LABORATORIO REMOTO DE INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA M. A. Domínguez, J. M. Carrllo, J. A. Fernández and R. Pérez-Aloe Abstract En la actualdad exste un gran nterés a nvel mundal por la educacón a dstanca o e-learnng, como resultado han sdo desarrolladas numerosas plataformas de aprendzaje onlne. Estas aplcacones han resultado muy efcentes para gestonar los contendos ddáctcos, y además, han favorecdo el desarrollo de nuevas metodologías de aprendzaje. No obstante, en las carreras de cencas y de ngenería, es mprescndble la realzacón de actvdades práctcas para consoldar los conocmentos teórcos. En este sentdo, el presente trabajo descrbe la mplementacón de un laboratoro remoto de nstrumentacón electrónca. De esta manera, los estudantes pueden acceder a través de Internet a un servdor, en el cual medante un entorno de programacón en Labew, les permte controlar los equpos y tarjetas de nstrumentacón conectados al msmo. Medante este sstema los alumnos pueden realzar práctcas de laboratoro reales de forma remota. Index Terms Laboratoro remoto, expermentos práctcos basados en web, nstrumentacón vrtual, Labew. I. INTRODUCIÓN ctualmente las unversdades están sumergdas en A procesos destnados a garantzar la caldad de la formacón que ofrecen, con la fnaldad de cumplr con las drectrces del Espaco Europeo de Educacón Superor (EEES). Una tendenca muy prometedora para mejorar la enseñanza y el aprendzaje, con la ayuda de las modernas tecnologías de la nformacón y la comuncacón, es desarrollar programas de educacón a dstanca como apoyo a la enseñanza presencal [1-5]. Para este propósto se requere una ntrospeccón contnua y la nnovacón en el desarrollo de nuevas metodologías basadas en la tecnología y la gestón en la enseñanza-aprendzaje, que se conocen bajo el térmno e- learnng. Exste un gran nterés a nvel mundal por la educacón a dstanca o e-learnng, prueba de ello es el gran número de publcacones en este campo o el desarrollo de plataformas de aprendzaje onlne, conocdas como Learnng Management El manuscrto fue recbdo el 4 de marzo del 2011. Ha sdo fnancado por la Junta de Extremadura y el FEDER a través del proyecto de nvestgacón PRI-IB10095 y de las ayudas a grupos de nvestgacón GR10128. M. A. Domínguez, J. M. Carrllo, J. A. Fernández y R. Pérez-Aloe: Dpto. Ing. Eléctrca, Electrónca y Automátca, Unversdad de Extremadura, 06006 Badajoz, España (teléfono: +34 924 289594; correos electróncos: madomnguez, jmcarcal, jalvarof, raquel@unex.es) System (WebCT, Fronter,.LRN, Ilas, Blackboard, ecollege, Moodle...). Estas aplcacones han resultado muy efcentes para la dstrbucón de materal ddáctco, favorecen el aprendzaje colaboratvo, permten al profesor el segumento y gestón de las actvdades de formacón. Sn embargo, la educacón en cenca y en ngenería requere una combnacón de conocmentos teórcos y experencas práctcas. La tendenca actual haca una mayor utlzacón de las nuevas tecnologías como apoyo al aprendzaje, tene como reto en las escuelas técncas el desarrollo de expermentos práctcos para los estudantes sobre Internet. Esto proporcona a los alumnos acceso al laboratoro desde cualquer sto, a cualquer hora, y además, reducendo los costes sustancalmente. En este sentdo, el presente trabajo está orentado al dseño e mplementacón de un laboratoro remoto, el cual permte a los alumnos controlar los equpos de nstrumentacón electrónca de forma remota a través de Internet. La fnaldad es facltar la realzacón de actvdades práctcas referentes a nstrumentacón electrónca, donde los estudantes se famlarzan con los equpos de nstrumentacón y los procedmentos de meddas. Para desarrollar el laboratoro vrtual, hemos decddo utlzar Labew, este es un entorno de programacón gráfca dstrbudo por Natonal Instruments [6, 7]. Esta aplcacón proporcona capacdades para trabajar en red de alto nvel, y nos proporcona potentes herramentas para realzar el control a dstanca de equpos de nstrumentacón. Esto permte un alto nvel de nteractvdad y la sencllez necesara para propóstos educatvos. Este trabajo hace uso de las herramentas nformátcas dstrbudas por Labew, en concreto, hemos selecconado para llevar a cabo este trabajo la funcón de conexón a paneles remotos y I server. Usando este método, nosotros podemos hacer referencar a una subrutna en local o a través de una máquna remota medante TCP/IP de forma transparente. Esto faclta el uso de la aplcacón para este propósto. Fnalmente, el conocmento en programacón de Labew por parte de los estudantes representa una nteresante
