UNIVERSIDAD AUTONOMA´ METROPOLITANA148.206.53.84/tesiuami/UAMI14484.pdf · Proyecto ﬁnal de...

2

UNIVERSIDAD AUTONOMA

METROPOLITANA

Unidad Iztapalapa

Proyecto final de Ingenierıa Electronica

Estructuras integradas para comunicacion

inalambrica de corto alcance

Intercomunicador inalambrico para

fraccionamientos residenciales.

Saul Vargas Leon

20 de agosto de 2008

Indice general

1. Introduccion 7

2. Planeacion y Metodologıa 192.1. Objetivos generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.2. Planeacion Mensual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.3. Metodologıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3. Etapa de diseno 213.1. Seleccion de tecnologıas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.1.1. Modulos transmisores-receptores . . . . . . . . . . . . 213.1.2. Microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.2. Diseno general del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.2.1. Planteamiento del comportamiento general . . . . . . 273.2.2. Estructura del sistema de comunicaciones . . . . . . . 273.2.3. Secuencia del funcionamiento del sistema . . . . . . . 283.2.4. Diagrama a bloques general del sistema . . . . . . . . 293.2.5. Diagrama de flujo del comportamiento del sistema . . 30

4. Implementacion 354.1. Diseno del circuito del intercom central . . . . . . . . . . . . 354.2. Diseno del circuito del intercom residencial . . . . . . . . . . 364.3. Codigo del intercom central . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.3.1. MAIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384.3.2. ESPERA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414.3.3. REINTENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.3.4. LLAMADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.3.5. RING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454.3.6. LEETECLADO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454.3.7. INT SAI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3

4 INDICE GENERAL

4.4. Codigo del intercom residencial . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.4.1. MAIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.4.2. LLAMADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524.4.3. RING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544.4.4. INT SAI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.5. Procedimiento de prueba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

Indice de figuras

1.1. Diagrama a bloques general de un sistema de comunicacion. . 8

3.1. Diagrama a bloques del transmisor HP3. . . . . . . . . . . . 233.2. Diagrama a bloques del receptor HP3 . . . . . . . . . . . . . 243.3. Configuracion del sistema de comunicaciones . . . . . . . . . 283.4. Diagrama a bloques general del sistema . . . . . . . . . . . . 293.5. Diagrama de flujo del comportamiento del transmisor. . . . . 323.6. Diagrama de flujo del comportamiento del receptor. . . . . . 33

4.1. Conexion electrica del intercom central. . . . . . . . . . . . . 364.2. Conexion electrica del intercom residencial. . . . . . . . . . . 374.3. Pagina 1 del codigo para el intercom central. . . . . . . . . . 404.4. Pagina 2 del codigo para el intercom central. . . . . . . . . . 424.5. Pagina 3 del codigo para el intercom central. . . . . . . . . . 444.6. Pagina 4 del codigo para el intercom central. . . . . . . . . . 464.7. Pagina 5 del codigo para el intercom central. . . . . . . . . . 484.8. Pagina 6 del codigo para el intercom central. . . . . . . . . . 494.9. Pagina 1 del codigo para el intercom residencial. . . . . . . . 514.10. Pagina 2 del codigo para el intercom residencial. . . . . . . . 534.11. Pagina 3 del codigo para el intercom residencial. . . . . . . . 554.12. Pagina 4 del codigo para el intercom residencial. . . . . . . . 57

5

6 INDICE DE FIGURAS

Capıtulo 1

Introduccion

A traves de la evolucion del hombre y dado su comportamiento social,la necesidad de comunicarse con los de su especie se ha tratado de resolverde muchas y nuevas formas, de tal forma que han surgido diversas disci-plinas que se encargan de buscar dichas soluciones desarrollando nuevastecnologıas.

Radiofrecuencia

Una parte que juega un papel muy importante en el surgimiento de estasnuevas tecnologıas es la radiofrecuencia. La palabra radiofrecuencia, o RF,se aplica a la porcion del espectro electromagnetico en el que se puedengenerar ondas electromagneticas aplicando corriente alterna a una antena[1] . La radiofrecuencia es utilizada para trasmitir informacion mediante laalteracion de dichas ondas, sin necesidad de un conductor fısico visible comolo serıa un cable, para explicar esto hablaremos un poco sobre los sistemasde comunicacion.

