ИТМ лаборатория 2013

КОМПЬЮТЕРНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС

         Интенсивное развитие микроэлектроники и цифровых технологий стало основой создания нового поколения измерительных средств. С появлением высокопроизводительных микропроцессоров и аналого-цифровых преобразователей созданы измерительные приборы, которые могут работать автономно или подключаться к персональному компьютеру. В последнем случае функциональность системы значительно расширяется. Возникает возможность проводить обработку данных и выводить результаты на экран компьютера непосредственно во время измерения. При этом, данные могут быть представлены в виде, удобном для пользователя. На основе указанного оборудования можно создавать автоматизированные системы для управления технологическими процессами, проведения исследований, сбора данных и т.д.. Широкие возможности таких средств обеспечиваются гибкостью программного обеспечения. Разработаны и изготавливаются компьютерные измерительные комплексы, предназначенные для автоматизации учебного эксперимента. Наиболее распространенная блок-схема измерительного комплекса показана на рисунке 1.

Рис.1.Блок-схема компьютерного измерительного комплекса.

 

Перейдем к рассмотрению его составных частей.
         Датчик - устройство, имеющее один или несколько измерительных преобразователей, для начального преобразования измеряемой величины на входе в функционально связанный с ним сигнал на выходе в виде, удобном для обработки информации. Датчики преобразуют величину, подлежащую измерению или контролю (температура, давление, концентрация, напряжение и т.д.) в электрический сигнал.
         Согласующее устройство. На вход АЦП необходимо подавать сигнал с соответствующими параметрами. Для обеспечения этих условий между выходом датчика и входом аналого-цифрового преобразователя устанавливают устройство нормирования и согласования сигнала - усилитель с заданными характеристиками (входное и выходное сопротивление, диапазон входных и выходных напряжений, коэффициент усиления и т.д.).
         АЦП (аналого-цифровой преобразователь) - устройство, преобразующее аналоговый сигнал, полученный от датчика в цифровой код (в двоичной системе счисления), которым может оперировать компьютер.
         Микроконтроллер - это однокристальная ЭВМ, включает микропроцессор, блоки памяти для сохранения кода программы и данных, порты ввода-вывода и т.д. и используется для управления электронными устройствами.
         Интерфейс связи с компьютером - это совокупность средств, методов и правил взаимодействия между микроконтроллером и компьютером. Эта связь реализуется с помощью интерфейсов RS - 232 USB и других, является совокупностью программного обеспечения и аппаратных устройств.
         Настройки режимов работы и управления процессом измерения осуществляется с помощью персонального компьютера, оснащенного соответствующим программным обеспечением.
         Компьютерные измерительные комплексы выпускаются несколькими фирмами. Особенности работы компьютерных измерительных средств рассмотрим на примере работы конкретного изделия фирмы "ИТМ" г. Харьков.         

         Общая характеристика универсального компьютерного измерительного комплекса и программного обеспечения «Учебная лаборатория ИТМ».
         "Универсальный компьютерный измерительный комплекс" (далее "Измерительный прибор") состоит из электронного блока, набора датчиков и программного обеспечения для совместной работы с персональным компьютером. Внешний вид измерительного прибора приведены на рисунке 2.
         Электронный блок изготовлен в металлическом или в пластмассовом корпусе 1 размером 260x150x45 мм. На верхней поверхности корпуса расположены четыре разъема типа DВ-15, предназначенные для подключения внешних устройств (аналоговых и цифровых датчиков, оборудования).

Рис. 2. Внешний вид компьютерного измерительного комплекса.
Обозначения: 1 - корпус прибора; 2 - входы 1-4 с датчиками;
3 - вход типа USB-В

 

         На правой боковой поверхности корпуса находится разъем USВ-В для подключения к компьютеру. Обмен данными между компьютером и электронным блоком, а также питание электронного блока и датчиков, входящих в комплект поставки, осуществляется через соединительный шнур USВ А-В, который входит в комплект поставки.
         Принцип работы измерительного прибора основан на преобразовании сигналов датчиков измерения физических величин в цифровые данные и их дальнейшей обработки. Сигналы от аналоговых и цифровых датчиков подключаются к соответствующим входам электронного блока. С входов сигналы подаются на аналого - цифровой преобразователь (АЦП). Данные, полученные от АЦП через порт USВ передаются в компьютер. Алгоритм работы электронного блока задается программно.
         Рабочий диапазон АЦП находится в пределах 0-5 В. Для измерений сигналов в больее широком диапазоне используют внешние делители  напряжения. Подача  на вход устройства сигналов, превышающих ± 12В может вывести из строя входные цепи электронного блока. Запрещается включать и переключать датчики во время работы программы.

