Разработка программного интерфейса для лабораторных работ по дисциплине: "Методы и средства измерения в телекоммуникациях"

Размещено на http://www.allbest.ru/

При этом следует различать два типа мертвых зон - мертвую зону отражения и мертвую зону затухания:

мертвая зона отражения определяется расстоянием между началом и точкой с уровнем - 1,5 дБ от вершины понижающегося отрезка кривой отражения, после чего последующие отражательные события могут быть легко идентифицированы;

мертвая зона затухания определяется расстоянием от начала отражения до точки, в которой произошло восстановление чувствительности приёмника с полем в 0,5 дБ от установившейся рефлектограммы обратного рассеяния и зависит от длительности импульса, длины волны, коэффициента обратного рассеяния, коэффициента отражения и полосы пропускания приёмника.

Таким образом, смысл термина “мертвая зона” заключается в количественном определении расстояния, на котором после значительного отражения происходит потеря информации. Обычно при определении мертвой зоны используется отражение уровнем 35 дБ, что соответствует приблизительно 0,33% отраженной в данной точке оптической мощности, которая суммируется с мощностью обратного рассеяния, являющейся функцией выбранной длительности импульса. Таким образом, действительная высота, видимая на экране OTDR, зависит как от коэффициента отражения, так и от длительности импульса данного волокна. Как следует из уравнения, меньшая длительность импульса не обязательно может привести к укорочению мертвых зон, т.к. по мере сужения импульса разница между уровнем обратного рассеяния и вершиной отражения увеличивается. При этом с ограничением ширины полосы пропускания приемника увеличивается экспоненциально падающий участок рассматриваемой кривой, а это приводит к существенному увеличению мертвой зоны. Учитывая, что короткие импульсы снижают SNR, мертвая зона ослабления OTDR, как правило, указывается для наиболее коротких импульсов. На рисунке 3.17 приводится сравнение минимально достижимых мертвых зон ослабления для трех длительностей импульса функций полосы рабочих частот приемника. График построен для 35 дБ отражения типового одномодового волокна при =1310 нм с использованием базовой низкоскоростной модели идеального приемника. Как следует из графика для таких одномодовых OTDR с диапазоном рабочих частот приёмника от 1 до 10 МГц, кривые начинают совмещаться в области низких частот, что, с точки зрения мертвой зоны ослабления, указывает, скорее, на ограничение диапазона рабочих частот, чем на ограничение продолжительности импульса. При диапазоне рабочих частот приемника, равной 10 МГц, значения мертвой зоны для 10 нс и 30 нс незначительно отличаются друг от друга, поэтому улучшение SNR на +2,4 дБ при более широких импульсах тестирования имеет явное преимущество, т.к. приводит к почти десятикратному увеличению скорости измерения. При ориентации на мертвую зону для 100 нс с использованием одномодового OTDR необходима ширина полосы рабочих частот приемника составляющая приблизительно 50 МГц.

Размещено на http://www.allbest.ru/

3.3 Методы и средства измерения оптической мощности

Измерение оптической мощности является метрологической основой волоконной оптики, а измерители оптической мощности являются столь же распространенным прибором для инженеров, связанных с оптоволоконными системами, как мультиметр для инженеров - электронщиков. Они применяются как в процессе строительства и инсталляции, так и эксплуатации ВОЛП, обеспечивая измерение параметров кабельных линий и анализ работы терминального оборудования. В паре со стабилизированным источником сигнала они позволяют измерить затухание - основного параметра качества оптической линии.

3.3.1 Классификация методов и принципы построения средств измерений оптической мощности

Различают измерения абсолютной и относительной мощности, первое из которых служит для определения характеристик источников и приемников оптических сигналов, а второе - для измерения ослабления, усиления, возвратных и вносимых потерь. При этом измерение абсолютной мощности в системах передачи, например, мощности оптического передатчика или чувствительности оптического усилителя, позволяет определить запас мощности, а измерение относительной мощности позволяет установить значение потерь оптического волокна, коэффициента усиления оптического усилителя и др. [4].

Оптическая мощность обычно задается на основе измерений электрической мощности, так как последняя может быть определена по току и напряжению. Поэтому все измерения оптической мощности могут быть проверены посредством измерений электрической мощности.

В классификации рассматриваемых СИ часто находят отражение:

заложенные в них физические принципы преобразования, в этом случае в названии прибора могут добавляться слова: калориметрический, фотоэлектрический, пондеромоторный, пироэлектрический, болометрический, термоэлектрический и т. д., например колориметрическое СИ средней мощности лазерного излучения;

основные конструктивные признаки, например, широкоапертурный, вакуумный, графитовый, полупроводниковый проходной, сферический, дисковый;

режимы работы, например, проточный, глубокоохлаждаемый, сверхпроводящий, изотермический (например, глубокоохлаждаемый полупроводниковый болометрический прибор);

вид отсчетного устройства, например, цифровой, регистрирующий, самопишущий, стрелочный прибор.

Существующие средства измерений оптической мощности бывают двух видов - измерительные приборы и измерительные преобразователи. Структурная схема измерительного прибора (рисунок 3.18.а) содержит приемный (первичный) измерительный преобразователь 1, измерительное 2 и отсчетное или регистрирующее устройство 3.

1 - приемный (первичный) измерительный преобразователь;

2 - измерительное устройство;

3 - отсчетное или регистрирующее устройство.

Рисунок 3.18 - Структурные схемы измерителей оптической мощности

В приемном преобразователе энергия лазерного излучения преобразуется либо в тепловую или механическую энергию, либо в электрический сигнал, доступные для дальнейшего преобразования и измерения. Чаще всего применяются приемные преобразователи следующих типов:

тепловые (калоритметрические, термоэлектрические, балометрические, пневматические и др.);

фотоэлектрические - фотопреобразователи с внешним фотоэффектом (фотоэлементы, ФЭУ), фотопреобразователи с внутреннем фотоэффектом (фотодиоды, фотосопротивления);

пироэлектрические;

пондеромоторные преобразователи.