Sistema de Comunicaciones

Un sistema de comunicaciones consta fundamentalmente de 3 bloquescomo podemos observar en la figura 1.1

El canal es el medio fısico de enlace entre el transmisor y el receptor yeste puede ser una lınea, un cable coaxial, el vacıo, el agua o en nuestro casoel aire. En el se presentan la mayorıa de los problemas en la transmisionde informacion, ya que como podemos observar en la figura 1.1 durante su

7

8 CAPITULO 1. INTRODUCCION

Figura 1.1: Diagrama a bloques general de un sistema de comunicacion.

viaje al receptor la informacion puede ser modificada por la presencia deperturbaciones, las limitaciones en ancho de banda, la perdida de ganancia,la atenuacion de la senal o mensaje, los retardos, el ruido e interferenciasdebidas a otras senales de informacion transmitidas a traves del mismo ca-nal y en el mismo rango espectral entre otras. Tanto el transmisor como elreceptor modifican la senal de informacion a fin que esta supere eficiente-mente las limitaciones del canal y/o haga un uso eficiente del mismo paraobtener ası a la salida del receptor una senal que tenga el mismo contenidode informacion que la senal enviada por el transmisor.

Intercomunicador inalambrico para fraccionamien-tos residenciales.

En fraccionamientos residenciales, siempre es necesario mantener unacomunicacion constante entre vecinos y de manera mas importante con lacaseta de vigilancia, la cual se encuentra siempre a la entrada del estaciona-miento o puerta peatonal de dicho fraccionamiento.

En la actualidad existen diversos dispositivos de intercomunicacion di-senados especialmente para cubrir la necesidad esencial de comunicar, perogeneralmente requieren de una instalacion de cableado que no siempre esfacil de adecuar al lugar. En cambio un intercomunicador inalambrico ofreceuna instalacion mucho mas sencilla, ya que solo requerirıa de una pequenaantena y alimentacion de corriente alterna, evitando el consumo de recursos,especıficamente hablando, cables.

Es posible tambien el ofrecer servicios adicionales, gracias a que el fun-cionamiento del intercomunicador esta basado en microprocesadores. Unresidente tendrıa la capacidad de mandar una senal de alarma desde el in-

9

tercomunicador instalado en su hogar a la caseta de vigilancia en caso deuna emergencia, y de ser necesario a otras residencias que cuenten a su vezcon intercomunicadores, o tambien podrıa mandar otro tipo de senales, porejemplo para abrir la pluma del estacionamiento desde su hogar, o hasta con-tarıa con la posibilidad de recibir imagenes en tiempo real con el objetivode ver quien se encuentra en la entrada del fraccionamiento.

Objetivos

General

Disenar y desarrollar un Intercomunicador inalambrico para fracciona-mientos residenciales.

Especıficos

Aplicar los conocimientos adquiridos a lo largo de a licenciatura.

Adquirir y emplear conocimiento sobre el uso y programacion de mi-crocontroladores PIC.

Conocer el estado del arte de las comunicaciones inalambricas en de-terminados rangos de frecuencias.

Presentar una alternativa para resolver problemas de cableado.

11

Justificacion

En la actualidad, es bien sabido que el aumento en la poblacion tambiengenera la necesidad de nuevos materiales de construccion para viviendas. Enparticular, el cableado de dichas viviendas es fabricado con cobre y derivadosdel petroleo, sabemos que estos son recursos no renovables y por lo tanto esde vital importancia proponer alternativas que ayuden a reducir el uso dedichos materiales.

Los intercomunicadores inalambricos ofrecen un esquema de comunica-cion conocido sin la necesidad de usar cable para lograr la interconexion entrelos dispositivos, lo que ahorra en gran medida el consumo de materiales yfacilita la instalacion.

13

Alcances

Este documento tiene como objetivo presentar el desarrollo del proyectoaportando ejemplos y patrones de diseno para este tipo de sistemas. Elpublico es cualquier persona con conocimientos avanzados de electronica yprogramacion.

15

Limitaciones

El sistema no tendra la capacidad de establecer conexiones en areasextremadamente grandes.

El sistema no contempla sistemas de manejo de errores, es decir, noimplementara metodos de correcciones de errores de comunicacion y/odatos.

17

Capıtulo 2

Planeacion y Metodologıa

2.1. Objetivos generales

El objetivo principal de implementar un intercomunicador inalambricoes, como ya se ha comentado anteriormente, evitar el consumo de recursosmetalurgicos, los cuales son utilizados en gran escala en la fabricacion de ca-bles, ademas de proveer una alternativa a sistemas de seguridad y monitoreocomplejos en instalacion. Ademas de aplicar los conocimientos adquiridos alo largo de toda la formacion academica en la Universidad Autonoma Me-tropolitana.

2.2. Planeacion Mensual

El proyecto, debido al tamano de la informacion necesaria para su desa-rrollo, esta programado para realizarse durante 2 trimestres, la duracion delas UEA’s 1 de proyecto terminal de ingenierıa electronica. En el cuadro 2.1se muestra una reparticion de trabajo para los 2 trimestres.