Основные режимы работы.
         1. «Работа с измерительным прибором» обеспечивает возможность проведения измерений с доступом к меню настроек. Включение этого режима работы осуществляется с помощью ярлыка «ITM Lab».
         2. «Библиотека экспериментов» обеспечивает демонстрацию записанных ранее экспериментов. Используется в случаях, когда проведение «живого» эксперимента невозможно или нецелесообразно в конкретных условиях. Включение этого режима работы также осуществляется с помощью ярлыка «ITM Lab».
         3. «Лабораторная работа». Режим предназначен для проведения лабораторных работ и функционирует со стационарно установленным лабораторным оборудованием. В этом режиме доступ к меню настроек невозможен. Активация режима осуществляется с помощью ярлыка «ITM Lab Exec» на рабочем столе компьютера. Ярлык «ITM Lab» следует перенести с рабочего стола в другое место. Все настройки предварительно выполняются преподавателем в режиме «Работа с измерительным прибором» и хранятся в списке лабораторных работ. Пользователь имеет возможность проводить измерения, сохранять результаты, осуществлять экспорт данных в электронные таблицы Excel.
         "Универсальный компьютерный измерительный прибор" обеспечивает выполнение следующих функций:
- Измерение физических величин;
- Запись (сохранение) результатов измерения;
- Отображение результатов измерений в виде цифрового табло, таблиц, графиков на экране компьютера или проекционном экране;
- Экспорт данных измерения в формат Excel и текстового редактора Word;
- Синхронную запись данных измерений, видеоизображений и звука в ходе эксперимента;
- Возможность изменения масштаба времени при изучении записей быстротечных и длительных процессов;
- Одновременное измерение нескольких физических величин;
- Активацию процесса измерений по амплитуде измеряемого сигнала, или импульсом внешней синхронизации;
- Управление вспомогательными внешними приборами (нагреватели, электро-магниты, двигатели и т.п.)
- Создание мультимедийного проекта эксперимента (в составе текстового файла описания, видеоролика с объяснениями сущности эксперимента, группы файлов с данными хода эксперимента) с возможностью последующего воспроизведения на любом компьютере.

Режим «Работа с измерительным прибором».
Проведение измерений.
         Приведем общие положения и рекомендации по использованию «измерительного прибора» при постановке эксперимента и проведении измерений. Последовательность действий должна быть следующей:
- Включите компьютер.
- Подключите электронный блок к компьютеру с помощью кабеля USB. Внимание! Минусовая шина прибора соединена с его корпусом и корпусом компьютера. Чтобы предотвратить поражение электрическим током и разрушения прибора и компьютера не подключайте его входы к сети 220 В.
-Запустите программу "Учебная лаборатория ИТМ" (ярлык «ITM Lab»).
- Выберите режим "Работа с измерительным прибором" (рисунок 3).

Рис. 3. Окно "Учебная лаборатория ИТМ".
         В окне "Новый эксперимент" (рисунок 4) есть две опции: опция "Описание" (используется для добавления текстового файла к эксперименту в случае его записи) и

Рис. 4. Окно "Новый эксперимент"
"Проведение", активирующая режим проведения измерений.
- Наведите курсор на надпись "Проведение" и нажмите левую кнопку мыши.
- Подключите датчики к соответствующим входам (согласно названиям датчиков в окне «Настройки»). Вход в окно «Настройки» (рисунок 5) осуществляют через меню «Вид». Наведите курсор на название одного из датчиков, например,

Рис. 5. Окно "Настройки".

