Projecto e implementação de osciloscópio digital baseado na norma IEEE1451.0

Os osciloscópios digitais são utilizados em diversas áreas do conhecimento, assumindo-se no âmbito da engenharia electrónica, como instrumentos indispensáveis. Graças ao advento das Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), os instrumentos de medição reconfiguráveis, dadas as suas vantagens, i.e., altos desempenhos, baixos custos e elevada flexibilidade, são cada vez mais uma alternativa aos instrumentos tradicionalmente usados nos laboratórios. Tendo como objectivo a normalização no acesso e no controlo deste tipo de instrumentos, esta tese descreve o projecto e implementação de um osciloscópio digital reconfigurável baseado na norma IEEE 1451.0. Definido de acordo com uma arquitectura baseada nesta norma, as características do osciloscópio são descritas numa estrutura de dados denominada Transducer Electronic Data Sheet (TEDS), e o seu controlo é efectuado utilizando um conjunto de comandos normalizados. O osciloscópio implementa um conjunto de características e funcionalidades básicas, todas verificadas experimentalmente. Destas, destaca-se uma largura de banda de 575kHz, um intervalo de medição de 0.4V a 2.9V, a possibilidade de se definir um conjunto de escalas horizontais, o nível e declive de sincronismo e o modo de acoplamento com o circuito sob análise. Arquitecturalmente, o osciloscópio é constituído por um módulo especificado com a linguagem de descrição de hardware (HDL, Hardware Description Language) Verilog e por uma interface desenvolvida na linguagem de programação Java®. O módulo é embutido numa FPGA, definindo todo o processamento do osciloscópio. A interface permite o seu controlo e a representação do sinal medido. Durante o projecto foi utilizado um conversor Analógico/Digital (A/D) com uma frequência máxima de amostragem de 1.5MHz e 14 bits de resolução que, devido às suas limitações, obrigaram à implementação de um sistema de interpolação multi-estágio com filtros digitais.

Peers' evaluation of a reconfigurable IEEE1451.0-compliant and FPGA-based weblab

It is already more than 10 years that weblabs are seen as important resources to provide the experimental work required in engineering education. Several weblabs have been applied in engineering courses, but there are still unsolved problems related to the development of their infrastructures. For solving some of those problems, it was implemented a weblab with a reconfigurable infrastructure compliant with the IEEE1451.0 Std. and supported by Field Programmable Gate Array (FPGA) technology. This paper presents the referred weblab, and provides and analyses a set of researchers' opinions about the implemented infrastructure, and the adopted methodology for the conduction of real experiments.

Work-in-progress on a thin IEEE1451.0 - architecture to implement reconfigurable Weblab infrastructures

Institutions have been creating their own specific weblab infrastructures. Usually, they use distinct software and hardware architectures comprehending instruments and modules (I&M) able to be parameterized but difficult to be shared. These aspects are impairing their widespread in education, since collaboration between institutions, in developing and sharing resources, is still low. To handle both aspects, this paper proposes the adoption of the IEEE1451.0 Std. with FPGA technology for creating reconfigurable weblab infrastructures. It is suggested the adoption of an IEEE1451.0 infrastructure with compatible instruments, described in Hardware Description Languages (HDL), to be reconfigured in FPGA-based boards. Besides an overview of the IEEE1451.0 Std., this paper presents a solution currently under development which seeks to enable the reconfiguration and the remote control of weblab infrastructures using a set of IEEE1451.0 HTTP commands.

Reconfigurable IEEE1451-FPGA based weblab infrastructure

Weblabs are spreading their influence in Science and Engineering (S&E) courses providing a way to remotely conduct real experiments. Typically, they are implemented by different architectures and infrastructures supported by Instruments and Modules (I&Ms) able to be remotely controlled and observed. Besides the inexistence of a standard solution for implementing weblabs, their reconfiguration is limited to a setup procedure that enables interconnecting a set of preselected I&Ms into an Experiment Under Test (EUT). Moreover, those I&Ms are not able to be replicated or shared by different weblab infrastructures, since they are usually based on hardware platforms. Thus, to overcome these limitations, this paper proposes a standard solution that uses I&Ms embedded into Field-Programmable Gate Array (FPGAs) devices. It is presented an architecture based on the IEEE1451.0 Std. supported by a FPGA-based weblab infrastructure able to be remotely reconfigured with I&Ms, described through standard Hardware Description Language (HDL) files, using a Reconfiguration Tool (RecTool).

Embedding instruments & modules into an IEEE1451-FPGA-Based Weblab infrastructure

Adopting standard-based weblab infrastructures can be an added value for spreading their influence and acceptance in education. This paper suggests a solution based on the IEEE1451.0 Std. and FPGA technology for creating reconfigurable weblab infrastructures using Instruments and Modules (I&Ms) described through standard Hardware Description Language (HDL) files. It describes a methodology for creating and binding I&Ms into an IEEE1451-module embedded in a FPGA-based board able to be remotely controlled/accessed using IEEE1451-HTTP commands. At the end, an example of a step-motor controller module bond to that IEEE1451-module is described.

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.

Reconfigurable weblabs based on the IEEE1451 Std

Technology plays a double role in Education: it can act as a facilitator in the teaching/learning process and it can be the very subject of that process in Science & Engineering courses. This is especially true when students perform laboratory activities where they interact with equipment and objects under experimentation. In this context, technology can also play a facilitator role if it allows students to perform experiments in a remote fashion, through the Internet, in a so-called weblab or remote laboratory. No doubt, the Internet has been revolutionizing the educational process in many aspects, and it can be stated that remote laboratories are just an angle of that on-going revolution. As any other educational tool or resource, the i) pedagogical approach and the ii) technology used in the development of a remote laboratory can dictate its general success or its ephemeral existence. By pedagogical approach we consider the way remote experiments address the process by which students acquire experimental skills and link experimental results to theoretical concepts. In respect to technology, we discuss different specification and implementation alternatives, to show the case where the adoption of a family of standards would positively contribute to a larger acceptance and utilization of remote laboratories, and also to a wider collaboration in their development.

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