ICT a laboratorní měřící systémy

Autor:
František Lustig

Abstrakt:

Příspěvek je zaměřen na konkrétní ukázky spolupráce ICT s měřícími systémy ISES a LabView. Zavádí novou kategorii ICT - Laboratorní Studio ™. Přináší ukázky kolem vzdálených měření.

Klíčová slova: ICT, měřící systém ISES, měřící systém Lab VIEV, Laboratorní Studio™, distanční laboratoř, WWW, Internet.

1. Úvod

Informační a komunikační technologie, multimédia, hypertext, Internet, sítě se rychle zabydlely nejenom v našich počítačích, ale již vstupují i do našich fyzikálních, chemických a biologických laboratoří. Hypertextově a multimediálně lze připravit nejenom presentaci, ale též i měření v laboratořích. Rovněž vzdálená měření jsou již skutečností. Počítače jsou napojeny nejenom na místní síť, ale též na Internet. Okolní počítače pak mohou komunikovat zavedenými technologiemi jako je sdílení prostředků, E-mail, konference, videokonference, a v neposlední řadě je to i on line vzdálené snímání dat. Příspěvek přináší ukázky aplikací ICT se systémem ISES v laboratořích. Již téměř samozřejmé je měření a zpracování v samotném prostředí ISESWIN (možná i v programovacím prostředí Lab VIEW) s možností porovnat experimentální a teoretické výsledky. Nově je zpřístupněna centrální distribuce laboratorních úloh a neposlední řadě pak možnost vyzkoušet si vzdálenou laboratoř ISES. Začneme hezky od lokálního měřícího systému a skončíme Laboratorním Studiem™.

2. Měřící systém ISES

Zkusíme začít rovnou s "měřícím systémem" ISES, neboť ten je již velmi zavedeným pojmem Jmenovaný měřící systém je v České republice nejrozšířenější. V současné době je na více než 350 školách. V 15 laboratořích je možnost frontálního využití až 12 stanic. Systém tvoří nejen hardware (12 bit. ADDA převodník s 8 vstupy a 2 výstupy, sada cca 20 čidel pro fyziku, chemii a biologii), ale i software (Windows i DOS) a teachware zahrnující podrobný popis více než 150 experimentů. Systém umožňuje snímání veličin, jejich zobrazení v grafickém, digitálním, časovém i XY módu, zpracování naměřených dat (aproximace, derivace, integrace, fitování aj.) a to jak off-line, tak i on-line (!). Data lze dále zpracovávat v samotném programu ISES tak i v dalších standardních tabulkových procesorech (Excel, Quattro) nebo v modelovacím systému Famulus .Tyto fáze experimentů podporovaných počítačem je již dostatečně známá. Experimenty mají podobu "školního vědeckého" experimentu, výuka fyziky se přibližuje skutečné fyzice. Jako příklad naměřeného a zpracovaného experimentu odkažme např. na [1] (Experiment: dva oscilátory na sebe působí magnetickou silou. Na pružných páscích je na konci upevněn magnet. Magnety kmitají nad cívkami. Kmity se snímají prostřednictvím napětí indukovaného v cívkách Ručně rozkmitáme první pásek s magnetem - oscilátor. Druhý pásek s magnetem - rezonátor - se pochvíli rozkmitá sám. Pozorujeme kmitání v podobě rázů. Energie kmitání se přenáší z jednoho kyvadla na druhé. Pro přenos energie je důležité, aby oscilátory měly přibližně shodnou periodu vlastních kmitů). Takovýto experiment systémem ISES bezproblémově zaznamenáme. Přímé zpracování měření nám umožní zjistit periodu jak vlastních kmitů, tak i rázů, fáze kmitů aj. Další zpracování nám umožňuje i výkonné operace na úrovni tabulkového procesoru. Jestliže např. v našem experimentu provedeme (off line nebo i on line !) součet signálů prvního a druhého kyvadla, objevíme zajímavý výsledek, který odpovídá závěru, že oscilátor a rezonátor mají dohromady stejnou energii jako samotný oscilátor. Tuto hypotézu můžeme hned vzápětí experimentálně naměřit a teoreticky zdůvodnit. Nejčastěji je k dispozici možnost "fitování". (přímo v systému ISES), resp. modelování (v systému Famulus, Quattro aj.). Kromě přímého naměření a zpracování experimentu, může být experiment doplněn doprovodným didaktickým prostředím. Co může doprovodné počítačové prostředí obsahovat? Konkrétně v systému ISES mohou mít naměřená data návaznost na OLE objekty (texty, obrázky, zvuk, audio-video klipy, HTML soubory, aj.), které jsou propojeny na svoji zdrojovou aplikaci a umožňují její spuštění z prostředí vlastního měřícího programu ISES. Vlastnímu experimentování může tedy předcházet seznámení s problematikou. Mohou to být návody, schemata, teoretický úvod, hypotézy, dynamické presentace, aj. a to vše třeba i v interaktivní podobě. Prozatím jsme vystačili s jediným spuštěným programem ISES. Asi nejčastěji pracujeme v multitaskingovém operačním systému Windows. Na ploše obrazovky počítače však mohou současně pracovat měřící software, simulační a modelovací software, uživatelské Office aj. Přenos zpracovaných hodnot, grafů aj. mezi programy je umožněn standardními metodami (Clipboard). Takto lze měřit, zpracovávat a např. přímo tvořit textový i grafický protokol měření.

