Навигация
Поиск
Разработки
Виртуальный лабораторный практикум для изучения технологии выращивания полупроводниковых и оптических монокристаллов

1. Постановка задачи

Разработка и внедрение в педагогическую практику современных технологий требует принципиально нового подхода к обеспечению и реализации учебного процесса.

В настоящее время трудно представить полноценную подготовку специалиста по инженерным специальностям без его ознакомления с реальными приборами и оборудованием и получения навыков работы с ними. Одной из важнейших составляющих обучения студентов, способствующих выработке практических навыков, является лабораторный практикум. Учебные лаборатории должны быть оснащены универсальным дорогостоящим оборудованием и современными контрольно-измерительными приборами. Стоимость одного учебного места может достигать нескольких десятков и даже сотен тысяч рублей, что делает невозможным обеспечение каждого студента всем набором необходимых инструментальных средств [3].

Мировая тенденция высшего образования заключается в использовании в учебном процессе виртуальных компьютерных технологий. Учебные программы, моделирующие и симулирующие физические явления, являются действенным инструментом в арсенале преподавателей [5].

Наиболее эффективное усвоение учебного материала происходит в процессе активного взаимодействия с объектом изучения, что возможно либо на этапе лабораторного экспериментирования, либо на этапе имитационного моделирования [4]. То есть там, где учащийся может воздействовать на объект изучения или его модель и получить реакцию на это воздействие.

Проведение эксперимента по выращиванию монокристаллов различного рода на реальных установках и определение оптимальных параметров роста является довольно сложной задачей [1]. Это делает актуальным использование комплекса технических, программных и методических средств, обеспечивающих автоматизированное проведение лабораторных и экспериментальных исследований на математических моделях. Особенно остро необходимость применения математического моделирования в виртуальном лабораторном практикуме (ВЛП) ощущается для дорогостоящих технологий с длительным периодом выращивания, к которым относятся методы Киропулоса, Чохральского (методы выращивания оптических и полупроводниковых монокристаллов) [1].

2. Описание решения

Суть разработанного виртуального лабораторного практикума заключается в замене реального лабораторного исследования на математическое моделирование изучаемых физических процессов [4]. . Виртуальный лабораторный практикум основан на комплексе методов математического моделирования теплофизических процессов, обеспечивающих оптимизацию технологических параметров. В процессе выполнения лабораторного практикума возможно выявить закономерности образования вихревых структур течения, переноса тепла в расплаве в зависимости от скоростей вращения кристалла и тигля, условий нагрева тигля. На основе этих данных возможно:

1) выполнить оптимизацию управляющих параметров процесса применительно к технологиям выращивания оптических и полупроводниковых монокристаллов;

2) изучить способы управления формой фронта кристаллизации на основе применения условий нагрева тигля, изменения скорости вращения, закономерности распределений температур в кристалле и расплаве;

3) сравнить полученные данные с данными реально проведенных экспериментов.

Результатом работы является виртуальная Web-лаборатория, в которой одно учебное место доступно для большого числа обучаемых в любое время. Основу составляет полностью модельный виртуальный лабораторный практикум (ВЛП), который от постановки до получения результатов реализуется посредством компьютерных моделей. Структурная схема лабораторного практикума представлена на рисунке 1.

Передача данных между дистанционными пользователями и главным сервером организована следующим образом: пользовательский ПК не нуждается в оснащении специализированным программным обеспечением (необходим только стандартный Интернет-обозреватель). Пользовательский интерфейс в этом случае публикуется в глобальной сети, в то время как сама программа, его реализующая, запущена на главном сервере системы, где так же работает LabVIEW Web-сервер, обслуживающий запросы пользователей.

По запросу пользователей происходит выдача web-страницы со встроенным в нее ActiveX-объектом, обеспечивающим взаимодействие с сервером [3].

В качестве протокола передачи данных, в этом случае, был выбран протокол HTTP, являющийся открытым и разрешенным даже в условиях максимально ограниченного доступа в сеть Интернет.

Оценка применимости предлагаемых математических моделей теплопереноса проводилась на основе методических расчетов тестовых задач, вычислительного эксперимента, сопоставлении полученных результатов с экспериментальными данными [1].

Применение в учебном процессе ВПЛ дает следующие преимущества:

1. Достигается экономия учебных площадей, оптимизируется учебное расписание, достигается экономия средств, затрачиваемых на лабораторное оборудование.

2. Сокращается время на подготовку и проведение лабораторных работ, приобретаются навыков использования современных математических пакетов.