Actividades Mes 1 Mes 2 Mes 3 Mes 4 Mes 5 Mes 6Estado del arte

√

Seleccion de Tecnologıas√ √

Diseno Electronico√

Programacion√ √

Pruebas y depuracion√ √

Cuadro 2.1: Tabla de planeacion mensual

1Unidad de Ensenanza-Aprendizaje

19

20 CAPITULO 2. PLANEACION Y METODOLOGIA

2.3. Metodologıa

Estado del arte

Se planeo una investigacion concisa para conocer cuales eran las actualesopciones en transmisores de datos en la banda de los 915MHz.

Seleccion de Tecnologıas

Se planea evaluar de las opciones investigadas, el precio, alcance de lasenal, tipo de modulacion, tamano, kit de evaluacion, distribuidores y com-plejidad de uso o configuracion.

Diseno de Electronico

Despues de elegir un modelo en particular de un determinado fabrican-te, se pretende visualizar el proyecto en un diagrama a bloques de todo elsistema.

Programacion

Esta etapa consta a su vez de dos partes: una de diseno del flujo delprograma que controla el comportamiento del sistema, plasmado en un dia-grama de flujo, y despues la traduccion de este diagrama a codigo.

Pruebas y depuracion

En esta etapa se hara la prueba de la programacion y del diseno electroni-co, y al mismo tiempo se haran las correcciones necesarias.

Capıtulo 3

Etapa de diseno

3.1. Seleccion de tecnologıas

3.1.1. Modulos transmisores-receptores

Se seleccionaron cuatro diferentes fabricantes: Texas Instruments, Lynx,Chipcon y Laipac. La principal razon por la cual se seleccionaron estos, fueque son los fabricantes mas renombrados de entre los existentes, tienen unagran variedad de productos, ademas ofrecen un uso sencillo y compatiblecon herramientas existentes.

Se hizo una exhaustiva busqueda entre todos los dispositivos de los fa-bricantes mencionados que trabajan en la banda de los 915 MHz, ya queesta banda es de uso comun. Los criterios mas importantes al momento derealizar la seleccion fueron:

La simplicidad de uso, esto es, que no se requirieran muchos compo-nentes adicionales para ponerlo a trabajar y su configuracion fuerasencilla.

La opcion de adquirir un kit de desarrollo para el modelo especificado

El alcance en metros.

Velocidad de transferencia de datos en kbps

Sensitividad (vulnerabilidad al ruido y a otros factores incontrolables)

Inclusion de un microcontrolador

Precio

21

22 CAPITULO 3. ETAPA DE DISENO

Atributos del modelo elegido

El modelo elegido fue la serie de transmisores y receptores HP3 de LynxTechnologies R©. Como podemos observar en el numero de modelo, perte-necen a la tercer generacion de estos dispositivos de este fabricante. Estandisenados para la transmision analogica o digital de datos de manera efi-ciente en terminos de costo y de alto desempeno. El listado de los valoresdel modelo elegido tomando en cuenta dichos criterios se muestra a conti-nuacion.

Receptor

Modelo: RXM-900-HP3Tipo: RxVelocidad (kbps): 36-56Modulacion: FSK, FMFrecuencia: 902.72 - 927.62Precio USD: 31.35 - 32.2Kit Desarrollo: No Microcontrolador integrado: NoSensitividad (dB): -100Interfaz: Serial (AUSART)Voltaje: 2.8 - 13

Transmisor

Modelo: TXM-900-HP3Tipo: TxVelocidad (kbps): 24-56Modulacion: FSK, FMFrecuencia: 902.72 - 927.62Precio USD: 23.6 - 24.10Kit Desarrollo: No Microcontrolador integrado: NoSensitividad (dB): -Interfaz: Serial (AUSART)Voltaje: 2.8 - 13

En la documentacion de estos dispositivos resaltan algunas propiedadesque resulta importante mencionar.

Arquitectura de frecuencia sintetizada de precision.

3.1. SELECCION DE TECNOLOGIAS 23

Modulacion en frecuencia modulada (FM1) y frecuencia conmutada(FSK2) de alto desempeno y para presentar cierta inmunidad al ruido.

Interfaz analogica/digital transparente

Alto volumen de datos (hasta 56k)

Amplia capacidad de rango analogico incluyendo audio (50Hz a 28KHz)

No necesita calibracion de fabrica ni componentes externos (Exceptola antena)

Dichos dispositivos, tanto el receptor como el transmisor, pueden trabajaren el rango de frecuencia de 902MHz a 928MHz, son capaces de seleccionar 8canales de forma paralela y hasta 100 canales de forma serial en los modelosPS.

