6. Система ввода-вывода фирмы National Instruments. Системы согласования сигналов scxi и scc. Многофункциональные платы и устройства для сбора данных. Модульные измерительные системы стандарта pxi.

При разработке и создании автоматизированных измерительных и управляющих систем неизбежно возникает проблема выбора оборудования. Инженеру нужно ясно представлять весь многообразный спектр оборудования, особенности его эффективного применения при решении конкретной задачи.

В каталоге фирмы National Instruments имеется большой выбор систем и устройств ввода-вывода. В связи с широким применением персональных компьютеров типа IBM PC и его многочисленных клонов, большинство устройств ввода-вывода изготавливаются в виде плат расширения, которые имеют стандартные размеры и устанавливаются в разъемы (слоты) системной (материнской) платы.

Сопряжение большинства устройств ввода-вывода организовано по магистрально-модульному принципу. Для сопряжения устройств ввода-вывода используются шины PCI, PXI, Compact PCI, PCMCIA, USB, Fire Wire (IEEE 1394). Для удаленных устройств сбора данных используется подключение к компьютеру через сеть Ethernet.

Скорость ввода и вывода информации во многом определяется пропускной способностью шины. Шина PCI, которая лежит в основе открытого промышленного стандарта PXI, имеет пропускную способность 132 МБ/с. Отметим, что по сравнению с ней традиционный интерфейс IEEE 488 (GPIB) или «приборная шина» по ГОСТ, используемая для организации систем измерения, имеет почти 100-кратную меньшую производительность.

Для максимально скоростного ввода и вывода больших объемов информации используется режим прямого доступа к памяти (ПДП). Английский эквивалент этой аббревиатуры – DMA. Данные в режиме ПДП записываются напрямую в память, минуя процессор. Поэтому в режиме ПДП вычислительные и управляющие функции процессора не прерываются. Режим ПДП реализуется аппаратно с помощью специального контроллера, что освобождает процессор машины от функций управления передачей данных.

National Instruments предлагает модульную систему согласования сигналов SCXI и портативную систему согласования SCC для малоканальных измерительных систем. Основное назначение этих систем согласование и унификация измерительных сигналов с различных датчиков и источников сигналов. Программное обеспечение всех этих устройств поддерживается LabVIEW, SignalExpress, TestStand, Measurement Studio, LabWindows/CVI.

Система SCXI позволяет выполнять следующие функции: согласование и унификация сигналов с различных датчиков (термопар, термометров сопротивления, термисторов, тензодатчиков, акселерометров и т.д.); коммутация сигналов; программируемое усиление сигналов; гальваническая развязка; фильтрации; электропитание датчиков; выборку и хранения сигналов.

Конструктивно выполнена в виде шасси с 4 и 12 слотами с принудительной вентиляцией для экранированного размещения модулей. Подключение сигналов осуществляется с помощью винтовых соединителей, съемных коннекторов, BNC разъемов или термопарных вилок. В каталоге фирмы насчитывается широкий выбор – свыше 30 различных модулей SCXI, позволяющих сконфигурировать систему ввода под конкретную измерительную задачу.

Система согласования SCC по функциям аналогична системе SCXI. По назначению система SCC ориентирована на портативные и мобильные измерительные устройства, имеющих небольшое количество аналоговых и цифровых каналов.

Конструкция SCC представляет компактный низкопрофильный экранированный корпус, вмещающий до 20 модулей. Имеются модули гальванической развязки линий аналогового и цифрового ввода-вывода. Цифровые линии ввода-вывода имеют оптическую развязку.

Многофункциональные платы и устройства для сбора данных для ввода-вывода данных National Instruments предлагает:

• платы сбора данных M серии;

• платы сбора данных S серии;

• платы сбора данных SC серии с согласованием сигналов;

• платы сбора данных базового уровня B серии;

• конфигурируемые платы ввода-вывода;

• платы для высокоточной регистрации температуры и напряжения;

• портативные устройства сбора данных E серии;

• управляемые источники тока и напряжения (приборы аналогового вывода);

• устройства цифрового ввода-вывода и счетчики/таймеры.

Программное обеспечение устройств ввода-вывода поддерживается LabVIEW, SignalExpress, TestStand, Measurement Studio, LabWindows/CVI.