3. Повышается качество обучения, так как студент выполняет лабораторную работу индивидуально.

4. Виртуальные средства становятся мощным дидактическим инструментарием для обучаемых с целью приобретения и закрепления практических навыков.

5. Применение моделирования позволяет получить и проанализировать данные о физическом процессе, находить оптимальные условия роста кристаллов и наблюдать в графическом виде результаты. Представляется возможность сравнить результаты моделирования сданными реально проведенных экспериментов.

3. Используемое оборудование и программное обеспечение

Программное обеспечение лабораторного практикума включает следующие подсистемы:

1) управляющую;

2) моделирования;

3) формирования итогового отчета.

Управляющая подсистема содержит описание моделируемой системы и последовательность выполнения лабораторной работы. Подсистема имеет дружественный интерфейс.

Подсистема моделирования осуществляет программную имитацию исследуемого объекта на базе определенной математической модели. Используемая моделирующая программа обеспечивает: наглядное графическое представление моделируемого объекта.

Для математического моделирования использовался язык технических расчетов MATLAB 7.0.4 [5].

Комплекс работает под управлением ОС Microsoft Windows и представляет собой набор программ, использующих технологии National Instruments.

Среда графического программирования LabVIEW 8.20 для создания ВЛП была выбрана по следующим причинам:

- простота и удобство использования при программировании, что позволяет значительно сократить временные затраты на разработку и отладку ПО, сетевого взаимодействия;

- наглядность и простота освоения, что существенно расширило круг людей, способных участвовать в создании и доработке ВЛП;

- возможность легко и быстро создавать практически любой необходимый и удобный в использовании графический и пользовательский интерфейс;

- широкий набор функций в стандартных библиотеках обработки сигналов и математических библиотеках;

- наличие набора функций, позволяющих легко организовать взаимодействие между разработанным приложением и глобальной сетью.

4. Внедрение и развитие решения

Разработанные виртуальные лабораторные работы планируется апробировать в учебном процессе в рамках локальной сети кафедры «Нанотехнологии и материалов электронной техники».

Планируется внедрить разработанный ВЛП в научно-исследовательской работе, где лабораторный практикум будет не полностью модельным, а данные будут сниматься непосредственно с датчиков экспериментальной ростовой установки. Это позволит студентам, аспирантам, а также операторам ростовых установок, более наглядно видеть моделируемый процесс.

По описанной технологии будут разрабатываться виртуальные лабораторные практикумы по другим изучаемым дисциплинам.

Список литературы

1. Б.М. Синельников Технология синтеза монокристаллов Ставрополь: СевКавГТУ, 2006. 248 с.

2. А.Я. Суранов LabVIEW 7: справочник по функциям. Москва: ДМК Пресс, 2005.512 с.

3. Информатизация инженерного образования: Электронные образовательные ресурсы МЭИ / Под ред. СИ. Маслова Москва: Совет МЭИ по дистанционному обучению, 2005. 160 с.

4. М.М. Gonik, M.A. Gonik Application of visualization technique for study and control of heat and mass transfer in crystal growth, The Intern. Conf. "Single crystal and their application in the XXI century-2004", VNIISIMS, Aleksandrov.

Продолжение...

Контакты
an image
НПП Центральная лаборатория автоматизации измерений
111250 Москва, Энергетическая улица, д.7, офис 311
(495) 134-03-49
E-mail: Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.

Оборудование и программное обеспечение учебных лабораторных стендов

1. Постановка задачи

Реализация приоритетного национального проекта "Образование" позволило ведущим университетам России начать переоснащение учебных лабораторий с использованием современных технических средств и программного обеспечения. При этом многие вузы выбирают в качестве основы лабораторных стендов продукцию корпорации National Instruments (NI), позволяющую эффективно обучать решению задач, актуальных для различных областей науки, промышленности и образования. Среди факторов, обуславливающих подобный выбор, прежде всего, необходимо отметить простоту освоения систем проектирования, простоту интеграции программных и технических средств, возможность реализации сложных современных алгоритмов обработки данных, управления и испытания, наличие большого количества готовых для применения разработок и многое другое. Важно отметить, что корпорация NI уделяет особое внимание образованию, тесно сотрудничает со многими университетами, в том числе - Российскими, выпускает ряд устройств и систем, ориентированных на решение задач обучения.

