_____________________________

Alexandre Camacho Coelho, acamacho@ita.br, Tel +55-12-39476896.

Instrumentação Virtual: Uma Ferramenta naCapacitação do Guerreiro Técnico para a Avaliação

OperacionalAlexandre Camacho Coelho – 1º Ten. Esp. Com.

Div. de Engenharia Eletrônica – Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITAPça. Mal. Eduardo Gomes, 50 – Vila das Acácias, CEP 12.228.800, São José dos Campos, SP – Brasil

“ Não morro de entusiasmo pelas guerras, nem pelas verdadeiras, nem pelas fingidas. Ah! Quem dera ao Brasil, e a todo o

planeta, uma era de ouro. Toda civilização e brandura, na qual, por serem impossíveis as guerras, fossem inúteis os exércitos!

Pudessem todos os homens – são milhões e milhões – que hoje empunham espadas e carabinas e manejam em terra e no mar

formidáveis máquinas de extermínio abandonar por desnecessário e ridículo esse ofício, e ir, no amanho das terras ou na

agitação das oficinas, dedicar a sua força, a sua inteligência, a sua boa vontade, aos trabalhos da paz e do amor! ... Isso não

passa, por ora, de um sonho. Ai de nós! As guerras sucedem-se, e quem não se prepara para elas está preparando a sua

própria humilhação e a sua própria ruína! “ (Olavo Bilac)

Resumo A Avaliação Operacional pode ser entendida comoum método disciplinado de predizer e de medir, com sabidaconfiança, que um sistema funcionará como pretendido noambiente operacional previsto. Para atender as demandas destamissão, o Guerreiro Técnico deve estar capacitado a fazer aaquisição, a análise e a apresentação destas medidas deperformance de forma eficiente. Neste contexto aInstrumentação Virtual e a Instrumentação Sintética seapresentam como ferramentas poderosas, sendo apresentadoneste trabalho um projeto em andamento que visa estimular ouso dos Sistemas de Treinamento Radar e de Guerra Eletrônicaem Pesquisa no Curso de Especialização em Análise deAmbiente Eletromagnético - CEAAE e no Programa de Pós-Graduação em Aplicações Operacionais – PPGAO, através douso integrado de ferramentas de Instrumentação Virtual.

Palavras-chaves Instrumentação Virtual, InstrumentaçãoSintética, Teste e Avaliação Operacional, Ensino de GuerraEletrônica.

I. INTRODUÇÃO

A Guerra, segundo Alves[1], pode ser vista como uma formaextrema de condução da política de um Estado e o seusucesso defini-se pela consecução dos objetivos políticos enão propriamente pela destruição do inimigo. Pode-sedestacar ainda a dependência da guerra moderna em relaçãoaos recursos tecnológicos necessários as tarefas de comandoe controle, concluindo pela imperiosa necessidade dodomínio do espectro eletromagnético.

Nesta mesma linha de raciocínio, Beason[2] destacaa presença crescente da Ciência e Tecnologia (C&T) nocampo de batalha, prevendo-se que no futuro consistirá decircuitos globais no rastreamento de alvos; sensoressofisticados; combatentes conectados à informação,plataformas furtivas (stealth) aéreas, terrestres e marítimas; esistemas de armas de alta precisão conectados em rede.

Esta natureza sofisticada de C&T demanda, segundoBeason[2], a figura de um elemento humano com formaçãoespecial que concilie o conhecimento e a vivência dasnecessidades do campo de batalha com a competência em

C&T que o torne capaz de compreender e influenciar todas asfases do processo de aquisição e desta forma obter para osguerreiros o que eles precisam. Esta classe de militares, queele denomina de Guerreiros Técnicos, teria a vantagem sobreos civis (inclusive os militares da reserva) de fornecer umcontexto imediato e operacional para extrair a máximautilidade da C&T.

