Mediante el uso de la plataforma VISIR Open Lab, se puede acceder a un laboratorio local de electrónica de forma remota. Esta es la manera mediante la cual se permite acceder a los alumnos al laboratorio, bien desde la Universidad o bien desde fuera de ella, 24 horas, 7 días a la semana, sin ningún riesgo tanto para ellos como para los equipos. La Plataforma VISIR Open Lab es una aplicación cliente/servidor que posibilita a los alumnos implementar físicamente los circuitos electrónicos descritos en el manual de instrucciones del laboratorio, a través de un navegador web. Los paneles frontales virtuales y la placa protoboard mostrados en la aplicación del cliente, son usados para controlar los equipos físicos conectados al servidor. El acceso al servidor es compartido en el tiempo, de tal manera que los estudiantes tienen la impresión de estar trabajando en un laboratorio real. Esta herramienta de trabajo es un complemento al laboratorio local equipado con elementos tales como osciloscopio, generador de señales, multímetro, fuente de alimentación triple y una placa de prototipos sin necesidad de soldadura Junto al Blekinge Institute of Technology en Suecia, donde la plataforma fue creada, otras dos universidades, la Universidad de Deusto en España y el FH Campus Wien en Austria, han implementado copias de esta herramienta y hacen uso de ella como instrumento educativo. Junto a ellas, otras universidades están comenzado a implementarla. Esta herramienta es perfecta tanto para enseñanza universitaria, como para su uso en institutos así como para aquellas personas autodidactas. Es fácilmente amoldable a laboratorios ya existentes y únicamente es necesario un navegador web y un reproductor Flash para poder trabajar con ella. El software necesario para ejecutar esta herramienta fue publicado hace un año bajo licencia GNU GPL. A parte de un PC estándar, el hardware necesario para unirse al VISIR Group e implementar esta herramienta de trabajo es un chasis PXI con los instrumentos proporcionados por National Instruments y una matriz de conmutación. Los componentes que van a utilizar los estudiantes para implementar los esquemas l ó l f l l
La última parte del tutorial consiste en una demostración en la que los participantes podrán probar el laboratorio habilitado en el aula, a través de una WLAN y haciendo uso de sus propios portátiles.
Índice de la primera parte del tutorial 3
Qué es un laboratorio local? Es un laboratorio situado en al edificio de la universidad. El laboratorio mostrado en esta transparencia es usado para la experimentación de circuitos electrónicos en la enseñanza universitaria de ingeniería en el BTH. Únicamente se encuentra abierto en sesiones supervisadas. Las sesiones son de 4 horas. Un instructor/profesor supervisa a 16 estudiantes en cada sesión de laboratorio. Algunas veces hay más de 16 estudiantes. Los puestos de trabajo contienen todos los mismos equipos y materiales, por lo que todos los estudiantes realizan los mismos experimentos de manera síncronizada. 4
Los puestos de trabajo contienen un osciloscopio, multímetro (DMM), generador de funciones, fuente de alimentación, y una placa de prototipos sin necesidad de soldadura. La placa es extraíble de la caja que la contiene. Los cables y sondas de los instrumentos se pueden conectar a los conectores de esta caja y desde estos conectores conectar cables de manera sencilla a los cables del circuito cableado sobre la placa de prototipos. Before a lab session starts the instructor distributes to every student team a component set to be used for the experiments. 5
Cuando regresé al mundo académico en el año 1994, vi como la reducción de financiación había forzado a las instituciones a recortar el número de experimentos físicos comparado con la situación que viví cuando yo era estudiante hacía 30 años. Algunos cursos experimentales habían sido sustituidos por simulaciones. Sin embargo, el trabajo del laboratorio es indispensable para poder ver las diferencias entre los modelos matemáticos y los fenómenos naturales. Se puede decir que el trabajo del laboratorio es la conversación de la naturaleza y los experimentos son el lenguaje de la naturaleza. En 1999 comencé el proyecto de nuestro laboratorio para proporcionar más experimentos a nuestros estudiantes. La intención era proporcionar acceso gratuito al laboratorio mediante Internet de manera que ofreciéramos a los estudiantes una educación mejor que la de hace 30 años. Hoy en día, laboratorios de electrónica, seguridad, radio y procesamiento de la señal son accesibles online en el BTH y son usados de manera regular en los cursos académicos por los estudiantes, tanto desde el campus como desde fuera de él. A finales del 2006, comenzó a diseminarse el proyecto VISIR. De este modo, la Universidad de Deusto y el FH campus Wien se han unido a este consorcio e instalado laboratorios VISIR en sus laboratorios. 6