Высокопроизводительные многофункциональные платы сбора данных M серии имеют функции аналогового и цифрового ввода-вывода, функции счетчика/таймера. Сопряжение платы осуществляется по шинам PCI, PXI. Частота оцифровки АЦП для этих плат лежит в диапазоне от 100 кГц до 2,8 МГц при разрядности АЦП от 16 до 18. Аналоговые выходы, сформированные с помощью ЦАП, имеют разрешение от 12 до 16 бит. Скорость аналогового вывода – до 2,8 МГц. Количество входных аналоговых каналов для однопроводного включения (SE) с общей землей – от 16 до 64. При двухпроводном симметричном дифференциальном включении (DI) – соответственно 8 и 32. Цифровые каналы содержат от 8 до 48 линий, в которых обеспечивается скорость ввода-вывода до 10 МГц. В некоторых платах встроены антиальянсные фильтры от наложения частот.

Многофункциональные платы сбора данных S серии имеют функции аналогового и цифрового ввода-вывода, функции счетчика/таймера. Особенностью этой серии является одновременная (синхронная) оцифровка сигналов по всем входным каналам. Сопряжение платы осуществляется по шинам PCI, PXI. Частота одновременной оцифровки всех каналов для этих плат лежит в диапазоне от 250 кГц до 10 МГц при разрядности АЦП от 12 до 16. Аналоговые выходы, сформированные с помощью ЦАП, имеют разрешение от 12 бит. Количество входных аналоговых каналов от 2 до 8. Цифровые каналы содержат 8 линий. В некоторых платах встроены антиальянсные фильтры от наложения частот.

Платы сбора данных SC серии с согласованием сигналов имеют функции согласования и аналогового ввода. Сопряжение платы осуществляется по шине PXI. Частота оцифровки каналов для этих плат составляет 200 кГц при разрядности АЦП в 16 бит. Количество входных аналоговых дифференциальных каналов от 2 до 8. Кроме того, имеются входные мостовые схемы согласования с датчиками. Имеют по каждому каналу регулируемое усиление (0,5; 1; 10; 100). В некоторых платах встроены 2-х и 4-х полюсные фильтры Баттерворта.

Платы сбора данных базового уровня B серии представляют собой упрощенные устройства сбора данных при минимальных ценах. Тем не менее, эти устройства позволяют решать достаточное множество измерительных задач. Имеют функции аналогового ввода-вывода. Сопряжение платы осуществляется по шине PCI. Частота оцифровки каналов для этих плат составляет 200 кГц при разрядности АЦП в 16 бит. Количество входных аналоговых каналов SE – до 16. Количество выходных аналоговых каналов до 2 с разрешением до 16 бит. Цифровые каналы содержат 8 линий.

Конфигурируемые платы ввода-вывода снабжаются программируемой логической интегральной схемой (ПЛИС), реконфигурируемой с помощью программного модуля LabVIEW FPGA Module. В плате ввода-вывода можно под конкретную задачу настроить управление и синхронизацию линий ввода-вывода, организовать счетчики-таймеры или разработать собственный интерфейс и т.д. Имеют функции аналогового ввода-вывода. Сопряжение платы осуществляется по шине PXI. Частота оцифровки каналов для этих плат составляет 200 кГц при разрядности АЦП в 16 бит. Количество входных аналоговых каналов SE – до 16. Количество выходных аналоговых каналов 8 с разрешением до 16 бит с временем обновления 1 мкс. Содержат 96 синхронизируемых цифровых линий, конфигурируемых как вход, выход, счетчик. Возможна настройка системы синхронизации с разрешением 25 нс.

Открытый промышленный стандарт PXI (PCI Extension for Instrumentation) был введен в 1997 году альянсом PXISA, состоящим из 68 фирм. PXI система представляет собой модульную конструкцию, построенную на основе высокоскоростной шины PCI с пропускной способностью 132 МБ/с. На одном шасси PXI может быть установлено до 17 измерительных модулей с возможностью высокоточной синхронизации работы модулей по дополнительным встроенным линиям шины. Количество разнообразных модулей, выпускаемых различными фирмами, насчитывает свыше 1100 наименований. Это позволяет строить высокопроизводительные измерительные системы практически любой сложности.

Управление модулями и измерительными процессами может осуществляться встроенным PXI контроллером или с удаленного персонального компьютера, подключенного через скоростной последовательный интерфейс MXI-4 посредством коаксиального (до 10м) или оптоволоконного кабеля (до 200 м).

