E.1.O.ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ АВТОМАТИЗАЦИИ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В МГУ ИМ. М.В. ЛОМОНОСОВА
реклама
E.1.O.ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ АВТОМАТИЗАЦИИ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В МГУ ИМ. М.В. ЛОМОНОСОВА П.М. Михеев Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, физический факультет и международный учебно-научный лазерный центр МГУ 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ, МЛЦ МГУ т. (095) 939-41-48, e-mail: mikheev@femto.phys.msu.ru, сайт: http://labview.ilc.edu.ru 1. Технологии National Instruments в образовательном процессе В настоящее время решение большинства экспериментальных задач сводится к использованию подключаемых или встраиваемых в персональный компьютер цифровых осциллографов, DAC/ADC плат, генераторов сигналов, цифровых мультиметров и других устройств. Проблема создания программного обеспечения легко решается с помощью программного комплекса National Instruments LabVIEW, который де-факто является международным стандартом систем сбора данных и управления измерениями. Существует два основных подхода использования технологий National Instruments в образовательном процессе высшей школы. Первый – это создание с помощью программноаппаратных средств National Instruments задач практикумов, с помощью которых студенты изучают те или иные физические явления. В этом случае современные технологии используются в качестве инструмента для получения более подробной информации об изучаемом явлении. Например, установка датчика ускорения на маятник позволит измерить не только период колебаний, но и проверить применимость понятия «математического маятника» к лабораторному стенду, измерить изменение скорости, нарисовать фазовый портрет движения и т.д. В ряде случаев возможна «реанимация» уникальных учебных стендов с безнадежно устаревшей системой сбора данных. Это позволяет не только дать вторую жизнь оборудованию, но и поднять задачу на качественно новый уровень. На физическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова постепенно идет процесс модернизации общего физического практикума. Совместными усилиями подготовлены проекты автоматизации ряда задач из циклов «Механика», «Электричество и магнетизм», «Физика колебаний и волн», «Атомная физика» и «Статистическая физика и термодинамика». Более эффективными методами идет переоснащение специальных практикумов различных кафедр с использованием новых технологий. Наиболее ярким примером является кафедра общей физики и волновых процессов. Уникальный специальный практикум кафедры «Лазеры и нелинейная оптика» автоматизирован с помощью программной среды LabVIEW. В специальном практикуме кафедры «Компьютеры и измерения» все задачи по курсу радиофизики автоматизированы с помощью программно-аппаратных средств National Instruments. Для примера приведем названия некоторых задач: «Изучение работы оптического измерителя вибраций», «Лазерный доплеровский анемометр», «Методы цифровой обработки изображений», «Исследование пространственных характеристик световых полей, создаваемых случайными фазовыми экранами», «Моделирование сжатых состояний электромагнитных полей», «Методы выделения сигнала из шума при детектировании оптического излучения фотодиодом», «Изучение стохастических колебаний и синхронизация странного аттрактора в системе Лоренца», «Изучение автоколебательной системы с инерционной нелинейностью». Второй вариант использования технологий National Instruments в образовательном процессе ВУЗа – это создание специального практикума по обучению студентов современным технологиям сбора, обработки данных и управлению экспериментом. Главная идея состоит в том, чтобы научить студентов создавать системы автоматизации измерений своими руками. Впоследствии такие студенты будут незаменимыми людьми в экспериментальных научных группах и окажут помощь в модернизации задач общего физического практикума. Осознание важности создания такого курса на кафедре общей физики и волновых процессов появилось более 10 лет назад. После детального изучения доступных в то время программных средств автоматизации измерений выбор был сделан в пользу LabVIEW. Таким образом, более 8 лет назад на физическом факультете МГУ началось обучение студентов программному комплексу LabVIEW в рамках программы спецпрактикума кафедры общей физики и волновых процессов «Компьютеры и измерения» под руководством Ю.