UNIT 1. Seminaari. Virtuaali-instrumentointi yleistä

Transkriptio

1 UNIT 1 Seminaari Virtuaali-instrumentointi yleistä instrumentointi (mot sanakirja) tekn. kojeistus, mittaus- ja säätölaitteet ja niiden käyttö kesto: 2 tuntia Sisällys: A. Johdanto B. Esimerkkejä Virtuaali-instrumentoinnista ja simulointi ohjelmistoista C. Virtuaali-Instrumentoinnin opetuskäytöstä D. Virtuaali-instrumentoinnista ja simulointi www-sivustoja E. Tehtävä F. Lähteet A. Johdanto Virtuaali-instrumentoinnin yhtenä esimerkkinä voidaan pitää National Instuments yhtiön noin 20 vuotta sitten esittelemää LabVIEW-ohjelmistoa. Ohjelmiston tarkoituksena on tarjota välineitä käyttäjän tarvitsemien mittaus- ja säätölaitteistojen laatimiseen [1]. Virtuaali-instrumentointi laitteistossa keskeisenä osana on teollisuusstandardin mukainen pc, joka varustetaan tehokkaalla ohjelmistolla sekä tarvittavilla lisäkorteilla ja tarvittavilla ajureilla. Näin muodostettu ohjelmisto ja laitteistokokonaisuus saadaan toimimaan kuten monipuolinen, mittaus ja säätöautomatiikkalaitteisto. Virtuaali-instrumentointi laitteisto hyödyntää ohjelmistonsa avulla pc-tietokoneen laskenta, ja käyttöliittymä ominaisuuksia sekä lisäkorttiensa se avulla voi ohjata ulkoisia laitteistoja, siten se korvaa samalla useita perinteisiä laitteistopohjaisia mittalaitteistoja.[2]. Yleisimmin käytettyjä laitteistoja ovat IBMyhteensopivat PC-tietokoneet vaikka saatavilla on välineitä myös Macintosh, VME- ja Unixpohjaisille järjestelmille[3]. Virtuaali-instrumentointia tukevia ohjelmistoympäristöjä on esimerkiksi seuraavat: - National Instrumentsin LabVIEW; - Basic ohjelmointikielet (kuten Visual Basic, QuickBasic jne.); - muut ohjelmointikielet(ic, C++, ActiveX, Java jne.). Ohjelmistot muodostavat virtuaali-instrumentoinnin keskeisimmän osan. Oikeanlaisella ohjelmistoympäristössä voivat eri työtehtävissä, kuten insinöörit, luonnontieteilijät ja opetushenkilöstä, toimivat henkilöt tehdä tarvittavien rutiininomaisten prosessien mittaus- ja säätöautomaatio ohjelman suunnittelun ja toteutuksen. Lisäksi ohjelmistoympäristö mahdollistaa ulkoisten laitteistojen käyttöön tarvittavien käyttöliittymien suunnittelun ja toteuttamisen samoin kuin määrittelyt laitteisto-datan hakemisesta käsittelystä, säilyttämisestä sekä datan ja/tai käsiteltyjen tulosten esittämisestä laitteiston käyttäjälle [4]. Vaikka virtuaali-instrumentaatio ei ainakaan vielä täysin korvaa periteisiä mittaus ja säätölaitteistoja, järjestelmissä missä mittaus- ja säätöjärjestelmiä automatisoidaan virtuaaliinstrumentaatio on vallitsevaa. Automatisoiduissa testaus- ja säätöjärjestelmissä ohjelmoitavuutta ja modulaarista rakennetta suositaan yleisesti. Ohjelmoitavat toimintojen Module 1: Virtual Instrumentation Overview 1/7