Teorıa de operacion

Modulacion FSK (Frecuency Shift Keying) En comunicacionesanalogicas lo del libro

TransmisorUn cristal oscilador de 12.00MHz controlado por voltaje (VCXO3) funciona

Figura 3.1: Diagrama a bloques del transmisor HP3.

como la frecuencia de referencia para el transmisor. Las senales entrantesson filtradas para limitar su ancho de banda y despues son usadas para mo-dular directamente esta referencia. La modulacion directa de la referencia

1Frecuency Modulation2Frecuency Shift Keying3Voltaje-Controlled Crystal Oscillator


dentro de el ancho de banda, permite un inicio rapido mientras permite tam-bien una amplia modulacion del ancho de banda, ademas de la capacidad demodular en DC. Esto proporciona una precisa reproduccion del contenidoanalogico y digital, eliminando la necesidad del balance de codigo.

La frecuencia de referencia de 12.00MHz esta aplicada al amarrador defase (PLL4). El amarrador de fase, combinado con un oscilador de 902MHz a928MHz controlado por voltaje, forma un sintetizador de frecuencia estableque puede ser programado para oscilar a la frecuencia deseada de transmi-sion. Un microcontrolador maneja las funciones de programacion del ama-rrador de fase y simplifica en gran medida la interfaz con el usuario. Elmicrocontrolador lee las entradas de seleccion del canal y programa el sin-tetizador. El microcontrolador tambien monitorea el estado del amarradorde fase e indica cuando el transmisor es estable y se encuentra listo paratransmitir datos, levantando la terminal “listo para enviar” (CTS5).

La portadora amarrada por el PLL, es amplificada para aislar el oscila-dor controlado por voltaje de la antena con el proposito de incrementar lapotencia de salida del transmisor. La salida del amplificador se conecta auna red de filtros que elimina emisiones armonicas. Finalmente la senal al-canza la terminal de la antena, la cual presenta una impedancia de 50 ohmspara soportar las antenas comunes.[2]

ReceptorComencemos a explicar el funcionamiento del receptor empezando con la

Figura 3.2: Diagrama a bloques del receptor HP3

seccion de la antena. El puerto simple de RF tiene una impedancia de salida4Phase-Locked Loop5Clear to send

3.1. SELECCION DE TECNOLOGIAS 25

de 50 ohms para soportar las antenas comerciales mas comunes. La senalde RF que viene de la antena es filtrada por un filtro de superficie de ondaacustica (SAW6) para atenuar la energıa de RF no deseada, por ejemplo laque no se encuentra en la banda de los 902MHz a los 928MHz. El filtro SAWprovee un desempeno significativamente mas alto que otros filtros comunescomo los filtros LC pasabanda. Una vez filtrada, la senal es amplificada porun amplificador de bajo ruido (LNA7) para incrementar la sensitividad delreceptor y atenuar las componentes de ruido. Despues de el LNA, la senalse mezcla con un oscilador sintetizado a 34.7MHz abajo de la frecuencia dela transmision entrante para crear la primer frecuencia intermedia (IF8).

La segunda conversion y demodulacion FM la realiza una lınea IF dealto rendimiento que mezcla la primer frecuencia de conversion de 34.7MHzcon una frecuencia de 24.00MHz generada por un cristal de precision. Lasegunda frecuencia intermedia resultante de 10.7MHz es entonces amplifica-da y queda lista para la demodulacion. Un demodulador en cuadratura seutiliza para recuperar la senal de la banda base de la portadora. La forma deonda demodulada es filtrada con lo cual se obtiene una senal que ya es muyparecida a la original. La senal es trasladada a la salida analoga del receptory tambien a la etapa de separacion de datos, la cual provee una salida cua-drada digital por la terminal de datos. Una caracterıstica clave de la lıneaHP3 es su transparencia en la salida digital la cual no impone balanceo ociclos de carga en un rango de 100 bits por segundo a 56 kilobits por segundo.

Un microcontrolador controla las funciones de recepcion y simplifica engran medida la interfaz con el usuario. De la misma manera que el transmi-sor, el microcontrolador maneja la seleccion de canal. Ademas el microcon-trolador monitorea la fuerza de la senal y apaga la salida de datos cuandola senal no es suficientemente fuerte para realizar una deteccion de datoscorrecta. [3]

Funciones

La principal caracterıstica de transmitir una senal analogica es mas quesuficiente para satisfacer la principal funcion de nuestro sistema. La funcionadicional que ofrece de recibir datos puede ser de utilidad para implementarlas funciones de control remoto. La capacidad de seleccionar desde 8 hasta

6Surface Acoustic Wave7Low-Noise Amplifier8Intermediate Frecuency


100 canales nos provee de una solucion al problema de la interferencia porotros dispositivos de radiofrecuencia.