No contexto da Força Aérea Brasileira, Alves[1]destaca que o Comando Geral de Operações Aéreas(COMGAR), órgão central do Sistema de Guerra Eletrônicada Aeronáutica (SISGEA), identificou a necessidade debuscar a formação de excelência nos domínios da guerraatravés do ensino acadêmico no nível de pós-graduação. Estaformação deveria permitir ao Guerreiro Técnico, entre outrasrealizações, compor equipes técnicas para manter processosde aquisição e atualização dos equipamentos de GuerraEletrônica (GE).

O Curso de Especialização em Análise de AmbienteEletromagnético (CEAAE) e o Programa de Pós-Graduaçãoem Aplicações Operacionais (PPGAO), no nível de Mestradoe Doutorado, materializam a resposta encontrada para atenderesta demanda. Para apoiar estas iniciativas e permitir odesenvolvimento de atividades de pesquisa em ciência etecnologia dentro de um programa de formação de recursoshumanos e aprimoramento da base operacional, científica etecnológica do SISGEA foi inaugurado no ITA, no dia 5 demarço de 2001, o Laboratório de Pesquisa em GuerraEletrônica e Vigilância Eletromagnética da Amazônia[3].

Dentro do processo de consolidação da base derecursos humanos do SISGEA e visando tornar o ambiente deensino o mais próximo possível da realidade operacional, estelaboratório recebeu do COMGAR um conjunto deequipamentos para ensino de Guerra Eletrônica (Fig. 1) naárea de radar, denominado Radar Training System, fabricadopela Lab-Volt System, com um investimento da ordem deUS$ 200,000.00. O Grupo de Instrução Tática eEspecializada (GITE) também foi contemplado peloCOMGAR com o Radar Training System e a Escola deEspecialistas de Aeronáutica disponibilizou no Galpão do

Curso de Eletrônica praticamente todo o pacote da área deradar, bem como outros sistemas da área de telecomunicaçõese eletrônica adquiridos junto à empresa Lab-Volt.

Fig. 1. Ensino de Guerra Eletrônica no ITA.

Um guerreiro necessita de armas adequadas e nocampo técnico-científico estas armas podem e devem serforjadas de forma integrada ao seu processo de formaçãoacadêmica. Neste contexto, o computador pode se tornar umaferramenta pedagógica de amplas aplicações. Sua rápidaevolução, nas últimas décadas, tem provocado mudançassignificativas nos processos utilizados pelos profissionais dediferentes áreas na busca de soluções para os seus problemasfazendo uso da imensa capacidade e flexibilidade que omesmo proporciona [4]. A partir desta constatação cria-se aseguinte expectativa: Como extrair o máximo destasmáquinas como ferramenta de trabalho do GuerreiroTécnico?

Neste artigo mostraremos um projeto emdesenvolvimento no Laboratório de Guerra Eletrônica do ITAcomo parte de um Plano de Estudos de Mestrado do PPGAOe que denominamos de “Instrumentação Virtual Aplicada noEnsino de Guerra Eletrônica”.

II. AVALIAÇÃO OPERACIONAL

Segundo Giadrosich [5], o Teste é uma maneirasistemática de coletar dados que podem ser analisados eusados para formular indicadores sobre a performance de umcomponente, sistema ou conceito dentro de certos limites deerro. A Pesquisa Operacional seria, então, um métodocientífico usando uma abordagem formalmente estruturadacom modelos qualitativos e métodos estatísticos que ajudama avaliar os resultados dos testes. E a Avaliação seria oprocesso pelo qual são examinados os dados dos testes eindicadores, bem como quaisquer outros fatores de influênciapara que se possa chegar a um julgamento sobre a relevânciaou valor do componente, sistema ou conceito.

Atender estas demandas exige do Guerreiro Técnicohabilidades no uso de ferramentas que incorporemflexibilidade na aquisição, análise e apresentação dosresultados das medidas de performance dos componentes ousistemas.