Различают приемные преобразователи поглощающего и проходного типа. Различие их заключается в том, что в преобразователях поглощающего типа поступающая на вход энергия лазерного излучения почти полностью поглощается и рассеивается в нем. В преобразователях проходного типа рассеивается лишь часть поступающей на вход энергии излучения. Энергия излучения, как правило, небольшая, а большая часть излучения проходит через преобразователь (рисунок 3.18.б). Приемный преобразователь поглощающего типа совместно с ответвителем О можно использовать в качестве преобразователя проходного типа (рисунок 3.18.в).

Измерительное устройство включает преобразовательные элементы и измерительную цепь. Их назначение - преобразование выходного сигнала приемного преобразователя в сигнал, подаваемый на отсчетное и регистрирующее устройство. Оно должно иметь постоянный коэффициент передачи в рабочих условиях эксплуатации, малую инерционность и малую нестабильность, в том числе дрейф нуля.

Отсчетное и регистрирующее устройство служит для отсчитывания или регистрации значений измеряемой величины в аналоговой или цифровой форме.

Первичный преобразователь и, в некоторых случаях, промежуточный преобразователь часто конструктивно выполняют в виде отдельного блока, называемого измерительной головкой, а измерительное и отсчетное устройство - в виде измерительного блока. В измерительный блок могут быть включены дополнительные устройства для проверки сохранности градуировочной характеристики измерителя в процессе эксплуатации, цепи коррекции дрейфа нуля, температурной и электрической стабильности и др.

В схемотехническом плане измерители оптической мощности могут быть выполнены на основе логарифмического усилителя, линейного усилителя с дискретно управляемым коэффициентом усиления и преобразователя тока фотоприемника в частоту импульсов. Самым простым является усилитель, у которого фотодиод подключен через логарифмический усилитель к аналого-цифровому преобразователю, соединенному с жидкокристаллическим индикатором. Из-за применения логарифмического усилителя, параметры которого в значительной степени зависят от температуры и напряжения питания, точность и динамический диапазон приборов данного типа, в частности, FOT-02 (EXPO), OLP-5 (W&G), 555 (Rifocs) и M712 (Fotec) относительно невысоки. Измерители мощности с дискретно управляемым коэффициентом линейного усиления имеют более высокие технические характеристики. В них измеряемый сигнал после соответствующего усиления поступает на индикатор через АЦП и микроконтроллер, применение которого для управления коэффициентом усиления позволяет осуществить высокоточное преобразование результата измерения в логарифмический масштаб и существенно расширить сервисные функции прибора. К таким приборам относятся Алмаз-2 (ЛИОНИР), AQ2150 (Ando), FOT-903 (EXFO), K2401 (Siemens), LP-6000 (GN Nettest) и OLP-18 (W&G).

Измерители с аналого-частотным преобразованием также используют микроконтроллер для управления процессом преобразования измеряемого сигнала в частоту импульсов и других измерительных и сервисных функций. Метрологические характеристики измерителей мощности данного типа как, например, в АМ-35000 (GN Nettest) такие же, как и приборов второй группы. Однако, наличие дополнительной погрешности, вызванной зависимостью показаний прибора от напряжения питания, и низкая устойчивость к внешним электромагнитным воздействиям являются основными недостатками приборов с аналого-частотным преобразованием.

Таким образом, для полевых измерений средней мощности оптического излучения наиболее эффективны измерители с дискретно изменяемым коэффициентом усиления линейного усилителя.

Можно выделить две основные группы измерителей оптической мощности: измерители мощности с термофотодиодами (TFD), в которых измеряется превышение температуры, вызванное оптическим излучением, и измерители мощности с фотодиодами (FD), в которых фотоны оптического излучения генерируют связанные электронно-дырочные пары.

3.3.2 Измерители мощности с термофотодиодами

Известны различные принципы измерения оптической мощности с помощью термофотодиодов, наиболее распространенный из которых основан на радиометрическом методе замещения, являющимся в общем случае методом автокалибровки. Согласно этому методу измеритель мощности сначала подвергается воздействию оптического излучения, а затем излучение устраняется и заменяется электрически генерируемой мощностью, которая контролируется таким образом, чтобы поддерживать независимую от времени температуру. Так как электрическая мощность может быть измерена с высокой точностью, это позволяет обеспечить высокую точность данного метода. В данном случае вопрос линейности не стоит благодаря тому, что в данном методе достигается равенство температур для двух типов возбуждения.

Другая реализация этого метода основана на том, что вместо последовательного воздействия оптического излучения и электрической мощности термофотодиод непрерывно нагревается электрической мощностью, которая несколько больше оптической мощности, которую предстоит измерить. Для этого напряжение термофотодиода вначале фиксируется без воздействия оптической мощности, затем он подвергается воздействию оптической мощности, а электрическая мощность уменьшается посредством обратной связи до тех пор, пока напряжение термофотодиода станет таким же, как и до воздействия оптической мощности. Необходимый результат измерения представляет собой просто разницу значений электрической мощности между этими двумя процедурами без необходимости проведения измерений напряжения термофотодиода [4].

Наибольшая проблема при использовании измерителей мощности с термофотодиодами заключается в их низкой чувствительности и соответственно продолжительности измерения. Некоторое улучшение возможно при использовании термочувствительных элементов, выполненных на полупроводниковых материалах.

Тепловые измерители мощности характеризуются чувствительностью лучше 1 мкВт при погрешности не хуже ±1% в диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного спектра излучения и постоянной времени от нескольких секунд до нескольких минут в зависимости от размера термофотодиода. Эти характеристики позволяют использовать тепловые измерители мощности для проведения калибровки, однако в других сферах волоконно-оптических измерений они используются довольно редко.

Особым типом теплового измерителя мощности является криогенный радиометр, представляющий собой термофотодиод, помещенный в вакуум и охлажденный жидким гелием приблизительно до 6 К. Криогенные радиометры являются наиболее точными измерителями мощности благодаря тому, что:

при 6 К масса поглощающего материала (энергия, необходимая для увеличения температуры на 1 К) значительно снижается, что уменьшает постоянную времени и, следовательно, время измерения;

тепловые потери вследствие излучения устраняются, так как ее энергия пропорциональна Т4;

тепло, идущее от соединительных проводов резистора, может быть устранено, если сделать их сверхпроводящими;

потери вследствие конвекции устраняются путем эксплуатации фотодиода в вакууме.

