11. LabVIEW. 1. rukuje instrumentacionim programom, 2. kontroliše izabrani hardver, 3. analizira prikupljene podatke, 4. prikazuje rezultat.

Transcription

1 11. LabVIEW Lab VIEW predstavlja razvojno okruženje za kreiranje programa u formu blok dijagrama korišćenjem grafičkih simbola. Može se reći da je LabVIEW, kao i programski jezici C ili BASIC, programski sistem opšte namene koji sadrži veliki broj biblioteka funkcija pogodnih za rešavanje različitih zadataka. Sa LabVIEW-om vrši se projektovanje željene virtuelne instrumentacije kreirajući grafički korisnički interfejs na ekranu računara, koji: 1. rukuje instrumentacionim programom, 2. kontroliše izabrani hardver, 3. analizira prikupljene podatke, 4. prikazuje rezultat ELEMENTI PROGRAMA LabVIEW Za program kreiran korišćenjem LabVIEW proizvođač ovog programskog paketa, firma National Instruments, sugeriše naziv virtuelni instrument (VI). Po organizaciji i načinu rada programska osnova virtuelnog instrumenta odgovara načinu funkcionisanja klasičnog instrumenta. VI poseduje interaktivan korisnički interfejs, ekvivalentan programskom kodu, a prihvata parametre od VI višeg nivoa. VI može imati ulogu glavnog programa ili može biti potprogram, kao deo programa ili većeg podprograma- VI koji radi u okviru drugog VI naziva se subvi. Prebacivanje parametara iz VI ka subvi i obrnuto obavlja se preko ikone (ikon) i konektora (connector) koji funkcionišu kao grafičke liste parametara. Hijerarhijskom i modularnom organizacijom VI obezbeđen je koncept modularnog programiranja. Samim tim, to znači da se projekat deli na skup zadataka, koji se dalje mogu deliti na podzadatke, sve dok kompleksan projekat ne postane skup jednostavnih zadataka. Rešavanje podzadataka vrši se kreiranjem odgovarajućih VI ili subvi. Glavni program ili rešenje kompletnog zadatka predstavlja skup subvi koji obavljaju pojedinačne funkcije. Prednji panel Interaktivni korisnički interfejs virtuelnog instrumenta naziva se prednji panel (front panel) jer on simulira prednji panel fizičkog instrumenta. Prednji panel može sadržati preklopnike, potenciometre, tastere, displej i druge elemente za indikaciju i upravljanje. Podaci se unose pomoću miša ili tastature, a rezultat se dobija na ekranu personalnog računara. Na slici dat je primer prednjeg panela virtuelnog instrumenta. 202

2 Slika Prednji panel virtuelnog instrumenta Blok dijagram Blok dijagram (block diagram), konstruisan u LabVIEW grafičkom okruženju, prosleđuje komande virtuelnom instrumentu. Blok dijagram predstavlja grafički metod rešavanja postavljenog zadatka izrade programa. Blok dijagram je izvorni kod za VI. Na slici dat je primer blok dijagrama virtuelnog instrumenta. Slika Blok dijagram virtuelnog instrumenta u LabVIEW-u LabVIEW OKRUŽENJE U okviru LabVIEW okruženja dat je prikaz osnovnih alatki za rad u LabVIEW u, gde se Controls nalazi u okviru prednjeg panela, dok se Function nalazi u okviru blok dijagrama. Na slici dat je prikaz ovih alatki koje čine LabVIEW okruženje. 203

3 Operating tool postavlja Controls i Function set objekata na front panel blok dijagram Position tool za pomeranje, selektovanje i uvećanje objekata Labeling tool za ubacivanje teksta i stvaranje novih tabela Wiring tool za povezivanje objekata unutar blok dijagrama Object pop up menu tool kao zamena u opadajućem meniju Scroll tool prelazi preko prozora bez upotrebe scroll bar - a Breakpoint tool postavlja prekide u VI, funkcijama, petljama, sekvencama i strukturama Probe tool testira povezivanje elemenata Color Copy tool kopira boju za ubacivanje u Color tool Color tool za podešavanje boja 204

4 Slika LabVIEW okruženje Povezivanje objekata u blok dijagramu vrši se na način kao na slici Slika Povezivanje objekata u blok dijagramu 205

5 Kako je je već rečeno, povezivanje objekata u blok dijagramu se vrši preko Wiring tool. Svaki objekat iz front panela ima svoj lik u blok dijagramu pri čemu je označen i oblik informacije (podatka) koji je naznačen bojom. Na slici 11.5.a. dat je prikaz front panela i blok dijagrama, dok je na slici 11.5.b.dat prikaz podataka. Slika a. Prikaz front panela i blok dijagrama. U tabeli dat je oblik podataka. Slika 11.5.b.Prikaz podataka 206

6 Tabela Prikupljeni podaci, pored korisne informacije sadrže šum, a često su izobličeni usled nesavršenosti merno - pretvaračke opreme i digitalizatora signala iii usled nepovoljnog uticaja okoline, promene temperature, vlažnosti i drugih razloga. Pribavljanje korisnih informacija iz prikupljenih podataka može se ostvariti pogodnom primenom savremenih tehnika obrade i analize digitalnih podataka. Biblioteke virtuelnih instrumenata za obradu i analizu prikupljenih ili simuliranih signala kojima raspolaže LabVIEW daju mogućnosti razvoja programa za veoma širok domen primena od upravljanja statističkim procesima do digitalne obrade signala. U okviru skupa funkcija za analizu podataka na raspolaganju stoje sledeće grupe VI: 1. Verovatnoća i statistika. Statističke funkcije za srednju vrednost ili standardnu statističku devijaciju skupa podataka kao i statističku funkciju verovatnoće i analizu varijanse. 2. Linearna algebra. Algebarske funkcije sa realnim i kompleksnim brojevima, vektorima i matricama. 3. Niz. Numeričke operacije sa jedno-dimenzionalnim i dvo-dimenzionalnim nizovima. 4. Generisanje signala. Generisanje digitalnog i analognog signala različitih talasnih oblika. 5. Digitalna obrada signala. Transformacija u frekvencijskom domenu, analiza u frekvencijskom domenu, analiza u vremenskom domenu i druge transformacije kao što su Hartley i Hilbert transformacije. 6. Digitalno fitriranje. IIR, FIR i nelineama funkcija digitalnog filtriranja. 7. Smoothing Windows. Data windowing. 8. Interpolacija krivih. 9. Spektralna analiza i merenja. Funkcije koje su orijentisane ka merenju spektra jednog bočnog opsega (single-sided band, SSB), određivanju vršne snage i učestanosti. 10. Dodatne numeričke metode kao što su fitovanje funkcija, numerička integracija i detekcija vršne vrednosti i dr PROGRAMSKE STRUKTURE I FUNKCIJE Programske strukture Poseban tip čvora predstavljaju programske strukture uz pomoć kojih se dopunjava tok izvršavanja programa tj. blok dijagrama. Izgled LabVIEW programskih struktura dat je na slici

7 Strukture se ponašaju kao čvorovi tj. izvršavaju se automatski kada se na ulazu pojave podaci. Kada se izvrše operacije uokvirene strukturom podaci se šalju na izlaz. Ulazni i izlazni priključci na okviru strukture, koji se generišu automatski kada veza preseče okvir strukture, nazivaju se tuneli (tunels). Pored tunela, pojedine strukture imaju i druge priključke. Za upravljanje operacijama koje se ponavljaju koriste se programske strukture For Loop/WhiIe Loop. Slika Programske strukture: For Loop i While Loop For Loop omogućava da se dijagram koji je obuhvaćen ovom strukturom izvrši određen broj puta. Broj ponavljanja petlje označenje sa N i može se zadavati direktno, povezivanjem vrednosti koja se nalazi izvan petlje sa priključkom N, ili implicitno, preko auto-indeksiranja. Priključak iteracije (iteration terminal) sadrži realni broj tekuće iteracije. While Loop predstavlja uslovnu programsku strukturu koja obezbeduje da se poddijagram obuhvaćen ovom strukturom izvodi sve dok je određeni uslov ispunjen. Struktura sadrži priključak za uslov (conditional terminal) i priključak rednog broja iteracije. Povezivanjem binarnog broja sa priključkom za uslov vrši se upravljanje petljom i na kraju svake iteracije proverava se vrednost broja koji je povezan sa terminalom za uslov i ako je ona jednaka logičkoj jedinici izvršava se sledeća iteracija. Priključak rednog broja iteracije ima istu funkciju kao kod For Loop programske strukture. Obe programske petlje mogu koristiti priključke za privremeno pamćenje podataka prethodne iteracije koji će biti korišćeni u narednoj iteraciji. Case i Sequence programske strukture mogu sadržati više poddijagrama konfigurisanih u više nivoa, pri čemu je samo jedan vidljiv u datom trenutku. Slika Programske strukture: Case i Sequence Case struktura sadrži dva ili više poddijagrama ili cases od kojih se samo jedan izvršava kada se izvršava struktura. Izbor poddijagrama koji će se izvršavati vrši se preko prikljućka koji se naziva selektor (selector). Ako je sa selektorom povezan binarni broj, struktura sadrži dva poddijagrama koji odgovaraju False i True stanjima. Povezivanjem celog broja na selektor može se vršiti izbor poddijagrama u opsegu od 0 do Sekvencijalna struktura, čiji izgled podseća na komadić filmske trake, sadrži jedan iii više poddijagrama ili ramova koji se izvršavaju sekvencijalno, po utvrđenom redu. Podaci se šalju iz strukture tek po izvršavanju poslednjeg poddijagrama. Sekvencijalna struktura se koristi za upravljanje redosledom izvršavanja čvorova kada je on značajan, a nije uslovljen tokom podataka. Ovakav slučaj nije redak, a kao primer može poslužiti upravljanje instrumentacijom preko IEEE-488 interfejsa, tj. prema programabilnom instrumentu se najpre pošalje komanda pa potom izvrši očitavanje podataka. Ukoliko se ne bi koristile sekvencijalne strukture, moglo bi prvo doći do očitavanja podataka iz instrumenta pa tek potom slanje komande, što bi dovelo do greške u radu. 208

