Software didattico sviluppato in ambiente LabVIEW per emulazione di sistemi di comunicazione

Author(s):
A D'Andrea - UNIVERSITÀ DI PISA
F. Giannetti - UNIVERSITÀ DI PISA
M. Michelini - UNIVERSITÀ DI PISA

Industry:
University/Education

Products:
Run-Time Engine, LabVIEW, Application Builder

The Challenge:
Realizzare applicativi didattici interattivi che emulino il funzionamento di strumentazione per misure su sistemi di telecomunicazioni, in modo da consentire agli studenti di operare come se stessero utilizzando gli apparati reali.

The Solution:
Gli applicativi didattici sono costituiti da un pannello principale che visualizza lo schema a blocchi del sistema di comunicazione che viene emulato, in cui ogni blocco è uno strumento virtuale dotato di un proprio pannello che replica fedelmente quello del corrispondente apparato reale.

Breve riassunto
Un gruppo di docenti del Corso di Studio in Ingegneria delle Telecomunicazioni dell’Università di Pisa ha utilizzato l’ambiente di sviluppo LabVIEW per realizzare una serie di applicativi didattici interattivi per l’emulazione software di sistemi di comunicazione. Tali applicativi sono basati su strumentazione virtuale e riproducono in modo estremamente fedele le funzionalità di strumenti per misure su apparati di telecomunicazione, consentendo agli studenti lo svolgimento delle esercitazioni sperimentali degli insegnamenti professionalizzanti. Gli applicativi possono essere usati sia nell’aula didattica attrezzata, sotto la supervisione del docente, che a casa, tramite CD.

