XIV Міжнародна наукова інтернет-конференція ADVANCED TECHNOLOGIES OF SCIENCE AND EDUCATION (19-21.04.2018)

Русский English




Научные конференции Наукові конференції

Поліщук О.В. ЦИФРОВИЙ USB-ОСЦИЛОГРАФ З ПРОГРАМНИМ УПРАВЛІННЯМ ДЛЯ ОСВІТНЬОЇ ГАЛУЗІ УКРАЇНИ

Поліщук Олег Вікторович

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут»

 

ЦИФРОВИЙ USB-ОСЦИЛОГРАФ З ПРОГРАМНИМ УПРАВЛІННЯМ ДЛЯ ОСВІТНЬОЇ ГАЛУЗІ УКРАЇНИ

Розроблений USB-осцилограф з програмним управлінням та характеристиками, необхідними для забезпечення умов щодо його серійного випуску для освітніх установ з фінансуванням державних структур, а саме: простота та дешевизна виробництва, легкий користувацький інтерфейс.

Постановка проблеми. В останні роки (а особливо в роки світової фінансової кризи) в Україні існує проблема недостатнього фінансування освітніх установ.  В результаті в школах, ліцеях, гімназіях відчувається проблема нестачі приладів, необхідних для набуття учнями практичних навичок, пов'язаних з різними фізичними, хімічними та біологічними процесами. Ця проблема породжує ряд інших проблем, пов'язаних з неякісним навчанням, підготовкою малокваліфікованих кадрів, внаслідок чого зменшується економічна та політична потужність держави. Одним з кроків до вирішення цих проблем є створення приладів для освітніх установ, що мають малі витрати при їх виробництві, невеликий час виготовлення, багатофункціональність та легкий користувацький інтерфейс.   

Аналіз подібних продуктів на ринку України. Провівши аналіз вартості подібних програмно-апаратних комплексів автором було виявлено, що ціни на такі продукти варіюються в досить широкому діапазоні. Нижчою границею цього діапазону є ціна USB-осцилографа IRIS, що становить 690 гривень [1]. Очевидно, що така ціна приладу для освітніх цілей достатньо висока. У всіх досліджуваних програмно-апаратних комплексах програмна частина має нагромаджений інтерфейс, та орієнтована на висококваліфікованих спеціалістів в технічній галузі, що не дає змоги користуватися приладом учням освітніх закладів. Тому темою досліджень була розробка приладу з невисокою собівартістю, багатофункціональністю та легким інтерфейсом для користування.

Результати досліджень. Розроблений програмно-апаратний комплекс має апаратну та програмну частину. Апаратна частина комплексу складається з п'яти модулів:

•· модуль обробки інформації;

•· модуль вимірювання напруги;

•· модуль вимірювання опору;

•· модуль генератора імпульсного сигналу;

•· модуль зв'язку з ЕОМ.

Модуль обробки інформації складається з мікроконтроллера фірми Atmel моделі ATMega8L та його елементної обв'язки. Мікроконтроллер даної моделі має частоту процесора 8МГц та вбудований аналогово-цифровий перетворювач (АЦП), що дозволяє знімати покази напруги з досить великою частотою [2].

Модуль вимірювання напруги складається з АЦП мікроконтроллера та його елементної обв'язки, необхідної для забезпечення стабільного сигналу.

Для вимірювання опору служить модуль, що являє собою вимірювальний міст.

Модуль генератора імпульсного сигналу являє собою таймер. Він вбудований в мікроконтроллер та забезпечує генерацію сигналу досить високої частоти.

Для зв'язку з ЕОМ передбачений модуль, який складається з мікросхеми FT232RL, необхідної для зв'язку мікроконтроллера з ЕОМ. Ця мікросхема є конвертором між стандартом передачі даних мікроконтроллера UART та інтерфейсом RS232 [3], який використовується для передачі даних через послідовний порт в ЕОМ. При підключенні до ЕОМ через USB-порт мікросхема забезпечує емуляцію послідовного COM порту.