8 Matematičke formule U okviru blok dijagrama mogu se koristiti matematičke formule koje se upisuju u uokviren pravougaonik koji se naziva čvor formule (Formula Node), slika Čvor formule sadrži jednu ili više matematičkih funkcija ili formula i za pisanje formula koristi se BNE (Backus-Naur Form) notacija uobičajena za pisanje matematičkih izraza i kod klasičnih programskih jezika. Slika Matematičke formule Po obodu programske strukture za formulu dodaju se priključci u koje se upisuju ulazne i izlazne promenljive. LabVIEW raspolaže velikim brojem funkcija koje se mogu koristiti u matematičkim formulama (aritmetičke, trigonometrijske, logaritamske i dr.). Vremenske funkcije Podatak o tekućem vremenu, proteklom vremenu ili onemogućiti neku operaciju na određeno vreme može se ostvariti primenom vremenskih funkcija i kod većine vremenskih funkcija programa LabVIEW osnovna jedinica za vreme je milisekunda. Slika Vremenske funkcije: (a) Tick Count (ms); (b) Wait (ms); (c) Wait Until Next ms Multiple; (d) Get Data/Time String Funkcija Tick Count (ms) daje podatak o vremenu, izraženo u milisekundama, koje je prošlo od momenta uključenja. Maksimalna dužina vremenskog intervala iznosi Funkcija Wait (ms) zadržava izvršavanje funkcije za specificirani broj ms. Funkcija daje podatak o sadržaju milisekundnog tajmera po isteku zadatog intervala čekanja. Brzinom izvršavanja programskih struktura For Loop/While Loop može se upravljati preko funkcija Wait Until Next ms Multiple. Period izvršavanja programske petlje definiše numerička konstanta koja se povezuje sa ikonom Wait Until Next ms Multiple i brojno je jednak vrednosti konstante izražene u milisekundama. Funkcija Get Data/Time String daje, u obliku odgovarajućih nizova, podatke o datumu i tekućem vremenu specificiranom preko broja sekundi proteklih od 12:00 GMT 1.januara god. Na raspolaganju stoje length vremenske funkcije Get Data/Time in Seconds koja daje podatak o proteklom vremenu u sekundama, Data/Time to SecondsTS. Konverziju datuma u proteklo vreme length Seconds To Data/Time za konverziju proteklog vremena izraženog u sekundama u tekući datum. Kod svih ovih funkcija kao referentno vreme uzima se 12:00 GMT, l.januar god. 209

9 Funkcije sa nizovima Osim za prikaz tekstualnih poruka, više namena u akviziciji podataka imaju nizovi ASCII karaktera (ASCII strings). Numerički podaci se najčešće prenose kao nizovi karaktera koji se potom ponovo konvertuju u brojne vrednosti. Pri memorisanju podataka brojevi se najpre konvertuju u nizove ASCII karaktera koji formiraju ASCII fajl. Za komunikaciju sa programabilnom instrumentacijom preko serijskog interfejsa RS-232 ili instrumentacionog paralelnog interfejsa IEEE- 488 koriste se komande u vidu niza ASCII karaktera. LabVIEW raspolaže velikim brojem funkcija za rad sa nizovima uključujući i one koji vrše konverziju nizova u brojeve i obrnuto. Funkcija za upravljanje nizom (string control) i funkcija za unošenje broja povezuju se sa funkcijom za formatiranje niza Format Into String koja povezuje nizove sa ulaza, formatira brojeve a zatim generiše jedan niz na izlazu. Broj karaktera u formiranom nizu može se odrediti korišćenjem funkcije za određivanje dužine niza String Length. Rad sa graficima Osim prikaza tekstualnih poruka, u akviziciji podataka često se traži oblik podataka u vidu grafika. Na slici a. prikazan je oblik grafa, dok je na slici b. dat prikaz digitalnog grafa. Slika a. Waveform Graph 1- legenda plota, 2-cursor, 3-oznaka grida, 4-mini oznaka grida, 4-paleta grafa, 6- kursor za pomeranje, 7-legenda grafa, 8- legenda skale, 9-X osa, 10-Y osa, 11- oznaka 210

10 Memorisanje podataka Slika b. Digital Waveform Graph LabVIEW poseduje skup funkcija File I/0 namenjenih za rad sa fajlovima gde pored funkcija pamćenja ili očitavanja podataka, na raspolaganju stoje i druge funkcije kao što su kreiranje fajla tipa tabele, memorisanje podataka u binarnom formatu i tako dalje. Podaci koji se memorišu mogu biti u jednom od sledećih formata: 1. Niz bajta. Podaci, čija je osnovna jedinica bajt, mogu biti istog ili različitog tipa. Ovaj format pruža mogućnost da se podaci koriste i u drugom softverskom paketu, na primer u programu za rad sa tabelama ili u programu za obradu teksta. 2. Datalog fajl. Podaci su u binarnom formatu i ovakve fajlove može koristiti samo LabVIEW. 3. Niz binarnih bajta. Odlikuje se velikom kompaktnošću i brzinom memorisanja podataka. Podaci se najpre konvertuju u binarni niz i mora se znati koji tip podataka se memoriše odnosno očitava AKVIZICIJA PODATAKA Jedna od najvrednijih funkcija programskog paketa LabVIEW je upravljanje akvizicionim karticama za direktno povezivanje na ISA ili PCI zajedničku magistralu personalnog računara. Ove kartice obuhvataju različite kombinacije analognih i digitalnih ulaza i izlaza. U okviru funkcije za akviziciju podataka nalaze se klase VI za akviziciju analognih signala Analog Input VIs, generisanje analognih signala Analog Output VIs, akviziciju i generisanje digitainih signala Digital I/O VIs, brojanje impulsa i generisanje vremenskih signala Counter VIs, kalibraciju i konfiguraciju akviziciono-upravljačke kartice Calibration and Configuration VIs i virtuelni instrumenti za prilagođenje i obradu signala Signal Conditioning VIs. U okviru svake klase virtuelnih instrumenata, nalazi se veći broj VI za specifične primene, od najjednostavnijih do najsloženijih. Ovi VI se koriste u blok dijagramu za realizaciju određenih funkcija akvizicije ili upravljanja. Izbor akviziciono-upravljačke kartice povezan je sa konkretnim zahtevima određenog zadatka. Danas, veliki broj proizvodača hardvera uz svoje proizvode nudi VI ili razvojni alat za izradu VI za LabVIEW, čime se znatno proširuje izbor hardvera koji se može koristiti sa ovim programskim paketom. Kao primer, na slici dat je prikaz prednjeg panela i blok dijagrama virtuelnog dela automatske baždarnice. Hardver realizovanog virtuelnog instrumenta sastoji se iz PC računara, akvizicionih kartica PCI NI DAQ 6713 i ISA ED 428, 3 naponska i 3 strujna pojačavača, naponskih delitelja, naponskih i strujnih transformatora i mernih šantova (150A/60V). Pored sistemskog softvera za PC, razvijen je aplikativni softver za obezbeđenje automatske funkcije prototipa baždarnice i kalibracije 211

11 pojedinih ključnih mernih modula za generisanje, merenje i samotestiranje postavljenih vrednosti napona, struje i faze. Sa ispitivanog brojila dobijaju se merni podaci u vidu impulsa u jedinici vremena koji prestavlja merenu električnu veličinu i podaci o statusu ispitivanog brojila. Slika a. Ekran virtuelnog instrumenta Slika b. Blok diagram programa za generisanje trofaznih signala 212

12 11.5. UPRAVLJANJE PROGRAMABILNOM INSTRUMENTACIJOM Preko instrumentacionih drajvera ostvaruje se komunikacija sa programabilnom instrumentacijom. Instrumentacioni drajver predstavlja skup virtuelnih instrumenata preko kojih se komunicira sa instrumentom korišćenjem standardnih VISA (Virtual Instrument Software Architecture) I/O funkcija. Drajver ili VI predstavlja komandu visokog nivoa, kao što je Read DC Voltage VI za digitalni multimetar, ili Configure Time Axis VI za digitalni osciloskop. Pozvani drajver automatski šalje komande u vidu nizova karaktera koje odgovaraju određenom instrumentu. LabVIEW raspolaže velikim brojem drajvera za upravljanje instrumentacijom na bazi IEEE- 488, RS-232 interfejsa i VXI instrumentacije. Drajveri za veći broj programabilnih instrumenata nalaze se u VISA biblioteci i dostupni su preko instrumentacionih I/O interfejsa, ali postoji i mogućnost izrade instrumentacionog drajvera za specifičnu primenu. Treba napomenuti da su raspoloživi instrumentacioni drajveri isporučeni sa blok-dijagramom, koji korisnik može editovati odnosno prilagoditi specifičnim zahtevima. Opšti model instrumentacionog drajvera prikazan je na slici APLIKACIONI PROGRAM DEMONSTRACIONI VI FUNKCIONALNA OSNOVA APLIKACIONI VI INICIJALIZACIJA KONFIGURACIJA AKCIJA I PODATAK STATUS VI KOMPONENTE USLUŽNI VI KR AJ KOMUNIKACIJE VI ZA PODRŠKU VISA Slika Opšti model instrumentacionog drajvera Demonstracioni VI se najčešće sastoji od tri subvi: inicijalizacionog VI, aplikacionog VI i VI za završavanje komunikacije i predstavlja jednostavan instrumentacioni drajver namenjen za testiranje i verifikaciju ispravnosti komunikacije između PC i instrumenta. Često se, bez modifikacija, ovakav VI može primeniti za testiranje različitih uređaja. Aplikacioni VI predstavljaju strandardne VI koji su predstavljeni ikonom i priključcima i oni se mogu pozvati odnosno koristiti u programu kao interfejs prema drajveru. Aplikacioni VI se sastoje iz većeg broja funkcija preko kojih se obavlja programiranje instrumenta i sadrži funkcije za konfiguraciju instrumenta, trigerovanje i obavljanje merenja. Inicijalizacioni VI je prvi instrumentacioni drajver koji se poziva i služi za uspostavljanje komunikacije sa instrumentom. Konfiguracioni VI jeste skup softverskih rutina koje omogućuju konfiguraciju instrumenta za obavljanje željenih operacija. Po konfigurisanju instrument je spreman da obavlja merenja ili generiše signale. Akcioni VI inicijalizuje ili prekida rad instrumenta i razlikuje se od konfiguracionog VI jer on ne utiče na konfiguraciju instrumenta već samo menja redosled izvršavanja operacija. Preko statusnog VI se pribavlja tekući status instrumenta tokom izvođenja određene operacije. VI podataka prenosi podatke ka i od instrumenta. Podatak može biti očitana merena vrednost ili niz podataka potrebnih za generisanje signala određenog talasnog oblika. 213

13 Uslužni VI obavljaja više, najčešće pomoćnih funkcija kao što su resetovanje instrumenta, samotestiranje, saopštavanje greške i sl. VI za završavanje komunikacije prekida vezu programa i instrumenta. Ovaj VI se poziva samo na kraju programa ili kada se želi završavanje komunikacije sa instrumentom. Za verifikaciju komunikacije sa programabilnim instrumentom koristi se demonstracioni Getting Started VI i pomoću ovog VI mogu se proveriti osnovne funkcije instrumenta VIRTUELNE LABORATORIJE Sa razvojem kompjuterske nauke i tehnologije mreža, Internet se danas dosta koristi. Internacionalna računarska mreža, koja predstavlja globalnu računarsku mrežu na bazi TCP / IP (Transmision Control Protocol / Internet Protocol) protokola omogućava brzo prikupljanje velikog broja informacija u poslovne svrhe i za druge oblasti interesovanja. Veliki broj preduzeća i institucija preko Interneta nudi ogromnu količinu informacija i mogućnost zaključivanja poslova dobavljačima, kupcima i drugim zainteresovanim licima. Zahvaljujući otvorenoj arhitekturi i standardizovanom softveru, Internet tehnologije u novije vreme sve veću primenu nalaze u nadzoru i upravljanju industrijskim procesima. Jedna od primena Internet tehnologije jeste i kreiranje virtuelne laboratorije koja se koristi u edukaciji studenata, kao i razmeni znanja između ljudi koji se nalaze na različitim lokacijama. Virtuelni instrumenti i distribuirani sistemi su jako značajni pri formiranju naprednog fleksibilnog okruženja za predavanja i eksperimente po niskoj ceni. Postojanje jednostavne i efikasne tehnološke podrške za širenje i daljinsko korišćenje virtualnih sistema čini privlačnim ovo rešenje za eksperimentalnu praksu nezavisnu od broja studenata ili njihovih lokacija sa raznovrsnim instrumentima i procedurama merenja direktno dostupnim korisnicima. Primer izgleda virtuelne laboratorije dat je na slici Ona omogućava da ljudi ne moraju da putuju do laboratorije, da može da se koristi u bilo koje vreme ( noću, vikendima, ). Slika Koncept virtuelne laboratorije 214