2 kontrollijärjestelmät ovat usein sulautuneet virtuaali-instrumentoinnin kanssa siten että VI hoitaa mittausteknologiaa ja ohjelmoitava logiikka kontrollijärjestelmiä[5]. Internetin tulo on johtanut tiedonjakamisen aikakauteen ja se on kannustanut verkottamiseen sekä etäjärjestelmien käyttöön myös virtuaali-instrumentoinnissa. Internetin hyödyntäminen mahdollistaa toimintoja, jotka eivät mitenkään ole olleet mahdollisia paikallisia laitteistoja käytettäessä. Internetin avulla virtuaali-instrumentoinnissa voidaan mittaus- ja kontrollidataa siirtää suoraan verkon välityksellä ja lisäksi lukea dataa henkilökohtaisilta pienlaitteilta(kämmekät) tai vaikka matkapuhelimilta.[6] B. Esimerkkejä Virtuaali-instrumentoinnista ja simulointi ohjelmistoista B.1. National Instrumentsin LabVIEW on graafiseen toimintaympäristöön perustuva sovelluskehitysympäristö, jossa voidaan tehdä joustavasti ja skaaltautuvasti. LabVIEW ohjelmistossa käsitellään todellisia mittaus signaaleja, analysoidaan dataa, sekä jaetaan tuloksia: intuitiivisten näyttöjen, raporttien ja WWW:n avulla. LabiVIEW ohjelmisto nopeuttaa ja helpottaa ohjelmistokehitystyötä käyttökokemuksen määrästä riippumatta. LabView ohjelmistoa käytetään maailmanlaajuisesti erilaisissa auto-, tietoliikenne-, ilmailu-, puolijohde-, elektroniikanteollisuuden sekä biolääketieteen suunnittelu, tuotanto ja prosessinohjaus tehtäviin liittyvissä sovelluskehitystehtävissä. Sovellusalueet kattavat koko tuotantoprosessin tutkimus ja tuotekehittelystä, tuotantoon ja huoltoon saakka. LabVIEW sisältää yleiskäyttöisen ohjemointikielen tapaan datarakenteet, silmukkarakenteet ja tapahtumien käsittelyn. LabVIEW:ssä on myös sisäänrakennettuna kääntäjä, joka toimiii ohjelmakoodin muokkauksen aikana. LabVIEW on kuitenkin erikseen sovitettu insinöörien ja luonnontieteilijöiden tarpeita ajatellen ja siinä on korkeantason funktiot, avustajat sekä työkalut virtuaaliinstrumentaation tekemiseen. LabVIEW on saatavissa Windows XP/2000, Mac OS, and Linux. käyttöjärjestelmille [8] National Instrumentsin ELVIS (Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite) opetuslaboratorio versio on LabVIEW-perustainen suunnittelu ja prototyypittely välineistö etupäässä yliopistojen luonnontieteiden opetuksen ja insinöörikoulutuksen tarpeisiin. NI ELVIS sisältää LabVIEW perustaisen virtuaali-instrumentit, monitoimisen tiedon keräyslaitteiston ja työaseman sekä prototyypittely kytkentäkortin. Järjestelmä sisältää useitä tyyppillisesti opetuslaboratorioissa käytettyjä mittalaitteistoja valmiina. LabVIEV-perustaisena sitä on mahdollista laajentaa erilaisin datan keräys ja prototyypittelyvälinein. Opetukselliset sovellukset voivat käsittää erilaiset projektitehtävät, elektroniikan suunnittelussa, tietoliikenteessä, kontrolliteknologiassa, mekatroniikassa, instrumentoinnissaja tiedonhankinnassa.[9] B.2. Cabri Geometry II Plus ohjelmisto on tarkoitettu kokeellisen ja tutkivan geometrian dynaamiseen mallintamiseen Euklidisessa tai metrisessä geometriassa. Käyttäjän on mahdollista piirtää vektoreita ja avaruuskuvioita (kuten kartioleikkauksia) sekä peruskuvioita (suoria, janoja, ympyröitä, ellipsejä) ja avaruuspisteitä koordinaatistossa. Ohjelmassa voidaan muunnella konstruktiota, testata sen ominaisuuksia, testata hypoteeseja, mitata, laskea, poistaa, muokata/muuntaa tai poistaa ennemmin tehtyjä konstruktioita. Pysyviä ominaisuuksia voi hakea transformaatioin: peilaus, venytys ja kierto. Module 1: Virtual Instrumentation Overview 2/7