Эффектными примерами результатов деятельности NI в этой области могут служить университетские комплекты Academic Bundle NI, универсальная учебная лабораторная станция ELVIS и конструктор LEGO Mindstorms NXT, разрабатываемые компаниями Quanser Consulting, Vernier Software & Technology, PASCO и поддерживаемые технологиями NI лабораторные стенды и практикумы для самых различных дисциплин. Однако спектр необходимых для учебных лабораторий специальных устройств и программ столь широк, что далеко не все потребности в оснащении университетов могут быть удовлетворены имеющейся на рынке продукцией. Кроме того, промышленные компоненты лабораторных стендов и комплектные лаборатории, подчас оказываются недоступными из-за сравнительно высокой стоимости, сопоставимой или даже превышающей стоимость стандартных, выпускаемых серийно универсальных технических средств - модулей ввода-вывода, систем измерения и автоматизации и т.п.

Многие зарубежные и Российские университеты вынуждены сами создавать лабораторное оборудование, программное и методическое обеспечение, адаптируя к своим дисциплинам, учебным планам и программам. К сожалению, многие из этих наработок по ряду причин не могут быть растиражированы для использования другими вузами. Предпринимаемые Российским филиалом корпорации NI меры по координации работ университетов в этом направлении, не дают должного результата - эффективность обмена опытом и результатами работ в образовательной среде оставляет желать лучшего. По-видимому, без участия соответствующих департаментов Министерства науки и образования, специализированных проектно-конструкторских и производственных учреждений скорость и эффективность модернизации учебно-лабораторной базы останутся невысокими, а перевод учебного процесса на современный, качественно новый уровень растянется на многие годы.

2. Описание решения

Целью настоящей работы является краткий обзор учебных лабораторных стендов, комплектов программных и технических средств, учебных лабораторных практикумов и лабораторий, разработанных в учебном центре "Центр технологий National Instruments" Новосибирского государственного технического университета.

Основные предпосылки, из которых мы исходили, и принципы, которыми мы руководствовались:

■ Техническая основа лабораторного стенда должна быть реализована на стандартных промышленных устройствах и системах, как правило, производства корпорации NI, удовлетворяющих по номенклатуре, совокупности функциональных возможностей и технических характеристик самым взыскательным требованиям современного уровня науки и техники. Такая основа создает предпосылки для унификации технических средств лабораторных стендов многих учебных дисциплин, сокращения сроков получения конечных результатов, упрощения обслуживания и развития.

■ В качестве основных инструментальных средств проектирования программного обеспечения должна использоваться среда графического программирования LabVIEW с необходимыми программными модулями и библиотеками корпорации NI. Применение этих инструментальных средств позволяет наиболее просто, в кратчайшие сроки и с малыми затратами реализовать практически любые необходимые программно-технические комплексы.

■ Важнейшей частью любого лабораторного стенда является объект исследования или проектирования, а также набор вспомогательных устройств, необходимых для согласования стандартных контрольно-измерительных и управляющих устройств с объектом. Никакие самые совершенные измерительные системы и программные инструментальные средства проектирования не обеспечат должного уровня обучения вне связи с реальными физическими объектами или без применения адекватных физических моделей объектов. По сложности и стоимости объекты исследований и проектирования в учебном процессе могут быть сопоставимы со стандартным оборудованием лабораторных стендов.

■ Усилия разработчиков - преподавателей и инженеров целесообразно сконцентрировать на создание лабораторных стендов и практикумов для наиболее массовых дисциплин, которым обучают большее количество студентов во многих вузах. Это позволит при одних же тех же затратах достичь более значимого эффекта.

■ Методика обучения, а, следовательно, состав аппаратных средств и функции программного обеспечения лабораторий должны быть ориентированы на передовые технологии, применяемые в научных исследованиях и промышленности. Одновременно - практикумы должны использовать современные технологии обучения, предоставляющие возможности усваивать больший объем знаний и приобретать практические навыки за более короткие сроки, позволяющие оперативно совершенствовать и расширять содержание практикумов, экономить время и усилия преподавателей на подготовку к занятиям и их проведение и т.п.

■ Адаптация состава и содержания лабораторных практикумов к образовательным программам и стандартам должна быть взаимной. Если создаваемые учебные лабораторные стенды и практикумы позволяют научить новым методам и технологиям, отсутствующим в образовательных стандартах, приоритет должен отдаваться новым решениям, даже если в образовательные стандарты они пока еще не включены.

