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Texas A&M University setzt NI LabVIEW DSP im Lehrplan ein

Author(s):

Jeff McDougall, Texas A&M University

Industry:

University/Education

Product:

LabVIEW

The Challenge:

Den Lehrplan des Elektrotechniklabors für Studienanfänger neu gestalten, um Studenten eine interessante und praktische Erfahrung beim Erlernen von Prinzipien der Elektrotechnik zu ermöglichen

The Solution:

Einsatz des National Instruments LabVIEW DSP Module und Karten des Typs NI SPEEDY-33 DSP für die Entwicklung eines Roboters zur Vermittlung von Konzepten der Elektrotechnik

Das Chassis des Agg-III Bot mit der Karte SPEEDY-33

Der Fachbereich Elektrotechnik der Texas A&M University in College Station wächst sehr schnell. 2004 stieg der Fachbereich um einen Platz auf Rang 18 in der nationalen Bewertung der Zeitschrift U.S. News & World Report und hat mit Plänen, in den kommenden vier Jahren über 20 neue Dozenten einzustellen, an Boden gewonnen. Eine der bedeutenden Aufgaben, vor denen der Fachbereich steht, liegt darin, auch weiterhin hohe Standards bei der Ausbildung der "Generation PlayStation" zu fördern. Studenten haben im Laufe der Zeit die Erwartung entwickelt, interaktiven Unterricht mit einer aktiven Teilnahme ihrerseits zu erhalten. Fachbereiche, die nicht in der Lage sind, eine Ausbildung mit gewissen Anreizen zu liefern, sehen sich dem Problem gegenüber, wie sie ihre besten und intelligentesten Studenten weiter an sich binden können. NI arbeitet mit der Universität Texas A&M zusammen, um ein Labor zu entwerfen, das Studienanfängern sowohl ein interessantes als auch lehrreiches Lernerlebnis bietet.

Projektarbeit
Die Studenten in den ersten Semestern des Bereichs Elektrotechnik an der Texas A&M nehmen an einem Designkurs mit Projektarbeit teil, in dem sie eine neue Lösung oder ein marktfähiges Produkt  entwickeln, bauen und testen, um ihr Können auf dem Gebiet des Hard- und Softwaredesigns zu demonstrieren. Viele Experten in der Industrie nehmen dies zur Kenntnis. Allein im vergangenen Jahr konnte der Kurs 11 von der Industrie gesponserte Projekte mit einer durchschnittlichen Unterstützung von 5000 USD pro Projekt an Land ziehen.
Ein Designprojekt ist so ausgelegt, dass es nicht nur den Designkurs für höhere Semester betrifft, sondern auch den Techniklehrplan der Erstsemester an der Texas A&M. Mithilfe der Unterstützung von NI hat das Team Speedy-33 die Aufgabe übernommen, die Erfahrung mit Laborarbeiten bei Einführungskursen für Studienanfänger zu erweitern. Unter Einsatz des neuen NI LabVIEW DSP Module und der Karten SPEEDY-33 DSP entwickelte das Team Speedy-33 einen neuen Roboter, der es ermöglicht, grundlegende Prinzipien der Elektrotechnik sowie der technischen Informatik zu festigen und zudem die mögliche Eigenbeteiligung bei vorhandenen Laborübungen auszuweiten.

Die bisherigen, nicht programmierbaren Roboterlösungen boten wenig Flexibilität und umfassten maßgeschneiderte Hardware, die auf einen begrenzten Funktionssatz zugeschnitten war. Der alte Roboter ermöglichte Studenten eine praktische Herangehensweise, um einführende Themen aus dem Gebiet der Technik zu untermauern. Allerdings belastete er Erstsemester übermäßig damit, Signale und Logik zu konditionieren, um mit der analogen Hardware zu interagieren.

Mithilfe der Erweiterung um das LabVIEW DSP Module und NI SPEEDY-33 DSP hat das Team Speedy-33 die Lernerfahrung der Erstsemester im Bereich Elektrotechnik auf ein neues Niveau gebracht. Die Karten NI SPEEDY-33 DSP bieten eine enorme Palette an Funktionen mit unkomplizierten Digital- und Analogschnittstellen. Die Integration von LabVIEW bietet Studenten eine grafische Programmieroption, die für unverhältnismäßige Überraschung in Bezug auf die Roboterfähigkeiten sorgt.