Fg. 1. Esquema del convertdor dgtal analógco basado en una escalera de resstencas R/2R para el test. oportundad para su utlzacón en la nvestgacón o en aplcacones ndustrales. II. PRACTICAS EXPERIMENTALES DE INSTRUMENTACIÓN El dseño de expermentos en el laboratoro tene como objetvo famlarzar a los estudantes con las sguentes tareas típcas en un test de nstrumentacón electrónca: Adquscón de datos y utlzacón de equpos de nstrumentacón. Aplcacón de algortmos de procesamento de datos. Elaboracón y publcacón de los resultados. Estas tareas se llevan a cabo utlzando el entorno de programacón gráfca de Labew. Esta aplcacón faclta el trabajo con las tarjetas de adquscón de datos y el control de equpos de nstrumentacón de forma remota a través de buses de comuncacón, tales como GPIB, sere, paralelo, etc. La utlzacón de un ordenador personal para ejecutar la aplcacón hace posble emplear la potenca de cálculo de estos equpos para realzar complejos algortmos de procesamento de datos. La programacón de alto nvel en Labew se puede utlzar para desarrollar y mostrar los resultados obtendos durante el expermento de forma muy fácl. Por últmo, el entorno proporcona potentes herramentas de comuncacón a través de Internet que permten la mplementacón del laboratoro remoto de manera efcente y senclla [6-9]. Para mostrar el funconamento de operacón del entorno, se ha selecconado una experenca práctca basada en determnar las prestacones estátcas de un convertdor de datos dgtalanalógco (DAC). En partcular, esta práctca ha sdo elegda por la facldad de montaje de un DAC de 8 bts basado en una escalera de resstencas R/2R, el esquema se muestra en la Fg. 1. Esta experenca permte a los estudantes famlarzarse con las especfcacones estátcas y las fguras de mérto que se puede encontrar en hojas de característcas de estos dspostvos. En prmer lugar el estudante debe dseñar una aplcacón basándose en el entorno de programacón Labew para medr la desvacón que se produce en el voltaje de salda del convertdor respecto al valor deal para cada una de las combnacones bnaras de entrada. En el laboratoro, se dspone el montaje del crcuto mostrado en el esquema de la Fg. 1, mentras que el proceso de adquscón de datos se llevó a cabo con la ayuda de la tarjeta de adquscón de datos NI-PCI6023E conectada al servdor, en el cual se ejecuta la aplcacón Labew. La tarjeta de adquscón de datos puede generar medante 8 saldas dgtales las 256 combnacones bnaras de entrada para el DAC. Además, hacendo uso de un canal analógco de entrada, se puede medr el voltaje de salda del convertdor para cada combnacón dgtal de entrada. A partr de estos datos, se deben realzar una sere de operacones matemátcas para obtener las prestacones estátcas alcanzadas por el convertdor, tales como el error de offset, error de gananca, el error ntegral no-lneal (INL), el error dferencal no-lneal (DNL), y los gráfcos de INL y DNL para todos los valores de entrada del convertdor. III. IMPLEMENTACIÓN DEL LABORATORIO IRTUAL Como se menconó anterormente, Labew ofrece potentes funcones para mplementar comuncacones a través de Internet. Las herramentas dsponbles son las sguentes: - Funcones para trabajar con protocolos TCP/IP y UDP. - Servdor Web para publcar paneles de control y realzar el control de forma remota a través de un navegador web. - I Server, es una potente herramenta para el control de una aplcacón de Labew desde el msmo códgo del programa, o ncluso, de forma remota a través de la red. - Servdor DataSocket, permte compartr datos a través de la red de forma muy senclla. - Paneles de control remoto, faclta la ejecucón de forma remota un programa de Labew. - Característcas de ActveX para Wndows. - E-mal, FTP y TELNET. Para mplementar el laboratoro vrtual, varas de estas opcones pueden ser elegdas. En nuestro trabajo, hemos utlzado la herramenta de paneles de control remoto, que permte la ejecucón y el control de un programa de Labew que resde en el servdor de forma remota a través de Internet. Además, utlzando el I server permte a los estudantes ejecutar en el servdor los programas que ellos msmos han