В. Пономарева. Осознавая перспективность технологий и важность их изучения студентами, было принято решение о создании принципиально новой лабораториипрактикума, посвященного только системам автоматизации измерений. 2. Практикум «Современные системы автоматизации научных исследований» В 2004 году в результате плодотворного сотрудничества сотрудников кафедры общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ с корпорацией National Instruments в сфере образования в МЛЦ МГУ им. М.В. Ломоносова была открыта лаборатория-практикум «Современные системы автоматизации научных исследований». В конце прошлого года лаборатория получила статус авторизованного учебного центра National Instruments. В настоящее время лаборатория является самым технологически совершенным образовательным практикумом на физическом факультете МГУ. Она укомплектована самым современным оборудованием и рассчитана на 10 посадочных мест. Каждое рабочее место оснащено системой ввода-вывода сигналов (на базе многофункциональных плат National Instrument), комплектом оборудования для изучения работы с приборами интерфейсов GPIB и Serial, системой технического зрения. Кроме этого в практикуме представлена система распределенного дистанционного ввода-вывода данных NI cRIO, портативная система ввода данных на базе КПК, многоканальная плата ввода/вывода цифровых массивов и программируемые платы с цифровыми сигнальными процессорами. Лаборатория укомплектована необходимым проекционным и сетевым оборудованием с высокоскоростным выходом в Интернет для проведения обучения. Обучение проводится опытными преподавателями, сертифицированными компанией National Instruments. В кратчайшие сроки создан цикл практических задач в рамках курса "Основы автоматизации измерений физических величин" с использованием программно-аппаратного комплекса National Instruments. Каждая задача является комплектом из методического описания и лабораторного стенда с набором датчиков. Приведем примеры задач практикума с кратким описанием: 1. Спектральный и корреляционный анализ данных. Создание системы генератор-анализатор сигналов. Создание генератора: сигналы стандартной формы, шумовые сигналы разных типов, амплитудная, частотная модуляция. Создание анализатора сигналов: временная форма, спектральная плотность мощности, автокорреляционная функция. 2. Контроль биологических параметров человека. Создание системы контроля ряда биологических параметров человека. Цель задачи – одновременное измерение температуры тела человека, влажности и сопротивления его кожи, получение электрокардиограммы. 3. Автоматическая система контроля температуры на базе cRIO Создание системы автоматического поддержания заданной температуры нагревателя, регулируя частоту вращения вентилятора на радиаторе. Задача решается с помощью двухэтапного PID-регулирования на основе показаний датчиков температуры и частоты вращения вентилятора. 4. Цифровые сигналы: создание программируемого источника питания. В работе изучается работа с цифровыми сигналами на примере программирования цифрового потенциометра с последовательным интерфейсом. Цель задачи – создание программируемого источника питания и генератора гармонических сигналов. 5. Программирование цифровых сигнальных процессоров (DSP) Создание двухканального генератора сигналов (гармонических, прямоугольной, треугольной формы, шума различного типа) на базе платы Hyperception Speedy-33 с цифровым сигнальным процессором Texas Instruments. 6. Прецизионные весы с возможностью определения центра масс объекта и системой видеонаблюдения Цели задачи - создание прецизионных весов, определение центра масс груза произвольной формы и отображение платформы весов с выделением груза с помощью видеокамеры. 7. Цифровые сигналы: управление контроллером шагового двигателя по шине I2C. В работе изучается протокол шины I2C, осуществляется обмен данными по цифровой шине с контроллером шагового двигателя. 8. Оптический детектор движения. Создание системы создание системы автоматического обнаружения и слежения за движущимися объектами, определение момента разделения объектов. 9. Передача данных по различным каналам связи. Создание системы передачи данных по радиоканалу и оптической линии связи. Цель задачи – кодировка и формирование сигнала, передача сигнала, получение и расшифровка сообщения. 