3 Cabrilla voi tehdä samoja geometrian konstruktioita kuin mitä perinteisesti on tehty harpin, viivaimen ja astelevyn avulla. Tämän lisäksi suoria, ympyröitä, pisteitä, kolmioita, vektoreita kartioita jne. voidaan helposti lisätä, muokata, mitata alasvetovalikkojen ja työkalupalettien avulla. Oppilaiden on mahdollista hahmottaa säännönmukaisuuksia, tehdä hypoteeseja, tehdä johtopäätöksiä, vaihtoehtoisia konstruktioita, liittää kuvioita tekstinkäsittelyohjelmistossa tuotettaviin dokumentteihin tai jakaa konstruktioita Internetissä CabriJava tiedostoina.[10] B.3. Crocodile Clips ohjelmisto on erityisesti opetuskäyttöön tarkoitettu opettajien ja oppilaiden simulaatioiden laadinta ohjelmistoperhe. Ohjelmistoilla voidaan laatia erityyppisten luonnontieteellisten kokeiden simulaatiomalleja, matematiikan malleja sekä liittää simulaatioihin todellisen elämän ilmiöiden malleja. Crocodile clips ohjemistoja on: - Crocodile Physics on kohtuullisen helppokäyttöinen fysiikan ilmiöiden mallinnusohjelma, jossa on välineitä sähköopin, mekaniikan sekä valo- ja aaltoliikeopin ilmiöiden - Crocodile Chemistry on kokeellisen kemian laborointi simulaatioohjelmistopaketti, jossa voi tarkastella mm. reaktioyhtälöitä, reaktionopeuksia, ainemääriä ja sähkökemian ilmiöitä. - Crocodile Technology 3D ohjelmistolla voi mallintaa erilaisia elektroniikan peruskomponenettejä ja piirejä sekä muita mekatroniikan sisältöjä. - Crocodile ICT on ohjelmisto ohjelmoinnin peruskäsitteiden ja rakenteiden, kuten vuokaavioiden, kontrollirakenteiden tai muuttujien käsittelyn simulointiin. Simuloinnissa käytetään erilaisia animaatioita, joissa kontrolloidaan vaikka kasvihuoneen tai ihmishahmojen toimintaa. - Crocodile Mathematics on matemaattisten olioiden siimulointiin ja mallintamiseen tarkoitettu ohjelma, jossa voin tarkastella erityisesti geometristen perusmuotojen ja väittämien käyttäytymistä erilaisissa muunnoksissa. Lisäksi ohjelmistolla voi havainnollistaa muutamien käyräparvien käyttäytymisä[11]. - B.4. Discovery Virtual Instrumentation on esimerkki opetuskäyttöön laaditusta mittalaitteiston virtuaali-instrumentoinnista. Ohjelmistossa kerätään piirikortin piiri data, jota ohjelmisto esittää tietokoneen näytöllä mallintaen tavanomaisen mittaus tai testauslaitteen toimintaa. Discovery Lab Manager (DLM) ohjelmistolaajennus, jolla hyödynnetään edellistä ohjelmistoa verkon avulla laboratoriotyöskentelyssä DLM:n ominaisuuksia: - Laboratorio jakelu Discovery e-oppimisen oppimisaihiot voidaan jaella selaimella hyödynnettäviksi. ohjelmistolla voidaan suorittaa monivalintakysymyksiin perustuvaa oppimisen arviointia. - Tulosten raportointi; - Opettajan kontrolloitavissa oleva oppimisympäristö; - Web-jakelu; - Opiskelijoiden ja ryhmien hallinta; - Aihioiden hallinta; - Oppilaiden työskentelyn seuranta. [12] Module 1: Virtual Instrumentation Overview 3/7