2.1 ISES a Lab VIEW

Měřící systém ISES je sice hodně flexibilní, ale někdy se mohou vyskytnout aplikace na sestavu vlastní jednoúčelovou měřící a vyhodnocovací aparatury. A to pokud možno pouze softwareovými prostředky. Problém řeší takzvané virtuální měřící přístroje, které z holého měřícího hardware (nejčastěji pouze ADDA karta) vytvoří prostřednictvím software téměř libovolný "přístroj". Tato metodika je velmi dobře zvládnuta v profesionálním graficky orientovaném programovacím balíku Lab VIEW (programovat lze začít na bázi C++, či Visual Basicu, ale raději se zaměříme na produkty Dasy Lab, Test Point, HP VEE, Control Panel, či nejlépe na Lab VIEW). V základní balíku Lab VIEW jsou již hotové virtuální přístroje jako osciloskop, generátor, multimetr aj. Několik slov k filosofii Lab VIEW. Výsledný produkt tohoto vývojového a programovacího prostředí je virtuální přístroj na monitoru počítače. Uživatel vidí a pracuje s rozhraním, které simuluje čelní panel fyzického přístroje (obsahuje prvky pro ovládání, indikaci, knoflíky, tlačítka, LED, grafy, aj.). Tento panel se ovládá myší nebo z klávesnice. Činnost virtuálního přístroje je dána blokovým schématem. Tento blokový diagram (program) je tvořen ikonami reprezentujícími jednotlivé ovládací a indikační prvky čelního panelu. Lab VIEW umožňuje integrovat hardware na technologii ADDA karet, GPIB (IMS-2), sériové komunikace RS- 232, 485, aj prostřednictvím specializovaných driverů. Takže s ním lze současně pracovat s hardwarem systému ISES a s přístroji vybavenými komunikací GPIB, či sériovou komunikací aj. Lab VIEV podporuje síťový protokol TCP/IP, což přináší možnost vzdálených měření, kdy je měřící aparatura na vzdáleném serveru a měřený experiment ovládá klient na vzdáleném počítači. Programovací prostředí Lab VIEW ve "Full Development System" verzi má velmi rozsáhlé analyzační knihovny pro zpracování naměřených dat (statistické zpracování, interpolace, filtrace, FFT, DTF, spektrální analýza, aj.). Neuvěřitelné množství vyřešených utilit - tzv. VI je na Internetu. Pro spolupráci programu Lab VIEW a hardware ISES je třeba do Lab VIEW doplnit knihovnu ISES.llb, která obsahuje cca 20 modulů (tzv *.VI) pro vstup a výstup dat, inicializaci ADDA, časování, IRQ, DMA aj.). Tato knihovna je k dispozici u autora tohoto příspěvku. (Pozn.: spolupráce s Lab VIEW je v tomto okamžiku pouze pro variantu ISES-Professional).

2.2 Vzdálené měření se soupravou ISES Professional

První zkoušky vzdáleného měření se soupravou ISES lze vyzkoušet např s volně dostupným programem NetMeeting. A to jednak jako sdílení programu ISES (klasické sdílení programu, avšak v tomto případě máme možnost ovládat nejenom samotný program, ale i hardware ISES), nebo velmi zajímavou možnost "vzdálené sdílení pracovní plochy", kdy máme k dispozici celý vzdálený počítač (k dispozici jsou všechny programy!) a samozřejmě i ISES. Vzdálená měření ve spolupráci s programem NetMeeting jsou možná se všemi variantami systémů ISES (ISES základní, ISES Professional). Další možnosti vzdálených měření přináší spolupráce hardware ISES a software Lab VIEW. Lab VIEW podporuje TCP/IP komunikační protokol. Stačí tedy "pouze" napsat modul Server.VI a Klient.VI a vzdálené měření je hotovo. Ukázky jsou k dispozici u autora článku.