Програмна частина програмно-апаратного комплексу складається з програми, що вбудована в мікроконтроллер і необхідної для роботи пристрою, та програми для зв'язку пристрою з ЕОМ, яка встановлюється на комп'ютер.

Програма роботи мікроконтроллера розроблена в середовищі програмування CodeVisionAVR для мікроконтроллерів сімейства Atmel AVR на мові С. Для зв'язку пристрою з ЕОМ була розроблена система команд, які поділяються на команди з параметром та без параметру. Команда з параметром необхідна для того, щоб разом з її ідентифікатором можна було б передати деякий цілочисленний аргумент. Вона має формат СХХХХ, де С - зарезервований ідентифікатор команди, а ХХХХ - будь-яке ціле число від нуля (в вигляді 0000) до 9999. Команда без параметру має формат C, де С - зарезервований ідентифікатор команди. В програмі зарезервовані такі команди:

•1. R - перезавантаження пристрою;

•2. I - зсув фази другого каналу генератора імпульсного сигналу на 180 градусів (необхідно для резонансного та компенсуючого режиму роботи генератора);

•3. N - перехід до режиму вимірювання напруги;

•4. Q - перехід до режиму вимірювання опору;

•5. SXXXX - запит на генерацію імпульсного сигналу з частотою ХХХХ Гц;

•6. BXXXX - запит на вимірювання в обраному режимі тривалістю ХХХХ секунд;

•7. UXXXX - інформація про виміряну напругу в кількісному її еквіваленті ХХХХ одиниць;

•8. UXXXX - інформація про виміряний опір в кількісному його еквіваленті ХХХХ одиниць.

Резонансний режим генератора імпульсного сигналу - це режим, при якому зсув фаз між коливаннями першого та другого каналу дорівнює нулю. Даний режим дозволяє досліджувати явище резонансу. При увімкненому компенсуючому режимі зсув фаз між коливаннями становить 180 градусів, що дозволяє спостерігати затухання(компенсування) коливань внаслідок дії обох каналів.

Програма для зв'язку програмно-апаратного комплексу з ЕОМ розроблена в середовищі програмування Borland C++ Builder 6.0 на мові С++. При проектуванні дизайну програми було поставлено за мету розробити зручний інтерфейс для користування людьми широкого вікового діапазону.  Тому було обрано панельний вигляд головного вікна програми з великим розміром шрифту та привабливими кольорами. Праворуч на формі знаходиться панель керування з кнопками для переходу в різні режими роботи пристрою, а ліворуч - панель, що поділена на дві частини:  панель візуалізації результату роботи приладу та панель керування обраним режимом.

Для зв'язку програми з програмно-апаратним комплексом через послідовний COM порт було спроектовано шість класів, які складають дві ієрархії. Коренем першої ієрархії є абстрактний клас ACommand, який реалізує абстракцію команди пристрою. Даний клас вміщає в собі строковий атрибут value, який являє собою команду заданого протоколу та необхідний для передачі його через послідовний порт. Тут є також функція для доступу до цього атрибуту GetValue() а також абстрактна функція Execute(), яка різниться у кожного послідовника даного класу та являє собою дію, яка виконується кожен раз при прийомі команди певного виду. У класу ACommand є два послідовника: ParamCommand та SingleCommand. Це два різновиди команд пристрою (команда з параметром та команда без параметру). У цих двох класів є статична функція Parse, яка дозволяє створити екземпляр даного класу за допомогою команди у вигляді строкового аргументу. Для класу ParamCommand існує також обгортка [4] Displayable, яка дозволяє при прийому параметризованої команди під час виконання функції Execute() відобразити прийнятий параметр на графіку.