Основываясь на этих характеристиках, криогенные радиометры при измерении мощности позволяют достичь значения погрешности, равной ±0,01%, однако вследствие высокой стоимости оборудования и сложности его эксплуатации они обычно используются только в национальных калибровочных лабораториях.

3.3.3 Измерители мощности с фотодиодами

Наиболее важный элемент этих измерителей - оптический детектор, который определяет характеристики самого прибора. Последний представляет собой твердотельный фотодиод, который принимает входной оптический сигнал и переводит его в электрический сигнал заданной интенсивности. Полученный электрический сигнал идет на сигнальный процессор, где производится пересчет полученного электрического сигнала в соответствии с характеристикой твердотельного фотодиода в единицы измерений (дБм или Вт), представляемые затем на экране прибора (рисунок 3.19). Основной характеристикой прибора является характеристика зависимости выходного сигнала фотодиода от мощности входного оптического сигнала на разных длинах волн, точнее равномерность этой характеристики. В зависимости от этого сигнальный процессор в большей или меньшей степени должен компенсировать возможную нелинейность характеристики. В результате, если характеристика фотодиода сильно неравномерна, для ее компенсации сигнальный процессор должен иметь более сложную структуру. С другой стороны, более высокотехнологичный фотодиод будет иметь более равномерную характеристику, при этом сигнальный процессор может быть довольно простым. При разработке ОРМ основным вопросом является выбор между стоимостью высокотехнологичного фотодиода и сложностью/стоимостью сигнального процессора. Необходимо так же учитывать, что некачественный фотодиод может иметь низкую стабильность характеристики по времени, что потребует регулярной калибровки прибора.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3.19 - Схема устройства оптического измерителя мощности

В зависимости от длины волны используют различные типы детекторов, таблица 3.1.

Таблица 3.1 - Типы детекторов ОРМ в зависимости от длины волны

Рабочая длина волны, нм	Оптимальный тип детектора
850	Si (кремний)
850 / 1300	Ge (германий) и InGaAs
1300 / 1550	InGaAs
850 / 1300 / 1550	InGaAs

Наиболее широко распространены кремниевые и германиевые фотодиоды. Область спектральной чувствительности кремниевых фотодиодов составляет (0,4ч1,2) мкм (максимум около 0,85 мкм), у германиевых - (0,3ч1,8) мкм (максимум около 1,55 мкм).

Для приема малых потоков лазерного излучения используют лавинные фотодиоды (ЛФД). ЛФД, имеют обычно p-n структуру, но относительно низкоомный коллектор, что обеспечивает напряжение лавинного пробоя (15ч60) В. Фотодиоды изготавливаются с размерами фоточувствительной площадки примерно от долей миллиметра до 10 мм. Высокочастотные лавинные фотодиоды обычно имеют малую площадку (0,25ч1) мм, а низкочастотные (3ч10) мм. Эти размеры существенно больше размеров модового пятна на выходе волоконного световода, что позволяет использовать одни и те же измерители, как на одномодовых, так и на многомодовых линиях.

Инерционность полупроводниковых элементов определяется временем диффузии неосновных носителей, генерируемых оптическим сигналом, временем пролёта носителей в p-n переходе, а также временем RC релаксации. У обычных p-n фотодиодов временное разрешение составляет (10-6ч10-8) с в зависимости от площади p-n перехода и глубины его залегания. Временное разрешение ЛФД достигает 10-9 с, кремниевых p-i-n фотодиодов (1·10-9ч2·10-8) с.

Наиболее мощные ОРМ используют детектор на основе сплава InGaAs, который дает возможность измерений сигнала в трех оптических окнах: 850, 1300 и 1550 нм. Кроме того, детекторы на основе сплава имеют наиболее равномерную измерительную характеристику, температурную стабильность и меньший уровень собственных шумов по сравнению с детектором на основе германия.

Большим преимуществом фотодиодов является их способность измерять модулируемую высокочастотную мощность уровнем менее 1пВт (- 90 дБм), однако из-за значительной зависимости от длины волны их полоса пропускания обычно не превышает одной октавы. Тем не менее, вследствие высокой чувствительности, малой инерционности и простоты использования фотодиод является наиболее распространенным фоточувствительным элементом. Так как данные элементы используются в большинстве измерительных средств, применяемых в волоконной оптике, рассмотрим их более подробно.

Исходя из функционального назначения фотодиодов при их рассмотрении в основном пользуются понятием чувствительности, так как в результате воздействия на фотодиод оптического излучения последний создает фототок, значение которого пропорционально числу фотонов и, следовательно, оптической мощности. Чувствительность фотодиода определяется отношением фототока I на единицу оптической мощности P[4].

(3.3.1)

а при наличии усиления М выражением

, (3.3.2)

Так как электрический ток определяется соотношением

, (3.3.3)

а оптическая мощность фотона за то же время t при частоте световой волны равна

(3.3.4)

чувствительность с учетом квантовой эффективности будет пропорциональна длине волны

 , (3.3.5)

Здесь Дж·с - постоянная Планка;

м/с - скорость света;

Кл - заряд электрона;

- квантовая эффективность, равная для PIN диода единице;

- длина волны.

Учитывая, что мощность оптического излучения напряженностью поля E(t) равна , мгновенное значение тока фотодиода будет определяться выражением [4]

, (3.3.6)

На практике фотодиоды проявляют отклонение от этой зависимости, так как:

существует ограничения по длине волны (верхняя критическая длина волны), за пределами которой энергия фотона становится ниже энергии запретной энергетической зоны используемого полупроводникового материала, что приводит к резкому снижению чувствительности;

при короткой длине волны некоторые фотоны поглощаются за пределами i-области фотодиода, вследствие чего уменьшается количество электронно-дырочных пар;

вследствие рекомбинации, когда электроны соединяются с дырками до того, как они достигнут электродов, происходит снижение чувствительности и как следствие фототока;

любые отражения от поверхности фотодиода или изнутри фотодиода также уменьшают чувствительность.