Встроенный контроллер с предустановленной ОС Windows обеспечивает более надежную работу PXI системы. Для решения задач регулирования и управления, а также высокоточной выработки управляющих сигналов в гарантированное время используют PXI системы с встроенным PXI RT контроллером жесткого реального времени. Программное обеспечение для разработки приложений реального времени поддерживаются LabVIEW и модулем LabVIEW RT.

При решении задач ПИД-регулирования системы реального времени на платформе PXI обеспечивают высокую частоту цикла управления от 6 кГц до 43 кГц, что позволяет создавать высокоскоростные системы управления приводами в робототехнике и различными исполнительными механизмами, системы группового и многоконтурного ПИД-регулирования и т.д.

Модульное измерительное оборудование NI позволяет выполнять с высокой точностью измерения сигналов с частотами до 2,7 ГГц. Для высокоточного 24-битного преобразования используются дельта-сигма АЦП (см. раздел 3.2.3). Семейство модульных приборов NI содержит:

• высокоточные осциллографы (сигналы до 200 МГц с разрешением до 24 бит);

• генераторы сигналов (до 200 МГц с разрешением до 16 бит);

• цифровые генераторы/анализаторы (до 400 Мбит/сек);

• цифровые мультиметры (до 7½ знаков);

• генераторы и анализаторы высокочастотных сигналов (до 2,7 ГГц);

• анализаторы динамических сигналов (до 200 кГц с разрешением до 24 бит);

• коммутаторы (мультиплексоры, матричные и универсальные модули реле).

7. Виртуальные приборы (ВП). Построение измерительного комплекса. Технология ВП. Создание ВП в среде графического программирования LabVIEW. Построение программной модели ИС. Моделирование ИИС. Преимущество ВП. Роль ВП в дистанционных автоматизированных учебных лабораториях.

Построение виртуального измерительного комплекса.

Персональный компьютер может превратиться в мощный измерительный комплекс, если его снабжать одними или несколькими аналоговыми входами. Его клавиатура и экран предоставляют существенно большие возможности по сравнению с теми, которые могут дать мультиметр или осциллограф, а дисковод и принтер прекрасно подходят для регистрации любых длительных процессов. Кроме того, вычислительная мощность ПК позволяет подвергать собранные с его помощью информационные данные любой, даже очень сложной обработке.

В промышленности и научных лабораториях для превращения ПК в виртуальный измерительный прибор используются сложные и дорогостоящие платы, которые устанавливаются в компьютер. Но можно добиться достойных результатов, просто подключив небольшие аналого-цифровые преобразователи к стандартным последовательным или параллельным портам.

Собственно виртуальный прибор представляет собой более или менее сложное программное обеспечение, установленное на персональный компьютер, и некое интерфейсное устройство, позволяющее ПК получить доступ к тем физическим величинам и процессам, которые он должен будет обрабатывать. Как правило, в качестве такого интерфейса выступает аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с одним или несколькими входами, возможно, снабженный устройством нормирования входного сигнала.

Технология виртуальных приборов позволяет создавать системы измерения, управления и диагностики различного назначения любой произвольной сложности, включая математическое моделирование и тестирование этих систем. Суть этой технологии состоит в компьютерной имитации с помощью программ реальных физических приборов, измерительных и управляющих систем.

Слово «виртуальный» не должно вводить в заблуждение читателя, поскольку приборы, реализованные по этой технологии, на самом деле являются реальными, работающими с реальными физическими входными сигналами. Виртуальность здесь понимается в смысле виртуальной имитации функций прибора математическими и программными методами. Например, виртуальный осциллограф по функциям эквивалентен реальному осциллографу, поскольку имеет физический вход для электрического сигнала. Преобразование сигнала в цифровой сигнал осуществляется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Дальнейшая обработка и управление сигналом, его отображение для наблюдения осуществляется программным способом. Такой осциллограф имеет виртуальный экран, виртуальные ручки управления (усиление, синхронизация, развертка и т.д.), графически отображаемые на экране монитора компьютера. Ручки, переключатели, кнопки виртуального прибора управляются с клавиатуры или посредством мыши.

