Электронно-вычислительные машины (ЭВМ) – высокопроизводительное средство обработки информации, предназначенное для решения большого круга самых разнообразных задач как в производстве, так и обучении. В лабораторном практикуме ЭВМ может использоваться в основном для сбора и обработки информации о состоянии датчиков, управлении различными механизмами и технологическими системами. Внедрение ЭВМ в учебный процесс значительно повышает эффективность занятий, а использование ЭВМ в лабораторном физическом практикуме, когда персональный компьютер (ПК) непосредственно включен в экспериментальную установку, является одним из перспективных направлений совершенствования преподавания физики при подготовке учителей физики и информатики. В ходе профессиональной деятельности они должны быть готовы не только использовать готовое лабораторное оборудование, но и быть способны разрабатывать новые лабораторные работы с использованием ЭВМ.
Наш опыт показал, что при разработке компьютерных лабораторных работ, в которых компьютер применяется в качестве измерительного и управляющего прибора, возникает вопрос о том, как организовать измерения. С целью подготовки будущего учителя физики и информатики к разработке лабораторного физического практикума с использованием ЭВМ автором был разработан спецкурс (курс по выбору студента) «Сопряжение компьютеров с внешними устройствами», предназначенный для студентов старших курсов физико-математического факультета педвуза. Задачей данного курса было привлечение студентов к разработке таких лабораторных работ, в которых было бы возможно применение компьютера, программно и аппаратно совмещенного с действующей лабораторной установкой.
В основе экспериментальной части курса было положено использование LPT-порта, предназначенного для подключения принтера [3]. Он успешно может быть задействован в лабораторном оборудовании физического практикума и в программном управлении учебным экспериментом [2]. По сравнению с специализированным оборудованием, предназначенным для обслуживания лабораторного практикума по физике, стандартный LPT-порт позволяет обеспечить двухстороннюю связь ПК с периферийным оборудованием и имеет ряд преимуществ:
· использование «старых» ПК, что связано с дешевизной оборудования (предприятия и организации избавляются от морально устаревшего офисного оборудования);
· использование языка программирования владеющего пользователем (возможность создания программного обеспечения (ПО) под конкретную задачу на изучаемом в вузе языке программирования);
· возможность дальнейшей доработки созданного ПО к новым задачам (например, расширению базы лабораторного практикума).
В рамках проводимого автором курса по выбору силами будущих учителей физики и информатики было разработано пять лабораторных модулей (стендов), логически связанных между собой, каждый последующий модуль является расширением возможностей предыдущего. Рассмотрим их подробнее.
Первый модуль «Стенд №1» предназначен для первоначального знакомства с LPT-портом, который представляет собой печатную плату с размещенными на ней разъемом LPT, 12 светодиодов и 5 кнопок, позволяющий наглядно изучить регистры порта, а также организовать ввод и вывод данных через параллельный порт. Данный стенд максимально оптимизирует учебный процесс при изучении портов компьютера как на аппаратном, так и на программном уровне. При создании данного стенда затрачиваются минимальные усилия и расходные материалы. Восемь красных светодиодов подключены к регистру “данных” LPT, которыми можно управлять, обращаясь по адресу &H378 (шестнадцатеричная система счисления). Четыре зеленых светодиода подключены к регистру “контроль” LPT и управляются по адресу &H37А. При работе с регистром “контроль” необходимо учитывать инверсию 1, 2 и 4 разрядов, что требует от обучаемых выработки соответствующих навыков при составлении программ для различных устройств автоматики. Пять кнопочных выключателей подключены к порту “статус” LPT, позволяет отслеживать их состояние, обращаясь по адресу &H379.
Используя этот стенд (на вывод информации), можно создавать различные световые эффекты (бегущие огни, бегущая тень, индикаторный столб и т.п.), а также использовать его в качестве тренажера при преобразовании десятичных, восьмеричных и шестнадцатеричных чисел в двоичную систему счисления, например, задавать следующие команды: включите (выключите) все четные или нечетные светодиоды, включите конкретную группу светодиодов и т. д. При вводе информации кнопочные выключатели можно запрограммировать на изменение светового эффекта, загрузку необходимой программы, остановку текущей программы. Это позволяет также организовать тест «Угадай число», в котором необходимо не просто угадать число, а произвести соответствующий расчет, например: «какое число мы считаем из порта, если включим (выключим) один выключатель или группу выключателей?».
