Система дистанционного схемотехнического моделирования с неисправностями

Кафтанников Игорь Леопольдович,
к.т.н., заведующий кафедрой ЭВМ (kli@chel.com.ru);

Туганов Алексей Сергеевич
Южно-Уральский государственный университет, Челябинск

Описывается система имитации неисправной работы цифровых схемотехнических устройств на базе пакета Multisim. Разработанная система позволяет дистанционно осуществлять управление законом функционирования элементов, расположенных на схемах пользователя в пакете Multisim с помощью веб-интерфейса. Создан гибкий механизм расширения функциональности системы на всех уровнях Code-модели, модули комплексы локального и глобального серверов.

В современном мире дистанционное образование получает всё большее распространение благодаря ряду преимуществ. Однако для многих технических специальностей трудно осуществить практическую часть обучения дистанционно – студентам необходим опыт работы по разработке, настройке и наладке реального оборудования. В какой-то мере данную проблему может помочь решить система, позволяющая моделировать неисправности различного рода, с тем, чтобы студенты самостоятельно определяли смоделированные неисправности и устраняли их.

Система должна позволять дистанционно проводить практические и лабораторные занятия по цифровой схемотехнике, вносить в работу схем различные неисправности и сможет с одной стороны, в определенной степени заменить занятия со стендами в лаборатории, а с другой – увеличить сложность схем по сравнению со стендовыми. Таким образом, можно будет повысить качество обучения студентов при различных типах обучения.

Распространенные в мировой практике пакеты моделирующих программ различного назначения не отвечают требованиям моделирования такой работы в силу того, что они направлены на построение правильно, безошибочно работающих моделей.

При этом следует отметить, что разные пакеты предоставляют различные возможности для модификаций. Для реализации заявленной имитационной системы схемотехнического моделирования нами были рассмотрены ряд пакетов (демо- и триал- версии), при этом учитывались следующие пожелания:

• моделирование работы цифровых схемотехнических элементов;
• возможность использования различных диагностических инструментов и приборов (например, осциллографа, логического анализатора);
• наличие моделей неисправных элементов, или элементов, закон функционирования которых может быть изменен;
• удаленное управление системой и неисправностями элементов (например, через интернет);
• возможность расширения элементной базы;
• простой в освоении интерфейс пользователя.

ElectronicsWorkbench 5.12

Достоинства:

• простота освоения и наглядность использования;
• наличие моделей реальных измерительных приборов;
• высокая скорость моделирования;
• компактные размеры дистрибутива;
• широкое распространение в учебных заведениях.

Недостатки:

• не поддерживаются производителем.

Vissim

Достоинства:

• универсальная система моделирования;
• широкое распространение в учебных заведениях;
• русифицированный интерфейс;
• имеется бесплатная студенческая версия.

Недостатки:

• пакет не ориентирован на дискретную схемотехнику;
• небольшое количество инструментов.

Multisim

Достоинства:

• простота освоения и наглядность использования;
• наличие моделей реальных измерительных приборов;
• поддержка производителем;
• большое количество моделей элементов.

Недостатки:

• низкая (по сравнению с EWB) скорость моделирования.

На основе анализа был выбран пакет Multisim. В этом пакете имеются различные возможности построения пользовательских моделей. В нашем случае был выбран способ с использованием технологии Code Modeling. Способ создания моделей с помощью этой системы оказался практически таким же, как и в VisSim: модель является dll-библиотекой, содержащей определенные функции и структуры данных. На основе входных параметров (текущего схемного времени, значений на входах элемента, температуры и др.), передающихся в функцию-обработчик, вырабатываются выходные значения. Предусмотрено задание задержек переключения, распространения сигнала и др. С помощью данной технологии можно создавать новые элементы с произвольным алгоритмом функционирования. При этом имеются все возможности для получения необходимых данных во время моделирования.

Важными особенностями, повлиявшими на архитектуру системы стали ограничения, для кода модели – во-первых, код пишется на Си, а не на С++, а во-вторых, в обработчик модели не передавались все данные, необходимые для работы с окнами.

Чтобы снять это ограничение, было принято решение использовать технологию клиент-сервер при программировании моделей (рис. 1).

Клиентом выступает модель, в обязанности которой входит анализ входных параметров и выработка выходных сигналов в зависимости от текущего кода неисправности. С точки зрения программирования, клиент максимально прост, из него ЋвыкинутоЛ все лишнее.

Рис. 1. Первичная структура системы

Сервер для модели – локальный сервер, выполняет следующие функции:

• аутентификация пользователей в системе;
• организация взаимодействия между элементами и удаленным сервером;
• предоставление удаленному серверу информации о размещенных на схеме пользователя элементах;
• обеспечение доступа пользователей к различным сервисам системы.

Функции удаленного сервера:

• хранит информацию обо всех пользователях и элементах на схемах;
• предоставляет доступ преподавателя к хранимой информации;
• дает возможность задавать алгоритм функционирования отдельных элементов у пользователей;
• управление пользователями.

Помимо разработки серверов, создавались и сами элементы (элементарная логика: триггеры, счетчики, регистры и т.д.). В них предусмотрены следующие виды неисправностей:

1. Константное значение на одном или нескольких выходах элементов;
2. Для элементов с третьим состоянием – всегда отключенное состояние;
4. Отсутствие или неверная запись в схемах с памятью;
5. Отказ в работе одного или нескольких входов;
6. Нарушение закона функционирования элементов.

Руководитель комитета АП КИТ по образованию
Б. Нуралиев

• dll-модулей, реализующих конкретные схемотехнические элементы;
• базы данных элементов (SPICE модель, внешний вид);
• локальный сервер;
• удаленный сервер.

Рис. 2. Архитектура системы