Учебное пособие: Дистанционные технологии в образовании
В
зависимости от сложности решаемых задач следует выбирать микроконтроллеры
разной архитектуры, начиная от простейших 8-разрядных до мощных 16-ти и
32-разрядных.
В
случаях, когда микроконтроллер должен не только производить измерения
параметров, но и управлять объектом в зависимости, например, от частотного
состава замеренного параметра, т.е. производить некий сложный математический
анализ экспериментальных данных в реальном масштабе времени с минимальными
временными задержками, требуется применять цифровые сигнальные процессоры (DSP), предназначенные для решения
подобных задач.
Использование
PLC в качестве устройства сопряжения с
объектом в сложных измерительно-управляющих подсистемах позволяет значительно
разгрузить главный компьютер от таких рутинных операций как сбор и накопление
данных, их предварительная обработка, управление объектом исследования и
вспомогательными устройствами.
Микроконтроллерные
системы, как правило, используются в тех случаях, когда не требуется высокая
скорость сбора небольшого объема данных и несложных алгоритмах предварительной
обработки данных.
Комбинированные
многоуровневые иерархические системы
Практика
работы с автоматизированными измерительно-управляющими системами показывает,
что добиться оптимального соотношения стоимости и функциональных возможностей
при использовании только одной конкретной системы практически невозможно.
При
работе с реальными физическими объектами средней и высокой сложности (например,
объединение нескольких разнородных устройств в действующую систему) спектр
задач измерения и управления слишком разнообразен. Наряду с задачами
высокоточного и быстрого контроля ряда параметров возникают задачи простого
включения/отключения какого-либо элемента или технологического оборудования с
программно-изменяемой частотой. Тратить на это вычислительные ресурсы главного
управляющего компьютера было бы нерационально. Отсюда возникает стратегия
использования комбинированных средств и разумного разделения между ними
имеющихся вычислительных ресурсов.
Например,
при создании лабораторного оборудования, не требующего в процессе работы
громоздких промежуточных вычислений, но предполагающего наличие независимых
каналов управления и точных измерений, вместо систем на базе VXI или PXI может быть использована комбинированная система,
построенная на сочетании одного или нескольких PLC и одной или несколькими Plugin-Card.
В такой
комбинированной системе Plugin-Card могут выполнять функции измерения
параметров, критичных к времени и синхронизации, например, когда требуется
получить осциллограмму сигнала сложной формы с высоким разрешением. При этом PLC, используя свои вычислительные
ресурсы, выполняет задачи управления различными устройствами, а также может
измерять медленноменяющиеся параметры, например, температуру, перемещения и т.
д.
Подобные
комбинированные системы сочетают в себе требуемую функциональность при
значительно более низкой стоимости по сравнению с системами на основе VXI или PXI.
В целом
же, как показывает опыт разработки автоматизированных курсов, для объектов
повышенной сложности наиболее эффективны комбинированные системы с
трехуровневым иерархическим распределением вычислительных ресурсов.
На
объектном уровне, как
правило, целесообразно использовать мультипроцессорные подсистемы, вычислительные
ресурсы которых (разрядность, быстродействие, объем памяти) необходимо выбирать
в зависимости от сложности решаемых задач. Здесь следует настойчиво
рекомендовать не экономить в малом, не перегружать микроконтроллер несколькими
задачами (даже, если его ресурсы не исчерпаны), а каждую задачу поручать
отдельному микроконтроллеру, разработав для него оптимальную программу управления.
При таком подходе каждый значимый узел объекта (датчик или группа датчиков,
регулятор, преобразователь, нагрузка и т. д.), снабженный отдельным
микроконтроллером, становится "информационно прозрачным" и
"абсолютно управляемым", что очень важно в системах удаленного
доступа. Обмен информацией между такими интеллектуальными устройствами, а также
каждого из них с управляющим компьютером осуществляется по сетевым каналам.
На
промежуточном уровне должны
размещаться сервисные вычислительные средства, обеспечивающие обслуживание, с
одной стороны, вычислительных средств объекта (передача данных, пересылка
команд на изменение режимов работы оборудования), а, с другой стороны, -
запросов удаленных пользователей. Эти достаточно сложные функции возлагаются на
сервер комплекса, вычислительные ресурсы которого выбираются в зависимости
от решаемых задач. Для реализации связи сервера комплекса с удаленными
пользователями в его составе должна быть одна из типовых плат сетевого обмена,
а для связи с вычислительными средствами объекта, например, адаптер последовательного
интерфейса (обычно это преобразователь RS-485/RS-232).