10. Управление осциллографом по интерфейсам GPIB и RS-232. Цель задачи – создание прибора, предоставляющего возможность дистанционного управления и получение измеренных данных с внешнего осциллографа с интерфейсами Serial и GPIB. 11. Считывание показаний стрелочного прибора. Цель задачи – создание автоматической системы считывания показаний стрелочного прибора – аналогового стрелочного вольтметра. 12. Управление шаговым двигателем и распознавание объектов Цель задачи – управление шаговым двигателем с двумя статорными обмотками с помощью контроллера, управляемого по шине USB и распознавание объектов по шаблону. Необходимо отметить, что все описанные выше задачи созданы с непосредственным участием студентов практикума. Таким образом, в процессе обучения студенты приобретают навыки создания автоматизированных систем ввода-вывода аналоговых и цифровых сигналов; опыт работы с внешними приборами интерфейсов GPIB, USB, RS-232; умение разработки систем технического зрения и обработки видеоизображения; знание основ компьютерной обработки экспериментальных данных в программном комплексе LabVIEW. Большое внимание уделяется развитию web-сайта практикума, расположенного по адресу http://labview.ilc.edu.ru На сайте представлена подробная информация по всем видам деятельности практикума. На форуме по адресу http://labview.ilc.edu.ru/forum сотрудниками и слушателями практикума проводятся консультации по поводу создания систем автоматизации измерений, происходит плодотворный обмен мнениями между специалистами. В практикуме разработан ряд курсов обучения современным технологиям: «Основы систем сбора данных», «Сбор данных в LabVIEW: вводный курс», «Сбор данных и управление в LabVIEW», «Коммуникационные и другие возможности LabVIEW», «Основы систем автоматического управления», «Системы машинного зрения», «Создание систем сбора данных на КПК», «Программирование цифровых сигнальных процессоров», «Программирование систем реального времени». Эти курсы в рамках программы повышения квалификации зарегистрированы в отделении дополнительного образования МГУ, и мы проводим обучение слушателей с выдачей удостоверения о повышении квалификации. Кроме этого в практикуме проводится подготовка слушателей для сдачи экзамена National Instruments на международный сертификат Certified LabVIEW Associate Developer. В настоящее время около 10 наших слушателей курсов успешно сдали экзамен и стали сертифицированными специалистами технологий National Instruments. 3. Использование технологий National Instruments в научных исследованиях Результатом многолетнего обучения современным методам автоматизации стало повсеместное внедрение технологий National Instruments в автоматизацию научных исследований силами студентов и аспирантов кафедры. Оказалось, что временные затраты на создание систем автоматизации с помощью LabVIEW существенно ниже по сравнению с языком С++ или Assembler. Привлекательным достоинством данной технологии так же является наглядность и простота освоения, что существенно расширило круг людей, способных своими руками создать систему сбора и обработки данных. Код программы является более читаемым и понятным, что обеспечивает преемственность поколений при модернизации кода. В результате более 80% экспериментальных установок на кафедре общей физики и волновых процессов автоматизированы с помощью LabVIEW. Наиболее яркие примеры – управление параметрами фемтосекундной лазерной системы на хром-форстерите, автоматизация процесса сбора данных результатов измерений в лабораториях сверхсильных световых полей, адаптивной оптики, лазерной оптоакустики, прецизионной спектроскопии проводящих полимеров и полупроводников, нелинейной спектроскопии сверхбыстрых процессов в конденсированных средах и других. В настоящее время программно-аппаратный комплекс National Instruments активно используют при проведении научных исследований на следующих кафедрах физического факультета МГУ: кафедра общей физики и волновых процессов, кафедра молекулярной физики, кафедра биофизики, кафедра общей физики, кафедра физики полимеров и кристаллов, кафедра физики низких температур и сверхпроводимости, кафедра акустики, кафедра физики колебаний, кафедра радиофизики, кафедра общей ядерной физики и другие. Поскольку в нашем практикуме обучаются не только студенты, но и аспиранты, и сотрудники, технологии National Instruments автоматизации научных исследований находят все больше сторонников и на других факультетах МГУ: химическом и биологическом. Работа выполнена при поддержке Ведомственной программы «Развитие научного потенциала высшей школы(2006-2008 годы)».
