Resurse moderne pentru laboratorul de fizică - LabView, Prof. Titu MASTAN - C. N. I. “Grigore Moisil” Braşov

Introducere

În această lucrare se prezintă câteva facilităţi pe care le oferă mediul de programare grafică LabVIEW pentru lecţiile de fizică şi pentru alte activităţi didactice ale profesorilor de fizică, de nivel liceal şi universitar.

Lucrarea este structurată pe şase secţiuni şi anume: Introducere, Cap. 1. Ce este LabVIEW?, Cap. 2.  Facilităţi oferite de LabVIEW pentru lecţiile de fizică, Cap. 3. Grupuri de aplicaţii, Cap. 4. Aplicaţii concrete elaborate de autor, Bibliografie. Din motive legate de spaţiul avut la dispoziţie lucrarea va fi prezentată foarte pe scurt.

Cap. 1. Ce este LabVIEW?

LabVIEW este abrevierea de la Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench.
LabVIEW este un mediu de programare de nivel înalt, foarte modern, puternic şi confirmat în activităţi profesioniste, elaborat de compania National Instruments. El se foloseşte în activităţi industriale, activităţi de cercetare si activităţi educaţionale. Este o aplicaţie informatică axată pe programarea grafică şi modulară (bazată pe rutine destul de elaborate, denumite *.vi). În domeniul profesionist LabVIEW are trei mari direcţii de cercetare şi aplicaţie: achiziţia de date, controlul instrumentelor, automatizări industriale şi conexe. Ultimele versiuni de LabVIEW sunt: LV 2009, LV 2010, LV 2011.

Cap. 2.  Facilităţi oferite de LabVIEW pentru lecţiile de fizică

Direcţiile principale pe care se poate face implementarea LabVIEW în activitatea profesorului de fizică sunt: simularea unor fenomene şi sisteme fizice, utilizarea sistemelor de achiziţie de date, salvarea şi gestionarea datelor experimentale, generarea şi procesarea semnalelor electrice.

Cap. 3. Grupuri de aplicaţii

Pentru a putea prezenta mai sintetic şi mai eficient principalele aplicaţii ale  LabVIEW în lecţiile de fizică am grupat aceste aplicaţii în patru grupuri, după criteriul complexităţii resurselor tehnice şi informatice implicate. Aceste grupuri sunt prezentate, foarte scurt, în cele ce urmează.

Grupul de aplicaţii bazate pe simulare

Simularea, în sensul prezentat în această lucrare, constă în reproducerea şi studiul unui fenomen sau sistem fizic prin programe informatice.
Simularea de fenomene şi aplicaţii la nivel de liceu se poate face cu AEL, colecţii de applets-uri, limbaje de programare pentru simulare (ex. LabView, Yenka, Multisim, Modellus etc).
În acest caz schema logică a funcţionării sistemului de lucru şi rolurile modulelor componente sunt: PC (comunicare/afişare date de intrare, comenzi de lucru de intrare etc) – Program informatic (generator soft) – PC (comunicare/afişare date de ieşire, stocare informaţii rezultate, comenzi de lucru de ieşire etc). În acest caz avem nevoie de un PC, de un program informatic specializat (ex. Lab View) şi de un utilizator cu o experienţă minimală.

Grupul de aplicaţii – achiziţia de date

Achiziţia de date constă, în esenţă, în preluarea de informaţii de la un sistem fizic real şi apoi în prelucrarea şi analiza lor cu ajutorul unui computer şi a unui program specializat. Este una dintre cele mai moderne, complexe şi utile aplicaţii ale informaticii în ştiinţe şi tehnologii. Activitatea aceasta necesită resurse mai mari, specializate şi o mult mai mare experienţă a utilizatorului. De asemenea este de menţionat că prin această aplicaţie se extinde foarte mult gama de utilizare în practică a mediului de programare respectiv, în cazul nostru al LabView.

În acest caz schema logică a funcţionării sistemului de lucru este: PC (comunicare/afişare date de intrare, comenzi de lucru de intrare etc) – Program informatic (generator soft) - Placa de achiziţie (interfaţa, convertorul) – Sistemul extern studiat (generatorul de informaţie/semnale fizice) – Senzorii (traductorii de semnal) - Program de receptare şi prelucrare a semnalelor achiziţionate – PC (comunicare/afişare date de ieşire, stocare date de ieşire, comenzi de lucru de ieşire etc).

