LabVIEW vo vyučovaní odborných predmetov na stredných školách II.

Týmto článkom by sme chceli nadviazať na podobné články z iných stredných škôl publikovaných v časopise DPS, a tým poukázať na to, že vyučovanie vo vývojovom prostredí LabVIEW nie je len doménou vysokých škôl.

Spokojný zákazník je ten, ktorý dostáva kvalitný výrobok. Kvalitu a funkčnosť elektronického produktu je možné zabezpečiť jedine testovaním. Uvažovaním nad skupinami manuálne testovanie a automatizované testovanie môžeme povedať, že existujú testy, ktoré sa automatizovať neoplatia. Naproti tomu sú testy, ktoré je možné realizovať len automatizovane. Jestvuje však i skupina manuálnych testovaní, ktoré je výhodné automatizovať.

Vo výrobných závodoch je popri rôznych KPI (Key Performance Indicators) dôležitá vysoká efektívnosť a produktivita výroby, ktorú je možné najvýhodnejšie dosiahnuť spomínanou automatizáciou.

Aby boli naši absolventi pripravení a schopní zvládať požiadavky praxe, je potrebné vo vyučovaní upustiť od starých metód, a nahradiť ich novšími, modernejšími. Manuálne odčítanie nameraných hodnôt z meracích prístrojov a spracovávanie dát v zošitoch a na mm papieroch je potrebné nahradiť poznatkami princípov automatizovaných meracích systémov, s ktorými sa v praxi skutočne pracuje.

Jednou z možností je vzdelávanie za pomoci grafického softveru LabVIEW, ktorý je vynikajúco prispôsobený na implementáciu automatických meracích signálov, na zber dát a ich spracovanie. Programovanie je v tomto prípade grafické, a tak programátor dokáže jednoduchšie zrealizovať svoju predstavu. LabVIEW prináša vyššiu úroveň abstrakcie kódu za účelom zrýchlenia a zefektívnenia práce.

Obr. 1 Príklady meraní v LabVIEW

Existujú viaceré spôsoby automatického získania meraných dát do počítača a následne do LabVIEW. Vychádzajúc z možností našej školy, používame stand alone meracie prístroje s GPIB (General Purpose Interface Bus) portom, ktoré sme získali od sponzorov.Táto zbernica je pomocou prevodníka GPIB/USB pripojená do počítača. GPIB zbernicu riadia v LabVIEW NI VISA ovládače, ktoré značne uľahčujú získanie dát z prístrojov.

V súčastnosti LabVIEW využívame so žiakmi v druhom a treťom ročníku na predmete elektronika a v maturitnom ročníku na predmete elektrotechnické meranie. Vďaka LW podporujeme v študentoch zručnosť získať poznatky formou demonštrácií alebo kompletných meraní.

Príklady niekoľkých VI programov:

• Meranie VA charakteristík LED rôzných farieb – porovnanie s teoretickými poznatkami, určenie prahových napätí, rozdiely medzi LED, Zener a usmerňovacími diódami atď.
• Meranie združených statických charakteristík tranzistora a úlohy s tým spojené
• Merania na zosilňovači
• Merania na logických integrovaných obvodoch

Návrh parametrického stabilizátora so Zeneronou diódou pomocou graficko-výpočtovej metódy

Častým postupom pri riešení elektronických obvodov je použitie výpočtovej metódy, ktorá ale v mnohých prípadoch neposkytuje dostatočný náhľad. Oproti tomu práca s nelineárnymi prvkami pomocou graficko-výpočtovej techniky je bezprostrednejšia a prináša efekt lepšej názornosti.

Obr. 2 Stabilizátor so Zeneronou diódou

Táto technika je založená na definícii dvoch nezávislých rovníc:

1. VACH, reprezentujúca nelineárny prvok (v našom prípade Zenerova dióda – obr. 2)
2. Priamka, nazývaná zaťažovacia priamka, reprezentujúca parametre obvodu pomocou štandardných lineárnych analýz

Tieto dve rovnice súvisia s definovanými parametrami obvodu. Techniku grafickej analýzy potom možno zhrnúť takto: „Je to grafické znázornenie oboch charakteristík a určenie priesečníka, ktorým je daný pracovný bod nelineárnej súčiastky.“

Na záver pripájam návrh riešenia s využitím LW a prepojením na softvare GeoGebra. GeoGebra je dynamický matematický softvér spájajúci geometriu, algebru a matematickú analýzu. Bol vyvinutý pre účely vyučovania a učenia sa matematiky, Markusom Hohenwarterom, na Univerzite Florida Atlantic. Samozrejme, okrem matematiky má využitie vo všetkých technických odvetviach. Geo- Gebra je open-source softver [1].

V LabVIEW je VI program výtvorený na základe algoritmu v troch stavoch stavového automatu. Nastavenie – meranie – zobrazenie výsledkov.

Po spustení programu sa musí nastaviť adresa používaného prístroja Keithley 2306, ktorý je na GPIB zbernici, a potom COM port používaného USB relé modulu. Ďalej sa nastavia parametre danej diódy, v tomto prípade BZX85C10, a počet meraných krokov. Samotné meranie trvá 15 sekund. V prípade potreby je flexibilne možné meranie opakovať a meniť vstupné hodnoty (obr. 3).

Obr. 3 Čelný panel programu pre meranie VACH diódy

V ďaľšom kroku sa jednoduchým spôsobom exportujú namerané hodnoty do Excelu a prekopírujú do tabuľky GeoGebry (obr. 4).

Obr. 4 Program Geogebra – export nameraných údajov

Pomocou lineárnej regresie z menu vytvoríme dotyčnicu k VACH v závernom smere. Ďalej nasleduje vytvorenie zaťažovacej priamky (load line) a v priesečníku s dotyčnicou definujeme pracovný bod (quiescent point). Vo „vlastnostiach“ vytvoreného bodu v GeoGebre označíme „zobraziť popis“ a vyberieme z menu „hodnota“. Takto budeme priebežne vidieť, aké je napätie na dióde a aký prúd ňou preteká. Na záver vytvoríme ovládacie prvky pre zadanie odporu Rs, napätia U1 pre zamýšľaný rozsah a tlačidlá pre spustenie animácie (obr. 5).

Obr. 5 Geogebra – výsledné riešenie

Naša škola má len dvojročnú skúsenosť s aplikovaním LabVIEW vo vyučovacom procese. Veľmi by nás potešilo, keby vznikla istá spolupráca medzi strednými školami, prípadne fórum, kde by sme si vymieňali nadobudnuté skúsenosti i nové nápady. Je v našom záujme formovať spoločnú stratégiu za účelom skvalitnenia výučby za pomoci LW.

Odkaz: https://www.geogebra.org/m/Zph7yqSY