Другой пример, виртуальный генератор сигналов. Такой виртуальный генератор имеет электрический выход, входы для синхронизации, также виртуальные ручки управления по функциям аналогичным как у обычного генератора. Выходные электрические сигналы (гармонический, пилообразный, прямоугольный и т.д.) формируются цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП). Генерация сигналов различной формы осуществляется программно-математическими методами. Например, если для генерации синусоидального сигнала в реальном генераторе используется колебательный контур, включенный в цепь обратной связи усилителя, то в виртуальном генераторе гармонический сигнал получается математически непосредственно по соответствующей тригонометрической формуле для синусоиды.

Преимущество технологии виртуальных приборов состоит в возможности программным путем, опираясь на мощь современной компьютерной техники, создавать разнообразные приборы, измерительные системы и программно-аппаратные комплексы.

Компьютер, как центральный орган любой виртуальной измерительной системы выполняет, прежде всего, функции интерфейса «человек-объект измерения». Экран любого монитора дает гораздо больше возможностей для индикации, чем экран осциллографа (будь тот даже запоминающим), и, разумеется, экран монитора значительно больше, чем дисплей мультиметра. Клавиатура и особенно мышь удобнее в работе, чем кнопки, а принтер - даже простейший - предоставляет неоценимые возможности для вывода результатов на бумагу. Кроме того, любой ПК обладает большой вычислительной мощностью, которую можно использовать для того, чтобы применить различные виды обработки результатов измерений: нормирование (приведение шкалы), ли­неаризацию, временную привязку, вычисление статистических по­казателей и т.д. Наконец, дисковый накопитель будет очень удобен для накопления больших объемов данных с целью их последующей обработки, архивирования или передачи по линиям связи с по­мощью модема.

Измерение физических параметров, таких как напряжение, ток, температура или давление, предполагает точную оценку аналоговых величин. Компьютер же работает исключительно с дискретными величинами. Следовательно, процесс превращения ПК в виртуальный измерительный прибор предполагает подключение аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Компьютер может управлять АЦП либо через последовательный или параллельный порты, либо непосредственно через шины, если аналого-цифровой преобразователь выполнен в виде платы расширения или карты PCMCIA.

Первый вариант гарантирует максимальную простоту и дешевизну, а при использовании второго можно получить отличные характеристики, но только за счет сложности и высокой цены.

Интерфейсное устройство также может выполнять и другие необходимые функции, например, гальваническую развязку источников сигналов от цепей ПК, согласование сигналов, формируемых некоторыми типами датчиков, по импедансу, напряжению, полярности и т.д., а также коммутацию нескольких входных каналов.

Область применения виртуального прибора практически полно­стью определяется характеристиками программного обеспечения.

Промышленные изделия подобного рода почти всегда используются при работе с более или менее развитым графическим интер­фейсом (кстати, не всегда под Windows), позволяющим выбрать какой-либо режим с помощью клавиатуры или мыши через различ­ные меню.

Удобно создавать маленькие программы, специально предназначенные для выполнения той или иной практической задачи. Часто они пишутся на таком популярном языке, как BASIC. Небольшое структурирование этих программ позволит при условии перестановки только соответствующего драйвера применять и промышленные интерфейсные устройства.

Помимо выполнения программ сбора данных, пользователь виртуального измерительного прибора сможет часто экспортировать результаты измерений в более развитые приложения, например электронные таблицы или программы построения диаграмм. Эти офисные приложения делают понятными самые абстрактные записи или массивы данных, выделяя в них незаметные на первый взгляд тенденции или взаимные связи. И, конечно, файлы цифровых данных, полученные при записи измеряемых физических параметров, могут передаваться по линиям связи с использованием модема, в частности по электронной почте и через Internet.

При сравнении реальных и виртуальных приборов, помимо предоставляемых возможностей и режимов работы, надо также принимать во внимание и их основные характеристики - точность и быстродействие.

Точность виртуального прибора определяется не только количеством цифр после запятой, которое выводится да экран управляющей программой. Кстати, эти цифры могут быть ошибочными, если не приняты некоторые меры метрологического характера. Одним из основных критериев является разрядность аналого-цифрового преобразователя. Этот параметр определяет степень разрешения при измерениях, то есть ту наименьшую разницу между двумя соседними значениями, которую «чувствует измерительный прибор. К примеру, восьмиразрядный АЦП способен формировать 2⁸, или 256 различных значений выходного сигнала (кода). Если его полная шкала составляет 5 В, он сможет различить два уровня входного напряжения, отличающиеся примерно на 20 мВ; это соответствует чувствительности хорошего стрелочного гальванометра класса 0,4 или большинства осциллографов. Простой расчет показывает, что входное напряжение 4 В может быть измерено с точностью около 0,5%, а напряжение 100 мВ – лишь с точностью около 20%.

