Zbigniew St. Sobków Katedra Elektroniki Akademia Górniczo Hutnicza Al. Mickiewicza 30, 30-059 KRAKÓW sobkow@agh.edu.pl 2005 Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne Poznań 8-9 grudnia 2005 STANOWISKO DYDAKTYCZNE DO BADAŃ PARAMETRÓW FOTOELEKTRYCZNYCH MATERIAŁÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH NA BAZIE ŚRODOWISKA LABVIEW. Streszczenie: W pracy omówione zostało wykorzystanie istniejącej struktury stanowiska laboratoryjnego do badania parametrów fotoelektrycznych w dydaktyce programowania w środowisku LabVIEW firmy National Instruments. Przedstawione zostało wykorzystanie sprzętu w ćwiczeniach laboratoryjnych o rosnącym stopniu złożoności pozwalających na systematyczne rozwinięcie umiejętności programowania. WPROWADZENIE: Środowisko programowania LabVIEW: Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench pojawiło się na rynku w roku 1986. Początkowy obszar zastosowań ograniczał się do sterowanie urządzeniami pomiarowymi i gromadzenia danych. Kolejne wersje środowiska poszerzyły dostępną funkcjonalność, przenosząc obszar jego zastosowań z laboratoriów do przemysłu. Ideą LabVIEW jest dostarczenie gotowych komponentów programowych pozwalających na szybkie tworzenie szkieletu programu, graficzna reprezentacja kodu programu i dostarczenie programiście szerokich możliwości analizy i przetwarzania uzyskanych wyników. Nie oznacza to jednak, że jest to środowisko łatwe szybkie i przyjemne. Wymaga ono przestrzegania pewnej konwencji tworzenia programów, często niestety zaniedbywanej. W wyniku tych zaniedbań tworzone przez studentów programy posiadają niższe walory dydaktyczne niż pozwala na to środowisko. Pojawiają się zatem trudności w zachowaniu ciągłości projektów między studentami Odpowiednie wprowadzenie studentów w podstawy pracy w środowisku, oraz wskazanie metody tworzenia złożonych programów na podstawie istniejącego stanowiska pomiarowego pomaga zrozumieć konwencje programowania w środowisku LabVIEW 1. ŚRODOWISKO PROGRAMOWANIA LabVIEW Istotną cechą środowiska jest graficzna reprezentacja kodu programu, nazywana diagramem. Tworzony w ten sposób kod zasadniczo powinien ograniczać się do obszaru widzianego na ekranie i powinien stanowić czytelną i zrozumiałą reprezentację przepływu danych. Pierwsze kontakty ze środowiskiem są częto interpretowane jako praca w środowisku graficznym. Tworzony program jest najczęściej rozumiany jako odręczny rysunek przedstawiający pracę programu. To jednak tylko częściowy obraz sytuacji a ograniczenie się do interpretacji diagramu jako szkicu programu stanowi błąd rzeczowy i prowadzi do rozwarstwienia pomiędzy założeniami jakie mają być realizowane w programie a efektywnym wykorzystaniem środowiska. Początkowy kontakt z LabVIEW dobrze jest zatem poświęcić na omówieniu konwencji dotyczących reprezentacji przepływu danych a również estetyki tworzenia diagramu. Istotne jest również przedstawienie różnic w sposobie realizacji podstawowych elementów programowych takich jak pętle WHILE i FOR oraz ich specyfika pracy Ważne jest przedstawienie problemów związanych z tunelowaniem danych (tryby indeksowane wejść i wyjść) oraz rejestrami przesuwnymi (Shift Register). Na tym etapie pomocne jest wprowadzenie podstaw tworzenia interfejsu. Jest to o tyle istotne że środowisko posiada znaczną ilość opcji pozwalających na łatwe tworzenie złożonych kolorystycznie interfejsów aplikacji. Prowadzi to do zaburzenia relacji użytkownik - komputer, utrudniając obsługę stworzonego programu. Sytuacja ta ma miejsce nie tylko w przypadku użytkownika trzeciego, ale również kiedy użytkownikiem jest sam programista. Często jednak sytuacja taka nie jest zauważana lub bywa bagatelizowana przez studentów tworzących program, pomimo tego, że zagadnienie metodyki i estetyki tworzenia interfejsu jest zagadnieniem trudnym i złożonym. Umożliwienie praktycznego wykonania programu obsługującego pomiar wielkości elektrycznych pozwala na utrwalenie nabywanej wiedzy w dziedzinie programowania w LabVIEW. Stanowisko realizujące pomiar w różnych trybach pozwala również na analizę możliwych architektur programu. Dzięki temu studenci nabywają praktycznych umiejętności rozwiązywania problemów programowych i sprzętowych. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005 1/5
