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Ficha Proyecto I.E. 2008-2009



Extensión del laboratorio de simulación hardware mediante la elaboración de una biblioteca de ejemplos y la incorporación de acceso remoto

Coordinador(a): María Luisa López Vallejo
Centro: ETSI TELECOMUNICACION
Nivel: A. Grupos de Innovación Educativa
Palabras clave:
  • Desarrollo de TIC's
  • Elaboracion material docente
  • Moodle
  • Simuladores/Laboratorios virtuales
  • Uso de TIC
Miembros de la comunidad UPM que lo componen
Nombre y apellidos Centro Plaza *
Álvaro Araujo Pinto ETSI TELECOMUNICACION PRF.AYUD.DOCTOR
Javier Ferreiros López ETSI TELECOMUNICACION TITULAR UNIVERSIDAD
María Luisa López Vallejo ETSI TELECOMUNICACION TITULAR UNIVERSIDAD
Juan Manuel Montero Martínez ETSI TELECOMUNICACION TITULAR UNIVERS. INTERINO
Rubén San - Segundo Hernández ETSI TELECOMUNICACION TITULAR UNIVERS. INTERINO
Andrés Santos Lleó ETSI TELECOMUNICACION TITULAR UNIVERSIDAD
Álvaro de Guzmán Fernández ETSI TELECOMUNICACION TITULAR UNIVERSIDAD
Ángel Fernández Herrero ETSI TELECOMUNICACION PROFESOR ASOCIADO
José Manuel Moya Fernández ETSI TELECOMUNICACION PRF.AYUD.DOCTOR
Pablo Ituero Herrero ETSI TELECOMUNICACION BECARIO INVESTIGACIÓN
Gabriel Caffarena Fernández ETSI TELECOMUNICACION PROFESOR AYUDANTE
María Jesús Ledesma Carbayo ETSI AERONAUTICOS TITULAR UNIVERS. INTERINO
Carlos Alberto López Barrios ETSI TELECOMUNICACION CATEDRATICO UNIVERSIDAD
Miguel Ángel Sánchez García ETSI TELECOMUNICACION TITULAR UNIVERSIDAD
Ricardo de Córdoba Herralde ETSI TELECOMUNICACION TITULAR UNIVERSIDAD
* La plaza que se muestra corresponde a la ocupada en el momento de la convocatoria
(para PDI/PAS de la UPM, en el resto de casos no se especifica).
Lineas de trabajo principales en las que incide
Línea 3. Mejora del proceso educativo a nivel de asignaturas de grado y postgrado
- Desarrollo de material docente para la Red
Descripción del desarrollo y las fases
RESUMEN DEL PROYECTO

Este proyecto busca profundizar en el conocimiento que adquieren los alumnos de Ingeniería de Telecomunicación en electrónica. Con esta motivación se plantea un doble objetivo: por un lado, proporcionar acceso remoto a un laboratorio de diseño y simulación de circuitos, y por otro lado, el desarrollo de material docente que permita que alumnos de asignaturas teóricas de electrónica analógica pongan en práctica los conocimientos adquiridos mediante la simulación de una biblioteca de circuitos básicos.


OBJETIVOS DEL PROYECTO

Un primer objetivo que se plantea en este proyecto es proporcionar acceso remoto con capacidad gráfica a la red de ordenadores Linux del laboratorio docente para simulación hardware disponible en el Departamento de Ingeniería Electrónica, de forma que puedan emplearse a través de Internet las herramientas de simulación disponibles. Son requisitos adicionales de esta conexión la seguridad, verificación de identidad y facilidad de instalación del software necesario en el lado cliente. Asimismo, es necesario diseñar e implementar una página Web que permita obtener un acceso limitado a la aplicación desarrollada, evitando la necesidad de la conexión segura. Además, deberá incluir gestión de reservas, información de ayuda, soporte de consultas on-line y foro, etc. Para este objetivo se empleará la plataforma de libre distribución Moodle facilitada por la UPM.