Ca exemple de sisteme de achiziţie de date utile şi accesibile în învăţământul preuniversitar vă propun: Multilab (cu senzori Fourier), Lab Pro 3 (cu senzori Vernier), NI-USB 6008/6009/National Instruments (cu senzori Vernier).

Grupul de aplicaţii – generarea de semnale

În acest caz sistemul informatic generează un semnal fizic (electric), în exteriorul său. Semnalul fizic poate fi analogic sau digital. De asmenea el poate fi comandat/controlat prin soft şi poate fi aplicat unui sistem exterior (ex. aparat de măsură analogic, aparat de măsură digital, circuite electrice şi electronice etc).

Schema logică a funcţionării sistemului de lucru şi componentele sale sunt acum următoarele: PC (comunicare/afişare date de intrare, comenzi de lucru de intrare etc) – Program informatic(generator soft) - Placa de achiziţie (interfaţa, convertorul, generatorul fizic) – Sistemul extern studiat (receptorul/respondentul).

Grupul de aplicaţii – generarea de semnale şi achiziţia de date

Acum placa de achiziţie joacă un rol dublu. Ea este în acelaşi timp sursă şi receptor de semnale fizice.
În acest caz schema logică a funcţionării sistemului este: PC (comunicare/afişare, comenzi de lucru etc) – Program informatic (generator soft) - Placa de achiziţie (generator fizic) – Sistemul extern studiat (receptorul/respondentul) – Senzorii (traductorii de răspuns) – Placa de achiziţie (receptor de răspuns) – Program informatic (receptare şi prelucrare a semnalelor achiziţionate) – PC (comunicare/afişare, stocare date, comenzi de lucru etc).

De subliniat că prin utilizarea sistemului informatic menţionat se realizează o mare economie de resurse didactice, creşte compactitatea sistemelor experimentale, creşte fiabilitatea şi siguranţa în exploatare, creşte viteza de lucru – de măsurare şi prelucrare a datelor, se permite înregistrarea şi salvarea datelor (ceea ce este un avantaj extraordinar), creşte gradul de spectaculozitate şi modernitate şi atractivitate al experimentelor  ş.a.

Cap. 4. Aplicaţii concrete elaborate de autorul acestei lucrări

Autorul acestei lucrări a realizat şi verificat experimental mai multe programe folosind mediul de programare LabView, sistemul de achiziţie de date bazat pe NI USB 6009 cu LabView şi respectiv cu mediul de programare Signal Express, începând cu programe mai scurte şi mai simple şi trecând apoi, treptat, la programe mai elaborate şi cu un grad de complexitate mai mare.

Iată o listă cu unele programe realizate de autorul acestei lucrări, dedicate elevilor de clasa a XI-a şi a XII-a precum şi cercurilor cu elevii: Studiul funcţionării circuitului RLC serie (simulare, achiziţie de date); Studiul funcţionării circuitului RLC paralel (simulare, achiziţie de date); Caracteristica diodei semiconductoare (simulare - fără placă de achiziţie şi cu placă de achiziţie, cu achiziţie de date de pe o diodă reală – secvenţial şi continuu, cu generare şi achiziţie de date de pe o diodă reală – continuu); Redresarea, monoalternanţă şi respectiv bialternanţă, cu diode semiconductoare (simularea redresării pe variante de diode idealizate, achiziţie de date de pe diode reale); Generatoare de semnale electrice (sinusoidal, dreptunghiular, triunghiular, “în dinţi de fierăstrău”, semnal de tip rampă, DC etc); Generarea, achiziţia, procesarea şi analiza de semnale (ex. analiza Fourier); Extragerea de date din semnale electrice, procesarea şi stocarea datelor în fişiere; Verificarea legii lui Ohm şi determinarea de caracteristici ale elementelor de circuit (simulare, achiziţie de date, generare şi achiziţie de date – funcţionarea în bucla out-in) etc.

Cu această ocazie autorul îşi afirmă intenţia de colaborare cu alţi specialişti, profeori şi elevi interesaţi în acest domeniu.

Spre exemplificare se prezintă aspecte de lucru şi rezultate cu programe în Lab View dedicate studiului circuitelor RLC – serie şi paralel, în c.a.s, astfel:
Fig. 1 - secvenţă de imagine a Front Panel şi a Block Diagram; Fig. 2 - generarea de semnale electrice; Fig. 3 – Reactanţele circuitului RLC.

Fig. 1                                                                   Fig. 2

Fig. 3

Autor: Prof. Titu MASTAN - C. N. I.  “Grigore Moisil” Braşov