в условиях кафедры вуза, не имеющей непосредственного отношения к программированию и информационным технологиям.

12.3.1.Недостатки, преимущества и области применения виртуальных

лабораторных практикумов

Рассмотрим основные недостатки и преимущества использования виртуальных лабораторных практикумов. Основной недостаток состоит в том, что обучаемый теряет всякую связь с реальным объектом обучения, подменяемым программной моделью. Для многих дисциплин этот недостаток является непреодолимым, для других экономические и прочие факторы делают использование ВЛП приемлемым

идаже желательным. Примерами этого служат тренажеры сложных систем, например летательных аппаратов, систем вооружения, энергетических систем.

Очень многое зависит от способов применения ВЛП; в ряде случаев в условиях очного обучения хорошим результатам способствует совместное использование реальных объектов изучения и их моделей.

Вто же время использование виртуальных лабораторных практикумов дает

иряд преимуществ по сравнению с реальными лабораторными практикумами:

•программные модели имитируют работу с объектами, процессами и оборудованием, применение которых в вузах проблематично, например, моделируя доступ студентов к уникальному оборудованию или для исследования воздействия радиационных объектов на объект изучения;

•программные модели позволяют произвольно менять временные масштабы изучаемых процессов, делая возможным проведение за разумное время лабораторных работ, моделирующих длительные процессы, например, выращивания кристаллов, когда процесс может длиться несколько дней или даже недель;

•повышает в разумных пределах интенсивность обучения, позволяя за счет изменения временных масштабов выполнить за время проведения лабораторной работы большее число экспериментов (в виртуальном лабораторном практикуме по электротехническому материаловедению за счет сокращения времени нагрева исследуемых образцов различных материалов);

•ВЛП позволяют решить проблему загрузки лабораторного оборудования — программную модель можно выполнить в любое время, в любом месте, на любом числе рабочих мест; это позволяет проводить лабораторные занятия фронтально,

ане бригадным методом, когда каждый студент выполняет индивидуальное задание;

•стоимость разработки (а следовательно, приобретения) и эксплуатации ВЛП обычно существенно ниже по сравнению с реальными лабораторными практикумами.

Перечислим задачи, которые требуется решить перед использованием ВЛП в учебном процессе.

502