Інтерактивна система навчання методам цифрової обробки сигналів

Реферат: Інтерактивна система навчання методам цифрової обробки сигналів містить апаратні засоби: персональну електронно-обчислювальну машину, процесор для обробки даних, модулі аналогово-цифрового та цифро-аналогового перетворення, осцилограф з USB-інтерфейсом, система забезпечена програмними засобами: алгоритмічними мовами високого та низького рівнів для процесора обробки даних, мовами графічного програмування для прикладних програм електронно-обчислювальної машини. На персональні електронно-обчислювальні машини, які входять до складу системи, встановлюють додаткові, автономно реалізовані окремими блоками три функціональні модулі: довідниковий, тренажерний, тестуючий. UA 102317 U (54) ІНТЕРАКТИВНА СИСТЕМА НАВЧАННЯ МЕТОДАМ ЦИФРОВОЇ ОБРОБКИ СИГНАЛІВ UA 102317 U UA 102317 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель, що заявляється, належить до системи навчання на базі комп'ютерноінформаційних технологій, а саме до системи навчання учнів, студентів технічних спеціальностей при вивченні дисциплін, пов'язаних з проектуванням та реалізацією систем обробки інформації. Запропонована система може бути використана в педагогічній практиці для формування умінь, закріплення навичок та об'єктивної оцінки знань тих, кого навчають. Відомий навчально-методичний комплекс з дослідження цифрової обробки сигналів (ЦОС) вибрано у якості аналогу корисної моделі, що заявляється [Навчально-методичний комплекс з дослідження цифрової обробки сигналів /А.Л. Перекрест, О.О. Купрій //Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації: VII Всеукраїнська науково-технічна конференція молодих учених і спеціалістів, 2-4 квітня 2009 р.: збірник наукових праць. - Кременчук, КДПУ, 2009. – С. 33-34], який включає дослідження процедур ЦОС та виконання обробки сигналів в електромеханічних системах. Комплекс складається з апаратного та програмного забезпечення. Апаратне забезпечення включає основи роботи з цифровим сигнальним процесором, пристроями для задання тестових сигналів та реєстрації результатів роботи комплексу, зокрема генератор для задання тестових сигналів, цифровий осцилограф для відображення результатів роботи та демонстраційну плату цифрового сигнального процесора. Як програмне забезпечення використовуються алгоритмічні мови високого (C/C++) та низького (assembler) рівнів, для написання програм для DSP-модуля (Code Composer Studio), мови графічного програмування для прикладних програм ЕОМ (MatLab, LabView). Недоліком у даному комплексі є: нереалізована можливість вивчення теоретичного матеріалу, відсутня додаткова довідникова інформація для більш обширного та поглибленого пізнання методів ЦОС; відсутній модуль контролю знань, що забезпечує допуск до виконання лабораторних робіт, самостійної підготовки, самоперевірки та кінцевий контроль знань, що робить комплекс менш універсальним. Суттєвими ознаками, що збігаються із способом, що заявляється: - використання програмно-апаратних засобів; - використання цифрового сигнального процесора та модулів аналогово-цифрового перетворення; - вивчення, дослідження, реалізація процедур ЦОС. Найбільш близькою по технічній суті і числу співпадаючих ознак до інтерактивної системи навчання, що заявляється є комп'ютеризований стенд для дослідження систем ЦОС [Пат. України 81333. Комп'ютеризований стенд для дослідження систем цифрової обробки сигналів /Перекрест А.Л., Павлюченко Д.П. /Опубл. Бюл. № 12, від 25.06.2013 р.], за яким можливо особам, що навчаються здійснювати на лабораторних роботах синтез, налаштування і експериментальне дослідження систем ЦОС. Комп'ютеризований стенд містить апаратні засоби: персональну електронно-обчислювальну машину, процесор для обробки даних, модулі аналогово-цифрового та цифро-аналогового перетворення, осцилограф з USB-інтерфейсом. Програмне забезпечення: алгоритмічні мови високого та низького рівнів, мови графічного програмування для прикладних програм персонального комп'ютера. Особа, що навчається за допомогою персонального комп'ютера розробляє програмне забезпечення, що реалізує