         "Динамометр" и нажмите левую клавишу мыши. Окно настроек датчика открывается двойным нажатием левой клавиши мыши на значке "v". В правой части окна появятся инструменты отладки динамометра. Выберите способ отображения показаний прибора по умолчанию (цифровой, графический), и цвет элементов отображения данных. Если нужно, выполните градуировки. Для этого установите флажок "v" инструмента «Градуировка» и откройте соответствующее окно (рисунок 6).


Рис. 6. Окно "Градуировка".

         Установите флажок "v" для режима «Авто». В этом режиме значение АЦП автоматически помещаются в левом столбце таблицы. Правый столбец заполняется вручную. Напротив показаний  АЦП следует установить показания эталонного прибора, или известное значение измеряемой физической величины. В данном случае показания АЦП - 511 соответствует нулевой нагрузке на крючок динамометра, 642 -  соответствует нагрузке 0,981 Н (к крючку подвешен грузик массой 100 г.). При линейной зависимости между показаниями АЦП и значением измеряемой величины, для градуировки достаточно двух точек в таблице.
         Перейдите на вкладку "Активация измерений" (вспомогательный режим для автоматического пуска измерений). Соответствующее окно показано на рисунке 7. Иногда начало измерения удобно начинать, когда измеряемая величина достигнет определенного значения. Чтобы активировать указанную опцию, установите флажок "v" «По уровню измеряемого сигнала», выберите датчик, по показаниям которого активируется процесс измерения, уровень активации, и направление с которого измеряемая величина приближается к нему.

Рис. 7 Окно "Настройки" опции "Активация измерения"

- Установите формат времени, время и период измерения. По умолчанию формат времени отображается в секундах, время измерения - не ограничено, период измерения - 1 мс. Количество данных измерения (точек на графике) ограничено только характеристиками компьютера. На практике, для изучения закономерностей хватает от  нескольких десятков до нескольких тысяч точек. Увеличение количества точек на графике замедляет работу компьютера.
Управление внешними устройствами.
         Функция "Управление внешними устройствами" значительно расширяет возможности измерительного комплекса. Пользователь может не только получать результаты измерений, но и выполнять некоторые действия по результатам измерений. Такими действиями могут быть: стабилизация температуры, управление нагревом, охлаждением, включения-выключения электромеханических устройств и т.п.. Предусмотрено 4 канала управления. На выходе канала управления может устанавливаться высокий или низкий уровень. Каналы управления при необходимости объединяют с помощью логических элементов с рабочими уровнями стандарта TTL. Каналы управления имеют номера 1-4. Они выведены на соответствующие контакты 1-4 разъемов для подключения датчиков. Каналы 1-3 имеют КМОП выходной каскад, а канал 4 - с открытым стоком.
Максимальный ток нагрузки - 5 мА на канал. Емкость нагрузки - не более 50 пФ. Рассмотрим рабочее окно "Внешние устройства" программы "ИТМ лаборатория".
         Для налаживания алгоритмов управления внешними устройствами войдите на вкладку "Внешние устройства" окна "Настройки". Активация режима осуществляется установкой отметки "v" - "Управление внешними устройствами"  в верхнем левом углу окна. После установки отметки программа начинает отслеживать наличие подключенных устройств, данные измерений и параметры, по которым осуществляется управление. Выберите один или несколько каналов управления. Для этого в строке канала установите "v". Номер выхода должен соответствовать номеру на разъеме внешнего устройства. Если в Вашем распоряжении имеется стандартное устройство, имеющее функцию управления, по умолчанию оно управляется выходом № 1. В отличие от датчиков, внешние устройства можно подключать на любой свободный разъем, поскольку выходы управления (выводы "1-4" любого из разъемов DB-15 используемых для подключения датчиков) присутствуют на всех разъемах прибора и имеют идентичную схему подключения.