Второй модуль «Стенд №2» предназначен для изучения и демонстрации с помощью LPT-порта управления внешними исполнительными устройствами. Стенд представляет собой печатную плату с размещенными на ней разъемом LPT, разъемом дополнительного источника тока и буферного усилителя ULN2003A, к которым посредством разъемов подключены мощный источник света, коллекторный двигатель постоянного тока, униполярный шаговый двигатель. Подавая команды с ПК, можно управлять необходимыми внешними устройствами, например, включать (выключать) свет и (или) двигатель постоянного тока. Замена источника света оптодрайвером обеспечивает безопасное подключение к управляющему LPT-порту компьютера исполнительных устройств, работающих от повышенного или переменного напряжения. Стенд №2 позволяет изучить принципы управления и работы шагового двигателя: пуск, остановка, реверсирование. Работа шагового двигателя рассматривается в трех режимах [6]: одиночный шаг; шаг с усиленным крутящим моментом; полушаг. В целом, стенд № 2 позволяет расширить возможности применения персонального компьютера на практике для решения учебных задач. Это значительно повышает познавательный интерес учащихся с помощью наглядности эксперимента и расширяет их кругозор.
Третий модуль «Стенд № 3» позволяет осуществлять расширение разрядности параллельного порта с помощью логических элементов. В базовом варианте персонального компьютера LPT-порт позволяет выводить необходимую информацию с компьютера по двум группам шин, разрядность которых, в общей сложности, ограничивается двенадцатиразрядной шиной (восемь разрядов регистра данных и четыре разряда регистра контроля). Модуль содержит четыре семисегментных светодиодных индикатора АЛС333, а для обслуживания индикаторов требуется 28-разрядная шина данных (4 индикатора по 7 сегментов). Для оптимизации элементной базы была выбрана динамическая индикация. Все одноименные сегменты индикаторов объединены и подключены к регистру «данных» LPT посредством буферного усилителя ULN2003A. Управление индикаторами осуществляется посредством четырех оптических пар 4N35. Так, для активизации одного из индикаторов в регистр «контроль» LPT по адресу 890 записывают нужный код. Чтобы зажечь необходимые сегменты индикатора, необходимо по адресу 888 передать соответствующий код группы сегментов. Последовательно выбирая один из индикаторов и записывая в порт необходимый код, на четырехразрядный индикатор можно выводить числовую информацию (дата, время и т.п.), организовать эффект «бегущая строка», тем самым изучить возможность расширения шины данных на вывод. Используя триггеры и дешифраторы, можно обслуживать до 112 внешних исполнительных устройств.
Четвертый модуль «Стенд № 4» дает возможность изучить расширение шины данных на ввод. В базовом варианте LPT-порт позволяет контролировать пять источников дискретных сигналов. Дополнение LPT-порта четырьмя мультиплексорами «2 в 1» или двумя мультиплексорами «4 в 1» позволяет расширить разрядность порта с исходных 5 до 17. В нашем варианте для этой цели используется 12 герконовых датчиков и 4 оптических датчика. Разработанный совместно со студентами модуль позволяет реализовать устройство отслеживания направления вращающегося объекта (вращающаяся платформа, флюгер), подсчета числа оборотов, частоты вращения. При закреплении датчиков на наклонной или горизонтальной плоскости модуль позволяет фиксировать перемещение, скорость, ускорение и т.п., а при закреплении датчиков на вертикальной плоскости фиксируется уровень (например, уровень жидкости в сосуде) и т.п.
Создание следующего модуля «Стенд № 5» было вызвано необходимостью контроля не только дискретных, но и аналоговых сигналов. Для преобразования дискретных сигналов в цифровые и наоборот необходимо изучить принципы построения и работу цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей (ЦАП и АЦП). Однако использование специализированных интегральных микросхем требует значительных навыков по сборке (пайке и отладке) подобных устройств, а также создания программного обеспечения для их обслуживания. Опыт показал, что на начальном этапе целесообразно начать изучение ЦАП и АЦП, используя дискретные элементы и известные для разработчика языка программирования.