Последний фактор является очень важным, так как отражения могут создавать значительные погрешности при измерении оптической мощности и вносимых потерь. Например, чистый InGaAs имеет показатель преломления, равный 3.5, что приводит к 31% отражений, для уменьшения которых обычно используются антиотражательные покрытия, например, одноуровневые покрытия толщиной в четверть длины волны. Последние уменьшают уровень отражений до 1% в пределах ограниченного диапазона длин волн. Однако, когда данный уровень отражений необходим в более широком диапазоне длин волн, используют многоуровневые покрытия. Следует отметить, что в некоторых случаях наблюдается периодическая структура отражений, что приводит к возникновению трудно устранимых оптических помех фотодиода.

Хотя измерители мощности на фотодиодах имеют небольшой диапазон рабочих длин, они все же используются чаще вследствие своей высокой чувствительности. Тем не менее, измерители мощности на термофотодиодах иногда предпочтительнее для использования в метрологических лабораториях вследствие высокой стабильности и независимости показаний от длины волны оптического излучения в широком динамическом диапазоне. Кроме того, сами измерители на термофотодиодах могут быть непосредственно поверены при помощи измерений электрической мощности. Сравнение характеристик анализируемых измерителей мощности приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Сравнение типов измерителей мощности

Характеристики	Измерители мощности с темофотодиодами (TFD)	Измерители мощности с фотодиодами (FD)
зависимость показаний от длины волны	не зависят от длины волны	зависят от длины волны
диапазон длин волн	широкий диапазон	диапазон 2:1
калибровка	возможна самокалибровка	необходима калибровка
чувствительность	очень низкая (обычно 10 мкВт)	очень высокая (менее 1пвт)
погрешность в зависимости от метода калибровки	1%	2%

4. Проектирование программных пакетов

Разрабатываемые программные пакеты должны состоять из пяти частей (модулей), выполняющих перечисленные ниже функции:

предоставление теоретической справки (методических указаний);

регистрация;

тест по вопросам (допуск и защита к лабораторной работе);

непосредственно выполнение лабораторной работы;

предоставление доступа к статистической информации (для преподавателей).

Каждый модуль выполняется в виде самостоятельной, функционально-законченной программы, содержащейся в ЕХЕ-файле и набора вспомогательных файлов.

Должна быть обеспечена возможность получения теоретической справочной информации во время выполнения лабораторной работы, что достигается естественным образом -- после запуска какого-либо модуля оболочка продолжает функционирование. При существующем принципе построения программных пакетов и организации межмодульного взаимодействия в условиях многозадачной операционной системы (запуск внешних по отношению к оболочке программ, хранящихся в ЕХЕ-файлах) никаких дополнительных мер принимать не нужно.

Рассмотрим модули более подробно.

4.1 Разработка оболочки пакета программ

Данный модуль предназначен для объединения составляющих пакета в законченный комплекс и производит запуск других программ (модулей), заданных в файле его настроек, при нажатии соответствующих кнопок.

Модуль оболочки имеет четыре кнопки, первая из которых запускает справочный модуль, вторая - модуль допуска, а третья - модуль выполнения. Нажатие четвертой кнопки вызывает запуск модуля защиты. Кнопки имеют соответствующие надписи. Лабораторные работы структурно одинаковы, различаются только внешним видом, на рисунке 4.1 представлены оболочки 2-х лабораторных работ.

рисунок 4.1 - Вид окон оболочек лабораторных работ(слева - OTDR; справа - TESTER)

Оболочка блокирует доступ к выполнению и защите лабораторной работы, если студент не прошёл допуск, а также к защите лабораторной работы, если студент прошёл допуск, но не выполнил лабораторную работу. Это иллюстрирует рисунок 4.2.

рисунок 4.2 - Блокирование оболочкой доступа к выполнению лабораторной работы

4.2 Разработка модуля регистрации

Этот модуль вызывается при нажатии на кнопку «ДОПУСК» и производит запрос у пользователя персональных данных и сохранение их в файле данных регистрации. Кроме того, он должен перед завершением своей работы производить запуск модуля допуска.

Модуль регистрации выводит на экран диалоговое окно (рисунок 4.3), содержащее поля для ввода имени, фамилии и отчества студента, номера его группы и двух последних цифр номера его зачетной книжки. Слева от указанных полей имеются надписи, поясняющие их назначение. При нажатии кнопки «Ввод», расположенной в нижней части окна, введенная информация сохраняется в файле и производится запуск модуля допуска и завершение работы данного модуля (выход). Кнопка активизируется (становится доступной для нажатия) только при заполнении всех полей ввода.

Рисунок 4.3 - Вид окна модуля регистрации

4.3 Разработка модуля тестирования

В обеих лабораторных работах содержится 2 модуля тестирования. Один для допуска, другой для защиты. Модуль тестирования для допуска содержит 10 вопросов, которые выбираются из базы данных случайным образом. Модуль тестирования для защиты содержит 7 пунктов, 4 из которых вопросы, а 3 - задачи. За каждый вопрос в модуле тестирования для защиты ставится по 0.5 балла, а за каждую задачу по 1 баллу. В итоге можно набрать максимум 5 баллов. Вопросы и задачи также выбираются случайным образом из базы данных. Базы данных с вопросами и задачами легко обновляются. Базы данных с вопросами и задачами находятся в файлах «AnsQuest.ini» в соответствующих папках: «DOP_Test» для допуска и «ZACH_Test» для защиты.

Модуль тестирования (допуска и защиты) выполняет следующие функции:

-Тестирование студента методом выбора правильного варианта ответа на каждый из задаваемых вопросов;

-Подсчет правильных и неправильных ответов;

-Определение оценки по пятибалльной системе;

-Выдачу на экран результатов тестирования;

-Сохранение результатов всех сеансов тестирования в БД;

-Просмотр накопленной в БД информации о результатах тестирования;

Обеспечение вывода на экран правильных ответов на заданные вопросы (после завершения тестирования).

В верхней части окна программы выводится номер и текст задаваемого вопроса. Ниже предлагаются для выбора пять вариантов ответа. Вдоль нижней границы окна (справа налево) размещены: кнопка «Ответ», индикаторы результата и количества правильных и неправильных ответов (рисунок 4.4).