14 Definicija i podela virtuelnih laboratorija Virtuelna laboratorija je programsko okruženje koje pruža korisniku mogućnost da na računaru izvodi eksperimente i analizira dobijene rezultate bez direktnog kontakta sa fizičkim uređajima koji bi se mogli smatrati sastavnim delom jedne realne laboratorije. U skladu sa ovom definicijom može se sagledati dva tipa virtuelnih laboratorija. 1. virtuelne laboratorije koje su zasnovane na udaljenom pristupu realnom fizičkom instrumentu ( fizički instrument se ne koristi direktno već se uz pomoć računara i određenog softvera kontroliše instrument koji je priključen na računar) 2. virtuelne laboratorije kao potpune simulacije laboratorijskog okruženja, instrumenata i uslova u kojima se vrši eksperiment. Oba tipa su podjednako značajna i njihove namene nisu striktno odvojene. Takođe, moguće je praviti i kombinacije ova dva tipa virtuelnih laboratorija zavisno od potrebnih funkcionalnosti rešenja i definisane namene krajnjeg rešenja. Ono što je zajedničko virtuelnim laboratorijama jeste korišćenje interneta i internet tehnologija kao osnovnog resursa za svoju realizaciju. Široki spektar internet protokola omogućava veliku kreativnost u definisanju funkcionalnosti jedne virtuelne laboratorije. Struktura i implementacija virtuelnih laboratorija Virtuelna laboratorija sastoji se iz sledećih elemenata: 1. Sistem administrator koji omogućava: registaciju (prijavu) novog korisnika i definiše njegov pravi pristup; poboljšanje (usavršavanje) informacija postojećeg kursa; uklanjanje korisnika; čuvanje informacija u bazi podataka. 2. Dostavljanje sledećeg servisa klijentu koji uključuje: narednu kontrolu pravilnog pristupa; informaciju o servisu koji se dostavlja sistemu za učenje na daljinu; mogućnost izbora i pohađanja kurseva za učenje na daljinu. 3. Pristup ostalim modulima u sistemu koji logički sledi sekvenci. U nameri da se realizuju sve ove pobrojane funkcije moduo Virtualna laboratorija se mora prilagoditi sledećim internim zahtevima: mogućnost pristupa više korisnika; procedure kontrole zaštite; neusklađenost modula sa kursevima za učenje na daljinu koji će biti registrovani. Svaki klijent može preko Interneta i pretraživača pristupiti web serveru uz pomoć instaliranog modula Virtualna laboratorija. Ovakva bilateralna komunikacija između servera i klijenta je ostvarena preko HTML strana. Pristup se odvija na sledeći način: 1. Ako neko pristupi serveru preko svoje URL adrese, server počinje da izoluje sesiju klijenta. Na taj način je omogućen pristup više korisnika; 2. Na računaru klijenta se download-uje ulazna strana virtualne laboratorije; 3. Klijent bira jedan od servisa koji je ponuđen na stranici; 4. Klijentov izbor je poslat modulu koji radi na serveru; 5. Moduo vraća rezultat klijentu; 6. Procedura se nastavlja u sledećem koraku ukoliko izabrani servis zahteva autorizaciju: -server šalje klijentu registracionu formu -klijent popunjava obrazac i šalje je natrag serveru -server verifikuje klijentovu autorizaciju u bazi podataka i zavisno od toga, dozvoljava ili ne dozvoljava pristup serveru. Svaka od ovih usluga je organizovana kao kaskada koje su povezane HTML stranama. Tehnologije koje se koriste za razvoj bilo kojeg od dva navedena tipa virtuelnih laboratorija nisu precizno odvojene i njihovo korišćenje nije isključivo vezano za određeni tip. Njihovom 215

15 kombinacijom i nivoom implementacije moguće je bilo kom od navedenih tipova dodati određene funkcionalnosti i karakteristike shodno zahtevima i potrebama određene virtuelne laboratorije. Ono što je zajedničko virtuelnim laboratorijama jeste korišćenje interneta i internet tehnologija kao osnovnog resursa za svoju realizaciju. Široki spektar internet protokola omogućava veliku kreativnost u definisanju funkcionalnosti jedne virtuelne laboratorije. Sama klijent server struktura interneta uvodi još jednu novu i veoma značajnu dimenziju u realizaciji, a to je mogućnost pristupanja više klijenata istom resursu istovremeno i na taj način ostvarivanje povećanja efikasnosti korišćenja što je jedan od osnovnih ciljeva razvoja virtuelnih laboratorija. Na slici prikazana je standardna klijent server struktura. Klijent 1 Klijent 2 Klijent 3 Klijent n Internet Server virtuelne laboratorije Slika Osnovna klijent-server struktura Zavisno od tipa virtuelne laboratorije koja se realizuje klijent i server mogu imati različite uloge. Ukoliko se, na primer, zahteva upravljanje realnim fizičkim uređajem logično je da će server biti jedini koji će direktno komunicirati sa uređajem ( tj. uređaj će biti direktno povezan na server ) dok će klijenti izdavati zahteve serveru i na taj način indirektno upravljati uređajem. Server ima na raspolaganju više različitih tehnologija za povezivanje sa fizičkim uređajem. Danas su najviše korišćeni RS-232 i RS-485 standard za serijsku komunikaciju preko devetopinskog konektora, i USB1.1 i USB2.0 standardi za mnogo bržu serijsku komunikaciju preko USB konektora. Uređaji sa kojima se vrši komunikacija povezani su na standardne RS-232 ili USB portove računara. Ređe se koriste portovi za paralelnu komunikaciju ali postoje i uređaji sa takvim načinom povezivanja. Komunikacija se vrši tako što se uređaju povezanom na računar preko komunikacionog porta šalju komande u ASCII, binarnom ili heksadecimalnom zapisu i nakon što uređaj izvrši zadatu komandu, preko istog porta prime podaci o rezultatima izvršene operacije uređaja. Na osnovu vraćene informacije server odlučuje o daljim aktivnostima. Bitno je napomenuti da u slučaju ovakve realizacije server mora imati implementirane mogućnosti za organizaciju korisnika koji žele da upravljaju fizičkim uređajem. Svrha toga jeste onemogućavanje da dva korisnika istovremeno izdaju naredbe uređaju, ali sa druge strane i pravovremeno obaveštavanje korisnika koji čekaju u redu za korišćenje na dostupnost uređaja. Primer ovakvog koncepta virtuelne laboratorije bi mogao da bude neki astronomski istraživački centar koji poseduje veoma vredan teleskop koga većina institucija ne bi mogle da priušte. Umesto o izgradnje više teleskopa moguće je već postojeći priključiti na server koji je povezan na internet i uz pomoć standardnih i naprednih internet tehnologija omogućiti pristup teleskopu naučnicima iz celog sveta. Ovakvi projekti u svetu već postoje. Sa druge strane, ukoliko je virtuelna laboratorija zasnovana na potpunoj simulaciji laboratorijiskih uslova, instrumenata i okruženja server će imati ulogu distribucije softvera, uz pomoć koga je laboratorija simulirana, do klijenata. U ovom slučaju javljaju se dve mogućnosti 1. softver se prenosi i u potpunosti izvršava na računaru klijenta 216

16 2. deo softvera koji služi za izdavanje naredbi serveru ( korisnički interfejs ) se prenosi klijentu, dok sam server vrši izračunavanja i simulacije na osnovu zahteva klijenta i nakon završenog rada klijentu vraća rezultate U oba slučaja se za razvoj koriste napredne internet tehnologije među kojima ispred ostalih dominira Java. Pre svega zbog tehnologije apleta koji se putem internet browsera distribuiraju klijentima koristeći standardni HTTP protokol a posle toga i zbog potpune podrške za razvoj distribuiranih aplikacija preko interneta. Na internetu postoji veliki broj primera simulacija laboratorija za hemiju, fiziku, termodinamiku, realizovanih uz pomoć Java programskog jezika. Ogromna prednost ovakvog pristupa se vidi u tome što svaki korisnik interneta može pristupiti resursu sa bilo koje tačke na planeti. Mogućnost da se rezultati izvršenih eksperimenata zapamte u elektronskom formatu i na taj način omogući njihova kasnija analiza i automatizovana obrada je velika prednost koju unose virtuelne laboratorije. Postoji veliki broj standardnih tehnologija razvijenih specijalno u svrhe pamćenja i obrade velike količine podataka. Jedna od njih jesu široko poznate baze podataka (DBMS Database Management Systems). One omogućavaju pamćenje podataka i veoma jednostavno pretraživanje podataka u bazi po raznim kriterijumima. Jezik uz pomoć koga se definišu kriterijumi za upis, izmenu i pretraživanje baze podataka se naziva Structured Query Language (SQL). Brojne kompanije nude svoja sofverska rešenja iz ove oblasti a neke od najpoznatijih su Oracle, Microsoft corp., MySQL, PostgreSQL. Razlika softverskih rešenja se ogleda u spektru funkcionalnosti koje pružaju i ceni pa je zbog toga potrebno izabrati pravo rešenje za konkretan tip virtuelne laboratorije koja se realizuje. Druga, još uvek mlada tehnologija zvana XML (extended Markup Language) pored toga što na logičan način omogućava organizaciju podataka unosi još i mogućnost standardizacije razmene podataka između različitih laboratorija i na taj način povećava mogućnost za saradnjom naučnika iz udaljenih delova sveta, zajedničku obradu podataka na više mesta i u krajnjem slučaju sinhronizovano praćenje eksperimenata. Osnovni nedostaci XML-a jeste manjak standardizacije, tekstualni zapis fajla koji sa sobom povlači i potrebu za većim protokom informacija preko interneta i manja brzina obrade informacija. Međutim razvoj tehnologije svakoga dana sve više smanjuje značaj navedenih nedostataka i omogućava da XML polako ali sigurno postane vodeća tehnologija za prezentaciju podataka na internetu. Prezentacija rezultata eksperimenata klijentima jeste nadležnost servera nevezano za način realizacije. Server na osnovu arhiviranih podataka, na zahtev klijenta, generiše izveštaj u određenom formatu. Najjednostavniji način jeste iskorišćavanje HTML formata zapisa dokumenata i HTTP protokola koji je standardni internet protokol. Da bi ovo bilo moguće server virtuelne laboratorije na sebi mora imati instaliran HTTP server, najčešće je to Apache Web server koji je na internetu zastupljen u procentu većem od 90%. U izradi virtuelnih laboratorija treba pomenuti i mogućnost da se putem interneta uz pomoć FTP (File Transport Protocol) protokola, korisniku distribuira dodatni materijal koji je potreban za razumevanje rada uređaja kojim se upravlja, uslova i parametara koje treba podešavati za efikasno obavljanje eksperimenata i ostalih dokumenata koji mogu pomoći u korišćenju realizovane virtuelne laboratorije. Specijalizovani softveri za kreiranje virtuelnih laboratorija Tokom vremena, kako se razvijala ideja virtuelnih laboratorija, velike softverske kompanije su razvile više konkurentnih rešenja za brzu izradu korisničkog interfejsa za komunikaciju sa realnim uređajima i prezentaciju podataka dobijenih od njih. Za ovu oblast posebno su zainteresovane kompanije poznate po proizvodnji laboratorijskih uređaja. Jedan od svetskih lidera na tom polju National Instruments ( ) razvio je alat pod nazivom LabVIEW ( ) koji predstavlja moćno grafičko razvojno okruženje za akviziciju signala, analizu rezultata merenja i prezentaciju podataka. Uz pomoć ovog alata moguće je za veoma kratko vreme kreirati potpuni tok signala od ulaznog uređaja preko korisničkog interfejsa za upravljanje realnim uređajem do prezentacije dobijenih rezultata u najrazličitijim formatima (Word, Excel, PDF, XML, baza podataka,) ili na različite uređaje (Laptop, PDA uređaj, web klijent ili standardni PC). Ovo je veoma praktičan alat industrijskog standarda. 217

