Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne PWT2004

www.pwt.et.put.poznan.pl
Bartłomiej Świercz
Łukasz Starzak
Mariusz Zubert
Andrzej Napieralski
Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych
Politechnika Łódzka
Al. Politechniki 11, 93-590 Łódź
[email protected]
2004
Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne
Poznań 9 - 10 grudnia 2004
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.
PWT 2004, Poznań 9 - 10 grudnia 2004
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
1
www.pwt.et.put.poznan.pl
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).
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. 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
Rys. 4. Edytor opisu obwodu w postaci apletu
Java
1
SPICE – Simulation Program with IntegratedCircuit
Emphasis (program przeznaczony do symulacji
elektronicznmych układów scalonych).
2
PNG - Portable Network Graphics
PWT 2004, Poznań 9 - 10 grudnia 2004
2
www.pwt.et.put.poznan.pl
4. PODSUMOWANIE
Podstawowym przeznaczeniem portalu DMCSSPICE 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.
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.
Udział procentowy [% ]
3. ZASTOSOWANIE PORTALU
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
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
Polowe
[3] A.
Napieralski,
M.
Napieralska,
półprzewodnikowe przyrządy dużej mocy, Warszawa
1995
[4] Ł. Starzak, Podstawowe funkcje portalu DMCSSPICE
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
Nazwa domeny
Rys. 3. Liczba odwiedzin portalu DMCSSPICE w zależności od domeny
PWT 2004, Poznań 9 - 10 grudnia 2004
3