Здесь проявляется известное эмпирическое правило «последней трети шкалы», которое, вероятно, известно всем пользователям аналоговых мультиметров и остается столь же актуальным в циф­ровую эпоху.

12-разрядный АЦП с возможностью формирования на выходе 2¹² = 4096 различных значений сможет измерить напряжение 4 В с точностью около 0,03%, а 100 мВ – с точностью около 1,2%.

Кроме того, определяющее значение для точности всего устрой­ства имеет точность характеристик источника опорного напряже­ния, работающего с АЦП. Высоко ценятся источники опорного напря­жения с допуском 0,1%. Кроме того, надо учитывать неизбежный температурный дрейф, влияние которого может оказаться сущест­венным при проведении измерений в полевых условиях в разное время года.

Что касается быстродействия, следует указать, что большинство виртуальных приборов, доступных по цене, имеет относительно узкую полосу рабочих частот. Это вызвано, с одной стороны, затратами времени, необходимыми АЦП для выполнения каждого преобразования «аналог-цифра», а с другой стороны – затратами времени, необходимыми для программной обработки результатов. Виртуальные приборы чаще всего ограничены по скорости измерений (от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч отсчетов в секунду). Этого более чем достаточно, например, для регистрации кривых заряда или разряда аккумуляторов, а также размеров метеорологических параметров. Но для правильного отображения формы звукового сигнала на экране виртуального осциллографа или для выполнения серьезного спектрального анализа ресурсов потребуется больше.

Существует множество способов для преобразования аналогового сигнала - электрического напряжения или тока, изменяющегося плавно и непрерывно, - в поток цифровых данных, представляю­щий собой дискретную кодированную последовательность импуль­сов. На практике чаще всего используется аналого-цифровое пре­образование с помощью импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). В этом случае процесс начинается с представления непрерывного сигнала в виде последовательности отсчетов, которые берутся через определенный промежуток времени (иначе говоря, с определенной частотой дискретизации). Эту функцию выполняет схема, называ­емая устройством выборки-хранения. Запоминая мгновенное зна­чение входного сигнала (чаще всего на конденсаторе), это устрой­ство обеспечивает сохранение величины взятого отсчета на время процесса оцифровки, который состоит в представлении амплитуды каждого отсчета в форме двоичного кодового слова с определенным количеством разрядов. Способ, используемый для выполнения та­кой оцифровки, и определяет возможности, сложность и цену аналого-цифрового преобразователя.

В семидесятых годах первые АЦП представляли собой большие печатные платы или, в лучшем случае, большие гибридные модули, которые обычно очень дорого стоили. Полупроводниковые инте­гральные микросхемы АЦП, пришедшие им на смену, тоже поначалу были довольно дороги, причем выпускались они в неудобных кор­пусах с большим количеством выводов. Даже теперь это остается актуальным, но только для некоторых типов АЦП с очень высокими характеристиками (разрешение, быстродействие, число входов); гораздо более простые и дешевые модели появились лишь несколько лет назад.

Интерфейсные платы внутреннего исполнения

Устройства, выполненные на платах, которые устанавливаются в слоты материнской платы ПК, позволяют достичь в реальном масштабе времени частоты дискретизации в несколько десятков мегагерц и разрядности 16 или 24, причем часто для нескольких входных каналов одновременно.

Эти устройства жестко подключены к шине центрального про­цессора и могут работать в режиме прямого доступа к памяти (ПДП - DМА), а следовательно, полностью использовать возмож­ности самых быстрых процессоров. Лучшие модели даже могут быть снабжены буферной памятью объемом до нескольких мега­байтов, позволяющей регистрировать самые быстрые процессы в ре­альном масштабе времени.

Компания National Instruments всегда была пионером в данной сфере и сейчас по-прежнему занимает лидирующие позиции в этой области рынка, ставшей в настоящее время полем жесточайшей конкуренции.

Традиционными потребителями указанной категории изделий в развитых странах являются промышленные отрасли и научные организации, иначе говоря, потребители, которые не экономят на средствах, позволяющих получить метрологически безупречные результаты.