По окончании тестирования на экран выводится полная информация, включающая данные регистрации, число правильных и неправильных ответов, оценку по пятибалльной системе, а также вывод о возможности дальнейшего выполнения лабораторной работы. Предлагается выбрать (нажатием соответствующих кнопок) режимы просмотра правильных ответов и статистических данных тестирования, либо произвести выход (завершить работу модуля).

Рисунок 4.4-- Вид окна модуля тестирования

4.4 Разработка модуля просмотра статистической информации

Рисунок 4.5-- Вид окна модуля просмотра статистической информации

Этот модуль обеспечивает доступ к просмотру стастистической информации преподавателю. Доступ защищён паролем, который знает только преподаватель. Модуль находится по следующему пути: proj\SERVICE\service.exe. Внешний вид окна просмотра статистической информации представлен на рисунке 4.5

После ввода ключевого слова (пароля): «kvant240408» окно принимает вид, показанный на рисунке 4.6.

Рисунок 4.6-- Вид окна модуля просмотра статистической информации после ввода пароля

Это окно состоит из 4-х кнопок: «ДОПУСК(ДЕТАЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ)», которая позволяет просмотреть какие студент дал ответы по каждому пункту тестирования допуска; «ДОПУСК(РЕЗУЛЬТАТ)», позволяющая просмотреть оценку, полученную студентом по допуску; «ЗАЩИТА(ДЕТАЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ)» и «ЗАЩИТА (РЕЗУЛЬТАТ)», имеющие аналогичные функции только для защиты.

4.5 Разработка основных модулей лабораторных работ №1 и №2

Лабораторная работа (OTDR) состоит из 5 программных оболочек, поставляемых в комплекте с рефлектометрами. Три из этих оболочек принадлежат фирме ANDO: AQ7210, AQ7920, AQ7931. Ещё в лабораторной работе используются 2 оболочки: Hewlett PACKARD, Wavetek. Все программные оболочки снабжены своим набором рефлектограмм. Внешний вид оболочки Hewlett PACKARD представлен на рисунке 4.7. Подробное описание работы с оболочками представлено в методических указаниях, приведённых в приложении Б.

Рисунок 4.7-- Внешний вид оболочки Hewlett PACKARD

Разработанный модуль осуществляет запуск студентом разных оболочек путём нажатия на кнопки с соответствующим названием. Внешний вид модуля представлен на рисунке 4.8.

Лабораторная работа «Измерения на ВОЛП с помощью оптического тестера» (ТЕСТЕР) состоит из основного модуля, представленного на рисунке 4.9. Подробное описание работы с модулем приведено в методических указаниях в приложении В.



Рисунок 4.8-- Внешний вид модуля лабораторной работы OTDR

Рисунок 4.9-- Внешний вид модуля лабораторной работы ТЕСТЕР

5. Оценка эффективности разработанных интерфейсов

Оценка эффективности проекта состоит в расчете себестоимости электронной лабораторной работы с одной стороны, и оценки эффективности её использования в учебном процессе, с другой.

Для расчета себестоимости разделим всю работу на два этапа:

1. Подготовительное время, которое необходимо потратить, чтобы приступить к написанию электронной лабораторной работы и её отладке, определяется в человеко-днях. Время, затраченное разработчиком разделяется на:

-разработку требований при подготовке материалов для последующего включения в программу (t1);

-составление структуры необходимых файлов (t2);

2. Время, затраченное на создание электронной лаб.работы и её отладку (t3), определяется в человеко-днях.

При расчете себестоимости следует учитывать, что за создание электронной лаб.работы и её отладку надо заплатить заработную плату разработчику и учесть затраты на машинное время, поэтому переменная t3 присутствует в формуле два раза.

Полная себестоимость разрабатываемой лабораторной.работы:

(5.1)

3 - среднемесячная заработная плата разработчика программного обеспечения с учетом районного коэффициента, определяется в рублях;

Т- количество рабочих дней в месяце;

К - коэффициент, учитывающий отчисления во внебюджетные фонды, K=1.26

- коэффициент, учитывающий накладные расходы по организации; 8 - количество рабочих часов в дне, позволяет человеко-дни перевести в человеко-часы;

t3 - время, затраченное на разработку программы с использованием машинного времени, определяется в человеко-днях;

См - стоимость одного часа машинного времени. Примем значение данных cоставляющих себестоимости:

З=15000 руб.

Т = 22 день;

См=40 рублей.

Для расчета себестоимости создания электронной лабораторной работы необходимы затраты времени. Для их определения применяется метод экспертной оценки. Он заключается в том, что несколько экспертов проводят оценку затрат времени, используя свой опыт и знания.

В качестве экспертов выступают автор данного проекта и руководитель проекта. На основе экспертных оценок определяется средняя оценка, которая вычисляется по формуле:

(5.2)

где tр - оценка, данная руководителем проекта;

tа - оценка, данная автором проекта.

Оценка затрат времени идет для трех ситуаций:

1 - Наименьшая возможная величина затрат (самые лучшие условия).

- Наиболее вероятная величина затрат (средние условия).

- Наибольшая возможная величина затрат (самые плохие условия).

Далее определяются ожидаемая величина затрат времени для каждого этапа и ожидаемое отклонение этой величины для каждого этапа по формулам:

(5.3)

(5.4)

(5.5)

Результаты расчет представлены в таблице 5.2.

Таблица 5.1 - оценка затрат времени

Вероятностная величина затрат, человеко-дни		Этапы разработки электронной лаб. раб.
		1 Разработка требований	2 Составление структуры лаб. раб.	3 Написание и отладка лаб. раб.
Наименьшая возможная,	Оценка руководителя	5	4	36
	Оценка автора	6	5	40
	Средняя оценка	5,5	4,5	38
Наиболее вероятная,	Оценка руководителя	7	5	38
	Оценка автора	9	7	42
	Средняя оценка	8	6,5	40
Наибольшая возможная,	Оценка руководителя	9	8	45
	Оценка автора	11	10	53
	Оценка руководителя	10	9	49

Таблица 5.2 - Ожидаемая величина затрат времени и отклонение этой величины

Этапы разработки эл. лаб. раб., i	Средняя величина затрат времени по этапам	Оценка затрат времени, MOi, человеко-дни	Стандартное отклонение, Gi человеко-дни
	человеко-дни	человеко-дни	человеко-дни
Разработка требований	5,5	8	10	7,92	0,75
Составление структуры эл. лаб. раб.	4,5	6,5	9	6,58	0,75
Написание и отладка эл. лаб. раб.	38	40	49	41,17	1,83
Итого	48	54,5	67	МО=55,7	G=2,12

Из таблицы 5.2 следует, что наибольшие затраты времени приходятся на написание электронной лабораторной работы и её отладку. Это связано с тем, что для создания электронного варианта необходимо учесть все требования, предъявляемые к созданию электронных работ, а также владеть необходимыми программными пакетами и редакторами. На это требуется время, так как нужно, чтобы учебный материал был максимально доступен пользователю и его загрузка занимала минимальное время.