Fg. 3. Dagrama de bloque con las funcones para enlazar y ejecutar un programa a través de red. Fg. 2. entana para conectarse al servdor. elaborado en sus equpos, con el fn de probar y depurar su funconaldad. Estas aplcacones se basan en un protocolo clente/servdor. Antes de su uso, es necesaro habltar y confgurar los servdores respectvos de estas dos herramentas. Para llevar a cabo esta tarea, es necesaro acceder a la opcón Tools> Optons> Web Server: Confguraton y Tools> Optons> I Server: Confguraton. Prmeramente se debe habltar el servdor y selecconar el puerto de comuncacón. Es habtual que algunos puertos estén cerrados por razones de segurdad para enlaces externos a la ntranet del campus. Es necesaro comprobar prevamente el acceso para permtr a los estudantes acceder desde sus casas. En Labew se pueden confgurar opcones de segurdad para permtr o denegar el acceso a determnados usuaros, equpos o archvos. A. Paneles Remotos Para conectarse al servdor ubcado en el laboratoro, los estudantes deben acceder desde su aplcacón de Labew a través del menú Operate> Connect to Remote Panel en sus equpos. Una vez actvado, se abre una ventana donde se debe ndcar la dreccón IP del servdor, puerto, nombre del programa I al que se desea acceder. Además, exste la posbldad de solctar el control del I, para ello debe ser actvada la caslla Request control, como se muestra en la Fg. 2. S la conexón tene éxto, se abrrá el panel frontal del programa selecconado. Desde el panel frontal, los estudantes pueden enlazar dos programas I desarrollados por ellos. El prmer programa, llamado "Samplng of expermental data", se utlza para confgurar la tarjeta de adquscón de datos conectada en el servdor y, posterormente, proceder a la lectura del voltaje de salda analógco del DAC, obtenendo un dato para cada una de del 256 combnacones dgtales de entrada. El resultado es un conjunto de 256 valores que representan la curva de transferenca expermental característca del convertdor D/A. Los datos obtendos consttuyen un array de entrada para el segundo programa, denomnado "Determnaton of statc parameters of the DAC", el cual lleva a cabo las operacones matemátcas necesaras para extraer los parámetros estátcos que defnen las prestacones del convertdor. Estos datos se muestran en los ndcadores del programa prncpal dspuestos para este fn. Una vez que el expermento práctco se ha completado correctamente, el alumno puede envar un nforme al profesor, en el que se ncluyen los datos obtendos, junto con una copa del dagrama de bloques de los programas realzados por el alumno, de esta manera se faclta al profesor la tarea de calfcar el trabajo realzado. B. I Server. Como se ndcó anterormente, I Server es un conjunto de funcones que permten a Labew controlar la aplcacón a través del dagrama de bloques, consttuyendo una de las herramentas más potentes de esta aplcacón. En nuestro trabajo, vamos a utlzar la funcón call by reference, que permte a un programa I, que resde en el ordenador del estudante, ser ejecutado en un servdor ubcado en el laboratoro. De esta manera, los estudantes pueden tener acceso a equpos de nstrumentacón conectados con el servdor, y medante su control, poder realzar el expermento. El dagrama de bloques que mplementa esta rutna se muestra en la Fg. 3. I. RESULTADOS DEL EXPERIMENTO REMOTO Los estudantes prmero deben dseñar un programa para capturar la salda analógca del convertdor D/A a través los canales ACH0-ACH8 de la tarjeta de adquscón de datos, que
