лаборатория «современные системы автоматизации научных

ЛАБОРАТОРИЯ «СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ
НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ» В МГУ: УЧЕБНЫЕ КУРСЫ И
РАЗРАБОТКА СИСТЕМ.
П.М. Михеев
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,
Физический факультет и Международный учебно-научный лазерный центр МГУ
лаборатория «Современные системы автоматизации научных исследований»
т. (495) 939-41-48, e-mail: mikheev@femto.phys.msu.ru, сайт: http://labview.ilc.edu.ru
На базе программно-аппаратного комплекса National Instruments в лаборатории
«Современные системы автоматизации научных исследований» МГУ созданы новые
учебные курсы и прикладные разработки.
За год, прошедший с предыдущей конференции, произошло много интересных
событий: вышла новая версия LabVIEW 8.2 и LabVIEW Embedded Development Module,
появилась система сбора данных CompactDAQ и многое другое. Для лабораториипрактикума «Современные системы автоматизации научных исследований»
(физический факультет и МЛЦ МГУ) это время так же не прошло даром.
Далее я хочу рассказать о новых учебных курсах и прикладных
разработках, созданных нами на базе программно-аппаратного
комплекса National Instruments LabVIEW. С подробным списком
лабораторных работ практикума и дополнительной информацией о
лаборатории
можно
ознакомиться
на
сайте
по
адресу
http://labview.ilc.edu.ru .
Технологии National Instruments в образовательном процессе.
На физическом факультете МГУ обучение студентов программному комплексу
LabVIEW проводится уже более 8 лет. В конце 2004 года в МЛЦ МГУ была создана
лаборатория «Современные системы автоматизации научных исследований», которая в
2005 году получила официальный статус авторизованного учебного центра National
Instruments. В настоящее время образовательная деятельность лаборатории связана с
обучением студентов, проведением курсов повышения квалификации, созданием
учебных стендов и курсов.
В настоящее время завершено создание учебного курса по системам технического
зрения на базе модуля NI Vision и программного комплекса LabVIEW. Курс состоит из
теоретической части, в которую входит описание возможностей пакета NI Vision,
применение его базовых функций, рассмотрение особенностей работы с цифровыми и
аналоговыми камерами, и возможностей анализа и обработки изображений. В
практической части курса предлагается шесть лабораторных работ, охватывающих
почти все практические аспекты создания систем технического зрения.
На основе DSP модуля и программного комплекса National Instruments LabVIEW
создан курс по программированию цифровых сигнальных процессоров (DSP) компании
Texas Instruments. В данном курсе изучаются основы графического программирования
DSP, приводятся примеры создания приложений по сбору и цифровой обработке
данных. Эти учебные курсы предназначены для студентов 3-4 курсов ВУЗов
естественно-научных и технических специальностей.
Завершается создание курса по созданию ультрапортативных систем сбора и
обработки данных на базе PDA модуля и программного комплекса LabVIEW. В курсе
освещаются вопросы использования плат ввода/вывода данных с КПК, обработки
данных и, что является принципиально важным, рассмотрены коммуникационные
возможности таких систем: передача данных по протоколу TCP/IP через проводное и
беспроводное соединение (Wi-Fi), через Bluetooth, ИК-порт и обмен данными через
последовательный порт RS-232.
В МГУ интерес к технологиям National Instruments постоянно растет. Все
бесплатные учебные курсы для сотрудников физического факультета традиционно
проходят с полным аншлагом. Как следствие, данное направление было признано
перспективным, и в ближайшее время планируется существенное расширение учебного
центра и приобретение дополнительного оборудования.
В то же время, нельзя ограничить поле деятельности центра только обучением. В
следующем разделе приводятся краткие описания основных прикладных разработок
нашей лаборатории, выполненных за этот год по заказу различных организаций.
Естественно, нельзя оставить без упоминания весомый вклад в эти работы
сотрудников, аспирантов и студентов кафедры Общей физики и волновых процессов
физического факультета МГУ, особенно, И. Степаненко и А. Соболева.
Прикладные разработки на базе технологий National Instruments.
Проект
«Измерение
светопропускания
полимерных
пленок
под
воздействием
напряжения»
выполнялся для института
элементоорганических
соединений
им.
А.Н.
Несмеянова.
В
системе
производился
синхронный
двухканальный сбор данных с
помощью платы NI PCI-6040E,
последующий анализ формы
сигнала с автоматической
аппроксимацией выделенного
фрагмента данных функцией
двухвременного
экспоненциального спада.
Совместно
с
ЗАО
МНПО
«Спектр» проведены работы по модернизации электромагнитного дефектоскопа серии
ВД-40, который используется для поточного контроля качества труб. Управление
дефектоскопом может осуществляться как при помощи клавиш на лицевой панели, так
и по шине RS-232. На базе встроенной внутрь корпуса дефектоскопа платы сбора
данных NI USB-6008 OEM реализован двухканальный осциллограф с несколькими
режимами развертки. Реализован полноценный интерфейс оператора с возможностью
автоматического создания и распечатки четырех видов отчетов, а также система
ведения базы данных измерений на ПК. Встроенный web-сервер обеспечивает доступ к
БД и отчетам по сети.
Завершена работа по созданию автоматизированной системы управления
газоанализатором. С помощью платы NI USB 6009 производится управление
напряжением газового разряда (задается временная зависимость
напряжения
произвольного вида, в виде кусочно-линейной или пилообразной функции),
измеряются температура, давление, влажность и расход газа.