Определим себестоимость разрабатываемой электронной лабораторной работы по формуле (5.1): С = 15000/22 * 1,26 * 55,67 * (1+2) + 8 * 41,17 * 40 = 156651 рублей.

В заключении данного раздела можно сказать ,что эффективность от

внедрения данного проекта в процесс обучения студентов с экономической точки зрения очень трудно оценить, поэтому имеет смысл говорить о значимости разработанной электронной лабораторной работы, так как она разрабатывался специально для дистанционного обучения, которое в свою очередь имеет множество преимуществ. Таких как:

-Электронная лабораторная работа содержит темы лекций, согласно рабочей программе дисциплины;

-дисциплину можно изучать как самостоятельно, так и под надзором преподавателя;

-многократное использование работы во всех формах обучения;

-закрепление материалов с помощью тестов;

-выполнение практических и лабораторных занятий по данному материалу;

-уменьшение нагрузки на преподавателя, также обучение в домашних условиях;

-удобен в плане визуального восприятия информации.

Хотя и необходимо упомянуть о некоторых недостатках данного вида обучения:

при помощи одного лишь пособия нельзя приобрести практических навыков;

сложность обучения в отсутствии преподавателя.

В целом достоинства данного вида обучения явно превосходят недостатки.

6. Охрана труда и техника безопасности

6.1 Основные правила при работе с компьютером

В дипломном проекте разрабатываются лабораторные работы с использованием компьютера, поэтому рассмотрим меры безопасности, которые следует соблюдать при работе с компьютером.

Соблюдение мер безопасности в компьютерном классе прежде всего основано на соблюдении элементарных правил по пожаро и электробезопасности, а также соответствия компьютерного класса нормам, предъявляемым к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы на них.

Эти нормы приведены в документе: САНИТАРНЫЕ ПРАВИЛА И НОРМЫ «гигиенические требования к видеодисплейным терминалам, персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы»[5]. Приведем некоторые выдержки из них.

6.2 Требования к видеодисплейным терминалам и персональным электронно-вычислительным машинам

Визуальные эргономические параметры ВДТ являются параметрами безопасности, и их неправильный выбор приводит к ухудшению здоровья пользователей.

Все ВДТ должны иметь гигиенический сертификат, включающий, в том числе, оценку визуальных параметров.

Конструкция ВДТ, его дизайн и совокупность эргономических параметров должны обеспечивать надежное и комфортное считывание отображаемой информации в условиях эксплуатации.

Конструкция ВДТ должна обеспечивать возможность фронтального наблюдения экрана путем поворота корпуса в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси в пределах +/- 30 градусов и в вертикальной плоскости вокруг горизонтальной оси в пределах +/- 30 градусов с фиксацией в заданном положении. Дизайн ВДТ должен предусматривать окраску корпуса в спокойные мягкие тона с диффузным рассеиванием света. Корпус ВДТ и ПЭВМ, клавиатура и другие блоки и устройства ПЭВМ должны иметь матовую поверхность одного цвета с коэффициентом отражения 0,4-0,6 и не иметь блестящих деталей, способных создавать блики. На лицевой стороне корпуса ВДТ не рекомендуется располагать органы управления, маркировку, какие - либо вспомогательные надписи и обозначения. При необходимости расположения органов управления на лицевой панели они должны закрываться крышкой либо утоплены в корпусе.

При работе с ВДТ:

- для студентов и профессиональных пользователей необходимо обеспечи-вать значение визуальных параметров в пределах оптимального диапазона.

Конструкция ВДТ должна предусматривать наличие ручек регулировки яркости и контраста, обеспечивающих возможность регулировки этих параметров от минимальных до максимальных значений.

Конструкция ВДТ и ПЭВМ должна обеспечивать мощность экспозиционной дозы рентгеновского излучения в любой точке на расстоянии 0,05 м от экрана и корпуса ВДТ, при любых положениях регулировочных устройств не должна превышать 7,74 • 10 А/кг, что соответствует эквивалентной дозе, равной 0,1 мбэр/ч(100 мкР/ч).

Конструкция клавиатуры должна предусматривать:

-исполнение в виде отдельного устройства с возможностью свободного перемещения;

-опорное приспособление, позволяющее изменять угол наклона поверхности клавиатуры в пределах от5 до 15 градусов;

-высоту среднего ряда клавиш не более 30 мм;

-расположение часто используемых клавиш в центре, внизу и справа, редко используемых - вверху и слева;

-выделение цветом, размером, формой и местом расположения функциональных групп клавиш;

-минимальный размер клавиш - 13 мм, оптимальный - 15 мм;

-клавиши с углублением в центре и шагом 19 +/- 1 мм;

-расстояние между клавишами не менее 3 мм;

-одинаковый ход для всех клавиш с минимальным сопротивлением нажатию 0,25 Н и максимальным - не более 1,5 Н;

-звуковую обратную связь от включения клавиш с регулировкой уровня звукового сигнала и возможностью ее отключения.

6.3 Требования к помещениям для эксплуатации ВДТ и ПЭВМ

Помещения с ВДТ и ПЭВМ должны иметь естественное и искусственное освещение

Естественное освещение должно осуществляться через светопроемы, ориентированные преимущественно на север и северо-восток и обеспечивать коэффициент естественной освещенности (КЕО) не ниже 1,2% в зонах с устойчивым снежным покровом и не ниже 1,5% на остальной территории.