Limitantes

El alcance de transmision (300 metros) puede ser un poco restrictiva parafraccionamientos muy grandes, pero en ocasiones estos pueden tener mas deuna caseta de vigilancia en diferentes puntos estrategicos que pueden cubrirel rango de alcance. El tipo de modulacion que maneja el sistema puedelimitar el ancho de banda y no permitir altas velocidades en transferenciade datos.

3.1.2. Microcontrolador

Debido a la familiaridad con el lenguaje ensamblador propio de los mi-crocontroladores PIC R©de Microchip Technology Inc. R©se decidio hacer labusqueda entre la variedad de los modelos que ofrece este fabricante. Lafamilia de PIC’s 16F esta constituida por microcontroladores de 8 bits y18 terminales con UART, lo que es una de as propiedades fundamentalesque buscamos: tamano, comunicacion serial y facilidad de programacion. Elmodelo elegido fue el PIC16F628A.[4]

Atributos del modelo elegido

De entre todas las caracterısticas del PIC16F628A resaltamos a conti-nuacion las que presentan relevancia para el sistema:

Oscilador interno de 4MHz de precision. Con esto evitamos eluso de componentes extra.

16 terminales de entrada-salida con control independiente.Nos da una gran flexibilidad en las comunicaciones y facilita la pro-gramacion y diseno del circuito.

Transmisor-Receptor Universal Sıncrono-Asıncrono Direccio-nable (AUSART). Nos permite enviar directamente a los modulosHP3 la informacion necesaria ası se evita el diseno de la capa masinferior de comunicaciones.

3.2. DISENO GENERAL DEL SISTEMA 27

Funciones

El PIC16F628A ofrece 2 tipos de interrupcion, externa por cambio devoltaje en la terminal 0 del puerto B, e interna por perifericos y temporizado-res. Esta funcionalidad sera la base de todo el comportamiento del sistema,pues por medio de las interrupciones identificaremos el momento de atenderlas recepciones de mensajes y lograr la coordinacion de los modulos en lacomunicacion.

Limitantes

Una de las principales limitaciones es la memoria, estos microcontrola-dores tienen 2048 bytes de memoria de programa, lo que nos restringe aimplementar algoritmos que no sean extremadamente complejos y siempreprocurar tener un codigo eficiente. Los puertos de entrada/salida podrıa pa-recer pocos ademas de el hecho de que algunas de las terminales son usadaspor los puertos estan multiplexados con otras funciones de las cuales tam-bien se hace uso, por ejemplo la AUSART que ocupa 2 terminales del puertoA o la terminal de borrado (MCLR), reduciendo ası el numero de terminalesdisponibles en el puerto.

3.2. Diseno general del sistema

3.2.1. Planteamiento del comportamiento general

Dadas las limitaciones derivadas de la seleccion de estos modelos detransmisores/receptores, el comportamiento del sistema sera muy semejanteal de los radiotransmisores comunes (tambien conocidos como walkie tal-kies).

Podemos describir el comportamiento en una serie de pasos, pero antesexplicaremos como esta estructurado el sistema de comunicacion en general.

3.2.2. Estructura del sistema de comunicaciones

En la figura 3.3 podemos observar que cada residencia, incluyendo lacaseta de vigilancia, tiene un tranceptor9 , con la diferencia de que el que seencuentra en la caseta, ademas de proporcionar la funcionalidad basica queofrecen los que estan en las residencias, ofrece la posibilidad de enviar una

9Palabra creada a partir de la combinacion de las palabras transmisor y receptor.


senal a todas las terminales (hacer un broadcast10) lo cual resulta bastanteutil en el caso de querer enviar senales de emergencia.

Figura 3.3: Configuracion del sistema de comunicaciones

3.2.3. Secuencia del funcionamiento del sistema

La secuencia de el funcionamiento del sistema se puede dividir en lassiguientes etapas.

1. Al comienzo, despues de inicializar, todos los tranceptores comienzana recibir, aun si no existen datos que recibir.

2. Un intercomunicador A, cuando trata de hacer una “llamada” envıa unidentificador, un numero binario cuyo numero de bits se puede ajustarsegun el numero de receptores.

3. Dicho identificador se recibe en todos los demas receptores, pero solouno, el receptor B, tiene programado el identificador que coincide conel que fue enviado por A.