III. INSTRUMENTAÇÃO VIRTUAL

Um sistema de instrumentação virtual (Fig. 2) é umsoftware de computador com o qual é possível desenvolverum sistema automático de teste que controle dispositivosexternos (hardware) de medida, colete dados, processe eapresente os resultados dos testes na tela do computador.

Fig. 2. Instrumento Virtual [6].

A Instrumentação Virtual tem seus primórdios nacriação do Hewlett-Packard Instrument Bus (HP-IB) no finaldos anos 60[7], que através de um cabo padrão paracomunicações digitais de curto alcance conecta dispositivoseletrônicos de teste e medida com dispositivos de controlecomo computadores. O barramento passou a ser copiado poroutros fabricantes com nome de General PurposeInstrumentation Bus (GPIB). O barramento foi padronizadopelo Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)como Interface Digital Padrão para InstrumentaçãoProgramável do IEEE em 1975 (IEEE-488-1975) e foiatualizado em 1978, sendo hoje conhecido como IEEE 488.1.

Nos anos 90, a instrumentação programável baseadanos barramentos GPIB e VXI (VME eXtensions forInstrumentation) alcançou uma grande expansão, permitindoo projeto de sistemas que combinam simulação e automaçãode medidas (Fig. 3), difundindo o conceito de InstrumentoVirtual [7-8].

Fig. 3. Simulação e Instrumentação Virtual no Projeto de Radar [8].

O Comando da Aeronáutica, consciente danecessidade de suprir os Guerreiros Técnicos comferramentas adequadas para auxiliar na avaliação dedesempenho e calibração de sensores eletrônicos embarcadosnas aeronaves utilizadas na vigilância do espaço aéreoadquiriu em 1999, a um custo aproximado de U$ 860 mil, oEmulador de Ameaças TS-100+ (Fig. 4) fabricado pelaempresa canadense Excalibur[9]. Este equipamento incorporao conceito de instrumentação virtual na geração de estímulos,emulando ambiente eletromagnético denso na faixa entre 0.5e 18 GHz. O sistema é composto de uma Estação de Trabalhobaseada em um computador IBM compatível, um emuladorTS100+, um sistema de calibração, quatro amplificadores dealta potência e três antenas tipo corneta.

Fig. 4. TS100+ Excalibur [9].

IV. INSTRUMENTAÇÃO SINTÉTICA

Pela definição do Synthetic Instrument WorkingGroup (SIWG) do Departamento de Defesa Americano(DoD)[10], um instrumento sintético é um sistemareconfigurável que une uma série de componenteselementares de hardware e software, com interfacespadronizadas, para gerar sinais ou realizar medidas usandotécnicas de processamento numérico.

A Instrumentação Sintética compartilha com aInstrumentação Virtual o conceito de sistema definido porsoftware, onde a funcionalidade do hardware genérico demedida é definida pelo software baseado nos requisitos dousuário[11]. Pela descrição de SI definida pelo SIWG (Fig. 5)seus principais componentes são: condicionadores de sinal,conversores de freqüência, conversores de dados eprocessadores numéricos.

O conceito de instrumentação sintética tem suasraízes nas bem aceitas tecnologias e técnicas por trás dosrádios definidos por software, telefonia móvel e outrossistemas de comunicação projetados atualmente[12].Segundo o SIWG, seus principais objetivos são:� redução do custo total de aquisição dos Sistemas

Automáticos de Teste;� reduzir o tempo de desenvolvimento e incorporação

destes sistemas;� prover flexibilidade através da interoperabilidade;� reduzir a logística dos sistemas de teste;� incrementar a qualidade dos testes.

Fig. 5. Diagrama de Blocos Genérico de um Instrumento Sintético[13].