3. Laboratorní Studio™ ISES

Závěrečná kapitola je slavnostní vyhlášení nové kategorie v ICT - Laboratorní Studio™. Současné informační a komunikační technologie disponují Internetem, WWW, HTML, TCP/IP, multimédii, OLE objekty aj., my si k tomu přidáme média na měření a řízení a to vše necháme prezentovat např.v prohlížeči Explorer. Dále předpokládejme, že je náš počítač pod vlivem operačního systému Windows a disponuje měřícím softwarem ISES a Lab VIEW a nějakým uživatelským Officem. Zkusme nové aranžmá Laboratorního Studia™ ISES (viz obr. 2.). Začneme hezky od zdola. Experimentální aparatura je napojena prostřednictvím hardware měřícího systému ISES (Intelligent School Experimental Systém). Jak jsme si již výše ukázali, může být tato měřící hardware i heterogenní. Internet nás pohltil. Nechť vstoupí i do našich laboratoří! Měřící počítač bude zapojen do globální sítě Internet. A to nejenom pro vzdálená měření ISES - remote, ale jako plnohodnotná vzdálená laboratoř - pojmy např. viz [2].

Laboratorní Studio™ ISES ISES - Internet School Experimental Studio™
Měřící SW ISES Lab VieW C++, VB, ...	Uživatelský SW MS-Office T602 Office, …
Operační systém Windows, Linux, …
Internet ISES - Site, ISES-Lab Centrum ISES - Remote globální Internet
Měřící HW ISES - hardware ADDA karty GPIB RS-232

Hlavní pupeční šňůra z Laboratorního Studia™ povede samozřejmě do globálního Internetu, kde budeme mít zdroje informací, vyhledávače, komunikační technologie (E-mail, konference, WWW, FTP, …). Ať v tom nejsme sami a máme se kde poradit. Pro konkrétní přínos v laboratořích jsou k dispozici zdroje informací (angl. site) o problematice, o aparatuře, zkrátka o všem. Pro náš měřící systém ISES jsme zavedli ISES - Site, kde jsou k dispozici technické, softwareové, teachwareové, komerční informace, odkazy na další zdroje, downloady, hot line aj. Zkrátka standardní informace, ale především veškeré novinky, které se touto cestou dostanou nejrychleji k uživateli. Nyní zkusme celou záležitost s Internetem nasměrovat k laboratořím. Součástí ISES-Site je ISES Lab Centrum - zdroj experimentů. Je to jednak databanka známých experimentů z textových manuálů, dále pak nově sbírka speciálních laboratorních úloh ze středních škol (včetně bohatých doprovodných materiálů) a konečně jsou zde zajímavé experimenty, demonstrující nové možnosti programu ISESWIN. Všechny experimenty jsou "jako živé". Uživatel si tyto experimenty může stáhnout (pouhé poťukání na ikoně, čímž aktivuje svůj lokální ISES). Pokud má též hardware ISES, může si daný experiment sám provést, modifikovat, porovnat se stáhnutým aj. Operační systém např. Windows nám integruje měřící software a uživatelský software. Měřící software může být v podobě specializovaného software ISES, resp. v podobě programovacího prostředí Lab VIEW, či dokonce základních programovacích jazyků C++, VB, TP, aj. Uživatelský software nechť tvoří nějaký balík typu MS Office, T602 Office aj. Součástí office jsou kromě standardních částí též prohlížeče a komunikační nástroje pro sdílení (např.výše popsaný NetMeeting).

Závěr

No a je hotovo. Takto sestavené Laboratorní Studio™ je připraveno naměřit téměř libovolný experiment. Stačí zapnout počítač, "podívat" se po Internetu, "stáhnout" si zajímavou úlohu, připojit svoji aparaturu a můžeme začít měřit. V laboratoři …nebo i doma. Naměříme, vysvětlíme, sepíšeme protokol a můžeme publikovat. Třeba zase na Internetu.

Literatura

1. Lustig, F.: Informační technologie v novém pojetí školních experimentů, In. Konference DidInfo 2000, Bánská Bystrica 2.-3. marec 2000, v tisku.
2. Lustigová,Z.: Vzdálená a virtuální laboratoř jako příspěvek k novému pojetí experimentu ve výuce fyziky, In: Konference POŠKOLE 99, Lázně Sedmihorky, 1999, 80-83.

Webmaster: Jiří Ryzner, poslední aktualizace: 22.7.2014