En segundo lugar se propone la elaboración de material docente especial para la enseñanza a distancia, consistente en una biblioteca de ejemplos de simulación analógica que sirva para ilustrar a los alumnos de Ingeniería de Telecomunicación el funcionamiento real de los circuitos electrónicos. Se realizará una cuidada selección de ejemplos que sirvan para dos tipos de alumnos diferentes:

· Alumnos de asignaturas troncales que deseen profundizar en los conocimientos de electrónica analógica que se imparten en clase sólo a nivel teórico.

    • Alumnos de primer ciclo matriculados en la asignatura CEAN.
    • Alumnos de segundo ciclo matriculados en la asignatura DCSE.

·     Alumnos de asignaturas de la especialidad Electrónica:

    • Alumnos matriculados en la asignatura MCRE, en la que se estudia el diseño full-custom de circuitos electrónicos CMOS.
    • Alumnos matriculados en el laboratorio LDIM, donde se realiza la simulación de circuitos CMOS. Este laboratorio se utiliza como base para todo el proyecto.

Los alumnos se podrán conectar a través de una aplicación Web a los ordenadores del Laboratorio de Diseño Microelectrónico (LDIM) y solicitar la simulación de alguno de los elementos predefinidos de la biblioteca, cambiando alguno de los parámetros que se ofrecen como modificables. Con esto el alumno puede ver cuál es el funcionamiento real de los circuitos y cómo les afectan algunos parámetros básicos sin necesidad de disponer del simulador.

Finalmente, se debe elaborar una documentación extensa de la biblioteca de diseños ofertada, de forma que facilite el auto-aprendizaje del alumno y estimule su interés por la electrónica. Esta documentación debe adaptarse al nivel de formación que tiene cada uno de los alumnos a los que está dirigido el proyecto.

 

JUSTIFICACION DEL PROYECTO

En primer lugar se describirán las asignaturas afectadas por la propuesta, en el mismo orden en que se cursan en la titulación:

1.  CEAN (Circuitos Electrónicos Analógicos)

6 créditos, 2er semestre, 1er ciclo, 2er curso, obligatoria, unos 250 alumnos, descriptor BOE: Circuitos electrónicos analógicos: amplificadores, sistemas realimentados, osciladores, fuentes de alimentación, subsistemas analógicos integrados. Diseño y construcción de circuitos analógicos. 

Esta asignatura tiene como objetivo cubrir la fase formativa inicial sobre Electrónica Analógica que debe tener el Ingeniero de Telecomunicación, dotando al alumno de una visión y capacidad de análisis rápido de circuitos Electrónicos con y sin realimentación. Está por tanto muy basada en el análisis de circuitos, pero prepara al alumno para el diseño o síntesis de los circuitos analógicos más frecuentes con transistores y sobre todo con Amplificadores Operacionales, que a día de hoy serían los componentes básicos del diseño analógico generalista para recogida, acondicionamiento y amplificación de señales.

La asignatura se basa en desarrollar aproximaciones que permitan hacer cálculos sencillos (manuales) en etapas básicas y configuraciones sencillas, así como prever los resultados que dará un simulador tipo Spice al cambiar determinados componentes por ejemplo. El alumno sabe qué componente tiene que variar para obtener cierto resultado, antes de hacer una simulación Spice y no a la inversa, donde a base de variar componentes ciegamente y hacer muchas simulaciones, podría llegar a una idea aproximada sobre la influencia de tal componente en el resultado que interesa. 

2.  DCSE (Diseño de Circuitos y Sistemas Electrónicos)

6 créditos, ambos semestres, 2º ciclo, 4º curso, troncal, más de 400 alumnos, descriptor BOE: Herramientas software para el diseño de circuitos integrados y sistemas electrónicos, circuitos híbridos, etc. Sistemas especiales para el tratamiento de la información.

 Esta asignatura pretende completar lo que se podría denominar formación básica en electrónica del Ingeniero de Telecomunicación. Por una parte, se complementan aspectos generales dentro de la enseñanza de la electrónica, que se derivan de la docencia en asignaturas previas. Por otra, se incorporan otros aspectos esenciales, sin los cuales no se concibe el diseño electrónico actual, como son:

· Los conceptos involucrados en el diseño electrónico, tanto analógico como digital, con un nivel de abstracción medio-alto y su impacto en las decisiones de diseño.

