128 7 INSTRUMENTOS VIRTUAIS Neste capítulo são descritos os Instrumentos Virtuais (VI s) desenvolvidos com o software LabVIEW para a medida remota das características básicas de um sistema WDM de dois canais (1310 nm e 1550 nm): drivers e interfaces gráficas de usuário (GUI s) para controle e aquisição de dados dos instrumentos utilizados. Também é apresentada e discutida a arquitetura do sistema desenvolvido com o software LabVIEW para o WebLab, que permite otimizar o processo de automação e execução remota do experimento. 7.1 Drivers e GUI s para Controle e Aquisição de Dados dos Instrumentos Foram desenvolvidos drivers e GUI s para o controle e aquisição de dados dos seguintes instrumentos: Gerador de Sinais - ROHDE&SCHWARZ Modelo SML 01 Chave Óptica - ANRITSU Modelo MN9672A Osciloscópio - AGILENT Modelo DSO 6104A Analisador de Espectro Óptico (OSA) - AGILENT Modelo 86142A O desenvolvimento desses VI s foi realizado em três fases distintas: (1) Teste de comunicação com o equipamento; (2) Desenvolvimento da Interface de Controle (Front Panel); (3) Integração da Interface de Controle (Front Panel) com os comandos em LabVIEW (Diagram Block).
129 Na fase (1) é estabelecida a identificação do dispositivo via o barramento de comunicação (GPIB, USB, ETHERNET) utilizando-se o aplicativo (Measure and Instruments) da NI. Nesta fase, mensagens VISA de escrita/leitura são utilizadas para testar o equipamento. Na fase (2), que pode ser definida como "peso-leve", é construído o Painel Frontal (Front Panel) dos instrumentos. Nesta fase são utilizados (Clusters) de comandos (leitura/escrita), de modo a permitir uma melhor modularização do código na fase de integração. Finalmente, na fase (3) é implementada a integração dos comandos dos instrumentos às GUI s. 7.1.1 Gerador de Sinais Na Figura (7.1) é mostrada a interface desenvolvida para o controle e aquisição de dados do Gerador de Sinais. Figura 7.1: Interface para o controle e aquisição de dados do Gerador de Sinais. Nessa interface são apresentados dois tipos de painéis. O painel da direita permite que o usuário selecione os parâmetros do Gerador: Status (On/Off), Amplitude e Freqüência de modulação.
130 Os parâmetros de Amplitude (1 a 10 V) e Freqüência (10 khz a 1 MHz) podem ser selecionados inserindo-se diretamente os valores numéricos ou utilizando-se o knob. As unidades de Amplitude (mv, V) e de Freqüência (H, khz) são selecionadas a partir do menu drop-down. No painel da esquerda são apresentados os valores atualizados dos parâmetros de operação do Gerador. Conforme mostrado na Figura (7.2), o driver do Gerador de Sinais foi componentizado em um Sub-VI. Figura 7.2: Sub-VI do Gerador de Sinais. Os parâmetros de entrada Set/Get (Sml) controlam as operações de escrita (Set) ou leitura (Get) do equipamento. Os valores que se deseja alterar no equipamento são informados pelo parâmetro Controls (Signal Generator). Um Cluster de erro pode ser passado para o equipamento a partir da entrada error in.
131 7.1.2 Chave Óptica Na Figura (7.3) é mostrada a interface desenvolvida para o controle da Chave Óptica. Figura 7.3: Interface para o controle da Chave Óptica. O usuário seleciona o canal de entrada desejado para a medida através do botão COM. Cada entrada está associada a um dos Lasers (COM1=Laser de 1310nm e COM2=Laser de 1550 nm). A legenda do lado direito exibe o canal selecionado. O canal de saída é selecionado através dos botões ("< ou"> ). Conforme mostrado na Figura (7.4), o driver da Chave Óptica foi componentizado em um Sub-VI. Figura 7.4: Sub-VI da Chave Óptica. Os parâmetros de entrada ctr - IN controlam as operações de escrita no equipamento. Os valores alterados no equipamento retornam no cluster de saída ctr - OUT.