17 Na adresi se može naći opis softvera izrađenog na bazi LabVIEW tehnologije koji je studentima sa Univerziteta Zapadna Australija omogućio celodnevni udaljeni pristup Telerobotu u laboratoriji za robotiku. Na ovoj adresi može se videti i potpuni opis principa komunikacije sa robotom i uputstvo za korišćenje desktop aplikacije razvijene specijalno za ovu namenu. Druga softverska kuća Mathworks ( u novijim verzijama svog poznatog paketa MATLAB (Matrix Laboratory) sve više pažnje posvećuje delu softvera za direktnu konekciju sa realnim uređajima i obradu rezultata dobijenih tokom merenja. Takođe u sebi ima implementiranu mogućnost za brzo, vizuelno kreiranje grafičkog korisničkog okruženja za komunikaciju sa spoljnim uređajima. Činjenica da MATLAB nudi potpunu podršku za programiranje u Java programskom jeziku nudi dodatne mogućnosti povezivanja ovog softvera sa naprednim internet tehnologijama i kreiranja dodatnih funkcionalnosti na ponuđeno osnovno rešenje. Za razliku od LabVIEW programskog paketa MATLAB ne nudi mogućnost vizuelnog kreiranja toka signala od uređaja do prezentacije podataka korisniku već je potrebno poznavanje skriptnog jezika i tekstualno programiranje funkcionalnosti virtuelne laboratorije koju želimo da kreiramo uz pomoć ovog alata. Značaj i primena virtuelnih laboratorija Virtuelne laboratorije imaju širok spektar mogućih primena. Činjenica da je danas sve manje vremena za klasično prenošenje znanja sa generacije na generaciju iziskuje nove metode procesa edukacije. Virtuelne laboratorije predstavljaju osnovni deo savremene edukacije jer omogućavaju takozvani hands-on pristup složenim i apstraktnim problemima bez konstantnog nadzora mentora, sa bilo koje tačke na planeti i u bilo koje vreme. Složenost eksperimenata, kompleksnost i količina podataka koje treba obraditi u procesu rešavanja savremenih naučnih problema nameću potrebu za saradnjom između više udaljenih laboratorija, zajedničku obradu rezultata ili vršenje eksperimenata na više različitih lokacija. Virtuelne laboratorije predstavljaju logično rešenje za ovakve probleme. Iz uskog skupa ponuđenih primena uočava se ogroman značaj virtuelnih laboratorija za celokupnu naučnu zajednicu. Primena virtuelnih laboratorija može se sagledati u okviru: 1. deljenja teško dostupnih realnih resursa - brojni su primeri naučnih instrumenata kojih na planeti ima jedan ili veoma malo a od veoma su velikog značaja za naučna istraživanja veoma širokog kruga naučnika. Takvi su na primer veliki elektronski mikroskopi, sinhrotroni izvori svetlosti ili različiti tipovi akceleratora čestica itd. Kreiranjem virtuelne laboratorije koja omogućava da korisnik pristupi ovakvom resursu, arhivira merenja ili iskoristi već izvršene eksperimente od neprocenjive je važnosti za naučne krugove koji ne mogu da obezbede fizičko prisustvo takvih uređaja u svojim realnim laboratorijama. Jedan ovakav primer je opisan u prethodnom delu teksta. 2. saradnje između naučnika - sam pomen interneta i web tehnologija najpre označava veliki broj korisnika koji međusobno komuniciraju na najrazličitije načine. Jedan specijalni oblik naučne saradnje jeste distribuirana obrada rezultata eksperimenata. Ukoliko je potrebno da se obradi velika količina podataka nekih merenja moguće je da više računara preuzmu posao obrade i da se na kraju rezultati spoje na centralnom serveru virtuelne laboratorije. Brojni su primeri potrebe za ovakvim načinom saradnje, jedan od njih jeste dešifrovanje ljudskog genoma. Ogromna količina podataka koje treba obraditi za kratko vreme iziskuje rad mnogo računara u isto vreme, dok sa druge strane to iziskuje odvajanje ogromnih sredstava samo jedne institucije. Rešenje jeste distribuirana obrada podataka i saradnje više laboratorija na ovom problemu. Danas postoji veliki broj projekata koji po ovom principu uključuju i najširu internet populaciju koja želi da pomogne u rešavanju zahtevnih naučnih problema. Trenutno najveći internet pretraživač Google ( priključio se ovakvom načinu saradnje nudeći svojim korisnicima aplikaciju koja će u vreme kada računar priključen na internet nije zauzet drugim poslom može da omogući obradu naučnih podataka. Jedan od prvih projekata kojem se Google priključio bio je neprofitni projekat realizovan od strane Stanford Univerziteta koji pokušava da bolje razume strukturu proteina tako da omogući razvoj 218

18 kvalitetnijh tretmana širokog spektra danas rasprostranjenih bolesti. Da bi se olakšala razmena podataka putem interneta, pre svega matematičkih formula kompleksne strukture, razvijen je poseban jezik MathML ( Mathematical MarkupLanguage ). Iako je primena virtuelnih laboratorija u edukaciji samo jedna od mogućih primena slobodno možemo reći da je daleko najznačajnija za široke krugove korisnika. Ovakva primena ima dosta aspekata koje treba objasniti pa je iz tog razloga i izdvojena u posebnu celinu. Sve brži život, kontradiktorna težnja za smanjenjem troškova i u isto vreme podizanjem kvaliteta, sve veća specijalizacija kadrova i akcenat na praktičnom a ne na teorijskom znanju pre svega je pogodila populaciju ljudi koji svojim znanjem konkurišu za određene pozicije u društvu. Slobodno možemo da kažemo da ljudske želje i trenutni ekonomski trendovi u oblasti edukacije stručnih kadrova prevazilaze trenutne tehničke kapacitete pogotovo u nerazvijenim ili srednje razvijenim zemljama koje svakog dana uprkos napretku dodatno zaostaju za najrazvijenijima. Jedan deo te praznine između želja i trenutnih mogućnosti mogu da premoste centri za učenje na daljinu (Distance Learning Centers) kao rešenja za učenje bez prisustva ili rešenja za podizanje nivoa učenja u okviru standardnog sticanja znanja na univerzitetima. U oba slučaja virtuelne laboratorije predstavljaju važan deo u ostvarivanju prethodno pomenutih ciljeva. Sam pojam udaljenog učenja poznat je odavno, međutim tek se razvojem novih tehnologija (interneta pre svega) stekla mogućnost za približavanje efikasnosti ovakvog načina učenja efikasnošću standardnih metoda edukacije. Virtuelne laboratorije imaju velikog udela u tome i na njima se danas i celokupan koncept udaljenog učenja i zasniva. Ono što je poseban kvalitet koji se stekao uvođenjem virtuelnih radnih okruženja u proces udaljenog učenja jeste mogućnost prenošenja praktičnog znanja na daljinu što u prethodnom periodu nikako nije bilo moguće. Danas, studenti mogu u virtuelnim laboratorijskim okruženjima da rade vežbe i izvršavaju eksperimente kao da se nalaze u učionici. Takođe savremene aplikacije omogućavavaju visok nivo multimedijalne interakcije u realnom vremenu između mentora i učenika. Možda i najpozitivnija osobina ovakvog načina rada jeste mogućnost da studenti veći broj puta izvršavaju eksperimente ili prate simulacije procesa uz iste ili izmenjene parametre bez dodatnih troškova ili vremenskog ograničenja trajanja termina nastave. Svakako da ovakav način edukacije nikada neće moći da zameni klasičan pristup ali je osavremenjavanje klasičnog pristupa uz pomoć elemenata elektronske edukacije neminovna budućnost. Dokaz ovoga jeste naučni prostor Sjedinjenih Američkih Država u kojima je nacionalni projekat za omogućavanje udaljenog pristupa resursima realizovan još davnih sedamdesetih godina pod nazivom projekat Athena. Tada je u svrhu osavremenjavanja nastavno-obrazovnih planova razvijen niz rešenja koja su kasnije postala i standardne tehnologije u najširim oblastima primene. Studentima je omogućen distribuirani pristup materijalima za nastavu, laboratorijskim primerima, softverskim paketima za obradu i vizuelizaciju rezultata, arhiviranje rezultata i pristup arhiviranim rezultatima i ostalim resursima. Ovakav način organizacije je omogućio da studenti mnogo efikasnije utroše svoj vreme, da se lakše pripreme za nastavu i sami (ili uz podršku mentora) dodatno razjasne principe koji su im u klasičnom procesu predavanja ostali nejasni. Kao potvrda da je ovakav pristup ispravan jeste današnja mapa sveta na kojoj su najveći edukativni centri mahom u Sjedinjenim Američkim Državama a takođe i najkvalitetniji kadrovi koji iz celog sveta teže da prođu kroz njihov sistem edukacije i steknu najsavremenija znanja današnjice na najsavremeniji način. Danas postoji jako razumevanje za osavremenjivanje edukacije uz pomoć principa virtuelne laboratorije. Na ovaj način pomoglo bi se rešavanju brojnih problema koji nastaju usled sve većeg zaostajanja nerazvijenih zemalja za razvijenim. Početkom 2000 godine UNESCO je pokrenuo inicijativu za izradu projekta pod nazivom Virtual House of Salomon u cilju pomoći rešavanja tri osnovna problema 1. Integracija zemalja u razvoju u savremene naučne tokove 2. Izbegavanje informacione izolacije zemalja u razvoju 3. Smanjenje efekta odliva mozgova iz slabo razvijenih zamalja i socijalnih posledica ovog efekta. 219