типові функції систем ЦОС та завантажує до сигнального процесора для подальшої обробки сигналів. Завдяки цифровому сигнальному процесору особа, що навчається може реалізовувати та вивчати такі типові задачі ЦОС як синтез цифрових фільтрів, частотна та адаптивна цифрова фільтрація, програмно-процесорне тестування цифрових сигнальних процесорів. Недоліком даного комп'ютеризованого стенда є те, що у ньому не передбачено використання додаткових навчальних засобів у вигляді електронних підручників, посібників, конспекту лекцій тощо, що вимагає самостійного пошуку інформації для більш обширного вивчення матеріалу в області ЦОС. Також у комп'ютеризованому стенді відсутній модуль контролю знань для перевірки засвоєння теоретичного матеріалу особами, що навчаються методам ЦОС. Отже, повна відсутність додаткових навчальних засобів та контролю знань робить дане технічне рішення менш універсальним. Суттєві ознаки, які збігаються з корисною моделлю, що заявляється є: - апаратні засоби: персональна електронно-обчислювальна машина, процесор для обробки даних, модулі аналогово-цифрового та цифро-аналогового перетворення; осцилограф з USBінтерфейсом та генератор сигналів; - програмні засоби: алгоритмічні мови високого та низького рівнів для процесора обробки даних; мови графічного програмування для прикладних програм електронно-обчислювальної машини; - вивчення, отримання, обробка, дослідження, експериментальні навички в області ЦОС. Дане технічне рішення вибрано як прототип корисної моделі, що заявляється. 1 UA 102317 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Задачею запропонованої корисної моделі є створення інтерактивної системи навчання методам ЦОС для підвищення ефективності навчання, що забезпечує оволодіння теоретичними знаннями, та практичне відпрацювання отриманих теоретичних знань на основі комп'ютерно-інформаційних технологій. Поставлена задача вирішується шляхом поєднання у системі трьох функціональних модулів: довідникового, тренажерного та тестуючого, причому всі модулі виконано автономними та з'єднаними між собою комунікаційними зв'язками і своїми інформаційними входами, виходами. Довідниковий модуль реалізовано на персональному комп'ютері, та містить методичні вказівки для виконання практичних та лабораторних робіт, електронні підручники, посібники, конспект лекцій для подачі та вивчення методів ЦОС. Тренажерний модуль складається з апаратних та програмних засобів. Апаратні засоби включають: налагоджувальний комплект, персональний комп'ютер, пристрої для задання тестових сигналів та реєстрації результатів роботи. А програмні засоби реалізовано в прикладних програмних пакетах. Для функціонування та обміну інформації між апаратною і програмною частиною тренажерного модуля на персональний комп'ютер встановлюється спеціалізоване програмне забезпечення мов високого та низького рівнів для цифрового сигнального процесора, мови графічного програмування для прикладних програм. Тестуючий модуль включає блоки комп'ютерної оцінки знань при вивченні окремих методів та загального тестування, архіви попередніх тестувань та принцип оцінки знань у вигляді певної шкали. Завдяки запропонованій реалізації інтерактивної системи забезпечується: можливість здійснення контролю осіб, що навчають методам ЦОС; розширення функціональності системи; можливість підготовки тестів індивідуально для різних методів ЦОС; отримання, обробка й аналіз експериментальних даних; активізація пізнавальної діяльності та придбання дослідницьких і проектних навичок в області ЦОС; реалізація багатофункціональної, повноцінної учбово-наукової лабораторії з можливістю її постійної модернізації та розвитку. Таким чином, застосування запропонованої системи інтерактивного навчання методам ЦОС суттєво підвищує ефективність і якість навчання осіб за рахунок отримання теоретичних знань та відпрацювання практичних навичок, скорочує час навчання та підвищує ефективність використання результатів у подальшій практичній діяльності. Інтерактивна система навчання методам ЦОС пояснюється кресленнями, де на Фіг. 1 наведена "Блок-схема зв'язків інтерактивної