V. INSTRUMENTAÇÃO VIRTUAL APLICADA NOENSINO DE GUERRA ELETRÔNICA

Em 2003, no Trabalho Individual do CEAAEintitulado: “Estudo das Potencialidades do Lab-Volt RadarTraining System no Ensino de Guerra Eletrônica no CEAAE”foi identificada a necessidade de prover o Laboratório de GE(LAB-GE) do ITA de recursos de Instrumentação Virtualvisando estimular o uso dos Sistemas de Treinamento Radar ede Guerra Eletrônica em Pesquisa no âmbito do CEAAE ePPGAO (Programa de Pós-graduação em AplicaçõesOperacionais). O TI destacava como fator favorável oaproveitamento da infra-estrutura existente no LAB-GE(Instrumentos com interface GPIB, Placa de Aquisição deSinais, Placa Controladora PCI-GPIB, Cabos GPIB eSoftware de Desenvolvimento em Linguagem Gráfica –LabVIEW) para a implementação de experimentos de GuerraEletrônica assistidos por computador. A experiênciaadquirida na aplicação de instrução prática de GE no ITA eno GITE (Fig. 6) permite vislumbrar ganhos significativospara a formação dos Guerreiros Técnicos.

Fig. 6. Instrução Prática de Guerra Eletrônica no GITE.

Baseado nesta idéia se encontra em desenvolvimentoum Plano de Estudos de Mestrado em Guerra Eletrônica noPPGAO cujo objetivo é estudar os conceitos e técnicasenvolvidas com Instrumentação Virtual e Sintética e aplicá-los no contexto da instrução prática de Guerra Eletrônica no

Curso de Especialização em Análise de AmbienteEletromagnético – CEAAE.

Algumas das metas previstas neste projeto são:� desenvolver interface (hardware) para controle por

computador do Módulo Interferidor do Sistema deTreinamento de Guerra Eletrônica da Lab-Volt;

� aproveitar a infra-estrutura existente no Laboratório deGuerra Eletrônica para a implementação de experimentosde Guerra Eletrônica assistidos por computador;

� desenvolver ferramentas (software) em LinguagemGráfica (Instrumentos Virtuais – VI) que permitam ocontrole do Módulo Interferidor do Sistema de GuerraEletrônica, do Sistema de Posicionamento de Alvos e dosInstrumentos de Medida, bem como a coleta,processamento e visualização dos dados dosexperimentos;

� estimular o uso dos Sistemas de Treinamento Radar e deGuerra Eletrônica em Pesquisa no âmbito do CEAAE ePPGAO através do uso integrado das ferramentas deInstrumentação Virtual desenvolvidas.

Dentro do Plano de Estudos proposto está sendocursada a disciplina EA253 – Projeto de Eletrônica Aplicada,onde está sendo desenvolvida uma interface para ControleRemoto Infravermelho do Módulo Interferidor Radar atravésde Instrumento Virtual no ambiente LabVIEW.

A maioria dos módulos do Sistema de TreinamentoRadar é baseada em eletrônica discreta, ou seja, não sãodisponibilizadas interfaces que permitam o controle dosparâmetros de operação utilizando um computador, sendonecessário a modificação do hardware interno para permitiresta atuação. Apenas o módulo Interferidor Radar (Fig. 7), aMesa de Posicionamento de Alvos e o Processador DigitalMTD possuem unidades de processamento atuando sobresuas funções internas. O Interferidor Radar foi escolhido emvirtude de sua importância, flexibilidade e por permitir odesenvolvimento de uma interface não intrusiva.

Fig. 7. Interferidor Radar.

O Interferidor Radar recebe os comandos deconfiguração através de um sensor infravermelho, o que abriua oportunidade para o desenvolvimento de um Transmissorde Controle Remoto Infravermelho (hardware) que secomunicasse com o computador através da porta serial(RS232). Para que o controle seja realizado de forma

integrada no ambiente de instrumentação virtual está sendonecessário o desenvolvimento de um VI (software).

O primeiro passo do projeto foi uma pesquisa naárea de sensores de infravermelho para identificar qualdispositivo deveria ser utilizado para os trabalhos dedecodificação dos Sinais de IR. O próximo passo foi montarum circuito com o sensor escolhido e na saída deste foiinserido um osciloscópio digital. A partir da análise dossinais capturados foi possível obter algumas característicasbásicas do sinal transmitido, tais como: o protocolo; taxa detransmissão de dados e a quantidade de bytes enviados deuma vez para estabelecer uma determinadaconfiguração(quadro de comando) do Interferidor Radar.

