Uma aplicação Web para apoio a laboratórios remotos reconfiguráveis baseados na norma IEEE 1451.0

Nos últimos anos, o processo de ensino e aprendizagem tem sofrido significativas alterações graças ao aparecimento da Internet. Novas ferramentas para apoio ao ensino têm surgido, nas quais se destacam os laboratórios remotos. Atualmente, muitas instituições de ensino disponibilizam laboratórios remotos nos seus cursos, que permitem, a professores e alunos, a realização de experiências reais através da Internet. Estes são implementados por diferentes arquiteturas e infraestruturas, suportados por vários módulos de laboratório acessíveis remotamente (e.g. instrumentos de medição). No entanto, a sua inclusão no ensino é ainda deficitária, devido: i) à falta de meios e competências técnicas das instituições de ensino para os desenvolverem, ii) à dificuldade na partilha dos módulos de laboratório por diferentes infraestruturas e, iii) à reduzida capacidade de os reconfigurar com esses módulos. Para ultrapassar estas limitações, foi idealizado e desenvolvido no âmbito de um trabalho de doutoramento [1] um protótipo, cuja arquitetura é baseada na norma IEEE 1451.0 e na tecnologia de FPGAs. Para além de garantir o desenvolvimento e o acesso de forma normalizada a um laboratório remoto, este protótipo promove ainda a partilha de módulos de laboratório por diferentes infraestruturas. Nesse trabalho explorou-se a capacidade de reconfiguração de FPGAs para embutir na infraestrutura do laboratório vários módulos, todos descritos em ficheiros, utilizando linguagens de descrição de hardware estruturados de acordo com a norma IEEE 1451.0. A definição desses módulos obriga à criação de estruturas de dados binárias (Transducer Electronic Data Sheets, TEDSs), bem como de outros ficheiros que possibilitam a sua interligação com a infraestrutura do laboratório. No entanto, a criação destes ficheiros é bastante complexa, uma vez que exige a realização de vários cálculos e conversões. Tendo em consideração essa mesma complexidade, esta dissertação descreve o desenvolvimento de uma aplicação Web para leitura e escrita dos TEDSs. Para além de um estudo sobre os laboratórios remotos, é efetuada uma descrição da norma IEEE 1451.0, com particular atenção para a sua arquitetura e para a estrutura dos diferentes TEDSs. Com o objetivo de enquadrar a aplicação desenvolvida, efetua-se ainda uma breve apresentação de um protótipo de um laboratório remoto reconfigurável, cuja reconfiguração é apoiada por esta aplicação. Por fim, é descrita a verificação da aplicação Web, de forma a tirar conclusões sobre o seu contributo para a simplificação dessa reconfiguração.

In recent years, the teaching and learning processes have changed significantly, due to the emergence of the Internet. New tools emerged, namely the so-called remote laboratories (also named weblabs). Some educational institutions are now providing weblabs in their courses, which allow teachers and students to conduct real experiments over the Internet. These are implemented by different architectures and infrastructures, supported by several weblab modules remotely accessible (e.g. measuring instruments). However, the inclusion of weblabs in education is still reduced due to: i) the lack of resources and technical skills of some institutions for their development, ii) the difficulty to share the weblab modules with different infrastructures and, iii) the reduced capacity to reconfigure them with those modules. To overcome these limitations, it was designed and developed, within the scope of a PhD thesis [1], a weblab prototype following an architecture based on the IEEE 1451.0 Std. and FPGAs technology. Besides ensuring the standardized weblab development and access, the prototype also enables sharing their weblab modules by different infrastructures. This work explored the reconfiguration capability of FPGAs to embed several modules in weblab infrastructures, all described in files using hardware description languages and structured according to IEEE 1451.0 Std. The definition of these modules requires the creation of binary data structures named Transducer Electronic Data Sheet (TEDSs), as well as other files to enable their interconnection with the weblab infrastructure. However, the creation of these files is quite complex, since it requires performing several calculations and conversions. Considering this same complexity, this dissertation describes the development of an application for reading and writing the TEDSs files. Besides the study of weblabs, the IEEE 1451.0 Std. is presented, with particular attention to its architecture and the TEDSs’ structures. To contextualize the developed Web application, a brief description of a reconfigurable weblab prototype is presented, whose reconfiguration is supported by this application. The work described in this dissertation also demanded the perception of the functioning of the existing prototype of a reconfigurable weblab, with the purpose to frame the developed application. Finally, the experimental verification of the Web application is described in order to present conclusions about their ultimate contribution in the reconfiguration of that weblab.