Articolo
Un requisito fondamentale per gli insegnamenti professionalizzanti dei corsi di laurea in ingegneria è lo svolgimento di un consistente numero di esercitazioni sperimentali durante le quali lo studente possa verificare e mettere in pratica in laboratorio quanto appreso dal punto di vista teorico durante le lezioni in aula. Putroppo, in molti casi questa esigenza deve confrontarsi con vari problemi, primo fra tutti la difficoltà di avere a disposizione capienti aule didattiche attrezzate con strumenti di misura, in genere assai costosi, replicati su più banchi. Inoltre, anche quando tali aule attrezzate sono disponibili, il loro uso è comunque generalmente limitato alle sole ore previste per le esercitazioni. A questi aspetti si deve aggiungere il rischio che strumenti costosi possano essere danneggiati a causa di un utilizzo non corretto da parte di utenti inesperti. Per cercare di risolvere questi problemi e rendere più efficace l’insegnamento di discipline tecniche professionalizzanti, un gruppo di docenti del Corso di Studio in Ingegneria delle Telecomunicazioni, presso la Facoltà di Ingegneria dell’Università di Pisa, coordinati dal prof. Aldo D’Andrea ed impegnati nello sviluppo di attività didattiche multimediali fin dalla metà degli anni ’90, ha fatto ricorso all’ambiente di sviluppo LabVIEW. L’idea che ha guidato questo gruppo di docenti nella realizzazione del loro progetto didattico è stata quella di sfruttare le notevoli potenzialità offerte da LabVIEW in termini di interattività e flessibilità, nonché la notevole quantità di funzionalità supportate per l’elaborazione di segnali e dati. Grazie a queste proprietà è stato possibile realizzare un laboratorio virtuale, comprendente una vasta gamma di applicativi didattici interattivi per l’emulazione software di sistemi di comunicazione, da utilizzare come supporto alle attività sperimentali degli insegnamenti professionalizzanti dei Corsi di Laurea, sia Triennale che Specialistica, in Ingegneria delle Telecomunicazioni. Tali applicativi riproducono in modo estremamente fedele le funzionalità di banchi di misura mettendo a disposizione dell’operatore strumenti virtuali composti da manopole, selettori ed indicatori tramite i quali è possibile impostare e regolare i vari parametri del sistema, ed effettuare misure utilizzando oscilloscopi, analizzatori di spettro, misuratori di potenza, misuratori di tasso di errore, ecc., esattamente come se si avessero a disposizione gli apparati reali. Gli applicativi sono stati sviluppati utilizzando LabVIEW, e sono disponibili sia per il sistema operativo Windows che per il sistema Mac OS X. Utilizzando il compilatore LabVIEW Application Builder è stata creata anche una versione stand-alone dei vari applicativi che viene distribuita tramite CD agli studenti che frequentano i vari corsi in modo che possano svolgere le esercitazioni di laboratorio anche a casa propria, previa installazione di LabVIEW Run-Time Engine (scaricabile gratuitamente dal sito National Instruments).
Grazie alla vasta gamma di controlli e indicatori disponibile nell’ambiente LabVIEW, la strumentazione reale è stata replicata in modo estremamente fedele. Inoltre, utilizzando le funzioni GPIB e DAQ con le relative interfacce National Instruments, è stato possibile gestire con facilità la comunicazione con la strumentazione. Infine, le funzioni TCP-IP hanno consentito di effettuare una comunicazione, attraverso una rete locale, tra varie postazioni client, utilizzate dagli studenti, ed un server interfacciato con gli strumenti e controllato dal docente.
In Fig. 1 viene mostrato il pannello principale di un applicativo che emula un completo sistema di comunicazione basato sulla modulazione di ampiezza. Il sistema comprende il generatore del segnale sorgente, il modulatore, il ricevitore e due strumenti di misura (oscilloscopio ed analizzatore di spettro). Cliccando sull’icona del generatore di segnale, l’utente ha la possibilità di scegliere tra diverse tipologie di sorgente, ad esempio analogica o digitale. Inoltre, tramite i controlli denominati “Panel” è possibile visualizzare i pannelli degli apparati che compongono sistema (generatori, ricevitori e strumenti di misura) in modo da modificare o regolare i relativi parametri. Tramite il pannello principale, l’utente può anche posizionare il puntale di una sonda (virtuale) dei vari strumenti in un punto qualsiasi del sistema in modo da effetture misure sui segnali.
Nella Fig. 2 è riportato il pannello dell’oscilloscopio, che è stato realizzato cercando di replicare il più fedelmente possibile lo strumento reale, sia per quanto riguarda le funzionalità che dal punto di vista dell’aspetto grafico.
La Fig. 3 riporta il pannello di un emulatore di un analizzatore modello hp3784A, in grado di effettuare varie misure sulla qualità del collegamento in sistemi di trasmissione di tipo digitale, mentre la Fig. 4 mostra il pannello dello strumento reale. Dal confronto tra le due figure, si può notare il notevole livello di fedeltà raggiunto con l’emulatore grazie all’utilizzo dei tool di LabVIEW. Lo strumento reale viene interfacciato con il pc del docente che svolge la funzione di server e che ha il compito di comunicare con le postazioni studenti sulle quali viene eseguita la versione client dell’emulatore. Gli utenti dei client possono sia ricevere i risultati delle misure effettuate dall’operatore che lavora sul server, sia prendere, a turno, il pieno controllo dello strumento ed effettuare le misure, sotto la supervisione del docente.
Grazie alla sua versatilità, unitamente ad una notevole semplicità di utilizzo, ed alla gradevole interfaccia grafica, il laboratorio virtuale di Telecomunicazioni si è rivelato un efficace strumento didattico, particolamente apprezzato dagli studenti. Ulteriori informazioni riguardanti il laboratorio virtuale di Telecomunicazioni sviluppato presso l’Università di Pisa possono essere trovate nel seguente sito web: http://tlc.iet.unipi.it/e-learning.

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For more information on this Case Study, contact:
A D'Andrea
UNIVERSITÀ DI PISA
Tel: 050 2217511
aldo.dandrea@iet.unipi.it

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