Los laboratorios destinados a la experimentación electrónica contienen los mismos equipos en la mayoría de las universidades, incluso si los modelos de los instrumentos o tipos varían. Tales laboratorios no son usados solamente en áreas de electrónica, sino también por ejemplo en la enseñanza de la ingeniería mecánica o para aquellas personas autodidactas. De este modo, hay muchos estudiantes que necesitan el entrenamiento experimental. Es sencillo abrir los laboratorios mediante el acceso remoto preservando el contexto tal y como se ve en la siguiente trasparencia. 7
Aquí aparece el puesto de trabajo de nuevo. La mayoría de los instrumentos pueden ser controlados remotamente excepto la placa de prototipos. Ésta debe ser reemplazada por un dispositivo que posibilite realizar el cableado del circuito de forma remota, por ejemplo una matriz de conmutación equipada con relés electro mecánicos, zócalos para componentes y conectores para los instrumentos. The workbench can now be controlled from client machines over the Internet. The client software is downloaded from a web server. The client computers show photos of the front panels of the instruments or the breadboard. The demonstrations are Camtasia video clips. The op amp clip starts with an almost completed inverting op amp circuit to save time but two wires remain. These two wires are added and the instruments are set. When the circuit and the settings are ready the experimenter presses the Perform Experiment button to send them to the server. The workbench creates the circuit, set the instruments, activates the circuit and performs the measurements requested. Finally the result is returned to the client computer and the oscilloscope traces are displayed. 8
En electrónica, es posible realizar el mismo experimento en diferentes escalas de tiempo mediante la selección de los valores de los componentes controlando las constantes de tiempo de manera adecuada. Esta característica es usada en los laboratorios de electrónica VISIR para permitir el acceso simultáneo mediante compartición del tiempo. Un único puesto de trabajo puede reemplazar un laboratorio completo formado por varios puestos de trabajo. La duración máxima de un experimento p.e la creación de un circuito y el proceso de medida, es actualmente de 0.1 segundos para proporcionar p un tiempo de respuesta razonable, incluso con un gran número de usuarios conectados. Los experimentos son configurados localmente en el ordenador del cliente. Una vez pulsado el botón Perform Experiment, el usuario manda un mensaje al puesto de trabajo, el cual contiene la descripción del circuito deseado y la configuración de los instrumentos. Si el puesto de trabajo no está ocupado, el experimento es realizado en un orden predefinido, devolviendo al usuario el resultado del mismo o bien un mensaje de error. En otro caso, la petición de experimentación es encolada. 9
Cuando tienen lugar las sesiones supervisadas de laboratorio local, el laboratorio remoto está cerrado. Actualmente el interfaz web soporta Inglés y Sueco. 10
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Hoy en día, los estudiantes requieren tener más acceso a recursos de aprendizaje e incrementar su libertad a la hora de organizar sus tareas, lo cual es uno de los principales objetivos del Proceso de Bolonia. Los estudiantes pueden preparar las sesiones supervisadas de laboratorio y realizar los experimentos en sus casas, sabiendo que el equipamiento en el laboratorio tradicional es semejante y tiene el mismo comportamiento. Pueden repetir los experimentos todas las veces que quieran. Aquellos alumnos con menos experiencia o con menos confianza en sí mismos, generalmente requieren más tiempo, por lo que aprecian tener más posibilidades. Un estudiante que, por ejemplo, quiere dominar el osciloscopio, puede practicas en la privacidad de su casa todas las veces que quiera. 12