132 7.1.3 Osciloscópio Na Figura (7.5) é mostrada a interface desenvolvida para o controle e aquisição de dados do Osciloscópio. Figura 7.5: Interface para o controle e aquisição de dados do Osciloscópio. O usuário deve selecionar a opção Run Control para iniciar a aquisição de dados ou a opção Auto Scale, que inicializa automaticamente a aquisição de dados e configura o trigger do Osciloscópio para o canal do gerador. O botão Trigger permite que o usuário selecione outro canal para realizar o trigger. Os controles analógicos permitem que o usuário selecione o canal a ser visualizado. O canal 1 é destinado à entrada LF/BNC do Gerador de Sinal e o canal 2 é destinado ao sinal óptico modulado na saída do Fotodetector (PIN). Para cada canal, os parâmetros de Vertical Range e Vertical off-set podem ser selecionados inserindo-se diretamente os valores númericos ou através dos knobs.
133 um Sub-VI. Conforme mostado na Figura (7.6), o driver do Osciloscópio foi componentizado em Figura 7.6: Sub-VI do Osciloscópio. Os parâmetros de entrada Set/Get (Sml) controlam as operações de escrita (Set) ou leitura (Get) do equipamento. Os valores que se deseja alterar no equipamento são informados pelo parâmetro Cluster Front Panel (in). O parâmetro Command indica o comando que se deseja executar no driver. Os comandos válidos são: Auto Scale, Trigger, Channel, Vertical Range e Vertical Off-Set. Esse parâmetro foi utilizado em função da existência de Race Condition nas operações de leitura e escrita dos Clusters de entrada e saída. Alternativamente, um cluster de erro pode ser passado para o equipamento a partir da entrada error in.
134 7.1.4 Analisador de Espectro Óptico (OSA) Na Figura (7.7) é mostrada a interface desenvolvida para controle do OSA. Figura 7.7: Interface para o controle e aquisição de dados do OSA. O usuário tem a possibilidade de iniciar a aquisição de dados a partir do botão (Aquisition On/Off ), selecionar o comprimento de onda central, os valores de span das diversas componentes do sinal óptico, alterar os valores do modo/escala de operação (log ou linear) e exibir a aquisição correspondente ao comprimento de onda central ajustado. Conforme mostrado na Figura (7.8), o driver do OSA foi componentizado em um Sub-VI. Figura 7.8: Sub-VI do OSA.
135 Os parâmetros de entrada Set/Get (OSA) controlam as operações de escrita (Set) ou leitura (Get) do equipamento. Os valores que se deseja alterar no equipamento são informados pelo parâmetro Cluster Span/Center WL. O parâmetro Atenuador (dbm) indica o valor de atenuação que será somado/subtraído ao sinal do OSA. O parâmetro Mode indica o modo de operação (Linear ou Log). Durante processamento, o Sub-VI apresenta o resultado no indicador Cluster Front Panel OSA. Valores de máximos e mínimos são atribuídos respectivamente em Xmim,Ymim, Xmax e Ymax. Alternativamente, um Cluster de erro pode ser passado para o equipamento a partir da entrada error in.
7.2 Interface Gráfica de Usuário para Realização do Experimento. 136 A interface gráfica de usuário (GUI) para a realização do experimento é dividida em duas guias: Análise dos Canais e Curva de Resposta em Freqüência. A guia Análise dos Canais, mostrada na Figura (7.9), é utilizada para analisar qualitativamente as formas de onda e os espectros dos sinais ópticos transmitidos correspondentes a cada canal (1310 ou 1550 nm), utilizando respectivamente o Osciloscópio ou o OSA. Figura 7.9: Guia Análise dos Canais. O usuário seleciona a freqüência e a amplitude do sinal de modulação a ser fornecido pelo Gerador de Sinais, bem como o canal de entrada (1310 ou 1550 nm) e o canal de saída (OSA ou Osciloscópio) utilizando o controle da Chave Óptica. Para iniciar a medida, o usuário pressiona o botão Medir. No canto superior direito é exibida a forma de onda (Osciloscópio) ou o espectro (OSA) do sinal óptico transmitido e no canto inferior direito é exibido um diagrama indicando o status dos componentes durante a medida (indicadores em verde).