19 Cilj projekta jeste razvoj standardnog seta alata za brzu i laku instalaciju virtuelnih laboratorija uz ograničenja koja donose tehničke mogućnosti i karakteristike infrastrukture zemalja u razvoju (nedovoljno stručan kadar, nedovoljno razvijena mreža internet provajdera sa sporim pristupom internetu itd.). Ovo je samo još jedan dokaz velikih potencijala i mogućnosti koje pružaju virtuelne laboratorije u daljem razvoju edukacije i globalni značaj koji njihova ozbiljna realizacija u budućnosti može da ima. Drugi nivo pristupa virtuelnim laboratorijama jeste njihovo korišćenje u cilju osavremenjavanja klasičnog pristupa ali na više interan način od principa kojim se rukovodi proces udaljenog učenja. Uzmimo za primer studentsku laboratoriju u kojoj se radi standardni set vežbi sa dosta zajedničkih elemenata koji se moraju izvršiti na prilično skupom instrumentu. Jedno rešenje je da svaki laboratorijski sto ima po jedan instrument. Drugo, i za nas mnogo interesantnije rešenje jeste da postoji jedan instrument kome se uz pomoć klijentske aplikacije može pristupiti sa svakog stola preko stadardnog PC-ja. Ovakvo interno rešenje može ali i ne mora biti bazirano na web tehnologijama. Na slici je prikazan primer jednog instrumenta i klijent aplikacije za distribuirani pristup instrumentu. Slika Instrument i klijent aplikacija za upravljanje instrumentom Edukacija na daljinu i virtuelni univerziteti Na osnovu tehničkih rešenja u edukaciji, zasnovanih na principu virtuelnih laboratorija razvijeni su potpuno novi metodi za edukaciju. Edukacija na daljinu i virtuelni univerziteti koji pružaju ovu mogućnost postali su sadašnjost i u manje razvijenim zemljama. Danas je procenjeno da svaki diplomac koji je kompetentan u svom dnevnom poslu mora sakupljati znanje ekvivalentno 30 kreditnih sati svakih sedam godina, što znači da on mora naučiti u svom životu 2 puta više nego što je naučio tokom studija. U ovom kontekstu, gde je promena jedina konstanta, gde je doživotna edukacija pravilo, moto za akademike u Višem obrazovanju bi bio uči kako da učiš a za studente nauči da učiš. Udaljeno učenje zasnovano na informacionim tehnologijama i uz pomoć virtuelnih laboratorija kao jednog dela tog procesa ozbiljno je shvaćeno kao rešenje za navedeni problem. U Americi je prema istraživanju povećanje korišćenja savremenih tehnologija između 1994 i 2000 godine dato u sledećim procentima: za je porast bio od 8% na 59%, za Internet resurse od 0% na 42%, za kurseve WWW strana od 0% na 30.5%, za računarsku simulaciju od 9% na 18%. Kako virtuelne laboratorije mogu da predstavljaju kombinaciju svih navedenih tehnologija jasno se vidi potreba za njihovom implementacijom u svaki obrazovni proces. Kada se kaže Virtuelni Univerzitet, najpre se misli na nestvarne studentske gradove koji su potrebni, tako da univerzitet može biti napravljen kao virtuelna mreža različitih entiteta obuhvaćenih u višem obrazovanju. Koncept univerziteta je transformisan u virtualni svet, i te promene su počele pre nekoliko godina. Svi univerzitetski servisi i funkcije su simulirani na Internetu tako da nisu više potrebne fizičke interakcije da kompletiraju naučni program. Programi u obliku kurseva su stavljeni na Internet tako da studenti širom sveta imaju pristup tim kursevima. U slučaju univerzitetske mreže, predavanja se šalju sa jednog univerziteta na drugi i na taj način se nudi mogućnost da se studenti 220

20 povezuju sa različitih mesta. Nekoliko univerziteta nude izborne kurseve za doživotno obrazovanje na Net-u sa slobodnim izborom i kombinacijom. U nekim slučajevima za ovakav pristup određenim kursevima se čak i ne naplaćuju školarine što predstavlja dokaz o znatnoj uštedi prilikom procesa prenošenja znanja na ovaj način Danas postoje razmišljanja da će cela struktura klasičnog obrazovanja i akademske institucije biti potkopane elektronskom tehnologijom. Postavlja se pitanje da li će univerziteti za koje mi znamo i dalje postojati da li će princip obrazovanja putem savremenih tehnologija pregaziti učionice i knjige, kao što su automobili pregazili konje i kočije? Koncept virtuelne laboratorije je veoma jasan i ono što danas karakteriše savremenost jeste nivo razvoja tehnologija uz pomoć kojih se koncept realizuje. Gledano iz ovog ugla na budućnost virtuelnih laboratorija najviše će uticati razvoj tehnologija na kojima se one baziraju. Pre svega tehnologije iz oblasti poboljšanja karakteristika infrastrukture globalne mreže omogućiće veći protok podataka a samim tim i veću mogućnost iskorišćenja multimedijalnih tehnologija u okviru komunikacije između korisnika. Takođe mogućnost razmene veće količine podataka povećaće kompleksnost eksperimenata, detaljnost njihove realizacije, prikaza i objašnjenja itd. Disribuirana obrada rezultata i kvalitet pristupa uređajima čiji su rezultati po prirodi sastavljeni od velike količine informacija (npr. slike teleskopa ili elektronskih mikroskopa) biće poboljšana. Drugi aspekt poboljšanja jeste u napretku i povećanju pristupačnosti tehnologija baziranih na principima veštačke inteligencije. Već danas se prave ekspertski sistemi koji mogu veoma efikasno da vrše određene procese i izvode zaključke na osnovu ekspertskog znanja koje se nalazi u bazama znanja koje ti sistemi sadrže. Prirodno se nameće zaključak da bi u budućnosti virtuelne laboratorije postajale sve inteligentnije u cilju efikasnije realizacije eksperimenata davanja sugestija ili dodatnih objašnjenja radi boljeg razumevanja, praćenja napretka korisnika koji nizom eksperimenata pokušava da stekne određene teorijske i praktične veštine, prilagođavanja radnog okruženja prema potrebama i mogućnostima korisnika, zaštita fizičkog uređaja od nepravilnog korišćenja itd. Praktično, to bi značilo još jedan veliki korak u približavanju cilju koji je današnjim tempom razvoja našeg okruženja nametnut a to je da sa što manje ulaganja postignemo što više rezultata a da posledica toga ne bude preveliki gubitak kvaliteta. Primeri virtuelnih laboratorija Može se dati spisak nekih linkova ka nekim javno dostupnim virtuelnim laboratorijama na internetu, preko kojih se može pristupiti Virtuelnoj laboratoriji, odnosno virtuelnom instrumentu se pristupa preko Interneta. Na taj način dobijamo udaljene metrološke laboratorije, tzv. virtuelne laboratorije. Pristup se odvija u nekoliko koraka: 1. Korisnik (klijent) koji pristupa laboratoriji pokreće na svom računaru pretraživač i u adresnoj liniji navodi tačnu adresu virtuelne laboratorije (spisak adresa virtuelnih laboratorija je gore navedeno). Tada pretraživač simboličku adresu šalje lokalnom serveru, čija je adresa unapred poznata, sa zahtevom za IP (Internet Protocol) adresom navedene virtuelne laboratorije. 2. Neophodno je da se korisnik (klijent) prijavi virtuelnoj laboratoriji, tj. da se identifikuje kroz svoje korisničko ime i šifru (Login i Password). 3. Nakon što korisnik unese svoje podatke i klikne na OK dugme, koje se nalazi na stranici, pretraživač prosleđuje zahtev do servera virtuelne laboratorije. Web stranice su pisane u programskom jeziku ASP (Active Server Pages). 221

21 4. Pošto je korisnik (klijent) uneo svoje podatke i pritisnuo dugme OK, podaci se prosleđuju aktivnoj ASP skripti. Tada se izvršava Java Script skripta, koja sadrži proceduru za otvaranje naredne Web stranice. 5. Unutar naredne stranice je na početku implementirana provera korisnika. Proveravaju se uneti lični podaci i ukoliko takav korisnik (klijent) postoji u bazi podataka dozvoljava mu se pristup sistemu. Ukoliko ne postoji, odbija se uz poruku da pokuša ponovno prijavljivanje. 6. Nakon što je korisnik (klijent) prijavljen, na ekranu se prikazuje stranica gde korisnik (klijent) bira zadatak koji želi da obavi. 7. Na narednoj stranici, korisnik (klijent) unosi potrebne podatke (u tekst polja) kako bi laboratorija mogla da počne sa radom. 8. Na osnovu ovih podataka formira se ulazna datoteka podataka koji se dobijaju u okviru virtuelne laboratorije, zavisno od zadatka koji se izvršava. Na osnovu ove datoteke generiše se Web stranica sa rezultatima merenja i prikazuje se korisniku (klijentu). 9. Korisnik (klijent) dobija izveštaj u obliku HTML stranice. Primer 1. Kao što je već rečeno, osnovu za razvoj ovih laboratorija predstavljaju napredne internet tehnologije, pre svih objektno orijentisani programski jezik Java. Njegova minimalna zavisnost od operativnog sistema i hardverske platforme na kojem se izvršava omogućava pristup najširem broju klijenata, takođe smanjeni troškovi administracije i distribucije naveli su tim američkih stručnjaka da kreiraju virtuelnu laboratoriju za inžinjering zemljotresa baziranu na Java tehnologiji. Uzet je primer virtuelne laboratorije za strukturalnu kontrolu koja korisnicima daje mogućnost da uporede dva različita sistema kontrole korišćenih za smanjenje nekontrolisanog odziva strukturnih građevina na pobudu izazvanu pomeranjem tla, tj zemljotresom. Takođe omogućava korisnicima da podešavaju osobine sistema kontrole i na taj način bolje razumeju tehnologiju korišćenu pri zaštiti strukturnih građevina od potresa. Ova virtuelna laboratorija može vršiti i simulacije efekata koje su proizveli najveći zemljotresi u istoriji čovečanstva El Centro, Hachinoche, Northridge i Kobe. Na slici vidi se korisnički interfejs koji pruža sve funkcionalnosti ove virtuelne laboratorije. Slika Korisnički interfejs virtuelne laboratorije za inžinjering zemljotresa 222