Die einzige Einschränkung bei den Studenten, selbst bei jenen ohne frühere Programmierkenntnisse, stellt die eigne Kreativität dar. Die Zeiten komplexer Schaltkreise und begrenzter Gestaltungsmöglichkeiten sind vorbei, und die Zukunft für Technikstudenten an der Texas A&M sieht rosig aus.

Der Agg-NI Bot
Das Designteam ließ sich von der Kultur an der Texas A&M (die Studenten besitzen mindestens so viele Pick-ups wie Autos) inspirieren und verband Form und Funktion, um ein Werkzeug zu entwerfen, das ein Lernen analog zur Funktionsweise eines Pick-ups ermöglicht.  Zur benutzerspezifischen Hardware des Teams gehört eine Pufferkarte für die Digitalein- und -ausgänge von NI SPEEDY-33 DSP. Die Karte NI SPEEDY-33 und die Pufferkarte bilden das „Gehirn“ des Agg-NI Bot, das sich im Führerhausbereich des Pick-ups befindet.

Dank der Leistung des LabVIEW DSP Module können die Studenten Programme auf den Digitalsignalprozessor laden, Sensordaten aufnehmen und Ausgaben erzeugen, um die Bewegung des Roboters auf viel anspruchsvollere Weise als bisher möglich zu steuern. Das vom Team entwickelte Design umfasst eine anspruchsvolle Stromversorgungs- und -regelkarte mit einem integrierten Batterieladegerät, Motorisolation und Überstromsschutz. Diese Stromeinheit passt bequem unter die Motorhaube, und um die Batterien zu laden, mussten die Studenten den Transformator so an den Schaltkreis anschließen, als würden sie die Starthilfe eines anderen Autos nutzen.

Sie befestigten eine Stoßstangen-/Sensorkarte an der Stoßstange, um den Kontakt mit einem anderen Objekt festzustellen zu können. Kommt es zu einer Berührung, wird eine Rückwärtsfahrfunktion ausgelöst. Akkus, die den Kraftstoff für den Agg-NI Bot darstellen, befinden sich unter dem Bauch des Roboters (so wie der Benzintank bei den meisten Lieferwagen). Außerdem steht dem Studenten ein lötfreies Steckbrett in der Ladefläche des Pick-ups zur Verfügung, wo er seine „Last" für die Laborarbeit der kommenden Woche anschließen kann.

LabVIEW – eine leistungsstarke Entwicklungsumgebung
Die Integration von LabVIEW sowie der Karten NI SPEEDY-33 DSP in den Lehrplan hat das Spektrum möglicher Unterrichtsthemen erweitert. Allein durch den Einbezug der DSP-Programmierung wurde der Bedarf an komplexen Signalkonditionierungsschaltkreisen erheblich reduziert, so dass die Studenten nur den Teil der Schaltkreise sehen, den sie gerade untersuchen. Der Rest wird LabVIEW überlassen. Die Bedienfreundlichkeit von LabVIEW half dem Designteam dabei, die Aufmerksamkeit der Studenten bei diesem Einführungskurs auf Grundschaltungen und logische Algorithmen zu lenken.

Die von LabVIEW gebotene Effizienz hat das Designteam zudem dazu gebracht, einen umfassenderen Lehrplan aufzustellen als sonst bei Einführungskursen im Bereich Technik üblich. Der neue Lehrplan leitet Studenten an, analoge und digitale Zeitgeber zu bauen, um bestimmte Bahnen zu navigieren und Schaltkreise mit Fotodioden zu erstellen, um so Linien zu verfolgen. Die Studenten programmierten die DSP-Karte so, dass sie Phasenanalysen eines Audiosignals ausführt und der Signalquelle folgt. Außerdem bauen die Studenten einen Infrarotsender und -empfänger, der sich mit LabVIEW steuern und konditionieren lässt.

Weitere Informationen erhalten Sie über:

Jeff McDougall, Ph.D.
Texas A&M University
Tel.:+1-979-845-7404
Fax:+1-979-845-6259
E-Mail: mcdougall@tamu.edu

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