10Termino en ingles que se refiere al envıo de una senal desde un transmisor a todos loselementos en un area, red o grupo determinado.


4. B manda una senal de respuesta (un ack11) para A al comparar elmensaje enviado con su propio identificador.

5. Se establece una comunicacion Semi-Duplex de audio entre A y B(particularmente hablando: Voz) donde es posible tambien enviar ydecodificar senales de control remoto que por ejemplo, permitirıan laapertura de plumas de estacionamiento, alarmas, y hasta cabe la po-sibilidad de enviar imagenes, de una forma muy similar a la que lahacen los denominados “vıdeo-porteros”.

3.2.4. Diagrama a bloques general del sistema

El diagrama a bloques presentado en la figura 3.4 nos da una idea generalde como estan constituido el sistema.

Figura 3.4: Diagrama a bloques general del sistema

Selector de Intercom

Este bloque es donde se encuentra el microcontrolador responsable demandar y recibir el ID de Intercom. Se encarga de revisar la informacion quese recibe en el receptor HP-3 y si logra comprobar que es el identificador quele corresponde, manda una respuesta (ACK) mediante el transmisor HP-3.

11Apocope de acknowledgement, termino ingles que se refiere a la accion de reconoceralgo, en este caso nos referimos a la confirmacion de la recepcion correcta de un mensaje,mediante el retorno de una senal.


Logica de antena

Esta seccion es la encargada de intercambiar la conexion de la antenaentre el modulo receptor y transmisor, y esta controlada por el microcon-trolador.

Voz/Datos

Al igual que la seccion de la logica de antena, la seccion Voz/Datos es laencargada de conmutar la entrada analogica del microfono hacia el modulotransmisor con la entrada digital de senales de control remoto que vienendel microcontrolador, mismo que controla dicha conmutacion.

Amplificador de audio LM384

En cuanto se envıa el ACK se enciende el amplificador de audio, el cualen el diagrama esta representado por el amplificador operacional LM384.

Panel de control

En este panel se encuentran todos botones necesario para hacer las lla-madas y tener el control de las mismas, en el diseno inicial se tiene contem-plado dos diferentes paneles, uno para las residencias y otro para la casetade vigilancia, este ultimo incluirıa los botones de marcado para seleccionarel intercom de alguna residencia especıfica, dado que los que estan en laresidencias solo pueden llamar a la caseta. Se proponen 3 diferentes botonespara los intercomunicadores:

Un boton “TALK” con el que se logra la comunicacion tipo Walkie-Talkie, es decir hay que presionarlo para hablar y soltarlo para escu-char.

Un boton “E” el cual abre una pluma de estacionamiento a distancia.

Un boton “A” el cual activa la alarma (la cual es una senal broadcast)

3.2.5. Diagrama de flujo del comportamiento del sistema

En los diagramas 3.5 y 3.6 se plasma el comportamiento general delsistema, este diagrama nos va a permitir estructurar el programa del micro-controlador.


En el diagrama 3.5 inicializamos una variable llamada falla con el valorcero, esta variable nos permitira llevar el conteo de los errores de comuni-cacion, lo que permitira diagnosticar una falla en alguno de los dispositivos.En cuanto se haya digitado la direccion del intercom que se quiera contac-tar y se presione TALK, el programa se dirige al bloque “Activa Tx” paraenviar el ID digitado e inmediatamente se dirige el flujo al bloque “Acti-va Rx” para esperar el ACK del intercomunicador al que se esta tratandode contactar, tanto Activa Tx como Activa Rx son segmentos de programadonde se envıan las senales de control al bloque de la logica de antena deldiagrama 3.4. El envıo de ID se refiere a la transmision de ID del receptorque queremos contactar, es un numero binario cuya longitud varıa depen-diendo del numero de tranceptores que se deseen instalar. Para controlar eltiempo de espera del ACK se usa un temporizador y se limita el numero dereintentos mediante la variable falla. Al recibir el ACK el programa sigue elflujo hacia un ciclo de comunicacion donde dependiendo del estado de losbotones TALK y END el microcontrolador turna la logica de antena parala transmision y la recepcion junto con el encendido simultaneo del altavozy el microfono. El bloque de codificacion y decodificacion de control es elsegmento del programa que codifica antes de enviar y decodifica al recibirrespectivamente, las senales de control remoto, como la alarma o la aperturade pluma. El bloque nombrado enciende altavoz es la parte del programaque se encarga de enviar una senal de encendido al amplificador LM384.