Комплект лабораторный "Интеллектуальные датчики с электронными таблицами" предназначен для ознакомления с интеллектуальными датчиками, выполненными в соответствии со стандартом IEEE 1451.4 Transducer Electronic Data Sheet, обучения, принципам проектирования каналов измерения в системах автоматизации экспериментальных исследований, испытаний и управления с использованием интеллектуальных датчиков [1].

Этим комплектом могут быть дополнены учебные лабораторные стенды, оснащенные одним из стандартных устройств или системой NI - модулем ввода-вывода с коннекторным блоком, лабораторной станцией ELVIS, компактной модульной системой ввода-вывода типа Compact DAQ или системой реконфигурируемого ввода-вывода Compact RIO и т.п.

В состав лабораторного стенда (рис. 1), компонуемого на основе этого комплекта, кроме промышленных устройств, входят адаптер интерфейсов "RS-232/1-Wire" с блоком питания, образцы интеллектуальных датчиков Smart TEDS, выполненных в интерфейсе класса 2, программа анализа и редактирования свойств датчиков.

Лабораторный стенд "Интеллектуальные датчики с электронными таблицами"

Рис. 1. Лабораторный стенд "Интеллектуальные датчики с электронными таблицами"

Разработанный практикум состоит из 3-х лабораторных работ:

> Основные свойства интеллектуальных датчиков. Структура электронных таблиц

> Устройство и разновидности интеллектуальных датчиков. Инструментальные средства проектирования датчиков. Создание и редактирование электронных таблиц

> Проектирование измерительных систем с интеллектуальными датчиками

Лабораторные работы могут быть включены в рабочие программы ряда дисциплин, например, "Системы сбора и обработки данных", "Первичные измерительные преобразователи", "Измерение электрических и неэлектрических величин", "SCADA-системы" и др.

Комплект интеллектуальных виртуальных измерительных приборов КИВИП-2 развертывается на базе многофункционального модуля ввода-вывода серии М типа NI 6259. При этом в распоряжении пользователя доступны следующие измерительные приборы широкого назначения:

Таблица 1

№ Наименование прибора Каналов Характеристики
1 Генератор аналоговых сигналов 4 Сигналы типовые, по формуле
2 Осциллограф 4
3 Мультиметр 4 Измерения U, I; DC или АС
4 Частотомер 1DI + 1AI Один из 4-х AI
5 Анализатор спектра 1 Один из 4-х AI
6 Характериограф 1 Один из 4-х AI
7 Анализатор АЧХ/ФЧХ 1 Один из 4-х AI
8 Генератор цифровых воздействий 16 Типовые последовательности
9 Анализатор логических состояний 16 Задержка до 216 тактов

Для приборов, работающих с аналоговыми сигналами, обеспечивается разрешающая способность 16 бит и интервал дискретизации во времени 4 мкс в диапазоне ±10В.

Генератор тестовых цифровых последовательностей и анализатор логических состояний позволяют исследовать цифровые устройства в реальном времени на частотах до 10 МГц. Длина генерируемой последовательности составляет до 1024 тактов, регистрируемой последовательности - до 256 тактов. В анализаторе логических состояний реализованы режимы сбора данных с положительным и отрицательным запуском, сравнения с "эталоном", форматы отображения в виде временных диаграмм, таблиц состояний и ошибок.

При использовании модулей ввода-вывода другого типа соответственно изменяются количество каналов и технические характеристики.

О функциональных возможностях некоторых приборов можно получить представление по приведенным ниже рисункам (рис. 2-4).

Реализованный комплект приборов, по нашему мнению, в большей степени удовлетворяет требованиям, предъявляемым к приборному обеспечению лабораторных практикумов для многих общетехнических дисциплин, чем комплект приборов, входящий в состав лабораторной станции ELVIS (в таблице 1 выделены приборы КИВИП-2, которых нет в ELVIS). Кроме того, в КИВИП-2 рациональнее используются ресурсы модуля ввода-вывода различными приборами, это позволило не только увеличить количество каналов, но и ослабить ограничения на возможности организации совместной работы приборов.

На основе КИВИП-2 может быть создана полнофункциональная лаборатория для изучения техники измерений, принципа действия и устройства измерительных приборов различного назначения, наиболее часто применяемых на практике, организованы практические и лабораторные занятий по другим дисциплинам.