Рис. 8 Окно "Настройки", опция "Управление внешними устройствами"

На рисунке 8 приведен пример настроек управления двумя внешними устройствами одновременно.
- Первый канал управления: устройство подключено к выходу № 1, управление осуществляется по показаниям датчика, подключенного к входу № 1; исходное состояние выхода - "1" (после включения процесса измерения на выходе № 1 устанавливается логический уровень "1" стандарта TTL) а когда измеряемая величина достигнет значения 500, состояние выхода изменится на "0".
- Второй канал управления: устройство подключено к выходу № 3, управление осуществляется по показаниям датчика, подключенного к входу № 2; исходное состояние выхода - "0". После включения режима измерения, выход № 3 будет иметь состояние "0". Если измеряемая величина будет увеличиваться и достигнет значения "200", выход переведет на "1", что приведет к отключению исполняющего устройства. После этого измеряемая величина будет уменьшаться до значения "100", а затем состояние выхода изменится на "1". Процесс поддержания измеряемой величины в заданном окне будет повторяться циклически. Однако, этот режим является динамическим. Измерение физических величин при постоянной смене одного из параметров приводит к дополнительным погрешностям. Для избежания таких ошибок предусмотрен квазистатический режим управления. Для перехода в квазистатический режим установите "v" режима "Прогрессия" и установите параметры режима. Параметр "Шаг" задает шаг изменения контролируемой физической величины в единицах ее измерения. Параметр "Задержка" позволяет установить интервал времени, в течение которого контролируемая физическая величина стабилизируется на достигнутом уровне. Время задержки устанавливается кратным периоду измерения. Если в окне "Задержка" установлено значение 1000, а период измерения равен 500 мс, то задержка составит 500 с. В нашем примере, если мы управляем режимом работы нагревателя, это будет означать:
- Максимальная температура нагрева - 200 ° С;
- Шаг нагрева - 10 ° С;
- После каждого увеличения на 10 ° С, температура стабилизируется в течение 500С;
- Когда температура достигнет значения 200 ° С, нагрев прекратится и начнется процесс охлаждения со стабилизацией уровня температуры с вышеуказанными шагом и задержкой.
- Уменьшение температуры до 100 ° С приведет к изменению режима и процесс нагрева начнется снова.
- Количество циклов можно установить в последней ячейке налаживания канала управления. В данном случае количество циклов не ограничено. Это означает, что управление остановится после выхода из режима "Измерение".

Использование видео в физическом эксперименте.
         Важным источником знаний об объекте исследования может быть видеоролик записи  эксперимента. Измерительный прибор обеспечивает одновременную или синхронную запись видеоизображений течения эксперимента и данных измерений. Для включения видео в окне «Настройки» перейдите на вкладку «Видео» (рисунок 9) и сделайте необходимые настройки звука и видео. Источником сигнала может служить любая цифровая или аналоговая видеокамера, подключенная к компьютеру. Одновременная запись позволяет следить

Рис. 9 Окно "Настройки", опция "Видео"

за ходом эксперимента в реальном времени или воспроизводить записанный эксперимент с видео. Поток видео записывается с частотой 25 кадров в секунду (зависит от способа сжатия видео), при этом, пользователь может установить произвольный период измерения. При синхронной записи видео, каждому кадру видео соответствует определенная точка графика. Период измерения в таком случае должен быть кратен периоду съемки кадров видео (40 мс). Для включения режима синхронной съемки, после включения режима видео следует вернуться в окно «Активация измерения» и установить отметку "v" "Период измерения». (Если видеокамера не активирована, место для установки отметки синхронной съемки отсутствует).
         Режим синхронной записи видео используют для покадрового слежения за объектом исследования  и изменением параметров процесса. Этот прием используют для  «сжатия во времени» долговременных процессов. Например, если видеоролик снимался в течение 24 часов с периодом съемки  2 минуты, он будет воспроизводиться (при нормальной скорости воспроизведения)  29 секунд.
         Любые изменения настроек измерительного прибора следует подтвердить нажатием кнопки «Да», которая находится в нижней строке окна настроек. Если нужно только просмотреть настройки без их изменения, выход из режима настроек осуществляют нажатием кнопки «Отмена».

Экспорт данных измерений в электронные таблицы Excel.

Рис. 10. Окно "Экспорт данных"
         Нажмите экранную кнопку «Excel», расположенную во второй строке меню программы. На экране появится окно «Экспорт данных» (рис. 10). По умолчанию экспортируется весь массив данных. Чтобы экспортировать только часть данных, снимите флажок "v" «Все данные» и установите желаемый промежуток времени. Тот же результат можно получить, если предварительно выделить необходимый участок графика. Отметка «Исключить дублирование данных» удаляет из массива одинаковые данные с целью уменьшения их объема. Данные измерений каждого датчика экспортируются в виде массива на отдельной странице «книги Excel». Следует помнить, что табличный процессор имеет ограничения. Поэтому, количество точек одного графика или его фрагмента, экспортируемых в Excel не должна превышать 65535.