системи навчання методам ЦОС"; На Фіг. 2 представлено "Вікно довідникового модуля з дисципліни "Основи збору, переробки та передачі інформації" (ОЗПІ) "; На Фіг. 3 представлено "Вікно тестуючого модулю з дисципліни "ОЗПІ""; На Фіг. 4 представлено "Вікно тренажерного модуля, віртуальний лабораторний стенд для дослідження фільтрації сигналу за максимальною амплітудою". Інтерактивна система навчання методам ЦОС включає функціональні складові (Фіг. 1), що з'єднані між собою комунікаційними зв'язками та своїми інформаційними входами та виходами. Довідниковий та тестуючий модуль реалізовано окремими програмно-інформаційними блоками, і завантажено до персонального комп'ютера, причому модулі забезпечено спеціалізованим програмним забезпеченням системи. Тренажерний модуль інтерактивної системи навчання включає генератор сигналів, осцилограф, налагоджувальний комплект з цифровим сигнальним процесором (плата), що найменше один персональний комп'ютер, на якому встановлено спеціальне програмне забезпечення для обміну інформацією з апаратним забезпеченням. Вихід генератора сигналів з'єднується з вхідним рознімом плати, а вихідний рознім з'єднано з осцилографом. Демонстраційна плата підключається до персонального комп'ютера за допомогою інтерфейсу зв'язку USB який входить до налагоджувального комплекту. Всі складові системи підключаються до мережі живлення. Інтерактивна система навчання методам ЦОС забезпечена дистанційним доступом через мережу Інтернет. Розглянемо роботу запропонованої інтерактивної системи навчання методам ЦОС на прикладі системи навчальної дисципліни "Основи збору, переробки та передачі інформації". Для реалізації системи навчання використано структуру, що наведена на Фіг. 1. Інтерактивну систему реалізовано, як повноцінно сформований програмно-методичний продукт, тому особа, що навчається, має доступ до нього через мережу Інтернет, або при потребі отримати розроблений продукт на електронному носієві. Інтерактивна система навчання містить для кожного функціонального модуля розроблений окремий інтерфейс користувача. Інтерфейс користувача виконано в зручному та зрозумілому вигляді. Всі складові системи взаємопов'язані між собою, що забезпечує в будь-який час роботи звернення до необхідних даних. Це забезпечує особі, що навчається зручність, швидкість при роботі з елементами інтерактивної системи навчання. 2 UA 102317 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Робота із запропонованою інтерактивною системою навчання реалізується наступним чином: 1. На персональному комп'ютері інтерактивної системи навчання формується та зберігається навчальний матеріал - довідниковий модуль (Фіг. 1 (блок 1), Фіг. 2) структурований за навчальними елементами (лекціями). Кожна лекція має структурований план та відповідно до нього поданий матеріал. Для зручності можливий перехід між лекціями на будь-якому етапі роботи. Теоретичний матеріал супроводжується повноцінним поясненням головної інформації з виділеним текстом. В тексті зустрічаються гіперпосилання на різні мультимедіа об'єкти: допоміжна література, формули, графічні ілюстрації тощо. Тобто, особа, що навчається має можливість переглянути матеріал курсу цілком, або окремо обрані теми за семестром, модулем, номером лекції. Особа, що навчається в будь-який момент має можливість переглянути основні закладки головного вікна довідникового модуля: робочу навчальну програму дисципліни ОЗПІ; лекції, лабораторні роботи, практичні заняття, контрольні роботи, самостійні роботи; курсові і розрахунково-графічні роботи та вимоги до оформлення; бібліотеку. Дана реалізація подачі теоретичного матеріалу забезпечує краще засвоєння, сприйняття, поліпшене розуміння матеріалу особою, що навчається. 2. Після ознайомлення та вивчення лекції, особа, що навчається проходить практичне заняття, що реалізовано в довідниковому модулі. Кожне практичне заняття супроводжується лабораторною роботою. 3. Після проходження лекційного матеріалу та практичного завдання особа, що навчається, проходить відповідний модульний контроль на тестуючому модулі (Фіг. 1 (блок 3), Фіг. 3). У відповідності після контролю знань може бути допущена до виконання лабораторної роботи для закріплення отриманих теоретичних знань. 