КИВИП-2. Характериограф

Рис. 2. КИВИП-2. Характериограф

КИВИП-2. Генератор цифровых последоваетльностей

Рис. 3. КИВИП-2. Генератор цифровых последоваетльностей

КИВИП-2. Анализатор логических состояний, временные диаграммы

а) временные диаграммы

КИВИП-2. Анализатор логических состояний, таблица ошибок

б) таблица ошибок

Рис. 4. КИВИП-2. Анализатор логических состояний

Экранная панель лабораторного практикума "Аналоговая схемотехника"

Рис. 5. Экранная панель лабораторного практикума "Аналоговая схемотехника"

Экранная панель лабораторного практикума "Цифровая схемотехника"

Рис. 6. Экранная панель лабораторного практикума "Цифровая схемотехника"

Примером применения комплекта КИВИП-2 и современных технологий NI может служить лаборатория коллективного пользования, предназначенная для проведения занятий по дисциплинам "Электроника", "Аналоговая схемотехника" и "Цифровая схемотехника" [2]. На рис. 5,6 приведены основные экранные панели студенческих рабочих мест.

В настоящее время разработаны следующие лабораторные работы:

Дисциплина Наименование лабораторной работы Объекты исследований
Электроника Диоды и стабилитроны Компоненты электроники
Транзисторы
Аналоговая схемотехника Операционные усилители Программируемые аналоговые интегральные схемы
Фильтры
Компараторы и выпрямители
Дифференциаторы и интеграторы
Цифровая схемотехника Базовые логические элементы Программируемые цифровые интегральные схемы
Триггеры
Регистры
Счетчики

Наиболее интересными, по нашему мнению, в этом проекте являются:

- использование одного, общего для всех рабочих мест лаборатории, набора технических средств, на основе которого реализован комплект измерительных приборов;

- использование одного, общего для всех рабочих мест лаборатории, набора объектов исследования и проектирования;

- обеспечение возможности выполнения индивидуальных заданий на каждом рабочем месте;

- создание предпосылок для обучения современным методам проектирования и прототипирования электронных устройств в соответствии с технологией "кремниевой мастерской";

- оздание предпосылок для автоматизации процесса обучения, непрерывного развития лабораторного практикума с минимизацией необходимых для этого временных и иных ресурсов;

Имеющийся задел позволяет модифицировать лабораторию "Электроника и схемотехника для работы через глобальную сеть Интернет. Комплект приборов КИВИП-2 предполагается также использовать при разработке новой версии Web-лаборатории "Микроконтроллеры и сигнальные процессоры".

Обучение методам проектирования систем автоматического управления и регулирования будет более эффективным, если в состав лабораторного стенда, кроме программных моделей, иллюстрирующих различные алгоритмы управления, включить достаточно простой и легко интегрируемый со стандартным лабораторным оборудованием реальный физический объект.

Этим требованиям удовлетворяет лабораторный блок "Термостат". Блок состоит из нагревательного элемента, температура которого измеряется с помощью термопары, и вентилятора, скорость которого можно контролировать с помощью оптоэлектронного датчика. Регулирование температуры нагревательного элемента и скорости вращения вентилятора могут осуществляться сигналами с широтно-импульсной модуляцией.

Лабораторный стенд на основе блока "Термостат"

Рис. 7. Лабораторный стенд на основе блока "Термостат"

3. Используемое оборудование и ПО

Рассмотренные выше устройства для лабораторных стендов содержат согласующие компоненты, что позволяет их сопрягать практически с любыми платформами NI - встраиваемыми в персональный компьютер модулями DAQ PCI, с устройствами и системами DAQ USB, Compact DAQ, Compact RIO, Compact Field Point.

Программное обеспечение лабораторных комплектов и практикумов спроектировано в среде LabVIEW с использованием программных модулей LabVIEW DSC и LabVIEW Real Time.

4. Внедрение и развитие

Разработанные программные и технические средства, а также учебно-методические пособия переданы для внедрения в учебный процесс на различные кафедры ряда университетов.

Список литературы

1. А.Банщикова, Е.Д.Баран, Е.Я.Красавцева, А.Ю.Любенко, Лабораторный практикум "Интеллектуальные датчики с электронными таблицами". // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments: Сборник трудов, междунар. науч.-практ. конф. / Москва. Издательство Российского университета дружбы народов, 2006. с. 57-61.

2. Е.Д.Баран, А.В.Кухто, А.Ю.Любенко, И.О.Марченко, С.В.Черкашин. Автоматизированные учебные практикумы и лаборатории. // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments: Сборник трудов, междунар. науч.-практ. конф. / Москва. Издательство Российского университета дружбы народов, 2006. с. 18-24.