A grande extensão do quadro de comando (quatorzebytes), tornou inviável a sua decodificação(identificação dobit e do byte do quadro de comando que corresponderia adeterminada configuração do Interferidor Radar) utilizando oosciloscópio. Para tornar está tarefa exeqüível, foi projetadoum sistema composto de um receptor e um condicionador desinais (Fig. 8a). Os sinais disponibilizados na interface serialforam adquiridos com o auxílio de um Instrumento Virtualpadrão para comunicação serial(Fig. 8b). Neste InstrumentoVirtual foi realizada uma adaptação para facilitar ainterpretação da informação contida no quadro de comandotransmitido. Para testar a consistência dos sinaisdecodificados(os sinais que chegam ao computador após apassagem pelo receptor IR e conversor TTL/RS232) foiprojetado um sistema transmissor (Fig. 8c) que recebe oscomandos do VI Serial adaptado e envia os sinais IR para oInterferidor Radar, alterando a sua configuração. A Fig. 8dapresenta o dispositivo experimental desenvolvido em proto-o-board para a decodificação e teste dos comandos.

Fig. 8. a) Dispositivo Experimental utilizado na Decodificação dos Sinais deIR. b) Painel Frontal do VI Serial Adaptado. c) Diagrama de Blocos doSistema de Aquisição dos Sinais de Comando. d) Diagrama de Blocos doSistema de Teste dos Sinais Decodificados.

Está em desenvolvimento o Instrumento Virtual queserá responsável por enviar os comandos de controle doInterferidor Radar através da interface de comunicação serial.A Fig. 9 apresenta a aparência inicial do Painel Frontal do VI.Serão necessários maiores estudos sobre a Programação emLinguagem Gráfica usando software de desenvolvimentodisponível (LabVIEW).

Fig. 9. Painel Frontal do VI do Controle Remoto: Versão Preliminar.

Estão sendo realizados também estudos sobreprogramação de microcontroladores PIC visando o projeto dohardware e firmware do Controle Remoto.

Além do controle direto do Interferidor Radar, existea possibilidade de desenvolvimento de Instrumentos Virtuaiscom comandos adaptados para o controle do instrumentaldisponível no Laboratório de GE e que de forma indiretapermitiriam o controle de parâmetros de operação dosSistemas de Treinamento. O Controlador do Sistema dePosicionamento de Alvos, por exemplo, possui duas entradasde tensão (eixos X e Y) que permitem determinar a posiçãodo alvo em função da tensão aplicada, o que abre aperspectiva de integração do controle de posição do alvo nosistema de instrumentação virtual utilizando as fontesprogramáveis com interface GPIB disponíveis no laboratório.

O Sistema de Treinamento de Radar de Rastreio(Fig. 10) disponibiliza em seus módulos vários pontos detomada de sinal que permitem que sejam avaliados os efeitosdas técnicas de MAE (Medidas de Ataque Eletrônico)aplicados pelo Sistema Interferidor, bem como os efeitos dastécnicas de MPE (Medidas de Proteção Eletrônica) realizadaspelo processamento de sinais no Radar de Rastreio.

Fig. 10. Sistema de Treinamento de Radar de Rastreio e Instrumentação.

Para coleta de dados os instrumentos básicos cominterface GPIB disponíveis são o Analisador de Espectro, o

Osciloscópio Digital e o Frequencímetro Digital. O ScannerProgramável com interface GPIB permite que de formatotalmente integrada ao ambiente de instrumentação virtual,dezoito pontos de tomada de sinal possam ser monitoradospor quatro diferentes instrumentos de medida.