Указанные значения КЕО нормируются для зданий, расположенных в III световом климатическом поясе.

Расчет КЕО для других поясов светового климата проводится по общепринятой методике согласно СНиП «Естественное и искусственное освещение».

Расположение рабочих мест с ВДТ и ПЭВМ для взрослых пользователей в подвальных помещениях не допускается. Размещение рабочих мест с ВДТ и ПЭВМ во всех учебных заведениях и дошкольных учреждениях не допускается в цокольных и подвальных помещениях.

В случае производственной необходимости эксплуатация ВДТ и ПЭВМ в помещениях без естественного освещения может производиться только по согласованию с органами и учреждениями Государственного санитарно - эпидемиологического надзора.

Площадь одного рабочего места с ВДТ или ПЭВМ для взрослых пользователей должна составлять не менее 6,0 м2 , а объем - не менее 20,0 м3.

При входе в учебное помещение с ВДТ и ПЭВМ в средних и высших учебных заведениях следует предусмотреть встроенные или пристенные шкафы (полки) для хранения портфелей, сумок учащихся и студентов.

Производственные помещения, в которых для работы используются преимущественно ВДТ и ПЭВМ (диспетчерские, операторские, расчетные и др.), и учебные помещения (аудитории вычислительной техники, дисплейные классы, кабинеты и др.) не должны граничить с помещениями, в которых уровни шума и вибрации превышают нормируемые значения (механические цеха, мастерские; гимнастические залы и т.п.).

Учебные кабинеты вычислительной техники или дисплейные аудитории (классы) должны иметь смежное помещение - лаборантскую площадью 18,0 м2 с двумя входами: в учебное помещение и на лестничную площадку или в рекреацию. Поверхность пола в помещениях эксплуатации ВДТ и ПЭВМ должна быть ровной, без выбоин, нескользкой, удобной для очистки и влажной уборки, обладать антистатическими свойствами.

6.4 Требования к освещению помещений и рабочих мест с ВДТ и ПЭВМ

Искусственное освещение в помещениях эксплуатации ВДТ и ПЭВМ должно осуществляться системой общего равномерного освещения. В производственных и административно-общественных помещениях, в случае преимущественной работы с документами, допускается применение системы комбинированного освещения (к основному освещению дополнительно устанавливается светильники местного освещения, предназначенные для освещения зоны расположения документов).

Освещенность на поверхности стола в зоне размещения рабочего документа должна быть 300-500 лк. Допускается установка светильников местного освеще-ния для подсветки документов. Местное освещение не должно создать бликов на поверхности экрана и увеличивать освещенность экрана более 300 лк.

Следует ограничивать прямую блесткость от источников освещения, при этом яркость светящихся поверхностей (окна, светильники и др.), находящихся в поле зрения, должна быть не более 200 кд/м2.

Следует ограничивать неравномерность распределения яркости в поле зрения пользователя ВДТ и ПЭВМ, при этом соотношение яркости между рабочими поверхностями не должно превышать 3:1-5:1, а между рабочими поверхностями и поверхностями стен и оборудования - 10:1.

В качестве источников света при искусственном освещении должны применяться преимущественно люминесцентные лампы типа ЛБ. При устройстве отраженного освещения в производственных и административно - общественных помещениях допускается применение металлогалогенных ламп мощностью до 250 Вт. Допускается применение ламп накаливания в светильниках местного освещения.

6.5 Требования к организации и оборудованию рабочих мест с ВДТ и ПЭВМ

6.5.1Общие требования

Рабочие места с ВДТ и ПЭВМ по отношению к световым проемам должны располагаться так, Чтобы естественный свет падал сбоку, преимущественно слева.

Схемы размещения рабочих мест с ВДТ и ПЭВМ должны учитывать расстояния между рабочими местами и видеомониторами (в направлении тыла поверхности одного видеомонитора и экрана другого видеомонитора), которое должно быть не менее 2,0 м, а расстояние между боковыми поверхностями видеомониторов - не менее 1,2 м.

Оконные проемы в помещениях использования ВДТ и ПЭВМ должно быть оборудованы регулируемыми устройствами типа жалюзи, занавесей, внешних козырьков и др.

6.5.2 Требования к организации и оборудованию рабочих мест с ВДТ и ПЭВМ для учащихся средних и высших учебных заведений

Помещения для занятий с использованием ВДТ и ПЭВМ в средних и высших учебных заведениях должны быть оборудованы одноместными столами, предназначенные для работы с ВДТ и ПЭВМ.

Стол преподавателя с ВДТ или ПЭВМ и двумя тумбами-приставками для размещения графопректора и принтера должны устанавливаться на подиуме.

Цветной демонстрационный телевизор (экран по диагонали 61 см) следует располагать в учебных помещениях слева от экрана кодоскопа или компьютерной классной доски и монтировать на кронштейне на высоте 1,5 м от пола, при этом расстояние от экрана до рабочих мест учащихся должно быть не менее 3,0 м.

Конструкция одноместного стола с ВДТ и ПЭВМ должна предусматривать:

* две раздельные поверхности: одна - горизонтальная для размещения ПЭВМ или ВДТ с плавной регулировкой по высоте в пределах

520-760 мм и вторая -- для клавиатуры с плавной регулировкой по высоте

и углу наклона от 0 до 15 градусов с надежной фиксацией в оптимальном рабочем положении 12 -- 15 градусов, что способствует поддержанию правильной рабочей позы учащимися и студентами, без резкого наклона головы вперёд;

*ширину поверхностей для ВДТ, ПЭВМ и клавиатуры не менее 750 мм (ширина обеих поверхностей должна быть одинаковой) и глубину не менее 550 мм;

*опору поверхностей для ВДТ или ПЭВМ и для клавиатуры на стояк, в котором должны находиться провода электропитания и локальной сети. Основание стояка следует совмещать с подставкой для ног;

*отсутствие ящиков;

*увеличение ширины поверхностей до 1200 мм при оснащении рабочего места принтером.

Высота края стола, обращенного к рабочему с ВДТ и ПЭВМ, и высота пространства для ног должна соответствовать росту учащихся или студентов в обуви.

При наличии высокого стола и стула, не соответствующего росту учащихся или студентов, необходимо обязательно пользоваться регулируемой по высоте подставкой для ног.