4 B.5. Instrumentation Widgets [13] ohjelmistokirjasto.net (Microsoft) ohjelmointiympäristöön se sisältää valmiita ohjelmistokirjastoja kuten mittareita, näyttölaitteita, kytkimiä, valitsimia, säiliöitä, lämpömittareita, ledejä ja muita todellisten komponentien emulointeja. Ominaisuuksia: - 100%.NET ympäristöön componettejä C# -kielisinä - yhteensopivia Visual Studio.NET; - Tuki data kytkennälle; ominaisuudet voidaan kytkeä erilaisiin data lähteisiin; kontrolli komponeneissä kaksoispuskurointi, joka tuottaa joustamattoman välkkymättömän animoinnin; - Olemukseltaan vastaavat todellisten komponenttien tuntumaa; - Kaikissa värityksissä käytössä GDI+ (Graphics Device Interface käytetään yleisesti viittaamaan Microsoft Windows näyttö ja tulostus määrittelyjä), vapaasti skaalautuvia, ei bittikartta rajoitteita; - Komponentit ovat täysin muokattavissa. Mukana muokkaus työkalut lähes kaikkien ominaisuuksien muuttamiseen, koko, värit, kirjasintyypit, viisteet, mittavälit jne.; - Kirjasto on varustettu demo-sovelluksella,. Täysimääräinen hyperteksti dokumentaatio on saatavilla.. B.6. Instrumentation ModelKit [2] on yleiskäyttöinen.net ohjelmisto kehitys ratkaisu, joka on laadittu 100% C# kielellä, ja jota voidaan käyttää useissa integroidussa ohjelmiston kehitys ympäristössä (Integrated Development Environments IDEs) kuten MS Visual Studio.NET, Borland C# Builder, Borland Delphi 8 tai vastaavat.net 1.1. Frameworkiä soveltavat. Instrumentation ModelKit helpottaa erilaisten yleisten ja erityisten kontrollereiden laatimista kuten (prosessin)etenemisen ilmaisimet, mitarit, valitsimet, liukukytkimet, kytkimet, lämpömittarit, muut mittarit, manipulaattorit, skaalaimet tai muut erityistarkoitus välineet. C. Virtuaali-instrumentoinnin opetuskäytöstä Viimeaikoina enenevässä määrin on alettu hyödyntämään tieto- ja viestintäteknologian välineitä opiskelijoiden oppimisen tukemisessa sekä opetuksen havainnollistamisessa että myös laboratoriotyöskentelyssä.(vrt. Orgaanisten kemian verkoston laboratorio-opas ). Tietotekniikan sekä Internetin kehittymisen myötä tiedon ja kokemusten jakaminen ovat tulossa entistä kriittisemmäksi menestystekijäksi niin koulutusorganisaatioissa kuin käytännön työelämässä. [14] Viimeaikaisissa pedagogisissa lähestymistavoissa kuten sulautuva opetus (Blended Learning) (Bleimann, 2004, vrt. ), yhdistetään kontaktiopetuksen menetelmiä opetusteknologian hyödyntämiseen. Opetusteknologian, esimerkiksi mobiiliteknologia, avulla pyritään siirtämään tietämystä lähelle sen käytännön soveltamisen prosessien yhteyteen. Samalla voidaan soveltaa vaikka teollisuuden käyttämiä standardi työkaluja ja täten helpottaa esimerkiksi opiskelijan siirtymistä yliopistosta työelämään helpommaksi.[15] Nesimi Ertugrul [14] on esittänyt seuraavan kriteeristön opetuskäyttöön soveltuvan virtuaaliinstrumentoinnin ohjelmiston valinnalle: - Modulaarisuus mahdollistaa sovellusten kehittämisen muuntelun ja testaamisen nopeasti, Module 1: Virtual Instrumentation Overview 4/7

5 - monialustaisuuden tuki sallii järjestelmänkehitys työn osittamisen ja koostamisen ja kääntämisen yhdellä alustalla, - yhteensopivuus olemassa olevien ohjelmistojen osien kassa, sallii aiempien sovellusten osasien ja versioiden hyödyntämisen, - laitteistoyhteensopivuus sallii useiden erityyppisten datankeruulaitteistojen hyödyntämisen,. - laajennettavat ohjelmistokirjastot mahdollistavat erilaisten osarutiinien ohjelmoinnin ja kytkemisen ylemmäntason toimintoihin, - kehittyneet debugkkaus toiminnot tehostavat virheiden korjaamista ja suorituskyvyn optimointia,. - itsenäisten sovellusten teko mahdollisuus auttaa välttämään