Внешние интерфейсные устройства

В случаях, когда быстродействие не имеет первостепенного зна­чения, элегантное и экономичное решение представляют внешние интерфейсные устройства, подключаемые к ПК через последовательный или параллельный порты. К этому типу интерфейсов мож­но отнести как миниатюрный АЦП, расположенный в корпусе разъема РВ25, так и классический мультиметр, снабженный разъемом RS232, а также настольный прибор, имеющий на корпусе не­сколько разъемов и органов управления.

Фирма National Instruments предлагает оригинальное решение, находящееся посередине между двумя указанными вариантами и пре­красно подходящее для портативных ПК. Виртуальный мультиметр, разработанный этой фирмой, выполнен в виде карты РСМСIА, установить которую также просто, как вставить диске в дисковод, хотя ее параметры не уступают многим одноканальным платам, предназначенным для внутреннего монтажа. Диалоговое окно мультиметра показано на рис.

Аналого-цифровые преобразователи ADC 10 и ADC 12

Среди моделей, предлагаемых в виде внешних интерфейсов, ми­ниатюрные аналого-цифровые преобразователи АDС 10 и АDС 12 компании PICO Technology пользуются большой популярностью. Причиной тому служит исключительная простота их применения и доступная цена. ADС 10 и АDС 12 представляют замечательную возможность добавления одного или нескольких аналоговых входов к любому ПК.

Программное обеспечение, поставляемое в комплекте АЦП, сразу превращает компьютер в цифровой мультиметр, запоминающий осциллограф, анализатор спектра и даже в ленточный регистратор (самописец), при чем все эти виртуальные приборы работают с сигналами в полосе частот от нуля (постоянный ток) до нескольких килогерц.

Подобное оборудование при наличии соответствующих датчиков и устройств нормирования отлично подходит для измерения и регистрации самых разных физических параметров.

Рис. Внешний вид АЦП ADC 10 и ADC 12

Концепция, разработанная британской компанией PICO Technology, весьма оригинальна: АЦП ADC 10 и ADC 12 выполнены в виде простого разъема DB 25 (рис.). Подключение аналогового сигнала осуществляется с помощью кабеля через разъем типа BNC (CP50-73).

Достаточно вставить один из этих приборов в разъем параллельного порта (LPT1 или LPT2), чтобы превратить последний в аналоговый вход с диапазоном напряжений от 0 до 5 В. Не нужно ни батарей, ни другого внешнего источника питания, так как сам АЦП и его источник опорного напряжения потребляют столь мало энергии, что питаются от тех цепей передачи данных, которые не задействованы для связи с ПК. Надо лишь запустить программу PICOSCOPE, поставляемую вместе с АЦП, чтобы сразу же получить цифровой вольтметр, запоминающий осциллограф и анализатор спектра.

Значительную роль играют виртуальные приборы в дистанционных автоматизированных учебных лабораториях.

В процессе обучения студент постигает теорию и практику инженерных дисциплин. Лекционные и семинарские занятия соответственно должны обеспечивать формирование и развитие абстрактного инженерного мышления. Практические знания и навыки будущий инженер получает главным образом в процессе выполнения лабораторного практикума, в ходе которого формируется практическое мышление инженера.

На лабораторные практикумы при подготовке инженера затрачивается около 30-40% от общего времени его обучения. Эта составляющая учебного процесса является наиболее дорогостоящей и затратной. Поскольку для ее обеспечения требуются специальные лаборатории, помещения, современное оборудование, стенды, приборы и т.д. Для обслуживания, помимо преподавательского состава, также необходимы квалифицированные кадры инженеров и техников. Поэтому весьма важно продвижение современных информационных и телекоммуникационных технологий в лабораторные практикумы и в учебный эксперимент как с целью повышения эффективности обучения, так и снижения материальных затрат и себестоимости учения.

Лабораторная и экспериментальная база ВУЗа достаточно консервативна в силу финансовых и материальных ограничений. Поэтому она практически не успевает отслеживать бурное развитие техники и неизбежно морально устаревает. В современных быстро изменяющихся условиях, в которых сетка специальностей и специализаций должна быстро и непрерывно адаптироваться к запросам промышленности, реальная лабораторная и экспериментальная база ВУЗа не в состоянии поддерживать учебный процесс на должном уровне. Следует также отметить, что отставания материальной базы от требований жизни является не только вузовской проблемой, но и общей проблемой в промышленности и для различных организаций и фирм, занимающихся разработками новой техники.