En el diagrama 3.6 se puede observar que el programa se encuentra enun ciclo de espera de recepcion, el cual no termina hasta que se recibendatos. En cuanto hay una recepcion, el programa va al bloque que envıade vuelta un ACK, no sin antes activar la logica de antena en transmision.Inmediatamente despues de enviar el ACK, el programa va al bloque deencendido del Altavoz, y entra en un ciclo donde . Durante este ciclo tambiense checa si hay alguna recepcion de senales de control remoto, las cualesestan en la salida digital de los dispositivos HP3-RX. Tambien el ciclo checasi hay un envıo de una senal de control remoto, en caso de haberla el flujodel programa se dirige a la codificacion de dicha senal y regresa al ciclo decomunicacion. Este ciclo termina al presionar la tecla END.


Figura 3.5: Diagrama de flujo del comportamiento del transmisor.


Figura 3.6: Diagrama de flujo del comportamiento del receptor.

Capıtulo 4

Implementacion

En este capıtulo se presenta el procedimiento de implementacion ası comoel codigo del microcontrolador PIC16F628A escrito en lenguaje ensambladorpropio de los microcontroladores PIC R©de Microchip R©usando MPLAB IDER©1 para el intercom central y los residenciales.

4.1. Diseno del circuito del intercom central

En esa seccion se describe a grandes rasgos el comportamiento y la fina-lidad de cada conexion el el circuito del intercom central.

En la figura 4.1 tenemos el diagrama de conexion para el intercom cen-tral, las lıneas punteadas indican los dispositivos que no conectamos puestoque esta configuracion es unicamente con fines de prueba y se indican unica-mente con el proposito de mostrar como es el diseno original. En la terminal4 END/MCLR 2 del PIC16F628A se indica que debe conectarse un “pushbutton” para restablecer el PIC. Las terminales 5 y 6 van conectadas haciael polo negativo del la alimentacion y tierra, las terminales 10, 11, 12 y 13van conectadas a un dip switch que debe conmutar entre 5 y 0 volts, este dipswitch es el que nos permite indicar el ID del intercom residencial con el quenos queremos comunicar, dada esta configuracion solo es posible direccionarhasta 16 intercoms diferentes, pero se puede implementar otra forma de di-reccionamiento con mas bits o con algun metodo para insertar direccionesmas largas de forma serial. En la terminal 20 se conecta otro “push button”

1MPLAB IDE R©es un entorno de desarrollo integrado de licencia libre que se puededescargar de forma gratuita del sitio web de Microchip http://ww.microchip.com/

2En MPLAB IDE es necesario habilitar MCLR en el cuadro de dialogo “Configurationbits...” del menu “Configure”

35

36 CAPITULO 4. IMPLEMENTACION

Figura 4.1: Conexion electrica del intercom central.

que conmuta entre 0 y 5 volts nuevamente. El LED1 de la terminal 19 es elque nos indica que el intercom esta en estado de espera y es el mismo queparpadea en el procedimiento ring del programa. El LED2 de la terminal18 ası como el LED3 de la terminal 14 son unicamente conectados con finesde depuracion, puesto que en su lugar deben ir los dispositivos que estanpunteados en el diagrama, los leds nos ayudaran a conocer el punto dondese encuentra el programa.

4.2. Diseno del circuito del intercom residencial

En esa seccion se describe a grandes rasgos el comportamiento y la fina-lidad de cada conexion el el circuito del intercom residencial.

La conexion para el intercom residencial mostrada en la figura 4.2 es enesencia la misma que para el intercom central, pero aquı no hay necesidad detener conectado el dip switch para indicar el ID del intercom al que se quiereconectar. Existe la posibilidad de conectar dicho dip switch y mediante estemismo tener la opcion de cambiar el ID propio de cada intercom residencial.

4.3. CODIGO DEL INTERCOM CENTRAL 37

Figura 4.2: Conexion electrica del intercom residencial.

Para fines de prueba y ya que no contamos con los modulos HP, conectamosde forma “cruzada” las terminales TX y RX de cada microcontrolador encada intercom, es decir conectaremos la terminal 8 del intercom central conla terminal 9 del intercom residencial y la terminal 8 del intercom residencialcon la terminal 9 del intercom central.

4.3. Codigo del intercom central

Antes de comenzar a describir el codigo, enlistaremos las secciones en lascuales esta dividido ademas de dar una breve descripcion. Hay que indicarque el codigo aquı presentado es un piloto y no implementa algunas funcionesmencionadas anteriormente.

MAIN. Donde se realiza toda la inicializacion de variables, configu-racion de perifericos e interrupciones.

ESPERA. Seccion ciclo de espera de recepcion de datos o marcado deID para hacer una llamada, tambien conocido como modo STANDBY.