muutoksia ja piilottamaan ohjelmakoodin,. - laajennus komponentit (Add-on) osoittavat markkinamenestystä sekä nopeuttavat ohjelmistokehitystä,. - riittävä suorituskyky, - havainnollinen graafinen käyttöliitymä helpottaa loppukäyttäjää ohjelmiston käytössä, - multimediaominaisuudet, jatkokehittämistä varten, Virtuaali-instrumentoinnin opetuskäytössä (myös etäopetus) ehkä tärkeimpiä ominaisuuksia on se että järjestelmä voi simuloida todellista ilmiötä tuottaa vastaavia signaaleja tai dataa kuin mitä todellinen lähetin (kuvassa transducer). Samaa ohjelmistoa voidaan käyttää tällöin sekä virtuaali- että fyysisessä toteutuksessa ja myös osana virtuaalilaboratoriota (kuva1). Eräs tärkeä virtuaali-instrumentoinnin etu voi olla myös se että opiskelijat voivat ohjelmiston avulla laatia omia sovelluksiaan. Kuva1 A Virtual Laboratory [15] On olemassa esimerkkejä, joissa virtuaali-instrumentointia on käytetty opetuksessa menestyksekkäästi: 1. The College of Engineering and Applied Science at the University of Colorado at Boulder, -monitieteinen koulutusohjelma, jossa on yhdistetty projektiperustaiseen opiskeluun tieto- ja viestintäteknologian hyödyntäminen sekä instrumentointiteknologia 2. Swiss Federal Institute of Technology kehittämä etäopetus järjestely liikekontrolloinnin opiskeluun, jossa opiskelija käyttää etäisesti LabView järjestelmällä kehitettyä liikkeen hallintaa. Module 1: Virtual Instrumentation Overview 5/7

6 3. CyberLab",Stanford University, on eras esimerkki etäopetusjärjestelystä, jossa virtuaalilaboratoriota käytetään optiikan Fourier-muunnosten kokeelliseen etämittausjärjestelyyn [17] 4. Elektroniikan insinöörikoululutus Sinagaporen teknisessä yliopistossa on hyödyntänyt etäkontrolloitavia LabVIEWin ja ComponentWorksin avulla toteutettuja Internetin kautta opiskeltavia kursseja ohjelmoitavasta logiikasta, digittaalielektroniikasta ja kontrollijärjestelmistä 5. Texas A&M University on kehittänyt etäkontrolloitavia kokeita materiaalimekaniikkaan, opiskelijoita joilla ei ole laboratoriotyöskentely mahdollisuutta. LabVieW ohjelmiston avulla toteutetussa koejärjestelyssä on voinut tutkia puristus ja murtolujuuksien testaamista.[16] D. Virtuaali-instrumentoinnista ja simulointi www-sivustoja 1. National Instruments LabVIEW: a. b. c. d. e. f. g. h. i. j. k. l Cabri Geometry II Plus: a. b. c. d. e. PME25.PDF f. EtAl.pdf g. h Crocodile Clips: a. b. c. d. e. f. g. ocodile%20clips%20elementary.pdf Module 1: Virtual Instrumentation Overview 6/7

7 h. m 4. Discovery Virtual Instrumentation: a. b Instrumentation Widgets: a Instrumentation ModelKit: a. b. E. Tehtävä Sinun tehtävänäsi on vierailla kolmella ylläolevista www-sivustoista ja hahmotella simulointia tai virtuaali-instrumentointia hyödyntävä käytännön opetukseen liittyvä laboratorio oppimistehtävä. Laatimasi hahmotelman palautat tiedostona kurssin (moodle) opiskeluympäristöön. F. Lähteet [1] [2] [3] [4] 10DBA?opendocument [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] me= pdf [15] [16] Nermina Zaimovice - Uzunovice, S. Lemes, D. Petkovice, Virtual Instruments A Chance to Teach Engineering at a Distance [17] [18] Module 1: Virtual Instrumentation Overview 7/7