2004
Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne Poznań 9 - 10 grudnia 2004 Bartłomiej Świercz
Łukasz Starzak Mariusz Zubert Andrzej Napieralski
Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechnika Łódzka
Al. Politechniki 11, 93-590 Łódź swierczu@dmcs.p.lodz.pl
ZDALNE NAUCZANIE A ZAAWANSOWANE METODY SYMULACJI UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH
Streszczenie: W artykule przedstawiono opracowany w KMiT system umożliwiający prowadzenie zdalnych obliczeń i symulacji obwodów elektronicznych za pośrednictwem sieci internet i intranet. Zaprojektowany portal pozwala na propagowanie wiedzy z zakresu symulacji nowoczesnych struktur krzemowych w szerokim gronie odbiorców.
1. WSTĘP
Ciągły rozwój współczesnej mikroelektroniki, wymusza na projektantach systemów elektronicznych stosowanie narzędzi komputerowych wspomagających proces projektowania (CAD). Narzędzia te mają umożliwić budowanie systemów o coraz większej skali integracji oraz pozwolić na poznanie właściwości projektowanego układu przed wdrożeniem go do produkcji (proces symulacji), co skutecznie obniża cenę końcowego produktu oraz czas jego opracowania.
Systemy CAD ze względu na swoją złożoność są bardzo drogie, a dostęp do tych narzędzi utrudniają wysokie wymagania sprzętowe. Niejednokrotnie ośrodki edukacyjne nie mogą sobie pozwolić na zakup tak drogiego sprzętu i oprogramowania.
Dynamiczny rozwój Internetu w Polsce znalazł odzwierciedlenie nie tylko w działalności biznesowej lecz również i w edukacji. Wiele szkolnych laboratoriów wyposażonych jest w komputery podłączone do Internetu, umożliwia to wzbogacenie tradycyjnych technik nauczania o nowe formy dydaktyki wykorzystujące właściwości multimedialne Internetu.
Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych na co dzień wykorzystuje zaawansowane systemy CAD do projektowania nowoczesnych systemów półprzewodnikowych, układów ASIC oraz mikromaszyn krzemowych.
Narzędzia te wykorzystywane są zarówno do celów badawczych jak i edukacji. W procesie nauczania pojawiają się trudności z ograniczoną liczbą dostępnych licencji i stanowisk komputerowych. Wielu studentów chce rozwijać swoje umiejętności poprzez pracę z dostępnymi narzędziami CAD nie tylko na uczelni ale również w domu. KMiTI wychodząc na przeciw oczekiwaniom studentów i szerokiemu gronu zwolenników nowoczesnych technologii, opracowała portal wspomagający zdalne projektowanie układów elektronicznych przy wykorzystaniu sieci Internet.
Zadaniem portalu DMCS-SPICE jest propagowanie ostatnich osiągnięć nauki z dziedziny symulacji i modelowania urządzeń elektronicznych. Jako przykład zaawansowanych rozwiązań numerycznych na stronie SPICE.dmcs.p.lodz.pl dostępny jest model diody mocy będącej podstawowym i zarazem jednym z najtrudniejszych do zamodelowania elementów elektronicznych mocy.
2. BUDOWA PORTALU
Portal DMCS-SPICE został uruchomiony na platformie systemu GNU Linux przy wykorzystaniu oprogramowania dostępnego na licencji GPL lub Open Source. Do komunikacji z użytkownikiem został wykorzystany protokół HTTP, będący jednym z najpopularniejszych protokołów internetowym.
Rys. 1. Struktura portalu DMCS-SPICE www.pwt.et.put.poznan.pl
PWT 2004, Poznań 9 - 10 grudnia 2004 1
Cały system można podzielić na część symulacyjną znajdująca się na serwerze Katedry Mikroelektroniki i Technik Informatycznych oraz zdalny interfejs użytkownika (rys. 1).
Część serwerowa napisana jest w języku skryptowym PHP i pracuje w środowisku mod_php serwera WWW Apache. Jądrem obliczeniowym portalu jest symulator Berkeley SPICE w wersji 3f5. Symulator ten został wybrany ze względu na swoją popularność i format opisu obwodu, który stał się standardem dla narzędzi CAD. Proces symulatora SPICE1 wywoływany jest niezależnie dla każdego połączenia z klientem.
Wynik działania symulatora SPICE przetwarzany jest przez postprocesor graficzny GNUPlot zainstalowany na serwerze.
Funkcję interfejsu użytkownika pełni przeglądarka internetowa, w którą wyposażony jest obecnie każdy nowy system operacyjny. Zadaniem przeglądarki internetowej jest wysłanie zapytania do serwera zawierającego opis topologii symulowanego obwodu (w formacie cir) oraz parametrów symulacji (rys. 2).
Rys. 2. Edycja badanego obwodu za pomocą interfejsu WWW
Obliczenia wykonywane są na serwerze, a wynikiem jest charakterystyka obwodu w postaci pliku graficznego w formacie PNG2 wyświetlanego przez przeglądarkę internetową (rys 3.).