137 A guia Curva de Resposta em Freqüência é utilizada para medir a potência dos sinais ópticos transmitidos correspondentes a cada canal (1310 ou 1550 nm) em função da freqüência de modulação para uma dada amplitude de modulação, utilizando o Osciloscópio. O usuário pode selecionar dois modos de operação: Manual ou Automático. No modo Manual, o usuário executa as medidas uma por vez, selecionando um a um os valores de freqüência de modulação a ser fornecido pelo Gerador de Sinais. No modo Automático, o usuário define previamente um intervalo de freqüências de modulação (valor inicial e valor final) e o valor do incremento (passo). Ao clicar no botão Iniciar Medida esses valores são inseridos na tabela e as medidas são executadas automaticamente em seqüência. Nas Figuras (7.10) e (7.11) são mostradas respectivamente as interfaces correspondentes ao modos Manual e Automático. Figura 7.10: Guia Curva de Resposta em Freqüência - Modo Manual.
138 Figura 7.11: Guia Curva de Resposta em Freqüência - Modo Automático. Em ambas as interfaces, no canto superior direito é exibida a forma de onda do sinal (Osciloscópio) e no canto inferior direito é exibida a curva de resposta em freqüência obtida.
139 7.3 Arquitetura do Sistema Desenvolvido O sistema desenvolvido com o software LabVIEW para o WebLab descrito neste trabalho utiliza uma arquitetura baseada na combinação de dois tipos de Design Patterns da NI: o State Machine Diagram eoproducer/consumer (Events). Essa arquitetura reflete um modelo recorrente da Teoria de Sistemas Operacionais (TANENBAUN; WOODHULL, 1997) e de problemas computacionais que lidam com Race Conditions (CARR et al., 2005). Conforme esquematizado na Figura (7.12), o sistema integra duas estruturas distintas e interligadas que operam em conjunto: Máquina de Estados e Produtor/Consumidor (Eventos). O fluxo de dados entre as duas estruturas é estabelecido por meio de mensagens tipificadas em Clusters/Controls. Figura 7.12: Arquitetura do Sistema desenvolvido para o WebLab com o software LabVIEW. A estrutura Máquina de Estados permite separar regras triviais - tais como inicialização, agrupamento de variáveis (botões, controles de edição e outros objetos visuais), configuração das telas (GUI s) de intrumentos e medidas - das operações de processamento e tratamento de eventos do sistema.
140 A Figura (7.13) apresenta as principais transições da estrutura Máquina de Estados implementada para o WebLab descrito neste trabalho. Figura 7.13: Transições da Estrutura Máquina de Estados implementada para o WebLab. À medida que transições válidas (reconhecidas) ocorrem, a Máquina de Estados evolui para um novo grupo de processamentos. Cada grupo de processamento/tarefa é representado por t i, onde i,0 <= i <= 7. Cada transição válida é dada pelos rótulos das setas de orientação entre os balões (Initialize Variable, GUI, Manual Meansure, Remote Means, Setup OSA, Setup OSC., Setup Switch, Setup Generator). A Máquina de Estados prevê dois tipos de terminadores (estados finalizadores): Init (balão verde) e Stop (balão vermelho). Cada transição default mantém o processamento dentro do looping de eventos do processo local. A estrutura Produtor/Consumidor (Eventos) permite a separação entre o tratamento de eventos da interface e a alta taxa de processamento de instrumentos como o OSA e o Osciloscópio.
141 A Figura (7.14) mostra um exemplo de Diagrama de Blocos correspondente à estrutura Produtor/Consumidor (Eventos) implementada neste trabalho. Figura 7.14: Estrutura Produtor/Consumidor (Eventos): Troca de Mensagens Produtor para Consumidor. A parte superior do diagrama é um laço do tipo while, no qual o produtor recebe e produz uma mensagem a partir de uma FILA previamente criada. Uma FILA é utilizada em função da necessidade do produtor poder tratar um número arbitrário de eventos. Dessa forma, o primeiro laço fica esperando um evento ocorrer e, à medida que um evento ocorre, um sinal é inserido na FILA e propagado para o laço consumidor. Como a FILA é uma região compartilhada entre os dois laços, apenas um dos laços pode ler/escrever a cada operação. No exemplo exibido na figura é passado um dado do tipo String, mas qualquer tipo de dado pode ser passado.
142 Com o objetivo de minimizar o número de laços no Diagrama de Blocos e fornecer um feedback para o processo produtor, o laço inferior (consumidor) foi ajustado para propagar uma mensagem para o processo produtor. Essa mensagem é recuperada a partir do evento User Event no laço produtor. Esse comportamento é apresentado na Figura (7.15). Figura 7.15: Estrutura Produtor/Consumidor (Eventos): Troca de Mensagens Consumidor para Produtor. Uma vez recuperada a mensagem no primeiro laço, um if pode ser utilizado para escolher a ação a ser executada e, se for o caso, disparar uma nova mensagem (inserir na FILA).