· Las alternativas de implementación existentes, identificando sus ventajas e inconvenientes y factores de compromiso, introduciendo de forma destacada los dispositivos lógicos programables.

· Las metodologías y herramientas de diseño, abordando también las fases de verificación y test, y hablando de los lenguajes de descripción hardware. 

3.  MCRE (Microelectrónica)

6 créditos, 2º semestre, 2º ciclo, 4º curso, optativa, unos 25 alumnos, descriptor BOE: Materias relativas al diseño electrónico, tales como: microelectrónica, diseño electrónico asistido por ordenador.

Esta asignatura proporciona a los futuros diseñadores de sistemas hardware o software o ingenieros microelectrónicos una visión que cubra desde los aspectos de diseño de sistemas hasta los de trazado físico, pasando por sus circuitos y bloques componentes, fundamentalmente centrados en tecnología CMOS, que es la más utilizada hoy en día para el diseño de circuitos de aplicación específica. Se realiza también una introducción básica a las estructuras y procesos tecnológicos necesarios en la labor de diseño de circuitos integrados.

4. LDIM (Laboratorio de Diseño Microelectrónico)

4 créditos, 2º semestre, 2º ciclo, 5º curso, optativa, unos 25 alumnos, descriptor BOE: Laboratorio relacionado con los aspectos prácticos de las materias del área de especialidad.

El Laboratorio de Microelectrónica constituye el complemento práctico de la asignatura MCRE (cuarto curso, P94). Introduce al alumno en el conjunto de herramientas CAD habitualmente empleadas en diseño full-custom de circuitos integrados. El objetivo final consiste por tanto en la realizacion práctica de un diseño completo de un circuito relativamente complejo empleando herramientas CAD comerciales para diseño full custom, todas ellas de Cadence:

    • Edición y síntesis de trazados: Virtuoso XL
    • Verificción de trazado (DRC): Diva
    • Extracción de parámetros y simulación.

El laboratorio docente para la simulación hardware del Departamento cuenta con un número limitado de puestos de trabajo presenciales, todos equipados con un PC con sistema operativo Linux y software de diseño y simulación de circuitos electrónicos (Cadence con Spectre/Spice). Estos puestos están destinados principalmente a la enseñanza en la Especialidad de Electrónica a través de asignaturas como LDIM o LCSE, ya que su alto coste no permite que sean empleados en asignaturas con elevado número de alumnos, como sucede en la troncalidad de la titulación.

De acuerdo con la situación descrita, la justificación del proyecto puede realizarse en los siguientes términos: 

  1. Como ya se ha dicho, en CEAN se hace un planteamiento exclusivamente teórico y manual de análisis y diseño de circuitos, por lo que puede resultar de gran interés para los alumnos de esta asignatura tener acceso no sólo a recursos de simulación, sino también a una biblioteca de ejemplos que validen la teoría vista en clase.

  1. En DCSE, a diferencia de lo que sucede en otros centros, donde las cuatro horas semanales de esta asignatura se dividen en dos teóricas y otras dos de prácticas con herramientas reales, esta aproximación es compleja en nuestro caso por el elevado número de alumnos que la cursan.

El proyecto abrirá la posibilidad para que todos los alumnos interesados puedan disponer de un acceso remoto a biblioteca de células para simulación en el laboratorio de simulación hardware. El acceso será limitado, en el sentido de que no se permitirá reslizar cualquier tipo de simulación en las máquinas del laboratorio, sino que se ofertará una galería de ejemplos similares a los vistos en clase.

  1. En MCRE se realiza un estudio en profundidad del diseño full-custom de circuitos CMOS, cuyo funcionamiento se ve a nivel teórico. La biblioteca de células básicas analógicas se puede ampliar para que incluya lo que pueden ser elementos de una biblioteca de puertas básicas CMOS: registros, sumadores, puertas lógicas, etc. En este caso, al diseñarse al nivel de transistor es necesario simular con simulador analógico, como lo que se propone en este proyecto.