На
пользовательском уровне по возможности должны находиться современные компьютеры класса не ниже Pentium-100 с объемом ОЗУ не менее 16 Мб, с
графическим разрешением мониторов не менее 800x600, 256 цветов. Такие относительно
высокие требования объясняются тем, что при разработке программно-методического
обеспечения автоматизированных курсов используются современные достижения
компьютерных технологий: цвет, звук, трехмерная графика, анимация, без чего
эффективность процесса обучения была бы не столь высока.
6.5 Средства разработки
программно-методического обеспечения
Ведущие
фирмы в области информационно-измерительных и управляющих технологий (Hewlett Packard, National Instruments и др.)
производят комплектные системы, включающие как аппаратные средства
сопряжения с объектом, так и все необходимое программное обеспечение их
поддержки. Сюда входят драйверы управления аппаратными средствами, программы
для создания пользовательских интерфейсов, программное обеспечение
математической обработки результатов исследования и пр.
Однако
спектр задач, возникающих при создании автоматизированных учебных курсов,
значительно шире только измерения параметров и управления объектами. Так, методическое
обеспечение комплекса должно содержать полную совокупность средств,
необходимых и достаточных для его использования в решении задач исследования и
обучения:
·
информационно-справочные
данные для изучения теоретических основ исследуемых физических процессов,
базирующиеся на применении различных форм представления учебной информации,
включая приемы гипертекстового и полиэкранного структурирования, анимационного
изображения изучаемых объектов и процессов для активизации формирования знаний
и навыков обучающихся;
·
программы
имитационного компьютерного моделирования динамических процессов в сложных
технических системах и их компонентах;
·
средства
подготовки и проведения натурных исследований сложных технических систем и их
компонентов в режиме удаленного доступа;
·
средства
обработки и анализа экспериментальных данных для практической проверки
адекватности применяемых математических моделей;
Необходимой
составляющей частью этой подсистемы является подборка из нескольких десятков
контрольных вопросов и задач по каждому тематическому разделу изучаемого курса.
Банк заданий на проведение учебных исследований
должен быть Разработан таким образом, чтобы индивидуализировать выдаваемые
задания и всесторонне охватить выполняемыми исследованиями основные проблемы,
характеризующие конкретное тематическое направление. Оперативность получения
необходимых экспериментальных данных позволяет формировать учебные задания
поискового характера.
В
соответствии с изложенными положениями средства программного обеспечения должны
включать в свой состав ряд компонентов, выполняющих различные функции:
·
ПО объектного
уровня должно
содержать набор программ-драйверов управления стандартными и специально
разработанными средствами обмена информацией между компонентами автоматизированного
стенда.
·
ПО
компьютера-сервера предназначено
для реализации дистанционного обмена информацией между аппаратными средствами
автоматизированных лабораторных стендов и рабочими местами пользователей и
должно выбираться таким образом, чтобы обеспечить работу технических средств
телекоммуникации и, в частности, поддерживать протокол сетевого обмена ТСРЛР.
·
ПО рабочих
мест пользователей выполняет
несколько функций, для реализации которых целесообразно применять
соответствующие инструментальные программные средства.
Основная
часть ПО рабочего места пользователя может быть создана, например, с
применением инструментальной системы прикладных программ LabWindows/CVI фирмы National Instruments (США).
Данная система содержит встроенные средства связи с объектами исследования в
реальном масштабе времени, а также средства разработки удобных пользовательских
интерфейсов. Эти возможности обеспечиваются применением развитой библиотеки
примитивов и достаточно полной, легко подключаемой библиотеки математической
обработки результатов экспериментальных исследований, включающей программные
модули полиномиальной и сплайн интерполяции, цифровой фильтрации, спектрального
и корреляционного анализа и т.д.
Значительные
потенциальные возможности имеют также современные объектно-ориентированные
системы программирования, например, Borland C++ в совокупности с библиотеками объектов.
Очевидно,
что осуществить выполнение требований, предъявляемых к программному обеспечению
всех уровней, с помощью какой-либо единой системы разработки невозможно.
Необходимо применение различных средств разработки программного обеспечения по
принципу соответствия их возможностей задачам разработки различных подсистем
программного обеспечения исследовательского оборудования нового поколения.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 |