Современная технология виртуальных приборов позволяет существенно сократить этот разрыв и сэкономить значительные финансовые ресурсы, не снижая качества обучения. Мировая вузовская практика подтверждает устойчивую и усиливающуюся тенденцию продвижения виртуальных технологий в учебном процессе. Программная среда LabVIEW, поддерживающая технологию виртуальных приборов, и соответствующее аппаратное обеспечение позволяют модернизировать учебные лаборатории гибким, программно перестраиваемым, измерительным оборудованием или модернизировать имеющиеся средства измерений практически любой сложности, а также внедрять автоматизированные измерительные системы и станции для учебного процесса и комплексных исследований в вузовской науке.

Для практической реализации технологии виртуальных приборов и систем измерения в учебном процессе достаточно приобрести недорогую стандартную плату аналогового ввода-вывода, основными составляющими которой являются многоканальный коммутатор и аналого-цифровой преобразователь. Плата устанавливается в системном блоке персонального компьютера.

В последние годы в вузовском образовании ускоренно развиваются дистанционные формы обучения. Прежде всего, эта форма получила распространение в обучении специалистов гуманитарного цикла. Основным препятствием использования дистанционной формы в подготовке инженерных специальностей в технических вузах является невозможность проведения лабораторных практикумов на основе традиционных технологий обучения и устаревшего приборного парка. Технология виртуальных приборов и современные средства телекоммуникации позволяют эффективно осуществлять дистанционный учебный эксперимент практически с любой географической точки.

Переход на дистанционные формы обучения невозможен без предварительного перевода приборной базы на виртуальные, так как старые или обычные приборы не имеют цифровые интерфейсы и не могут управляться дистанционно на основе сетевых информационных технологий. Перевод учебного процесса на виртуальные приборы и дистанционное обучение дает следующие возможности:

1. Круглосуточная автоматическая работа дистанционной учебной лаборатории (без преподавателя и лаборанта, нет необходимости в лабораторных помещениях и в посадочных местах для студентов и т.п.). Достигается сокращение учебных площадей, оптимизация учебного расписания, экономия за счет сокращения часов, выделенных на проведение занятий (до 30-40% фонда заработной платы).

2. Индивидуализация и повышение качества обучения. Студент самостоятельно вынужден будет выполнять лабораторную работу, а не группой в 3-4 человека за одной лабораторной установкой. Автоматически ведется допуск к работе, хронометраж работы с указанием календарного времени, а также записываются все действия студента на лабораторной установке. Преподаватель имеет возможность объективно оценить работу студента по результатам мониторинга. Появляются качественно новые возможности для самостоятельной работы студентов. Длительность выполнения работы не ограничиваются 4-мя академическими часами, а выполняется за время, сколько требуется студенту.

3. Общедоступность дистанционной лаборатории с любой географической точки и в любое время. Расширяется образовательное пространство вуза. Обучение не локализовано пределами какого-либо учебного здания или вуза. Дистанционный лабораторный практикум студент может выполнять из филиала, общежития или из дома. Появляется возможность использования дистанционных лабораторий в кооперации с другими вузами, а также возможность приема в вуз и обучения студента, живущего в любом городе или удаленном населенном пункте.

В конечном счете, современные дистанционные технологии обучения создают основу общедоступности и демократизации высшего образования в гражданском обществе.

Возможность перевода лабораторных практикумов на дистанционную основу появляется при условии обеспечения удаленных реальных измерений и их аппаратной и программной поддержки. Таким образом, возникает задача создания системы дистанционного управления экспериментом (СДУЭ), являющейся основой дистанционных лабораторных работ. СДУЭ должна обеспечивать возможность доступа студентов к лабораторным ресурсам (ЛР) вуза из любой географической точки в многопользовательском режиме в реальном масштабе времени и, следовательно, обеспечивать необходимую пропускную способность.

Для реализации СДУЭ была выбрана среда программирования LabVIEW, позволяющая оптимально решать задачи, возникающие при реализации дистанционных систем, а именно: создание автоматизированных измерительных комплексов (в том числе распределенных); организация передачи данных по информационно-вычислительным сетям (Интернет, ЛВС); создание гибких пользовательских интерфейсов и т.д.