  1. LDIM es un laboratorio de especialidad para el diseño y simulación de circuitos full-custom, como los que se ven a nivel teórico en MCRE, destinado a alumnos del último curso de la titulación. Si bien el número de alumnos no es elevado, es habitual que resulte difícil cuadrar sus horarios porque muchos tienen ya variadas responsabilidades. El proyecto les facilitará acceso remoto directo a la red del laboratorio docente para que puedan emplear el software de diseño disponible con licencia. Esto supone una mayor flexibilidad para ellos, lo que habitualmente incrementa su motivación por la asignatura.

Para ser efectivas, las ideas anteriores deben combinarse con el desarrollo de una aplicación de gestión de reservas que permita ordenar en el tiempo el acceso a los puestos de laboratorio y herramientas, hasta completar en lo posible la máxima ocupación teórica de 24 horas al día. Esta plataforma ofrecerá un mayor acceso a los recursos docentes, rentabilizando de forma significativa la disponibilidad de los puestos de diseño y simulación hardware.

Motivos que justifican por tanto su realización son:

  1. Mejora de forma significativa el aprovechamiento de los recursos docentes de parte de las asignaturas o laboratorios actuales.
  2. Permite la enseñanza de la electrónica no presencial, sirviendo de ayuda al alumno en las horas de estudio fuera de la Universidad.
  3. La documentación que se genere, que estará disponible en red, debe permitir el autoestudio y autoevaluación.de los alumnos para saber su nivel de preparación.
  4. La documentación realizada se puede utilizar en el caso de que las asignaturas involucradas dejen de impartirse, pero se mantengan alumnos residuales. Esto es posible dado que estamos involucrados en la actualidad en la elaboración de nuevos planes de estudios.
  5. Obviamente, la propuesta presenta una gran interdisciplinariedad, al abordar asignaturas de diferentes cursos y con diferentes enfoques (troncales vs. Especialidad y teóricas vs. Prácticas).

Todos los argumentos anteriores se hacen directamente extensibles a las asignaturas correspondientes de los cursos máster impartidos por el Departamento (Sistemas Electrónicos y Sistemas para Entornos Inteligentes), que son:

-        Laboratorio de Electrónica Analógica y Digital (LEAD)

-        Técnicas de Diseño Electrónico (TEDE)

-        Laboratorio de Diseño Microelectrónico (LDIM)

donde la flexibilidad es especialmente importante para los alumnos, ya que es habitual que tengan simultánamente responsabilidades laborales.

Del mismo modo, aunque no son objeto de este proyecto, se abre la posibilidad al planteamiento de asignaturas de diseño hardware a distancia incluyendo prácticas no presenciales (tipo GATE u Open Course Ware de la UPM).

FASES DEL PROYECTO

 El proyecto se ha estructurado en tres líneas de acción, coincidentes con los objetivos, que se desarrollarán a lo largo de un curso escolar.

La primera línea (elaboración de una biblioteca de diseños básicos) abordará la definición y desarrollo de un conjunto de circuitos básicos que sirvan para complementar de manera efectiva las nociones de diseño y análisis de circuitos analógicos que se explican en las asignaturas teóricas. Esta línea de trabajo se compondrá de las siguientes actividades:

1.1  Recopilación de los ejemplos básicos que se estudian en las asignaturas teóricas (CEAN, DCSE y MCRE).

1.2 Implementación de los diseños correspondientes mediante las herramientas de diseño disponibles en el laboratorio (Cadence Design Framwork). Esto implica la realización de los esquemáticos correspondientes, su simulación y verificación del correcto funcionamiento.

1.3 Elaboración de la documentación correspondiente a cada ejemplo, que incluirá: descripción tanto del circuito como de los estímulos que se le deben aplicar y los resultados que se espera obtener. La documentación ha de facilitar el auto-aprendizaje del alumno y estimular su interés por la electrónica

En la segunda línea (acceso remoto Linux) se trabajará para conseguir un acceso remoto con soporte gráfico a una máquina Linux del laboratorio. Para ello, se estudiarán las alternativas que hay actualmente, tanto de conexión (VPN, VNC, tunneling SSH), como de visualización (FreeNX y otros servidores gráficos similares) y se elegirá la más adecuada para implementarlo. Esta segunda línea se ha descompuesto en las siguientes actividades:

2.1     Estudio de alternativas de implementación.

2.2     Puesta en funcionamiento de la opción elegida en la actividad anterior.

2.3     Caracterización del acceso: velocidad, seguridad, facilidad de uso, etc.

2.4     Documentación del mismo.

Una tercera línea (interfaz Web) del proyecto aparece en paralelo con la anterior, consistente en crear una página Web para incluir todos los recursos y mejoras relacionados con el acceso remoto. Así, para el caso particular de LDIM, estos cambios supondrán una remodelación completa de la página Web de la asignatura, desde un punto de vista funcional y metodológico. Se incluirán, desde herramientas típicas de docencia a distancia (un foro, procedimientos de reserva de puestos, blogs, etc.), hasta aplicaciones particulares relacionadas con el propio laboratorio, por ejemplo el enlace a los scripts que facilitan el acceso remoto al puesto. Se utilizará la plataforma Moodle y se elegirá cuál es el mejor lenguajes de programación Web (PHP, Javascript, etc.). Esta tercera línea se ha descompuesto en las siguientes actividades:

3.1.  Elección del lenguaje de programación Web que mejor se adecúe a la plataforma seleccionada en la actividad anterior.

3.2.  Diseño de los contenidos y funcionalidades de la Web.

3.3.  Desarrollo de la Web siguiendo el diseño anterior e integrando las herramientas de simulación y el acceso remoto.

3.4.  Implementación y puesta en marcha de un plan de pruebas para la nueva Web.

3.5.  Documentación del desarrollo realizado.

Además de estas tres líneas principales, se llevarán a cabo una serie de actividades de control y seguimiento del proyecto, como labores complementarias necesarias para su correcto desarrollo. Serán las siguientes:

C.1   Seguimiento del proyecto.

C.2   Realización de una guía de auto-aprendizaje, necesaria para los alumnos que utilicen el acceso remoto al laboratorio.

C.3   Definición de mecanismos de evaluación de los resultados obtenidos y aplicación de los mismos.

C.4   Análisis de los resultados del proyecto.

C.5   Realización de un informe final.

EVALUACION DE RESULTADOS

 

El objetivo del proyecto es doble: por un lado, proporcionar acceso remoto a un laboratorio de diseño y simulación de circuitos, y por otro lado el desarrollo de material docente que permita que alumnos de asignaturas teóricas de electrónica analógica pongan en práctica los conocimientos adquiridos mediante la simulación de una biblioteca de circuitos básicos. Por ello, los principales desarrollos que se pretende abordar son los siguientes:

  • Elaboración de una biblioteca de ejemplos para su simulación, y puesta en web de los mismos.
  • Realización de una documentación extensa para los ejemplos realizados que permita facilitar su aprovechamiento.
  • Realización de una página web que sirva de interfaz para el acceso remoto a los recursos computacionales del laboratorio.

Durante todo el curso 2008-2009 se desarrollará la biblioteca de ejemplos. Por otro lado, se espera que para el segundo cuatrimestre esté disponible un primer prototipo del acceso remoto. Esto hace posible obtener resultados experimentales al implantar este primer prototipo en el segundo cuatrimestre, tales como:

  • Número de accesos realizado por los alumnos de las diferentes asignaturas. En el segundo cuatrimestre se imparten CEAN, MCRE y LDIM. Se realizarán estadísticas automáticas de utilización de los recursos disponibles.
  • Valoración de los alumnos a través de una serie de encuestas anónimas que se realizarán al final del curso.

Por otro lado, también está prevista la difusión del trabajo que se realice:

  • Redacción y envío de comunicaciones a congresos y revistas.
  • Desarrollo de patentes y registros de la propiedad intelectual.

Es importante destacar que la experiencia con alumnos será necesariamente limitada en el próximo curso, puesto que durante el mismo tendrá lugar todo el desarrollo. Como se ha mencionado, se realizará una primera experiencia con las asignaturas implicadas que se imparten en el segundo semestre, utilizando para ello un prototipo y una biblioteca de ejemplos que no estarán completamente desarrollados.