4. Особа, що навчається, формує професійні уміння та навички через лабораторний практикум на тренажерному модулі (Фіг. 1 (блок 2)). Особа, що навчається методам обробки сигналів реалізує окремі методи обробки сигналів. Окремий метод реалізується у послідовності "задання вхідного сигналу-реалізація методу ЦОС відображення сигналів у часовій та частотній області". Особа, що навчається, виконує дослідження різноманітних методів обробки сигналів з використанням моделювання в прикладних програмних пакетах. Потім проводиться практичне відпрацювання навичок та вивчення методів ЦОС завдяки роботі з налагоджувальним комплектом Texas Instruments TMS320C67 Starter Kit. 4.1 Спочатку робота проводиться на віртуальних стендах, що реалізовані на програмних засобах, та використовують прикладні програмні процедури для завдання, обробки та візуалізації сигналів, наприклад, у програмах Matlab, Labview, Mathcad. Віртуальні стенди дозволяють особі, що навчається повноцінно моделювати процеси в цифрових пристроях при виконанні обробки сигналів. Наприклад на Фіг. 4 показано віртуальний лабораторний стенд для дослідження фільтрації сигналу за максимальною амплітудою, що дає змогу досліджувати використання прямого та зворотного перетворень Фур'є. 4.2 Потім особа приступає до роботи з фізичним стендом, що реалізовано на апаратних засобах і містить налагоджувальний комплект, персональний комп'ютер та вимірювальне обладнання – спеціалізований вимірювальний генератор і осцилограф. Апаратні засоби з'єднуються, особою, що навчається, між собою для обміну інформацією між елементами. Основу налагоджувального комплекту складає процесор обробки сигналів, що встановлено на платі DSP Starter Kit (DSK), наприклад компанії виробники Texas Instruments (TMS320C6713, TMS320C6416), Motorola (DSP56002EVM), Analog Devices (ADSP-BF533 Ezkit Lite), Xilinx (Virtex6 FPGA). Для особи, що навчається, плата є зручною платформою, що створена на допомогу розробникам систем ЦОС. Схемотехнічно налагоджувальний комплект являє собою закінчену систему обробки сигналів і дозволяє особам, що навчаються, створювати, налагоджувати і тестувати програмне забезпечення для ЦОС. Тренажерний модуль, що має апаратнопрограмну реалізацію дозволяє частину функцій системи ЦОС виконувати апаратно (аналогоцифрове і цифро-аналогове перетворення, множення, множення з накопиченням, прийом/передача даних і ін.), а іншу частину функцій виконувати програмно. Таким чином, досягається швидке звертання до пам'яті, обмін обчислень на високій швидкості, максимально швидке виконання операцій множення з накопиченням над числами, підвищення вивчення складних питань з ЦОС, що забезпечує особам, що навчаються повноцінне формування практичних навичок. Послідовність дій при виконанні лабораторної роботи на тренажерному модулі: - на спеціалізованому вимірювальному генераторі особа, що навчається, забезпечує формування тестових сигналів встановленої форми, наприклад синусоїду, меандр, пилоподібний сигнал тощо; 3 UA 102317 U 5 10 15 20 25 30 35 40 - особа, що навчається на персональному комп'ютері, розраховує та генерує програмні коди до цифрового сигнального процесора через інтерфейс передачі даних та має встановлене спеціальне програмне забезпечення для роботи з налагоджувальним комплектом, наприклад, DSK Diagnostics Utility, Code Composer Studio, Link for Analog Devices VisualDSP++, Real-Time Workshop і Real-Time Workshop Embedded Coder, Labview DSP-module, Lab VIEW DSP Test Toolkit тощо; - за допомогою осцилографа особа, що навчається, переглядає відображення (візуалізацію) вхідного та вихідного сигналів. У відповідності до мети та задач розроблено лабораторні роботи з дисципліни "ОЗПІ", що включають: вивчення апроксимації та згладжування при обробці сигналів у прикладних математичних пакетах; спектральний аналіз сигналів в прикладних математичних пакетах; синтез цифрових фільтрів в прикладних математичних пакетах; реалізація та дослідження роботи типової системи обробки сигналів