22 Može se uočiti složen i bogat korisnički interfejs sa četiri grafička prozora koja su na slici označeni nazivima. Prozor za animaciju ponašanja modela u vremenu i prostoru, prozor za prikaz dijagrama pobude, prozor za prikaz Bodeovih dijagrama sistema i na kraju vremenski odziv sistema. Sa desne strane se nalazi panel za podešavanje parametara i uslova eksperimenta koji treba izvesti. Podatke je moguće snimiti za dalju analizu. Ono što je najbitnije uočiti je to što se na ovaj način studentima približavaju prirodni procesi koji se ne mogu veštački proizvesti ili bi njihovo proizvođenje izazvalo ljudske žrtve i/ili materijalnu štetu. Primer 2. Može se dati i opis web bazirane laboratorije (VLAB) na primeru eksperimenta frekventne modulacije. Sa grafičkim korisničkim interfejsom projektovanim da bude što je moguće prirodniji, udaljeni korisnici su u poziciji da dobiju pristup fizičkim aparaturama, da postavljaju eksperimentalne parametre, i izvode i kontrolišu eksperiment u laboratoriji pretražujući odgovarajuće strane. MI Explorer, standardni web pretraživač, je sve što je potrebno za pristup svim servisima u virtualnoj laboratoriji. U poređenju sa drugim virtualnim laboratorijama, VLAB uključuje šeme za umanjenje saobraćaja podataka i autentifikaciju korisnika, i omogućuje korisnicima jedan na jedan korišćenje skupog analizatora spektra. Kako bi sve ovo ostvarilo, VLAB koristi dvostruku klijent-server strukturu (DCSS), gde se eksperimentu pristupa u toku dva klijent-server ciklusa. Instrumenti u VLAB kontrolisani su korišćenjem IEEE 488.2, i tehnologije zasnovane na TCP, HTTP i CGI protokolima, Java, Java Script, LabVIEW. Na slici je data fizička postavka laboratorije za VLAB. Slika Hardverska postavka laboratorije Da bi se korisnicima ostavio utisak da oni zapravo rade na fizički postojećim instrumentima, korisnički intrefejs daljinske laboratorije bi trebalo da izgleda što je moguće realnije. Takođe, ukoliko interfejs nije blizak korisniku, bilo bi teško daljinski izvoditi eksperimente. U VLAB implementiran je GUI (Grafical User Iinerfaces) korišćenjem Java, Java Script-a i HTML tehnologija koje su podržane od strane popularnih web browser-a. Na slici je prikazan tipičan prikaz na monitoru pri online izvođenju frekventne modulacije. 223

23 Slika Prikaz na monitoru pri online izvođenju frekventne modulacije Java apleti ugrađeni u HTML stranice koriste se za izgrađivanje osnovnog interfejsa za eksperiment. Java je prirodni izbor programskog jezika na strani klijenta zbog njegove fleksibilnosti u GUI projektovanju i pogodnog mrežnog programiranja. Cilj eksperimenta je da se prouči frekventni spektar frekventno modulisanog signala. Koriste se analizator spektra, signal generator, frekvencmetar / brojač, voltmetar i električna maketa sa promenljivim otpornikom. Na slici i slici dati su odvojeni pogledi na ove instrumente i električna maketa, koji su postavljeni kako je prikazano na slici Slika Instrumenti i električna maketa: a) analizator spektra; b) signal generator; c) električna maketa sa promenljivim otpornicima; d) voltmetar; e) frekvencmetar / brojač 224

24 Slika Električna šema makete Različiti kablovi se mogu koristiti za povezivanje relevantnih tačaka u kolu sa instrumentima kako bi se stvorila slika da je neophodno ostvariti konekcije pre vršenja merenja u stvarnom eksperimentu. Front panels instrumenta, kola i konektori su svi implementirani u grafičkom smislu. Može se koristiti miš za isključivanje kontrolnih dugmića i regulatora povlačenjem kako bi se imao što realniji doživljaj operisanja nad instrumentom (npr. izlazna amplituda signal generatora može se promeniti povlačenjem miša preko HMP regulatora na tabli). Povratni rezultati merenja se sa instrumenata putem istog interfejsa dostavljaju korisniku. Slično, stvarne vrednosti izmerene voltmetrom i frekvencmetrom / brojačem prikazane su na odgovarajućim panelima. Korisnički interfejs je projektovan da radi logički (npr. brojač će prikazivati tačne vrednosti tek nakon što se veže u određene tačke kola dovlačenjem dva kraja koaksijalnog kabla na input kraj brojača i square wave output električne makete. Autentifikaciona šema se koristi kako bi samo korisnici sa dozvoljenim pristupom mogli da pristupe važnim web stranicama koje kontrolišu realne instrumente. Svaki korisnik je lociran ukoliko izvrši uspešno logovanje. Časovnik u korisničkom interfejsu obaveštava korisnika o preostalom vremenu do logovanja korisnika iz sistema. U toku izvođenja eksperimenta moguće je pristupiti stranicama sa pomoći i dokumentacijom bez prekidanja samog eksperimenta. Takođe, bilo koji zainteresovani korisnik može bez logovanja slobodno pregledavati ove strane koje nisu zaštićene, bez prekidanja eksperimenta. Pošto se izloguje, korisnik biva obavešten da je sesija zatvorena a prozor sa instrumentima se zatvara. U cilju daljinskog izvođenja eksperimenta korišćenjem opisanog interfejsa, korisnik mora da poseduje web pretraživač koji podržava Java. Pre izvođenja samog eksperimenta korisnik može da pregleda relevantne web strane eksperimenta klikom na linkove ponuđene u navigacionom meniju. Svrha ovih strana je da pruže korisniku uvodne informacije o VLAB-u eksperimentu, i različitim korišćenim instrumentima. Na slici je prikazana je instrukciona strana sa opisanom procedurom eksperimenta. 225

25 Sika Instrukciona strana Nakon što se upozna sa eksperimentom, korisnik klikne na conduct expt da bi započeo eksperiment. Od korisnika će se zahtevati username i password radi autentifikacije. Ukoliko ne poseduje username, korisnik je u mogućnosti da korišćenjem username- guest korisnik može pristupiti sistemu samo kroz CGI programe razvijene za eksperiment i sistem neće prihvatiti nikakve drugačije komande. Po autentifikaciji dodeljuje se ID za internu sesiju pojavljuje se osnovni korisnički interfejs za kontrolu realnih instrumenata. Korisnik je u poziciji da izvodi eksperiment i sakuplja rezultate merenja u realnom vremenu. Za konkretan eksperiment za frekventnu modulaciju, korisnik može da izvodi neke od sledećih operacija: 1. promenu otpornosti potenciometra radi postavljanja napona na pinu 5 (tačka testiranja na slici ) naponski kontrolisanog oscilatora (VCO); 2. precizno merenje frekvencije i napona frekvencmetrom / brojačem i voltmetrom u cilju određivanja frekventne osetljivosti modulatora; 3. upravljanje signal generatorom radi dobijanja adekvatnog izlaza i podešavanje njegove amplitude i frekvencije i modulacionog indeksa; 4. korišćenje analizatora spektra radi merenja spekra i ostalih karakteristika frekventno modulisanog signala. Sesiju korisnik može pokrenuti u bilo kom trenutku ili nakon default vremena od 30 minuta. Preostalo vreme se svakog minuta update-uje i prikazuje korisniku na korisničkom interfejsu. Nakon što se korisnik izloguje ili se prekine sesija, raskidaju se sve konekcije. Arhitektura sistema Sistem hardvera Na slici dat je blok dijagram osnovne hardverske strukture i komponenata sistema koji se može podeliti u 4 podsistema: 226

26 1. PC sa Ethernet karticom radi kao osnovni kontroler opremljen GPIB karticom i DAQ karticom. Za internet je VLAB vezana preko NUSNET-III (NUSNET-III je WAN mreža koja povezuje 1104 odeljenja u 90 zgrada i pokriva prostor od 150ha. Opslužuje studenata i 2700 članova osoblja). Glavni kontroler prima komandne nizove sa www servera preko TCP / IP kanala za kontrolu instrumenata i analognog ulaza / izlaza (I/O). Na taj način, osim što se koristi kao kontrolni PC, predstavlja i serversku stranu komunikacije sa www serverom (koja u ovom slučaju predstavlja klijenta); 2. Inicijalno, programabilni instrumenti, analizator spektra, frekvencmetar / brojač i signal generator vezani su za kontrolni PC preko GPIB kartice i kabla. Ovi GPIB bazirani instrumenti su spremni da prime i izvrše standardne komande za programabilne instrumente (SCPI-Standard Commands for Programmable Instruments) definisane u IEEE 488,2. Svaki rezultujući podatak izvršenja naredbi biva vraćen kontrolnom PC-u preko GPIB; 3. DAQ kartica instalirana na kontrolnom PC-u obrađuje analogni I/O; 4. WWW server udomljuje sajt virtualne laboratorije. Sistem softvera Slika Hardverska struktura sistema Na slici prikazana je softverska struktura sistema. Slika Softverska struktura sistema 227

27 Kontrola lokalnih instrumenata i analognog I/O implementirana je kroz LabVIEW. Za svaki instrument postoji jedan submodul koji izvršava komande korisnika, dok se analognim I/O takođe upravlja u okviru submodula koji je deo glavnog programa. WWW server sa Red Hat Linux-om 5.2 i Apache HTTP server udomljuju web strane eksperimenta. Sistem baze podataka msql je instaliran da bi upravljao autentifikacijom korisnika, GNU C program koji šalje komandne nizove sa strane klijenta ka kontrolnom PC-u i propušta semplovane podatke, u suprotnom smeru, takođe radi na Linux serveru. Java apleti ugrađeni u HTML fajlove download-uju se da bi radili na klijent mašini i obezbedili user-friendly interfejs. Nezavisno od operativnog sistema na klijent terminalu, web pretraživač koji podržava Java je dovoljan da bi se izveo eksperiment. Dvostruka struktura klijent-server (DSCC) VLAB koristi DCSS kako je prikazano na slika Slika Dvostruka struktura klijent-server (DCSS) Postoje dva para klijent-server u sistemu. Prvi je klijent-web server, a drugi web server-kontroler. Dva para su povezana C-om zbog mogućnosti kreiranja socet-a i visokog nivoa efikasnosti. Smatra se da je ovakva arhitektura bolja od jednostruke, kada sistem postaje fleksibilniji i širi. Konkretno, bilo bi lakše dodati nove eksperimente prostom izmenom kontrolnih programa. Struktura se implementira korišćenjem TCP socet-a. Obzirom na to da TCP konekcija koju klijent ostvari sa serverom ostaje na mestu dok je klijent ne prekine, to je idealni komunikacioni protokol za implementiranje web bazirane kontrole instrumenata koji zahtevaju često podešavanje parametara. Nakon što se uspostavi konekcija ne postoji potreba za njenim stalnim prekidanjem. Na slika ističe se interakcija između klijenta i servera pod TCP-om, gde individualni C programi koji rade na web serveru istovremeno prenose nizove od klijenata ka kontroleru i podatke od kontrolera ka klijentu. 228