2. STANOWISKO POMIAROWE Stanowisko na którym realizowana jest część praktyczna oparte jest na istniejącym stanowisku laboratoryjnym wykorzystywanym do badania fotoprzewodnictwa cienkich warstw półprzewodników magnetycznych oraz sygnałów napięciowych i prądowych amorficznych i polikrystalicznych ogniw fotowoltaicznych. Dzięki takiemu rozwiązaniu studenci mają możliwość również zapoznania się z pracami badawczymi prowadzonymi aktualnie na Katedrze Elektroniki AGH. 2.1 TOR OPTYCZNY Pierwszym elementem stanowiska jest tor optyczny, którego zadaniem jest wytworzenie monochromatycznej wiązki światła, pulsującej z określoną częstotliwością. Źródłem światła o długości fali od 360 nm do 2500 nm, jest żarówka halogenowa QTH250W Philips o mocy 250W, zamontowana w obudowie QTH lamp Housing-Oriel (1, rys.1). Wyjście lampy posiada układ ogniskujący z pozycjonerem, co pozwala na optymalne uformowanie wiązki świetlnej. Kierowana jest ona na przerywacz (chopper, 2, rys.1), sterowany przez układ pomiarowy i dalej, na wejście monochromatora (3, rys.1), z siatką dyfrakcyjną odbiciową pozwalającą na uzyskanie światła o zadanej długości fali z dokładnością 0,1 nm. Częścią wykonawczą urządzenia jest silnik krokowy, sterowany przez sterownik z interfejsem GPIB. Uzyskane światło monochromatyczne dzielone jest w światłowodzie wielomodowym (4, rys.1) na dwie wiązki o takich samych parametrach. Pierwsza prowadzi światło do detektora krzemowego (5, rys.1), realizującego pomiar mocy światła, druga do badanej próbki (6, rys.1). Pozwala to na monitorowanie mocy światła padającego na próbkę podczas pomiaru parametrów fotoelektrycznych.. Rys 1. Struktura stanowiska pomiarowego: 1 lampa, 2 przerywacz (chopper), 3 monochromator, 4 światłowód rozdzielający, 5 detektor krzemowy, 6 badana próbka, 7 miernik mocy światła Oriel-Merlin, 8 nanowoltomierz SR830 DSP Lock-In; 9, 10 multimetry HP 2.2 UKŁAD POMIAROWY Zadaniem układu pomiarowego jest: sterowanie modulacją światła i pomiar jego mocy, generowanie odpowiedniego sygnału referencyjnego dla mierników selektywnych oraz pomiar sygnału napięciowego lub prądowego badanej próbki. Podczas pomiarów niskotemperaturowych fotoprzewodnictwa cienkich warstw półprzewodników magnetycznych układ pomiarowy pozwala na wyznaczanie zależności rezystancji próbki w funkcji temperatury oraz monitorowanie temperatury podłoża do którego mocowany jest badany materiał. Pomiary tego typu wymagają umieszczenia badanego materiału w kriostacie helowym do którego wprowadzany jest ciekły azot. Pozwala to na uzyskanie środowiska pomiarowego z próbką o temperaturze do 78K. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005 2/5
Pomiar mocy światła wykonywany jest przez miernik klasy Lock-In, Oriel-Merlin (7, rys.1), z wykorzystaniem dedykowanego detektora krzemowego (5, rys.1), cechowanego dla zakresu widma od 200nm do 1100 nm. Dodatkowo elementem miernika jest sterownik choppera (2, rys.1), który odpowiada za uzyskanie modulacji wiązki światła i wytworzenie odpowiadającego pulsacji sygnału referencyjnego. W pamięci miernika zapisana jest tablica cechowania detektora w związku z tym przed odczytaniem z niego pomiaru mocy światła konieczne jest przesłanie do miernika informacji o długości fali światła dla którego ma być wykonany pomiar. Wiąże to w sposób bezpośredni pracę monochromatora z wykonywanym pomiarem mocy. Pomiar sygnałów napięciowych i prądowych realizowany jest przez woltomierz selektywny SR830 DSP Lock-In (8, rys.1) z wykorzystaniem odpowiednich układów dopasowujących. Kolejnymi elementami układu pomiarowego są multimetry Hewlett-Packard (9, 10 rys.1) realizujące pomiary rezystancji badanej próbki oraz temperatury materiału w przypadku pomiarów niskotemperaturowych w kriostacie helowym. Komunikacją między urządzeniami pomiarowymi i elementami toru optycznego a komputerem odbywa się z wykorzystaniem interfejsu równoległego GPIB i szeregowego RS232. 