Для компании Standa
Ltd создана система ввода
лазерного
излучения
в
оптоволокно.
Разработана
система
автоматической
установки
торца
оптоволокна, закрепленного
на трехосной подвижке, в
оптимальное
положение,
обеспечивающее максимальное проникновение лазерного излучения в волокно.
Подсистема управления и сбора данных состоит из моторизованной трехосной
подвижки Standa 7TF1, отвечающей за перемещение оптоволокна, которая управляется
контроллером 8SMC1-USBh (через VISA USB). Оцифровка сигнала с фотоприемника
осуществляется платой сбора данных NI USB-6008. Реализованный алгоритм
автоматического позиционирования волокна допускает тонкую настройку под
конкретный лазер и волокно, возможность сохранения настроек в профилях.
Для международного лазерного центра в Братиславе (Словакия) разработана
система
долговременного
тестирования
стабильности
энергии
излучения
твердотельных лазерных систем с контролем параметров окружающей среды.
Созданная система позволяет измерять энергию каждого лазерного импульса с
частотой повторения до 10 Гц в течение нескольких суток непрерывной работы
лазерной
системы.
Обязательным
условием
качественного
тестирования
является измерение параметров
окружающей
среды:
температуры
и
влажности
воздуха в помещении.
Для НИИ ФХБ им. А. Н.
Белозерского МГУ произведена
модернизация
контрольноизмерительной
части
спектрофлуориметра AMINCOBOWMAN.
Асинхронные
двигатели,
вращающие
дифракционные решетки монохроматоров возбуждения и испускания, были заменены
шаговыми двигателями на редукторах (минимальный угол поворота — 0,04°). Шаговые
двигатели управляются через контроллер Kemo-Electronics m109, подключенный к
порту LPT компьютера. В среде LabVIEW разработан многофункциональный драйвер
контроллера с поддержкой до четырех двигателей одновременно.
Для калибровки положения решеток установлены оптопарные датчики, сигнал с
которых измеряется платой сбора данных NI PCI-6221, что позволяет программно
управлять положением решеток. Вместо стандартных средств регистрации излучения
установлена система на основе ФЭУ, работающего в режиме счета фотонов. Частота
цифровых импульсов, соответствующее потоку попадающих на ФЭУ фотонов,
измеряется цифровым счетчиком платы NI PCI-6221. Все функции управления
электронно-измерительной части спектрофлуориметра реализованы в едином
программном приложении и сравнимы по функциональности с коммерческими
аналогами. Предусмотрена возможность предварительной автоматизированной
калибровки по источнику с
заданным линейчатым спектром,
автоматическое усреднение по
заданному числу спектров и
умножение
на
поправочную
кривую и удобный «журнал
измерений» на основе СУБД
SQLite.
Так же по заказу лазерного
центра в Братиславе (Словакия)
разработана
система
измерения качества лазерного
пучка.
Основными
компонентами
системы
являются цифровая камера с
интерфейсом
Fireware,
настройка
которой
осуществляется в LabVIEW c
использованием
программного модуля IMAQ
и IMAQ for Fireware, и
система перемещения камеры
на базе контроллера шагового
двигателя
8SMC1-USB,
управляемого
из-под
LabVIEW с использованием
драйверов USB VISA. На данном стенде можно измерить профиль пучка в
произвольном сечении, эллиптичность пучка, длину и радиус перетяжки, угловую
расходимость, центр масс пучка, диаметры пучка (Dox, Doy) и параметр качества пучка
M2.
Совместно
с
институтом
океанологии
РАН
разработана
система
автоматизированного управления движением глубоководного спускаемого аппарата
ROSUB-6000 ROV (Индия). Создан алгоритм управления по модели третьего порядка,
разработана программная модель подводного аппарата с шестью степенями свободы.
Данный алгоритм написан полностью на LabVIEW и предназначен для исполнения на
Compact FieldPoint с контроллером cFP-2020. Предусмотрено переключение в режим
ручного управления по одной или более координатам. Система управления движением
аппарата успешно прошла тестирование на устойчивость.
Для компании ООО «Театральный портал» создана dll-библиотека для
использования в приложении на Borland Delphi 7, реализующая программные
интерфейсы для управления двигателями сценических приводных систем. Для этого
используется преобразователь напряжения Mitsubishi FR-A 500, подключенный к
компьютеру по шине RS-485 через интерфейсную плату NI PCI-8431/4. К этой же шине
последовательно подключены датчики положения Kuebler серии 58хх. Для управления
вспомогательными системами используются линии цифрового вывода платы NI PCI6527.
По
заказу
компании
ООО
«Лаборатория
Инновационных
технологий» для ЗАО "УралАлмаз"
разработано программное обеспечение
для
автоматизированной
системы
контроля добычи алмазов «АСКДА».
Основным элементом системы является
промышленный контроллер PXI, в
режиме
реального
времени
производящий измерение и анализ
сигналов
фотоэлектронных
умножителей
и
определяющий наличие объектов в породе на конвейере.
Важно отметить, что длительность цикла измерение –
анализ – управление составляет 4 мс, что приводит к необходимости использования
системы жесткого реального времени. Основные возможности системы «АСКДА»:
проведение интегрального анализа сигнала со встроенным адаптивным алгоритмом
шумоподавления; автоматическая настройка системы анализа под изменившиеся
условия; ведение протокола с записью формы сигнала; удаленный доступ к данным
системы.
Система
«АСКДА»
прошла
успешные
испытания
на
рентгенолюминисцентном сепараторе ЛС 20-04М.