Для изучения ЦАП был использован синтезатор речи и коды «прошивки» постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), описанные в журналах «Моделист конструктор» [5], «Радиолюбитель» [1]. Преобразование кодов в аналоговый сигнал происходит на ЦАП взвешивающего типа, в котором каждому биту преобразуемого двоичного кода соответствует резистор, подключенный на общую точку суммирования (рис.1).
Проводимость каждого резистора пропорциональна весу бита, которому он соответствует. Следовательно, все ненулевые биты кода суммируются с весом. В отличие от описанных в [1,5] устройств, вместо ПЗУ и задающего генератора со счетчиком, нами используется персональный ПК, к параллельному порту которого подключена линейка регистров и гнездо для подключения активных колонок от компьютера. С помощью этого простого устройства можно синтезировать сигнал, близкий к аналоговому, в том числе и речь человека.
Интегрирующие АЦП, обеспечивающие относительно высокую точность преобразования при низкой стоимости, могут быть построены на базе преобразователей напряжение-частота (ПНЧ). ПНЧ на логических элементах КМОП или транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) представляет собой мультивибратор (релаксационный генератор), частота выходного сигнала которого зависит от номинальных значений резистора и конденсатора частотозадающей цепи (рис. 2). Устройство, построенное по данной схеме, дает практически линейное преобразование частоты в диапазоне входных напряжений от 0 до 1,2 В [4].
Выход генератора соединен с параллельным портом, в результате ПК производит подсчет количества импульсов, поступивших от ПНЧ за период счета, и преобразует в число, соответствующее измеряемой величине. Используя терморезистор в частотозадающей цепи (рис. 3), позволяет измерить температуру тела и преобразовать его аналоговое значение в цифровую информацию для дальнейшей обработки. Замена терморезистора фоторезистором позволяет измерить световой поток или прозрачность тел.
В завершении спецкурса рассматривается работа манипулятора с тремя степенями свободы. В качестве комплектующих для манипулятора использовались запчасти от пришедших в негодность принтеров, сканеров, дисководов и подобных устройств. Два униполярных шаговых двигателя посредством буферного усилителя ULN2003A подключаются непосредственно к LPT порту и позволяют управлять положением стрелы манипулятора в горизонтальном и вертикальном направлении. Крайние положения стрелы по горизонтали контролируется оптическими датчиками, по вертикали – механическими контактами. Биполярный шаговый двигатель с микросхемой HA13421P управляет вылетом стрелы, на которой установлен электромагнит и светодиод для контроля работы электромагнита. Управление движением манипулятора осуществляется с клавиатуры компьютера, все операции (захват объекта, его освобождение, перемещение в необходимом направлении) заносятся в память компьютера, а по завершении этапа «обучения» манипулятора на жесткий диск записывается файл с данными. Используя в дальнейшем данные этого файла, робот-манипулятор может уже многократно повторять (воспроизводить) проделанные при обучении операции (движения). Полученная конструкция робота демонстрирует принципы работы станков и механизмов с числовым программным управлением (ЧПУ), позволяет изучить принципы построения робототехники, дает начальные представление о работе функциональных узлов и программировании подобного рода устройств.
Таким образом, разработанный спецкурс «Сопряжение компьютеров с внешними устройствами», предназначенный для будущих учителей физики и информатики, позволяет поэтапно изучить сопряжение компьютеров с внешними устройствами и использовать полученные навыки при постановке лабораторных работ. Разработанные лабораторные стенды, программное обеспечение и методические описания к ним позволяют рассмотреть основные принципы работы с портами ввода и вывода, что позволит в дальнейшем будущему учителю создавать новое экспериментальное оборудование лабораторного практикума по физике в школе. Данные материалы апробированы в рамках проводимого курса по выбору на старших курсах физико-математического факультета, компьютерного клуба в школе № 6 г.Елабуги, на практических занятиях с младшими школьниками, проводимых в рамках проектов ЕИ КФУ в г. Елабуге «Интеллето» и «Детский университет».
Рецензенты:
Ахметов Л. Г., д-р пед. наук, профессор, профессор кафедры теории и методики профессионального образования Елабужского института Казанского федерального университета, г. Елабуга.
Шаймарданов Р. Х., д-р пед. наук, профессор, профессор кафедры педагогики Сургутского педагогического университета, г. Сургут.