28 Slika Interakcija između klijenta i servera koristeći TCP Kako programi rade pod Linux-om, izabran je GNU C jezik kao programski jezik jer dozvoljava kreiranje socet-a i visoko je efikasan. Na kontroleru se koristi LabVIEW koji podržava TCP socet-a u obliku subvirtualnih instrumenata, TCP Listen.vi, TCP Read.vi, TCP Write.vi, TCP Close Connection.vi. Prenos prikaza analizatora spektra u realnom vremenu Kako bi se korisnicima omogućilo da posmatraju frekventni spektar signala, prikaz analizatora spektra se mora preneti na stranu korisnika. Spektar i ostali parametri bivaju semplovani GPIB-om i preneti klijent programu. Klijent program rekonstruiše prikaz korisničkom interfejsu kako bi se redukovao saobraćaj i novi spektar se šalje tek nakon što server program detektuje znatnu promenu u njemu. Transfer podatka se obavlja putem dvostruke klijent-server šeme. Nakon što klijent pošalje zahtev i uspostavi se link, kontroler nastavlja sa semplovanjem instrumenata i šalje odmerene podatke, gde se web server ponaša kao cev, koja propušta tačno ono što prima. Autentifikacija korisnika Za razliku od onih koja su bazirana na simulaciji, izvođenja eksperimenata u VLAB-u zahtevaju korišćenje seta stvarnih fizičkih instrumenata. Kao pri izvođenju stvarnih eksperimenata kada samo jedna osoba može da preuzme kontrolu, tako aparatura i virtualni eksperimenti trebalo da budu dostupni samo jednom Internet klijentu u toku eksperimentalne sesije, iako na strani klijenta može postojati više studenata koji će upravljati procesom. Trenutno, ukoliko klijent izvodi eksperiment i kontroliše skup eksperimenata, pristup ovim delovima sistema biće blokiran autentifikacionim procesom. Međutim, pristup strana sa dokumentacijom i help-om nije kontrolisan od strane korisnika i može se pristupiti u bilo kom trenutku. Program za autentifikaciju korisnika kodirana je u Perl-u i radi na web serveru. Struktura korisnika sistema prikazana je na slici

29 Slika Primena autentifikacije Moduo za interpretaciju parametara ekstrahuje parametre iz CGI zahteva i određuje koji bi submoduo trebalo pozvati. Ako se radi o zahtevu za logovanje logon moduo pretražuje korisničku bazu podataka tražeći ID i šifru korisnika na strani klijenta. Nakon što se korisnikov ID i password potvrde, generiše se ID sesije i upisuje u data fajl kako bi se ukazalo na to da je korisnik ulogovan istovremeno se vraća dodela pristupa. Ukoliko korisnički ID i password nisu ispravni, logon moduo vraća odbijanje pristupa. Kada se podnese zahtev na stranici, poziva se moduo za zahtev strane. On najpre, proverava dozvolu pristupa postojećeg korisnika pretraživanjem baze podataka sesije. Ukoliko je korisnik ulogovan i sesija još uvek nije gotova, zahtevani HTML dokument, koji je zaštićen od pristupa na druge načine, će biti poslat klijent browser-u. Logoff moduo se poziva kada korisnik zahteva logoff. On uklanja postojeći ID aktivne sesije iz baze podataka sesije kako bi dozvolio pristup zaštićenim web stranama drugim korisnicima. Primer 3. U ovom slučaju kao primer je uzeta realizacija softverskog okruženja koje bi omogućilo kontrolisanje eksperimentalnog okruženja sa udaljene tačke putem interneta. Da bi se ispitala valjanost razvijenog softverskog okruženja ono je primenjeno na eksperimentalno okruženje sa naprednim spektroskopskim elipsometrom čiji rezultati se distribuiraju korisniku na udaljenoj lokaciji. Sistem se sastoji o lokalnog servera, na koji je realni laboratorijski uređaj direktno priključen, i udaljenog klijenta koji pristupa serveru putem interneta. Klijent izdaje naredbe serveru za podešavanje parametara eksperimentalnog okruženja, za početak eksperimenta i nakon završenog eksperimenta dobija rezultate. Ukoliko je potrebno od pomoći udaljenom klijentu može biti i lokalni operater koji prati tok eksperimenta. Klijentu je takođe, putem naprednih internet tehnologija, omogućeno vizuelno praćenje eksperimenta. U toku eksperimenta, samo jedan korisnik može upravljati uređajem iz bezbednosnih razloga po ovaj veoma skupocen uređaj. Takođe je omogućena autorizacija korisnika pre mogućnosti za korišćenje putem korisničkog imena i lozinke koji se moraju uneti pre nego se pristupi realnom fizičkom uređaju. Standardne internet tehnologije omogućavaju prilično automatizovane procedure za rešavanje ovakvih rešenja. Na slici je prikazana osnovna struktura softverskog okruženja za udaljenu kontrolu eksperimenata. Može se uočiti klijent server komunikacija, isprekidanim linijama prikazana je logička povezanost delova sistema. Fizički postoji komunikacija samo između delova sistema koji su označeni punom linijom. 230

30 Udaljena kontrola eksperimenta Lokalna kontrola eksperimenta Klijent Server Monitoring eksperimenta Video kamera Slika Osnovna struktura softverskog okruženja za udaljenu kontrolu eksperimenta Prilikom izrade softvera, potrebno je doneti odluke o operativnom sistemu na kome će se softversko okruženje zasnivati i jednog ili više programskih jezika uz pomoć koga će biti razvijeni alati za upravljanje eksperimentom. Od operativnih sistema izbor pada na dva najraprostranjenija rešenja: Microsoft Windows, ili neki od UNIX operativnih sistema. Slika Klijent aplikacija za udaljeno upravljanje eksperimenom 231

31 I od konkretnih potreba definisanih prilikom dizajniranja virtuelne laboratorije zavisi izbor. U ovom konkretnom primeru izabran je Microsoft Windows. Na raspolaganju se nalazi širok spektar primenjivih programskih jezika od kojih su najznačajnija samostalna rešenja ili kombinacije tri najčešće korišćenih C/C++, Java i u poslednje vreme sve više.net. U ovom konkretnom primeru korišćen je Microsoft Visual C Na slici može se videti izgled i funkcionalnost alata razvijenih za upravljanje eksperimentom od strane klijenta. Pored korisničkog interfejsa koji se nalazi na desnoj strani, sa leve strane se nalazi vizuelni prikaz toka eksperimenta. Kao što se vidi aplikacija koja je prikazana na slici je klasična desktop aplikacija i korisnik može pristupiti uređaju samo ukoliko je na računaru klijenta aplikacija pravilno instalirana i svi parametri pravilno podešeni. Ovde se odmah uočava problem smanjene pristupačnosti serveru sistema, tj nemogućnost pristupanja sa bilo koje tačke na internetu uz pomoć standardnih internet alata kao što su internet browseri. Unapređenje ovog koncepta, zarad povećanja fleksibilnosti i olakšanja komunikacija korisnika sa udaljenim eksperimentom može se postići korišćenjem HTTP protokola za komunikaciju između klijenta i servera. Svi zahtevi klijenta uključujući podešavanje parametara eksperimenta i zahtev za izvršenjem se šalju kao HTTP zahtevi. Zahtevana operacija od strane korisnika se nakon toga prosleđuje, putem tehnike IPC-a (InterProcess Communication) softveru za kontrolu eksperimenta i nakon izvršenja se podaci uobličavaju u HTML format i kao takvi se putem HTTP protokola prezentuju korisniku kao dinamički kreirana internet stranica. Najveća prednost ovog pristupa jeste mogućnost da se pristupi eksperimentu sa bilo koje tačke interneta (a samim tim i sveta) samo uz pomoć standardnog internet browsera bez potrebe za dodatnom instalacijom specijalno namenjenih softvera. www klijent HTTP server WWW Softver za kontrolu eksperimenta IPC ISA Slika Princip realizacije sistema korišćenjem HTTP protokola Sam proces udaljene kontrole uz pomoć gore opisanih tehnologija se odvija u nekoliko koraka 1. Na osnovu ulaznih parametara, koje definiše korisnik, čije se zadavanje vrši putem specijalno kreirane web strane, formiraju se GET ili POST stringovi HTTP protokola koji prenose zahtev klijenta preko interneta do servera 2. ISA (International Server Associate) služi za izdvajanje zahteva korisnika i ostvarivanje IPC komunikacije sa softverom za kontrolu eksperimenta. Postoje različiti načini za komunikaciju između procesa na jednom računaru 3. Softver za kontrolu eksperimenta prihvata naredbu i izvršava je u cilju dobijanja određenih rezultata 232

32 Konkretan primer koji je u prethodnom delu teksta objašnjen razvijen je kao deo UNESCO programa razvoja alata za brzu i jednostavnu implementaciju virtuelnih laboratorija, posebno u zemljama u razvoju, sa osnovnim ciljem približavanja znanja i skupih eksperimentalnih uređaja naučnicima iz celog sveta i na taj način uklapanje slabo razvijenih oblasti u savremene naučne tokove. Primeri realizovani u LabVIEW-u Primer 1. Digitalni voltmetar sa sukcesivnom aproksimacijom napona Princip rada digitalnog voltmetra sa sukcesivnom aproksimacijom zasniva se na permanentnom upoređivanju normiranog mernog jednosmernog napona U x i napona povratne sprege U ps koji se dovodi iz D/A konvertora u čijem je sastavu referentni naponski izvor. Serijom aproksimacija i odlučivanja u toku jednog ciklusa merenja, vrednost napona povratne sprege se menja u određenim skokovima, približavajući se postepeno vrednosti mernog napona. Na kraju mernog ciklusa, kada se razlika vrednosti dva napona svede na najmanju moguću meru, vrednost napona povratne sprege se prikazuje na indikatoru. Blok šema digitalnog voltmetra sa sukcesivnom aproksimacijom napona prikazana je slici. Komparator U U Ulazni oslabljivač i pojačavač U X U ps K U k U ref R/256 D/A konvertor R/2 R/4 R/8 R/16 R/32 R/64 R/128 R/256 Generator taktnih impulsa P 1 P 2 P 3 P 4 P 5 P 6 P 7 P 8 Upravljački sklop Indikator Blok šema digitalnog voltmetra sa sukcesivnom aproksimacijom napona Mereni napon se dovodi na ulaz oslabljivača i pojačavača kojima se on slabi ili pojačava, tako da dobije vrednost U x unutar normiranog područja (na primer, 0 do 10V). Mereni napon U x poredi se u komparatoru K sa naponom povratne sprege U ps koji se formira na izlazu D/A konvertora deljenjem referentnog napona U ref pomoću delitelja napona sastavljenog od niza otpornika (označenih sa R/2 do R/256 na slici iznad) čija je ukupna otpornost jednaka R. Rad delitelja napona ostvaruje se automatski pod komandnom upravljačkog sklopa uključivanjem ili isključivanjem brzih elektronskih prekidača P 1 do P 8 (izvedenih pomoću FET ili bipolarnih tranzistora) po određenom redosledu. Upravljački sklop sastavljen je od flip-flopova, logičkih kola, kratkotrajnih memorija i dekodera. Referentni napon U ref koji je jednak graničnoj vrednosti normiranog podučja (10V), se tako deli da se ostvaruje niz vrednosti napona povratne sprege čiji najmanji korak zavisi od finoće aproksimacije koja se želi postići. Podela referentnog napona se izvodi u binarnom brojnom sistemu, tj. u smislu U ref /2 n. Na slici je prikazan voltmetar kod kojeg je n=8, tj. referentni napon U ref se deli do koraka U ref /256 (=10V/256=0,04V). Jedan ciklus merenja započinje tako što se start impulsom iz generatora taktnih impulsa, na komparator K istovremeno dovede normirani merni napon U x i napon povratne sprege U ps =U ref /2 koji 233