Коренем другої ієрархії є абстрактний клас ACOMPortManager, який реалізує керування послідовним COM портом. В даного класу є чотири атрибути. Булевий атрибут connected зберігає інформацію про стан підключення до послідовного порту. Атрибут COMHandle зберігає дескриптор файлу обраного послідовного порту. В атрибуті inBuffer зберігається символьний масив прийнятих з COM порту даних, розмір цього масиву зберігається в атрибуті inBufferSize. В класі реалізовані три функції:

•1)     функція відкриття послідовного порту Connect();

•2)     функція закриття послідовного порту Disconnect();

•3)     функція передачі команди типу ACommand через послідовний порт SendCommand(cmd : ACommand).

В класі-послідовнику DeviceManager реалізовані абстрактні функції OnConnect(), OnDisconnect(), OnCommandAccept(cmd : String).

Результати розробки. В результаті розробки приладу його вартість у порівнянні з аналогами, що вже випускаються, зменшилась. Сумарна собівартість деталей, необхідних для виробництва розроблюваного USB-осцилографа, становить лише 60 гривень. Для отримання виробничої ціни необхідно додати до цієї суми вартість виробництва. Враховуючи, що для виробництва одиниці продукту необхідно в середньому 3 години, а тривалість робочого дня становить 8 годин, то взявши за 1500 гривень як розмір заробітної платні, необхідної для робітників, які будуть займатися виробництвом даного приладу, можна зробити висновок, що собівартість виробництва однієї одиниці приладу становить 26 гривень. Тому можна зробити висновок, що виробнича ціна розробленого приладу буде становити 86 гривень, а ринкова ціна становить в середньому 115% від виробничої і дорівнює 99 гривень, що в 7 разів менше за заявлену найменшу ціну за подібний продукт на ринку.

Програмне забезпечення, розроблене для даного приладу має простий користувацький інтерфейс, орієнтований на широкий віковий діапазон людей.

Висновки.

•1. Проблема забезпечення освітніх закладів науковими приладами є актуальною в період світової економічної кризи за умов недостатнього фінансування освітньої галузі.

•2.  Для її вирішення необхідно дотримуватися таких критеріїв як низька собівартість кінцевого продукту(приладу), невеликий час виробництва,багатофункціональність та легкий інтерфейс користувача. В разі невиконання цих вимог продукт буде економічно не конкурентним на освітньому ринку. На виконання саме цих вимог була зосереджена увага при розробці USB-осцилографа. Його характеристики з урахуванням поставленої цілі переважають аналогічні програмно-апаратні комплекси, які вже випускаються у продаж.

Література:

•1.  USB-осциллограф IRIS / [Електронний ресурс] / Осциллограф // Режим доступу до журн.: http://ipribor.com.ua/content/view/16/46/

•2.  ATMega8 data sheet / [Електронний ресурс] / Atmel corporation // Режим доступу до журн.:

http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2486.pdf

•3. FT232R USB UART IC Datasheet / [Електронний ресурс] / FTDI // Режим доступу до журн.:

http://www.ftdichip.com/Documents/DataSheets/DS_FT232R_V205.pdf

•4.  Гамма Э. Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования / Э. Гамма, Р. Хелм, Р. Джонсон, Д. Влиссидес. - Санкт-Петербург: Питер, 2010. - 366 с.

 

e-mail: olllejik@gmail.com


Один комментарий к “Поліщук О.В. ЦИФРОВИЙ USB-ОСЦИЛОГРАФ З ПРОГРАМНИМ УПРАВЛІННЯМ ДЛЯ ОСВІТНЬОЇ ГАЛУЗІ УКРАЇНИ”

  1. Виктор Борисович Распопов, доцент, кандидат физико-математических наук:

    Уважаемый Оргкомитет конференции! Очень полезная и нужная для школьных кабинетов физики разработка. За годы Перестройки и Независимости исчезли магазины Учтехприбор, через которые в прежнее время средние учебные заведения укомплектовывались лабораторным практикумом. С тех пор практически никакого оборудования не закупалось в школы для демонстрации на уроках физики, поэтому такое недорогое оснащение школьных лабораторий крайне необходимо. Надеюсь, что МОН Украины откликнется на эту инициативу автора.


Залиште коментар!

Дозволено використання тегів:
<a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <code> <em> <i> <strike> <strong>