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El objetivo del proyecto VISIR es formar un grupo de universidades cooperante y otras organizaciones, un VISIR Consortium, creando/modificando los módulos software de los laboratorios online, usando tecnología open source e instalando puesto de trabajo de laboratorio online. El BTH actuará como el aglutinador del desarrollo y mantendrá un servidor desde donde ser podrá descargar la versión más actual del software. 14
El objetivo global del proyecto VISIR es conseguir un incrementar los accesos a los experimentos en distintas áreas, sin necesidad de elevar el coste por estudiante de manera significativa. Esto es, laboratorios online creados mediante la cooperación de universidades y respaldadas por los suministradores de instrumentos. El objetivo último de la investigación en el BTH es la ubicuidad de los recursos físicos de los experimentos, accesibles 24/7 por cualquier persona, para alentar a los niños, jóvenes y otra gente a estudiar ingeniería y convertirse en buenos profesionales o habituarse a una vida de aprendizaje continuo. 15
Los laboratorios están compuestos por cuatro partes diferenciadas: el experimento del cliente, el interfaz Web, la base de datos y el equipo del laboratorio. El Equipo Servidor (Equipment Server) contiene los instrumentos en el laboratorio de electrónica. El interfaz web gestiona los recursos y mantiene un registro de cuándo y quien a utilizado el laboratorio El equipo del laboratorio es más que un puesto de trabajo. Además, incluye el laboratorio de procesamiento de señal. 16
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Aquí se presenta el puesto de trabajo online. Dónde se encuentran los intrumentos mostrados en la pantalla del cliente? Son reemplazados por tarjetas PXI. PXI es un estandar de instrumentación. Lo más importante es que el rendimiento de estar tarjetas es igual o mejor que el de los instrumentos de sobremesa. El PC es el controlador del puesto de trabajo. La matriz de conmutación es la pila de tarjetas situada encima del chasis PXI. Los componentes usados en los circuitos bajo prueba se colocan en los zócalos de la matriz, en el borde de las tarjetas. El chasis PXI es el NI PXI 1033. De izquierda a derecha, los instrumentos son: generador de funciones NI PXI 5402, osciloscopio de dos canales NI PXI 5112, fuente de alimentación DC NI PXI 4110 con APS 4100 y un el DMM NI PXI 4070. Este equipo es suministrado por National Instruments. Los instrumentos controlables remotamente son equipos estándar, por lo que son tarjetas de conmutación equipadas con relés electromecánicos. Esas tarjetas de conmutación eran usadas en las primeras versiones de la matriz. Sin embargo, para ser compatible con una placa de prototipos en términos de ancho de banda, los relés y los componentes deben situarse muy juntos unos de otros. 18
Cada panel virtual controla la tarjeta de un instrument y recibe los resultados obtenidos al realizar las medidas. La IVI Foundation, http://www.ivifoundation.org/, es un grupo de compañias de usuarios finales, integradores de sistemas, y vendedores de instrumentos, que trabajando conjuntamente han definido un estándar para la programación de interfaces de instrumentos. El estándar IVI define una arquitectura de driver abierta, un conjunto de clases de instrumentos y comparte componentes software. Para posibilitar la interoperatividad, la fundación creó la especificación IVI que define las capacidades básicas de cada clase de instrumentos y sus extensiones. Los drivers de los instrumentos del chasis PXI cumplen las especificaciones IVI. 19
Las entradas/salidas de un instrumento son un área bien conocida y definida mediante estándares. La mayoría de los productos comerciales siguen el Virtual Instrument System Architecture (VISA) o bien el estándar Interchangeable Virtual Instrument (IVI). La IVI Foundation crea especificaciones según la clase de instrumento. Actualmente hay 8 clases definidas como fuentes de alimentación DC, multímetros digitales (DMM), generadores de funciones, osciloscopios, medidores de potencia, generadores de señal RF, analizadores de espectros y conmutadores. Dentro de cada clase, se defines capacidades básicas y múltiples extensiones de cada grupo de instrumentos. Las capacidades básicas son las funciones de un instrumento que son las capacidades más comunes de los instrumentos disponibles en cada clase. Para un osciloscopio, por ejemplo, se especifica únicamente el trigger por flanco. Otros métodos de trigger, se definen en las capacidades extendidas. 20