 

Управление ходом эксперимента.


Для управления ходом эксперимента предназначено отдельное окно
(Рисунок 11).

Рис. 11. Окно "Ход эксперимента"

         На панели управления ходом эксперимента расположены 10 кнопок, указатель хода эксперимента, таймер и указатель загрузки процессора компьютера. Ниже по тексту приводится описание панели. Номера кнопок указаны слева направо.
- «Измерение». (1). Нажатие активирует процесс измерения. После нажатия на кнопку на экране появляются результаты измерений в виде графиков или (и) цифровых табло. Если предварительно установлен режим измерения «По уровню измеряемого сигнала», нажатие кнопки «Измерение» активирует слежение за величиной измеряемого сигнала, запись и отображение результатов измерения начнется, когда измеряемый параметр достигнет установленного порогового уровня.
- «Стоп» (4). Чтобы остановить процесс измерения (или воспроизведения) вручную, нажмите кнопку «Стоп». Измерение можно останавливать автоматически. Для этого следует предварительно установить параметр «Время измерения».
- «Воспроизведение» (2). Просмотр записанного эксперимента (с видео).
- «Пауза» (3). Остановка просмотра эксперимента с видео с возможностью продления просмотра с этого же места.
- «Перемещение указателя» (5,6). Перемещение указатель продвижения эксперимента на его начало, или конец.
- «Скорость воспроизведения эксперимента» (7). После нажатия кнопки появляется окно регулировки скорости воспроизведения записанного эксперимента. Скорость воспроизведения можно увеличить или уменьшить в десять раз относительно нормальной.
- «Запись» (8). Чтобы сохранить эксперимент в виде мультимедийного проекта (текстовый файл описания, данные измерений, видео, настройки), перед началом измерения, нажмите кнопку «Запись». Сохранение проекта можно осуществить через кнопку меню «Файл», «Закрыть», после остановки записи. Если этого не сделано, компьютер предложит сохранить эксперимент при выходе из программы.
- «Очистка экрана» (9). Нажатие этой кнопки приводит к очистке видеопамяти компьютера и экрана от данных. Если в процессе измерения накоплено большое количество данных, следующее измерение начнется с задержкой относительно нажатия кнопки «Измерение». Такая задержка может стать критической при изучении быстрых процессов.
- «Полный экран» (10). Разворачивает окна программы «Мультимедийная лаборатория ИТМ» на весь экран.

Сохранение мультимедийного проекта.
          При сохранении эксперимента нужно выбрать режим сохранения. Окно с опциями сохранения показано на рисунке 12.

Рис. 12. Окно "Сохранить эксперимент"

         Для дальнейшего использования мультимедийного проекта в виде самостоятельного электронного средства обучения проект сохраняют в каталог «Эксперименты». Просмотр записанного эксперимента или демонстрация в аудитории не требует подключения прибора. В режиме «Библиотека экспериментов» изменение настроек и корректировки записи невозможны. Если подключить прибор и открыть сохраненный эксперимент в режиме «Работа с измерительным прибором», можно сделать новую запись, воспользовавшись существующими настройками. Запись в каталог «Лабораторные работы» позволяет записывать настройки эксперимента, которые можно использовать для дальнейших измерений. без возможности их изменений пользователем . сделаны для автоматизации лабораторных установок. Этот режим не предусматривает доступа к настройкам без разрешения администратора, а лишь дает возможность пользователю произвести измерения и обработать результаты эксперимента. Режим используют для автоматизации  лабораторных установок.