Fg. 4. Dagrama de bloques: funcones para obtener los errores del convertdor y generar los gráfcos INL and DNL. Fg. 5. Panel frontal: resultados expermentales de las prestacones estátcas del convertdor. se han confgurado como entrada dferencal. Además, las saldas dgtales DIO0-7 se han conectado a las entradas dgtales del convertdor, con el fn de generar todos los valores posbles de 0 a 255. Para mejorar la precsón en la lectura de los datos analógcos, se pueden adqurr de 100 a 1000 muestras y, a contnuacón se realzar la meda de estos datos. El resultado es un conjunto de 256 valores, los cuales representan la curva de transferenca del convertdor. En la Fg. 4 se muestra un esquema que realza estas tareas. Posterormente, los estudantes deben preparar otro programa, cuya entrada es un array de de 256 valores proporconados por el programa anteror, y que representan la funcón de transferenca del convertdor D/A. Los cálculos para obtener los errores del convertdor D/A expresados en térmnos del bt menos sgnfcatvo (, Less Sgnfcant Bt) se pueden obtener de acuerdo a las sguentes ecuacones: out 00000000 Eoffset = (1) E gan = Max INL = Max DNL = out 11111111 out 00000000 [ out, deal out, corrected ] [ out out ] 1 N ( 2 1) 2 N 1 0 2 N 1 1 donde = ref / 2 N = 5 / 2 8 = 0.0195. ref es el voltaje máxmo de la señal analógca y N es el número de bts del convertdor D/A. En la Fg. 4 se muestra la mplementacón de estos cálculos en Labew. Como resultado se obtenen 4 datos numércos en coma flotante, y dos arrays que contenen los gráfcos INL y DNL. Estos datos son transferdos al programa prncpal I, que dspone de los ndcadores adecuados, como se muestra en la Fg. 5. (2) (3) (4)
. CONCLUSIONES Una metodología para crear expermentos nteractvos a través de Internet utlzando la plataforma de Labew se ha presentado. Las capacdades de comuncacón en red de alto nvel proporconadas por Labew facltan la mplementacón de un laboratoro remoto de una manera muy efcente. El laboratoro remoto se puede utlzar como apoyo complementaro a las actvdades tradconales de la educacón presencal. De esta manera, tambén permte realzar demostracones en vvo por parte del profesor desde el aula sn la necesdad de trasladarse al laboratoro. El laboratoro remoto es una potente herramenta para la educacón a dstanca y programas de educacón contnua. Esto permte la realzacón de expermentos práctcos a dstanca por los estudantes desde casa. La metodología utlzada permte a los alumnos realzar un control total sobre los equpos utlzados y la programacón de la aplcacón en Labvew, resultando un expermento altamente nteractvo. Por últmo, el control y montorzacón de equpos de nstrumentacón de forma remota no se lmta a la educacón, sno que tambén el acceso remoto es nteresante en la nvestgacón y en aplcacones ndustrales. REFERENCES [1] J. García Zubía, U. Hernández, WebLab-GPIB at the Unversty of Deusto, Remote Engneerng & rtual Instrumentaton 2007, Porto (Portugal), June 2007. [2] I. Gustavsson, J. Zackrsson, An Overvew of the ISIR Open Source Software Dstrbuton 2007, Remote Engneerng & rtual Instrumentaton 2007, Porto (Portugal), June 2007. [3] I. Gustavsson, Laboratory Experments n Dstance Learnng, Internatonal conference on engneerng educaton. Oslo, Norway, August 6 10, 2001. [4] L. C. Morse, Usng the Internet for an Engneerng Management Course, 1999 ASEE Conference Proceedngs, Charlotte, 1999. [5] A. F. Johnson, Capstone Desgn va Dstance Educaton - A DESIGN Partnershp Includng Industry and Hgher Educaton, Annual Conference of Amercan Socety for Engneerng Educaton, 1998. [6] Applcaton Note, Dstance-Learnng Remote Laboratores usng Labew, Natonal Instruments Corporaton, www.n.com. [7] Applcaton Note, Dstance Learnng Solutons Gude, Natonal Instruments Corporaton, www.n.com. [8] Applcaton Note, Buldng an Interactve Web Page wth Datasocket, Heather Edwards, Natonal Instruments Corporaton, www.n.com. [9] J. R. Lajara zcaíno, J. Pelegrí Sebastá, Labew Entorno Gráfco de Programacón, Marcombo, 2007.