143 A Figura (7.16) mostra um trecho do código relativo à estrutura Produtor/Consumidor (Eventos) para o comando de Auto Scale do Osciloscópio. Figura 7.16: Estrutura Produtor/Consumidor (Eventos): Troca de Mensagens Produtor para Consumidor (Auto Scale do Osciloscópio). O laço produtor possui uma estrutura do tipo stack sequence para definir a ordem de operação. A primeira etapa na seqüência é configurar as FGV s (Function Global Variables) "Set Pan" e "OSC", ambas variáveis do tipo semáforo que são utilizadas para evitar Race Condition. A primeira, "Set Pan", habilita ou não a escrita na variável que representa o Front Panel do Osciloscópio. A segunda, "OSC", interrompe o laço de aquisição do Osciloscópio caso esteja em operação. Os controles do Front Panel (Auto Scale e Run Control) são ajustado para as opções True e False na segunda etapa. A última fase de execução é montar (bundle) os comandos Start Osciloscope e Auto Scale em um Cluster e inserir na FILA para o consumidor processar os dois comandos. Ao receber o cluster com os dois comandos, o consumidor desmonta (unbundle) o conteúdo da FILA, verifica o tipo de comando recebido e atualiza o equipamento.
144 É importante notar que os valores no display do Osciloscópio são atualizados apenas após o consumidor disparar um evento do tipo Running para o produtor. A utilização da arquitetura descrita acima possibilitou o desenvolvimento de um sistema para o WebLab que apresenta boas práticas de programação (Escalável, Legível e Mantenível), além do tratamento rápido de eventos e/ou alta taxa de processamento entre um grande número de instrumentos, permitindo otimizar o processo de automação e execução remota do experimento.
145 8 CONCLUSÃO Neste trabalho foi desenvolvido um WebLab para o estudo e caracterização de um sistema WDM de dois canais (1310 nm e 1550 nm), destinado a apoiar e complementar atividades em cursos de Comunicações Ópticas presenciais e a distância. O WebLab é integrado a um ambiente virtual de ensino-aprendizagem implementado com o software MOODLE, através de um novo módulo de atividades, denominado Módulo WebLab, desenvolvido pelo grupo do Laboratório e Fotônica Mackenzie utilizando-se scripts PHP e componentes do próprio ambiente MOODLE. Visando ganhar maior familiaridade com a montagem do sistema WDM de dois canais (1310 nm e 1550 nm) utilizada no experimento remoto implementado, foram realizadas simulações da medida da BER do sistema utilizando-se o software VPI. Essas simulações permitiram analisar a influência dos parâmetros e características do sistema com relação à qualidade dos sinais transmitidos, através da medida da Taxa de Erro de Bits (BER). A partir do aplicativo de simulação desenvolvido com o software VPI, foi gerado um dynamicdatasheet (DDS) utilizando-se o software VPIplayer. Esse aplicativo foi incorporado ao ambiente virtual de ensino-aprendizagem, permitindo a realização de simulações mesmo por usuários que não possuem o software VPI instalado em seus computadores. Para a realização dos experimentos remotos foram desenvolvidos drivers e interfaces gráficas de usuário (GUI s) com o software LabVIEW, utilizando-se uma arquitetura baseada na combinação de dois tipos de Design Patterns da NI: o State Machine Diagram eoproducer/consumer (Events). Essa arquitetura possibilitou o desenvolvimento de um sistema para o WebLab que permite a separação entre o tratamento de eventos da interface e a alta taxa
146 de processamento de instrumentos como o OSA e o Osciloscópio, otimizando o processo de automação e execução remota do experimento. Foram realizadas medidas locais para a caracterização dos lasers utilizados no sistema e medidas remotas para análise qualitativa das formas de onda e espectros dos sinais ópticos transmitidos com modulação analógica direta de corrente dos lasers e para determinação das Curvas de Resposta em Freqüência em cada canal. A principal difuculdade encontrada referese à limitação de opções dos equipamentos utilizados. Futuramente pretende-se incorporar equipamentos mais sofisticados, possibilitando uma caracterização mais completa do sistema.
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