33 se formira otvaranjem elektronskog prekidača P 1 koji uključuje u kolo otpornik najveće otpornosti R/2, dok svi ostali prekidači ostaju zatvoreni. U okviru front panela, tj. prednjeg panela, na zadatoj radnoj površini, formirati sledeće elemente: 1. Iz controls pallete izabrati grupu numeric i u okviru nje, digital control, i pomoću miša privući element na radnu površinu. Koristeći alatku edit tools, naznačiti dati element sa Vref. 2. Ponoviti postupak, i sledeći element obeležiti sa Vx. I jedan i drugi element su takve konstrukcije da se njihove vrednosti mogu podešavati, i za konkretan slučaj Vref=10.00 i Vx=7.00. Desnim tasterom se u okviru Format & Precission podešava oblik podatka i broj decimala. 3. Iz controls pallete izabrati grupu numeric i u okviru nje, digital indicator, i pomoću miša privući element na radnu površinu. Koristeći alatku edit tools, naznačiti dati element sa Dobijena vrednost-kraj, koja predstavlja rezultat, odnosnu brojnu vrednost. Ovaj element pokazuje mereni rezultat i on se ne može menjati. 4. Iz controls pallete izabrati grupu graph i u okviru nje, XY graph, i pomoću miša privući element na radnu površinu. Koristeći alatku edit tools, naznačiti dati element sa Grafik. Vrednosti na x osi predstavljaju broj iteracije-parametar petlje, dok su vrednosti na y osi dobijeni napon. Front panel digitalnog voltmetra sa sukcesivnom aproksimacijom napona U okviru block diagram-a, na zadatoj radnoj površini, povezati date elemente uz pomoć connect wire tools, jer se svaki element iz prednjeg panela preslikao u blok dijagramu. Kako se radi o grafičkom programiranju, primenom petlji i programskih struktura izvršiti povezivanje na sledeći način: 1. Iz functions pallete izabrati grupu structures i u okviru nje, for loop, i pomoću miša privući element na radnu površinu. Isti postupkom iz grupe numeric izabrati numeric constant i postavi na blok dijagramu. Koristeći operate value alatku, upisati vrednost 10, i ona predstavlja broj iteracija i mora biti celobrojna vrednost. 2. U okviru ove petlje ubaciti elemente za oduzimanje (subtract), za sabiranje (add), deljenje (divide), uvećanje za 1 (increment), stepenovanje (scale by power of 2), kao i element greater or equal to 0 (iz grupe comparasion). 3. Iz functions pallete izabrati grupu structures i u okviru nje, case strukturu loop, i pomoću miša privući element na radnu površinu u okviru for petlje. 234

34 4. Iz function pallete, u okviru cluster izabrati bundle i pomoću miša privući element na radnu površinu. 5. Povezati elemente i pomoću opcije run, na prednjem panelu, pustiti da se izvršava proces merenja. Blok dijagram digitalnog voltmetra sa sukcesivnom aproksimacijom napona Primer 2. Određivanje jednačine prave y=kx+n Sledeći primer predstavlja realizaciju linearne prave, y=kx+n, gde se koeficijenti određuju Xf Xo kao: k =, n = Xf. Veličina # of points predstavlja broj tačaka kroz koje se provlači # ofpoint s prava. U okviru front panela, tj. prednjeg panela, na zadatoj radnoj površini, formirati sledeće elemente: 1. Iz controls pallete izabrati grupu numeric i u okviru nje, digital control, i pomoću miša privući element na radnu površinu. Koristeći alatku edit tools, naznačiti dati element sa Xo. 2. Ponoviti postupak, i ubaciti elemente, i obeležiti sa Xf i # of points. Sva tri elementa su takve konstrukcije da se njihove vrednosti mogu podešavati, i za konkretan slučaj Xo=2.00, Xf=6.00 i # of points=3. Desnim tasterom se u okviru Format & Precission podešava oblik podatka i broj decimala. 3. Iz controls pallete izabrati grupu Array & Cluster i u okviru nje, array, i pomoću miša privući element na radnu površinu. Pomoću miša, ubaciti iz numeric element digital indicator. Koristeći alatku edit tools, naznačiti dati element sa Interpolated array (Xo, Xf), koja predstavlja rezultat, odnosno brojnu vrednost. Ovaj element pokazuje mereni rezultat i on se ne može menjati. 235

35 Front panel određivanja jednačine prave U okviru block diagram-a, na zadatoj radnoj površini, povezati date elemente uz pomoć connect wire tools, jer se svaki element iz prednjeg panela preslikao u blok dijagramu. 1. Iz functions pallete izabrati grupu structures i u okviru nje, for loop, i pomoću miša privući element na radnu površinu. Povezati parametar petlje n sa elementom # of points, što znači da se petlja izvršava onoliko puta koliko je zadat broj tačaka kroz koje se provlači prava 2. U okviru ove petlje ubaciti elemente za oduzimanje (subtract), za sabiranje (add), deljenje (divide), množenje (multiple). 3. Povezati elemente i pomoću opcije run, na prednjem panelu, pustiti da se izvršava proces merenja. Može se uključiti i opcija Highlight execution koja pokazuje tok izvršenja. Blok diagram određivanja jednačine prave 236

36 Primer 3. Određivanje srednje vrednosti niza Primer određivanja srednje vrednosti niza dat je u okviru nekoliko koraka. U okviru front panela, tj. prednjeg panela, na zadatoj radnoj površini, formirati sledeće elemente: 1. Iz controls pallete izabrati grupu numeric i u okviru nje, digital control, i pomoću miša privući element na radnu površinu. Koristeći alatku edit tools, naznačiti dati element sa 1D array. 2. Ponoviti postupak, i ubaciti elemente, i obeležiti sa 2D array i 2D average axis. Sva tri elementa su takve konstrukcije da se njihove vrednosti mogu podešavati, i za konkretan slučaj 1D array =5.00, 2D array =6.00, i 2D average axis =columns. Desnim tasterom se u okviru Format & Precission podešava oblik podatka i broj decimala. 3. Iz controls pallete izabrati grupu numeric i u okviru nje, digital indicator, i pomoću miša privući element na radnu površinu. Koristeći alatku edit tools, naznačiti dati element sa 1D average koja predstavlja rezultat, odnosno brojnu vrednost. Ovaj element pokazuje mereni rezultat i on se ne može menjati. Ponoviti postupak, i ubaciti element, 2D average, iz grupe numeric i u okviru nje, digital control, i pomoću miša privući element na radnu površinu. Koristeći alatku edit tools, naznačiti dati element sa 2D averages koja takođe predstavlja rezultat merenja. Front panel određivanja srednje vrednosti niza U okviru block diagram-a, na zadatoj radnoj površini, povezati date elemente uz pomoć connect wire tools, jer se svaki element iz prednjeg panela preslikao u blok dijagramu. 1. Iz functions pallete izabrati grupu numeric i u okviru nje, izabrati elemente za oduzimanje (subtract) i za sabiranje elemenata niza (add array elements). 2. Iz functions pallete izabrati grupu array i u okviru nje elemente array size i transpose 2D array. 3. Iz functions pallete izabrati grupu structures i u okviru nje for loop i case strukturu. 4. Povezati elemente i pomoću opcije run, na prednjem panelu, pustiti da se izvršava proces merenja. Može se uključiti i opcija Highlight execution koja pokazuje tok izvršenja. U okviru primera, vrše se dva zadatka: 237

37 a) Sabiraju se brojne vrednost elemenata jednodimenzionalnog niza i zbir se deli sa brojem elemenata niza, i rezultat se prikazuje u okviru 1D average; b) Sabiraju se sve brojne vrednosti elemenata jedne vrste u dvodimenzionalnom nizu i zbir se deli sa brojem vrsta. Rezultat se prikazuje u okviru 2D averages. Primer 4. Digitalni termometar Blok diagram određivanja srednje vrednosti niza Sledeći primer predstavlja realizovan digitalni termometar gde se može očitavati temperatura u stepenima Celzijusovim ( C) ili Fahrenheit (F). 1. Iz controls pallete izabrati grupu boolean i u okviru nje, rocker, i pomoću miša privući element na radnu površinu. Koristeći alatku edit tools, naznačiti dati element sa mode koji pokazuje u kojim stepenima se prikazuje temperatura. 2. Ponoviti postupak, i iz grupe numeric ubaciti element termometar obeležiti sa termometar. 238

38 Front panel digitalnog termometra U okviru block diagram-a, na zadatoj radnoj površini, povezati date elemente uz pomoć connect wire tools, jer se svaki element iz prednjeg panela preslikao u blok dijagramu. 1. Iz functions pallete izabrati grupu numeric i u okviru nje, izabrati elemente za oduzimanje (subtract) i za sabiranje (add) i deljenje (divide). 2. Iz functions pallete izabrati grupu structures i u okviru nje case strukturu u okviru koje se vrši konverzija jedne jedinice u drugu. Primer 5. Temperaturni sistem Blok diagram digitalnog termometra Primer temperaturnog sistema je složen primer jer se ubacuju gotovi sub VI u okviru blok dijagrama. Korisnik može da bira opseg temperature, odnosne donju i gornju granicu, srednju vrednost 239

39 temperature, standardnu devijaciju, takođe postoji i kontrola trenutne vrednosti temperature, odnosno prikazuje se da li je trenutna vrednost temperature premašila gornju granicu opsega. Front panel temperaturnog sistema Blok diagram temperaturnog sistema 240

40 Primer 6. Očitavanje unetih vrednosti Primer očitavanja unetih vrednosti sastoji se u tome da se na osnovu zadatih vrednosti vrši očitavanje na izlazu. U okviru front panela zadaju se vrednosti, odnsno: 1. Ako je ulaz=0, tada je izlaz=0; 2. Ako je ulaz=1, tada je izlaz=1,0027; 3. Ako je ulaz=2, tada je izlaz=2,0052; 4. Ako je ulaz=3, tada je izlaz=3,0087; 5. Ako je ulaz=4, tada je izlaz=4,0125. Ova realizacija postiže se pomoću case struktura što je i prikazano na sledećim slikama. Front panel očitavanja unetih vrednosti Case struktrura kada je. ulaz=0, izlaz=0 241

41 Case struktrura kada je. ulaz=1 izlaz=1,0027 Case struktrura kada je. ulaz=2, izlaz=2,0052 Case struktrura kada je. ulaz=3, tada je izlaz=3,