3. PRZYKŁADY ĆWICZEŃ: STEROWANIE, POMIAR I GROMADZENIE DANYCH Istniejąca konfiguracja stanowiska pomiarowego pozwala na realizację programów o różnym stopniu złożoności od prostych, realizujących pomiar mocy światła emitowanego przez diody LED, po programy wyznaczające wydajność kwantową ogniw fotowoltaicznych i parametry fotoprzewodnictwa półprzewodników magnetycznych w zakresie temperatur od 79K do 273K. Kolejne ćwiczenia zawierają problemy o rosnącym stopniu złożoności, odwołując się jednocześnie do już zrealizowanych zadań. Pozwala to na wskazanie optymalnej metodyki tworzenia kodu, pozwalającej na jego wielokrotne stosowanie. Wymusza to także rozwijanie sposobów czytelnego dokumentowania pracy co wynika z wielokrotnego stosowania napisanych przez tych samych studentów bibliotek funkcji tworzonych stopniowo podczas omawianego kursu. Ćwiczenie 1: Pierwszymi praktycznymi ćwiczeniami realizowanymi na stanowisku jest nawiązanie komunikacji z monochromatorem korzystając z interfejsu GPIB. Celem ćwiczenia jest zmiana długości fali światła na wyjściu monochromatora o zadaną wartość. Pozwala to na zapoznanie się z podstawowymi funkcjami komunikacyjnymi w środowisku LabVIEW. Bazując na bibliotece VISA nawiązywana jest komunikacja z monochromatorem, co pozwala na poznanie specyfiki tego interfejsu. Rys.2. Realizacja ćwiczenia 1 Realizacja komunikacji urządzenie komputer pozwala na zapoznanie się z metodyką tworzenia wątków komunikacyjnych w programie. Wynikiem pracy jest stworzenie biblioteki obsługującej monochromator i stworzenie jej dokumentacji. Ćwiczenie 2 Następnym ćwiczeniem realizowanym na stanowisku jest komunikacja dwustronna z miernikiem mocy światła Oriel-Merlin. Urządzenie to komunikuje się z komputerem w warstwie sprzętowej korzystając z interfejsu RS232, w warstwie programowej wykorzystując również bibliotekę VISA. Korzystając z odpowiednich funkcji studenci realizują sterowanie pracą przerywacza modulującego wiązkę światła oraz badają moc światła o zadanej długości fali na wyjściu monochromatora. Rys.3. Realizacja ćwiczenia 2 Tak postawione zadanie wymusza korzystanie z wyników poprzedniego ćwiczenia - biblioteki realizującej sterowanie monochromatorem. Dodatkowo oprócz odczytu wyniku pomiaru mocy światła konieczne jest nawiązanie dwustronnej komunikacji z miernikiem Oriel-Merlin w celu przekazania informacji o aktualnym zakresie długości fali dla którego wykonywany jest pomiar. Omawiane są również metody reprezentacji wyników w aplikacji (wykresy, tabele) i gromadzenia danych (pliki binarne, datalog, tekstowe). Na tym etapie studenci poznają także metodę pomiaru selektywnego i analizują wpływ częstotliwości pulsacji światła na wartość mierzonego sygnału. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005 3/5
Ćwiczenie 3 Kolejnym ćwiczeniem jest komunikacja z woltomierzem selektywnym SR830 DSP Lock-In oparta na interfejsie GPIB. Celem ćwiczenia jest pomiar sygnału napięciowego próbki. Dane wynikowe są gromadzone w buforach i przesyłane do komputera w postaci pakietów danych. Pozwala to na zapoznanie studentów z uśrednianiem i prostymi metodami prezentacji i analizy wyników. Istnieje obecnie znaczne zapotrzebowanie na programistów operujących w środowisku LabVIEW nie tylko poza granicami Polski, ale również w kraju. Pojawia się zatem pytanie o optymalną metodę kształcenia studentów pozwalającą pokierować rozwojem zainteresowań tym środowiskiem programowania. Rys.4. Realizacja ćwiczenia 3 Na tym etapie można już wyróżnić trzy wątki: pomiarowy (nanowoltomierz), monitorowania (Oriel- Merlin) i sterowania warunkiem pomiaru (monochromator). Ćwiczenie 4 Zadanie jest stworzenie złożonej aplikacji realizującej pomiar w zadanym zakresie długości fal (od 400 do 1000 nm), z jednoczesnym pomiarem mocy światła. Pozwala to na analizę różnych sposobów realizacji aplikacji pomiarowej. Omawiana jest struktura maszyny stanu, układ Producent-Konsument i struktury wątków zależnych i niezależnych w aplikacji. Przedstawiane są metody synchronizacji wątków i komunikacji miedzy nimi. W przedstawionych ćwiczeniach nacisk kładzie się nie tylko na uzyskanie zakładanej funkcjonalności programu, ale również na reprezentację i dokumentację kodu. Kolejnym aspektem ćwiczeń jest wskazanie wyniku stosowania odpowiednich konwencji tworzenia programów lub też ich braku i dyskusja uzyskiwanych wyników. WNIOSKI KOŃCOWE: Przedstawione stanowisko pozwala nie tylko na tworzenie funkcjonującego programu pomiarowego, ale również rozwinięcie umiejętności programowania zgodnego z istniejącymi zasadami tworzenia kodu graficznego. Otwarta formuła stanowiska pomiarowego i możliwość wykonywania zróżnicowanych pomiarów od materiałów fotowoltaicznych po półprzewodniki cienkowarstwowe stanowi znaczną zaletę stanowiska i rozszerza jego walory dydaktyczne. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005 4/5
PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005 5/5