Уровень глаз при вертикально расположенном экране ВДТ должен приходиться на центр или 2/3 высоты экрана. Линия взора должна быть перпендикулярна, проходящего через центр экрана в вертикальной плоскости, не должно превышать (+/- 5) градусов, допустимое (+/-10) градусов.1

Рабочее место с ВДТ и ПЭВМ должно оборудоваться стулом, основные размеры которого должны соответствовать росту учащихся или студентов в обуви.

6.6 Требования к организации режима работы с ВДТ и ПЭВМ студентов высших учебных заведений

Длительность работы на ВДТ и ПЭВМ студентов во время учебных занятий определяется курсом обучения, характером (ввод данных, программирование, отладка программ, редактирование и др.) и сложностью выполняемых заданий, а также техническими данными ВДТ или ПЭВМ и их разрешающей способностью. Для студентов первого курса оптимальное время учебных занятий при работе с ВДТ или ПЭВМ составляет один час, для студентов старших курсов -- два часа, с обязательным соблюдением между двумя академическими часами перерыв длительностью 15-20 минут. Допускается время учебных занятий с ВДТ и ПЭВМ увеличивать для студентов первого курса до двух часов, для студентов старших курсов - до трех академических часов, при условии, что длительность учебных занятий в дисплейном классе (аудитории) не превышает 50% времени непосредвенной работы на ВДТ или ПЭВМ и при соблюдении профилактических мероприятий: упражнения для глаз, физкультминутка и физкультпауза.

Для предупреждения развития переутомления обязательными мероприятиями являются:

*проведение упражнений для глаз через каждые 20-25 минут работы за ВДТ и ПЭВМ;

*устройство перерывов после каждого академического часа занятий, независимо от учебного процесса, длительностью не менее 15 минут;

*подключения таймера к ВДТ и ПЭВМ или централизованное отключение свечения информации на экранах видеомониторов с целью обеспечения нормируемого времени работы на ВДТ или ПЭВМ;

* проведение во время перерывов сквозного проветривания помещений с ВДТ и ПЭВМ с обязательным выходом студентов из него;

*осуществление во время перерывов упражнений физкультурной паузы в течении 3-4 минут;

*проведение упражнений физкультминутки в течении 1-2 минут для снятия локального утомления, которые должны выполняться индивидуально при появлении начальных признаков усталости;

*замена комплексов упражнений один раз в 2-3 недели.
Физкультурные паузы следует проводить под руководством физорга, педагога или централизованно с помощью информации по местному радио
на фоне умеренно звучащей приятной музыки.

При составлении расписания учебных занятий с ВДТ и ПЭВМ необходимо выполнить следующие требования:

*исключить большие перерывы длительностью в один час между спаренными академическими часами, отведенными для занятий с ВДТ и ПЭВМ;

*не допускать для студентов старших курсов объединения третьей и четвертой пар учебных занятий с ВДТ и ПЭВМ;

*не проводить учебные занятия с ВДТ и ПЭВМ для студентов старших курсов после 17 часов третьей и четвертой пар уроков;

*учебные занятия для студентов старших курсов с ВДТ и ПЭВМ в исключительных случаях допускаются в период с 17 до 20 часов при обязательном смещении учебных занятий в расписании на первую или вторую пару уроков;

*двигательный режим студентов и темп работы на ВДТ или ПЭВМ должен быть свободным.

6.7 Требования к микроклимату, содержанию аэроионов и вредных химических веществ в воздухе помещений эксплуатации ВДТ и ПЭВМ

В производственных помещениях, в которых работа на ВДТ и ПЭВМ является вспомогательной, температура, относительная влажность и скорость движения воздуха на рабочих местах должны соответствовать действующим санитарным нормам микроклимата производственных помещений, таблица 6.1.

Таблица 6.1 Оптимальные нормы микроклимата для помещений с ВДТ и ПЭВМ

Период года	Категория работ	Температура воздуха, С	Относительная влажность воздуха, %	Скорость движения воздуха, м/с
Холодный	Лёгкая-1а	22-24	40-60	0,1
	Лёгкая-1б	21-23	40-60	0,1
Тёплый	Лёгкая-1а	23-25	40-60	0,1
	Лёгкая-1б	22-24	40-60	0,2

К категории 1а относятся работы, производимые сидя и не требующие физического напряжения, при которых расход энергии составляет до 120 ккал/ч.

В категории 1б относятся работы, производимые сидя, стоя и связанные с ходьбой, сопровождающиеся некоторым физическим напряжением, при которых расход энергии составляет от 120 до 150 ккал/ч.

В помещениях с ВДТ и ПЭВМ в дошкольных, средних специальных и высших учебных заведениях должны обеспечиваться оптимальные параметры микроклимата.

Для повышения влажности воздуха в помещениях с ВДТ и ПЭВМ следует применять увлажнители воздуха, заправляемые ежедневно дистиллированной или прокипяченной питьевой водой.

Помещение с ВДТ и ПЭВМ перед началом и после каждого академического часа учебных занятий, до и после каждого занятия в дошкольном учреждении должны быть проветрены, что обеспечивает улучшение качественного состава воздуха, в том числе и аэроионный режим.

Уровни положительных и отрицательных аэроинов в воздухе помещений с ВДТ и ПЭВМ должны соответствовать нормам.

Содержание вредных химических веществ в воздухе производственных помещений, в которых работа с ВДТ и ПЭВМ является вспомогательной, не должно превышать «Предельно допустимых концентраций вредных веществ в воздухе рабочей зоны».

Содержание вредных химических веществ в воздухе помещений использования с ВДТ и ПЭВМ в дошкольных и всех учебных заведениях, включая вузы, не должно превышать среднесуточных концентраций для атмосферного воздуха.

Запрещается проводить ремонт ВДТ и ПЭВМ непосредственно в рабочих, учебных и дошкольных помещениях.

6.8 Требования к шуму и вибрации

В производственных помещениях, в которых работа на ВДТ и ПЭВМ является вспомогательной, уровни шума на рабочих местах не должны превышать значений, установленных для данного вида работ «Санитарными нормами допустимых уровней шума на рабочих местах».