Zastosowanie przeglądarki internetowej jako interfejsu pozwoliło osiągnąć minimalny poziom wymagań odnośnie zainstalowanego oprogramowania po stronie klienta. Przeniesienie obliczeń ze stacji klienta na serwer pozwala na pracę przy użyciu sprzętu o małej wydajności obliczeniowej. Zastosowany mechanizm obliczeń umożliwia wykorzystanie szkolnych pracowni komputerowych, posiadających zazwyczaj przestarzały
1 SPICE – Simulation Program with IntegratedCircuit Emphasis (program przeznaczony do symulacji elektronicznmych układów scalonych).
2 PNG - Portable Network Graphics
sprzęt komputerowy, do nauczania nowoczesnych metod symulacji obwodów. Dla komputerów z zainstalowaną wirtualną maszyną Java przewidziano możliwość pracy z bardziej zaawansowanym interfejsem użytkownika zrealizowanym jako aplet Java (rys. 4).
Rys. 3. Rezultat symulacji w postaci charakterystyki czasowej
Rys. 4. Edytor opisu obwodu w postaci apletu Java
www.pwt.et.put.poznan.pl
PWT 2004, Poznań 9 - 10 grudnia 2004 2
3. ZASTOSOWANIE PORTALU Podstawowym przeznaczeniem portalu DMCS- SPICE jest umożliwienie zapoznania się z nowoczesnymi metodami symulacji układów elektronicznych szerokiemu gronu ludzi zainteresowanych elektroniką.
Oprcowany portal został wykorzystany do nauki przedmiotu Półprzewodnikowe Przyrządy Mocy prowadzonego przez KMiT. Zastosowanie ogólnodostępnego narzędzia do nauki zachęca studentów do poszerzania swojej wiedzy poza zajęciami.
Wykorzystanie scentralizowanego modelu obliczeń dostarcza poza oczywistą korzyścią rezygnacji z drogich stacji roboczych (sprzęt i oprogramowanie) możliwość śledzenia wykonywanych symulacji. Pozwala to na interaktywną kontrolę studentów oraz umożliwia znalezienie fragmentów obowiązującego materiału dydaktycznego sprawiającego największe problemy w trakcie nauczania.
Wykorzystanie portalu DMCS-SPICE nie ogranicza się jedynie do zajęć prowadzonych przez KMiT. Portal jest używany do realizacji zajęć dydaktycznych przez uczelnie europejskie (Technical University of Catalonia) oraz jest wykorzystywany przez firmy komercyjne (rys.5). Wydaje się, że zaproponowane rozwiązanie zostało dobrze przyjęte zarówno przez profesjonalne serwisy CAD jak i przez elektroników amatorów. Obrazuje to ilość linków przekraczających 370, ze stron zajmujących się tą tematyką. Całkowita liczba odwiedzin portalu wynosi 5969.
Rys. 3. Liczba odwiedzin portalu DMCS- SPICE w zależności od domeny
4. PODSUMOWANIE
W artykule przedstawiony został internetowy system interaktywnej symulacji układów elektronicznych mogący częściowo zastąpić tradycyjne narzędzia CAD. Portal umożliwia naukę nowoczesnej mikroelektroniki wszędzie tam gdzie istnieją pracownie komputerowe połączone z Internetem. Zastosowanie symulatora SPICE pozwala na jego naukę bez potrzeby lokalnej instalacji. Ogólnodostępność portalu sprzyja rozwojowi narzędzi i metod symulacyjnych poprzez współpracę z innymi ośrodkami naukowo-badawczymi.
Portal DMCS-SPICE został dobrze przyjęty przez przedstawicieli Uniwersytetu Berkeley na konferencji MSM, na której wykorzystany był jako narzędzie do prezentacji nowego modelu diody mocy.
LITERATURA
[1] B. Świercz, Ł. Starzak, M. Zubert, A. Napieralski, Zastosowanie Internetu do interaktywnych obliczeń pakietami CAD, Łódź 2002
[2] B. Świercz, Ł. Starzak, M. Zubert, A. Napieralski, An Interactive Website as Tool for CAD of Power Circuits, NANOTECH/MSM 2003
[3] A. Napieralski, M. Napieralska, Polowe półprzewodnikowe przyrządy dużej mocy, Warszawa 1995
[4] Ł. Starzak, Podstawowe funkcje portalu DMCS- SPICE z funkcjami symulacji PPM, http://lux.dmcs.p.lodz.pl/ppm/materialy/t1/instrukcja _dmcsSPICE.pdf
[5] http://lux.dmcs.p.lodz.pl/ppm/ - strona przedmiotu Półprzewodnikowe Przyrządy Mocy
[6] V. Mosorov, B. Świercz, T. Gucio, Internet Application for Distant Testing, Lwów 2004
IP .pl .com .net .edu .uk .jp .de .fr .mil .il 0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Nazwa domeny
Udział procentowy [%]
www.pwt.et.put.poznan.pl
PWT 2004, Poznań 9 - 10 grudnia 2004 3