Воспроизведение результатов измерений.
         Данные измерений воспроизводятся на экране компьютера в отдельных окнах (рисунок 13). Каждое окно воспроизводит данные полученые от одного или двух датчиков. В левом верхнем углу окна воспроизведения данных измерений указаны названия физических величин, отображаемых на осях «Х» и «У» и номер входа, к которому подключен датчик. Ниже указано название датчика, пределы его измерений и текущие данные измерений в цифровом виде (в режиме просмотра результатов - значение точки, на которую наведен  указатель или курсор мыши). Отображение данных на экране компьютера осуществляется в виде графика, или цифрового дисплея. Способ отображения по умолчанию для каждого датчика выбирается отдельно в окне «Настройки». Оперативно изменить вид можно нажав правую кнопку мыши на окне соответствующего графика. При этом появится список опций, доступных для изменения. Этот же список появится, если нажать значок «▼», расположенный рядом с кнопкой настройки  отображения данных (нижняя строка меню).
         При проведении измерений на экране может накапливаться большое количество точек, что затрудняет исследование графика. Важный участок графика можно увеличить на все поле окна. Для этого, с помощью мыши, наведите курсор в левый верхний угол желаемого участка, нажмите левую кнопку мыши,

Рис. 13. Окно воспроизведения данных с элементами настроек.

         придерживая ее, потяните курсор в правый нижний угол выбранного участка и отпустите кнопку. Если на экране отображается несколько графиков и они отображают изменение различных параметров во времени, выделение осуществляется синхронно на всех полях. Чтобы отменить «выделение» нажмите левую кнопку мыши и потяните курсор в левый верхний угол поля графика (в любом месте). По умолчанию масштабирование графика происходит автоматически. Это означает, что график всегда занимает всю площадь экрана, а масштаб воспроизведения данных меняется. Такой способ построения графика очень удобен, но при проведении демонстраций, более естественно воспринимается график, который  строится при постоянном масштабе по оси "У". Инструменты настроек масштаба графика вызываются двойным нажатием левой кнопки мыши в любом месте окна отображения графика. Для изменения масштаба отображения данных, снимите отметки «v» и установите границы воспроизведения каждой оси вручную. Если по оси «Х» отображаются значения времени, то ручная установка масштаба не будет корректной. После установки масштаба нажмите кнопку «Применить». Выход из режима настроек масштаба осуществляется также двойным нажатием левой кнопки мыши на поле соответствующего графика.

Режим «Библиотека экспериментов».
         Выбор режима осуществляется в окне "Учебная лаборатория ИТМ" (рисунок 3). В этом режиме становится доступным список записанных экспериментов (рисунок 12). Для воспроизведения необходимо воспользоваться кнопками управления окна «Ход эксперимента» (рисунок 11). Кнопки «Измерение» и «Запись» в этом режиме могут быть неактивными или отсутствовать.
         Предварительно записанный эксперимент может быть использован в целях создания:
- Учебного средства замещения натурного эксперимента (когда проведение или подготовка демонстрации требует больших затрат времени, дорогих, вредных, опасных материалов и т.п.);
- Методического пособия для учителя по проведению демонстрации;
- Инструкции для ученика при подготовке к проведению лабораторной работы;
- Учебного средства для самостоятельной учебной деятельности ученика;
- Библиотек электронных дидактических материалов (в том числе и для использования при дистанционном методе обучения).
         Записи экспериментов можно проводить во время проведения демонстрации для дальнейшего детального изучения результатов эксперимента. Многократное воспроизведение записанного эксперимента позволяет сосредоточить внимание на важных моментах его течения. Для повышения эффективности пользователь может включать и выключать необходимые окна, менять их размеры и устанавливать желаемую скорость воспроизведения. Если запись используется как самостоятельное дидактическое средство, необходимо создать файл его описания. Такой файл формируется в режиме записи.

Режим «Лабораторная работа».
         предназначен для автоматизации процесса измерения и обработки результатов при проведении лабораторных работ и научных исследований. В этом режиме доступ к меню настроек, как и в режиме «Библиотека экспериментов», невозможен. Активация режима осуществляется с помощью ярлыка «ITM Lab Exec» на рабочем столе компьютера. Все настройки предварительно выполняются преподавателем в режиме «Работа с измерительным прибором» и хранятся в списке лабораторных работ под оригинальным названием. Работы проводятся с стационарно установленным лабораторным оборудованием. Пользователь имеет возможность осуществлять измерения, сохранять результаты, экспортировать данные в электронные таблицы Excel.

Литвинов Юрий Викторович. Руководитель проекта. 067 5780290; 066 6094268
litvinov_uv@ukr.net