No es necesario el uso de drivers IVI, pero para posibilitar la interoperatividad entre los nodos de la red VISIR se recomienda el uso de las funciones y atributos definidos por la IVI Foundation, para describir las capacidades del laboratorio hardware. De esta manera, es posible crear un aproximación estándar que es fácil de asumir en todos los laboratorios. 21
Para que sea posible preservar el contexto del laboratorio local, los paneles frontales de los instrumentos virtuales deben ser iguales que los del laboratorio local. En los laboratorios locales del BTH hay instrumentos de sobremesa de Agilent Technologies de tal manera que los paneles frontales virtuales son fotos de los paneles de esos mismos instrumentos. Otras universidades y otras organizaciones de enseñanza tienen sus propios equipos en sus laboratorios. Por tanto, deberían añadir nuevos paneles virtuales al repositorio. Se proporcionará una plantilla 22
El número de circuitos que es posible cablear en la placa de prototipos es limitado debido primeramente al número de componentes proporcionados. El número de circuitos es grande incluso con un número modesto de componentes y su matriz de conmutación puede ser muy complicada. Sin embargo, las sesiones de laboratorio en la enseñanza universitaria no se realizan de forma libre donde todas las combinaciones no son posibles. Por favor, vean la siguiente transparencia. Para ser compatible con una placa de prototipos solo se puedenutilizarrelés utilizar relés electromécanicos. 23
En los ejercicios de laboratorio los alumnos realizan solamente circuitos sencillos descritos en los manuales. Algunos otros circuitos que son posibles de implementar con los componentes proporcionados por el instructor, pueden resultar peligrosos y no se pueden crear. Si se intentan crear experimentos peligrosos, se genera un mensaje de error desde el instructor virtual. Por lo tanto, no se requiere una excesiva flexibilidad a la hora de crear circuitos En cursos más avanzados, los estudiantes experimentan con circuitos más complejos. Estos estudiantes requieren circuitos prefabricados y preparados para ser testeados. Para ello, la placa de de prototipos y la matriz de conmutación son útiles. Los circuitos ya preparados para ser testeados, pueden ser un circuito en una tarjeta o bien un circuito cableado en una placa de prototipos. Estos circuitos ya preparados se deben situar junto a la matriz de conmutación. En ambos casos, los puntos de test son cableados por el profesor a la matriz de conmutación. Estos circuitos se pueden presentar en la placa virtual, por ejemplo, como un circuito integrado de 14 pines dónde éstos puedenser puntos de test o conectores de puntos de entrada. Los números de estos pines deben aparecer en el esquemático de estos circuitos ya preparados. Si las fuentes del puesto de trabajo son usadas para alimentar estos circuitos ya preparados previamente, el instructor virtual debe supervisar los voltajes. Por supuesto, la combinación de diferentes circuitos es posible. 24
La matriz de conmutación es una pila de tarjetas. Los relés están organizados en una matriz de tres dimensiones junto a los conectores de los instrumentos y los zócalos de los componentes. El número de componentes online puede incrementarse añadiendo más tarjetas. Las dimensiones de la tarjetas son PC/104, siendo este el estándar de facto par los sistemas embebidos, http://www.pc104.org. Sin embargo, la localización y tamaño de los conectores de las tarjetas son distintos a los indicados en el estándar. 25
La matriz de conmutación está diseñada para su uso con experimentos de baja frecuencia. El layout de las tarjetas, el cableado de los componentes en las tarjetas y el número de tarjetas en la pila limita el ancho de banda en la matriz de conmutación. El resultado del test del ancho de banda de la matriz de conmutación del puesto de trabajo del BTH, equipada con 8 tarjetas se muestra en la transparencia. El generador de funciones, NI PXI 5402, se conecta al osciloscopio, NI PXI 5112, usando esta matriz. Una seña cuadrada de 1MHz aparece en el osciloscopio. La figura de la transparencia se ha obtenido del PC de un cliente. La traza del osciloscopio es una onda cuadrada. 26
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