в прикладних математичних пакетах; реалізація та дослідження роботи системи адаптивної фільтрації у прикладних математичних пакетах; вивчення процедури розробки програм для цифрового сигнального процесора на базі налагоджувальної плати Texas Instruments DSK 6713 Starter Kit; вивчення цифрових фільтрів з використанням налагоджувальної плати Texas Instruments DSK 6713 Starter Kit; вивчення адаптивних фільтрів з використанням налагоджувальної плати Texas Instruments DSK 6713 Starter Kit. Тобто особа, що навчається проходить практичне відпрацювання навичок в автоматизованому циклі навчання. При навчанні особа виконує дослідження різноманітних методів ЦОС з використанням моделювання в прикладних програмних пакетах. А потім приступає до практичного відпрацювання навичок та вивчення методів ЦОС завдяки роботі з налагоджувальним комплектом Texas Instruments TMS320C67 Starter Kit. Це забезпечує повноцінне практичне відпрацювання методів ЦОС (Фіг. 1 (блок 4)). Далі при навчанні особа проходить загальне тестування рівня отриманих знань, що встановлено на персональному комп'ютері (Фіг. 1 (блок 3)). При цьому до цього особа пройшла тестування з: допуску до виконання лабораторної роботи, а також за бажанням самостійну підготовку до роботи, самоперевірку. Особа, що навчається, має змогу самостійно оцінити рівень отриманих знань зі всієї дисципліни або ж по окремих модульних контролях (темах). Також отримує підсумкове повідомлення про кількість помилок після закінчення сеансу роботи з модулем тестування. Можливо отримати повну та скорочену форму результатів. Скорочена форма містить інформацію стосовно особи, що навчається, загальні результати та час тестування. До повної форми додається інформація стосовно правильних відповідей та неправильних. Система тестування знань реалізована у вигляді модульного поділу по варіантах з питаннями чотирьох типів: "Одиничний вибір", "Відповідність", "Множинний вибір", "Упорядкований список". Таким чином інтерактивна система навчання методам обробки сигналів дає змогу отримати звіт з виконання та вивчення (Фіг. 1 (блок 5)), що відображає отримані результати вивчення матеріалу особою. Включення описаних трьох компонентів до системи навчання методам ЦОС забезпечує повноцінну подачу матеріалу, практичне закріплення та перевірку засвоєння, що робить спосіб універсальним, гнучким, ефективним, сприяючим оптимізації навчального процесу. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 55 1. Інтерактивна система навчання методам цифрової обробки сигналів, яка містить апаратні засоби: персональну електронно-обчислювальну машину, процесор для обробки даних, модулі аналогово-цифрового та цифро-аналогового перетворення, осцилограф з USB-інтерфейсом, система забезпечена програмними засобами: алгоритмічними мовами високого та низького рівнів для процесора обробки даних, мовами графічного програмування для прикладних програм електронно-обчислювальної машини, яка відрізняється тим, що на персональні електронно-обчислювальні машини, які входять до складу системи, встановлюють додаткові, автономно реалізовані окремими блоками три функціональні модулі: довідниковий, тренажерний, тестуючий. 2. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що довідниковий модуль містить методичні вказівки для виконання практичних та лабораторних робіт, електронні підручники, посібники, конспект лекцій для подачі та вивчення методів цифрової обробки сигналів. 3. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що тренажерний модуль для навчання методам цифрової обробки сигналів включає розроблене програмне забезпечення для апаратних 4 UA 102317 U 5 засобів з використанням різноманітних прикладних програмних пакетів для різностороннього закріплення навичок методів цифрової обробки сигналів. 4. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що тестуючий модуль включає блоки комп'ютерної оцінки знань при вивченні окремого методу цифрової обробки сигналів та їх груп, архіви попередніх тестувань та принцип оцінки знань у вигляді певної шкали. 5 UA 102317 U Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6