VI. CONCLUSÃO

Este artigo procurou evidenciar a importância dedisponibilizar ao Guerreiro Técnico um ambiente deformação acadêmica com ferramentas tecnológicas que lheforneçam flexibilidade na aquisição, processamento eapresentação de sinais representativos das variáveis deperformance de Sistemas de Guerra Eletrônica. Foramtambém apresentadas as primeiras realizações bem sucedidasdirecionadas a atender este objetivo. Esperamos que odomínio destas habilidades aumente a confiança dosGuerreiros Técnicos na sua capacidade para unir a teoria e aprática na pesquisa em Guerra Eletrônica.

REFERÊNCIAS

[1] ALVES, Fabio D. P. Pós Graduação Strictu Sensu em Guerra Eletrônicano ITA: Proposta de Implantação. Spectrum, Brasília, n. 1, 2000.Disponível em: < http://www.ele.ita.br/ceaae/Artigo%20do%20Maj.%20Durante%20_%20Spectrum01_Janeiro_2000.pdf>. Acesso em: 10jan. 2005.

[2] BEASON, J. Douglas. A necessidade de Guerreiros Técnicos. AirspacePower Journal: Em Português. 2001. Disponível em: < http://www.airpower.maxwell.af.mil/apjinternational/apj-p/3tri01/beason.htm>.Acesso em: 20 mai. 2003.

[3] Inaugurado Laboratório de Pesquisa em Guerra Eletrônica e VigilânciaEletromagnética da Amazônia: Página da Internet. Disponível em:<http://www.sivam.gov.br/INFO/un_10.htm> . Acesso em: 20 mai.2003.

[4] CAVALCANTE, Marisa Almeida et al. Proposta de um LaboratórioDidático em Microescala Assistido por Computador para o Estudo deMecânica. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 21, n. 2, São Paulo.1998. P. 127-135. Disponível em: <http://www.sbfisica.org.br/rbef/Vol21/Num1/v21_127.pdf> . Acesso em: 20 fev. 2004.

[5] GIADROSICH, Donald L. Operations Research Analysis in Test andEvaluation. Washington: American Institute of Aeronautics andAstronautics, 1985. 367 p.

[6] LAB-VOLT. Catálogo de Produtos. 2001[7] NATIONAL INSTRUMENTS. History of GPIB: Página da Internet.

Disponível em: <http://zone.ni.com/devzone/conceptd.nsf/webmain/1DF3ADFEBDFB9F77862567C300782C11>Acesso em: 17 out. 2005.

[8] LEISS, David. Microwave chirp radar design: combining virtual andphysical hardware performance analysis. RF Design. Aug. 2003.Disponível em: <http://rfdesign.com/images/archive/308RF_Leiss14.pdf>. Acesso em: 17 out 2005.

[9] Ensino e Pesquisa em Defesa Eletrônica no ITA: Página da Internet.Disponível em: <http://www.ita.br/online/2003/noticias03/excalibur/defesaeletronica.htm>. Acesso em: 17 out 2005.

[10] STRATTON, John. Surveying Synthetic Instruments for Defense.Microwaves & RF. Feb. 2005. Disponível em: <www.mwrf.com/Articles/ArticleID/9795/ 9795.html> . Acesso em: 17 out 2005.

[11] NATIONAL INSTRUMENTS. Virtual Instrumentation and TraditionalInstruments. Página da Internet. Disponível em: <http://zone.ni.com/devzone/conceptd.nsf/webmain/446E90868BEE72DD86256FEE003FF6F4 > . Acesso em: 17 out 2005.

[12] ROZNER, Marvin. NxTest and the development of syntheticinstrumentation. Defense Electronic. Feb. 2005. pp. 6-10. Disponívelem: <http://rfdesign.com/ar/0205rfdefensef1.pdf>. Acesso em: 17 out2005.

[13] QUINNELL, Richard A. Choosing a PXI digitizer. PXI TESTREPORT. Sep. 2005. Disponível em: <http://www.reed-electronicscom/tmworld/contents/pdf/90105ptr.pdf> . Acesso em: 17 out 2005.