REINTENTO. En esta seccion se resuelven los reintentos de comuni-cacion cuando no se recibe el ACK de un intercomunicador residencialen un determinado periodo de tiempo.

LLAMADA. Seccion de codigo que deja el control de la comunicaciona los botones TALK y END, despues de haber recibido el ACK.

RING. En esta seccion el microcontrolador simula mediante un LEDparpadeante el ring que hacen los telefonos al recibir una llamada, aun-que en este codigo funciona de manera diferente para fines de prueba.

LEETECLADO. En esta seccion del codigo se hace lectura de variasterminales de un puerto para saber que intercomunicador se deseallamar.

INT SAI. Esta es la subrutina que atiende la interrupcion, determinacual fue la causa y llama a las rutinas correspondientes.

Antes de la seccion MAIN se declara el modelo del microcontrolador, sehace referencia a las librerıas necesarias ası como la inicializacion del vectorde interrupcion

4.3.1. MAIN

En la figura 4.3 se transcribe el codigo de esta seccion, el microcontro-lador PIC16F628A tiene registros de proposito general ası como registrosespeciales, ambos se encuentran separados en 4 bancos diferentes y para ac-ceder y/o modificar dichos registros, es necesario cambiarse al banco dondese encuentran mediante la modificacion de los bits RP0 y RP1 del regis-tro STATUS (ver Anexo B), aunque hay ciertos registros que existen enmas de un banco, y es posible accederlos desde cualquier banco donde seencuentren[5]. Mas detalles de la estructura de la memoria del PIC16F628Ase pueden encontrar en el Anexo A.

Como esta descrito en el diagrama de flujo del capıtulo anterior, tene-mos un contador de intentos de reconexion en caso de falla, y al principiode la seccion main esta declarado dicho contador en el registro de propositogeneral 0x6f. Despues tenemos la inicializacion de los puertos, ya que noharemos uso de los comparadores analogicos del PIC16F628A los deshabi-litamos mediante el registro CMCON (ver Anexo B). Habilitamos tambienlas interrupciones de los perifericos, en especifico la interrupcion externa delpuerto B y la interrupcion por recepcion de la UART mediante los bits PEIEy RCIE de los registros INTCON y PIE1 respectivamente (ver Anexo B).


En esta seccion tambien se configura la recepcion asıncrona de la UART yla velocidad de 9600 KBPS.


Figura 4.3: Pagina 1 del codigo para el intercom central.


4.3.2. ESPERA

Esta seccion esta transcrita en la figura 4.4. Mediante el puerto A en-cendemos un LED para indicar que el intercom esta en modo de espera.En este ciclo se verifica el estado de la recepcion, es decir, en el registrode proposito general 0x55 indicamos si se esta esperando un ACK despuesde hacer una peticion de llamada a otro intercom, esta indicacion se haceen la subrutina que atiende la interrupcion, seccion que describiremos masadelante. Mientras no se espere un ACK se queda en un ciclo el cual puedeser unicamente suspendido por una interrupcion. En caso de que se detecteque se esta en la espera de un ACK, entonces es necesario desactivar la inte-rrupcion externa, poniendo en cero el bit INTE del registro INTCON, dichainterrupcion esta dedicada a realizar la llamada, al intercom que correspon-de a la direccion que se inserta en el Dip Switch que esta conectado en elpuerto B. Despues de eso en la lınea 83 se limpia el registro 0x55 que usamospara indicar la interrupcion externa. Inmediatamente despues inicializamosel contador de espera en los registros 0x50 al 0x53, ademas de inicializartambien el contador de reintentos que esta en el registro 0x5f y se hace unaserie de llamadas a subrutinas:

RING para indicar la espera del ACK.

ACTIVATX para poder enviar el ID del intercom que se desea contac-tar.

ENVIAID esta subrutina envıa por la AUSART el ID leıdo del puertoB al transmisor HP3.

ACTIVARX para poner en modo de recepcion el intercom, activandoreceptor HP3.


4.3.3. REINTENTO

Despues de esto el programa entra a un pequeno ciclo donde se incre-menta el contador de reintentos guardado en el registro de proposito general0x50, si el registro alcanza el valor 08H, entonces se alcanzo el numero maxi-mo de reintentos (7) y restablece las interrupciones para luego regresar a elmodo de espera.

4.3.4. LLAMADA

Esta parte del codigo esta transcrita en la figura 4.5 Esta seccion esllamada desde la subrutina que atiende la interrupcion, con esto aseguramosque la transmision no sea interrumpida por otra llamada u otra peticion dellamada por el usuario. Dado que unicamente podemos llegar a esta seccionmediante la recepcion exitosa del ACK entonces apagamos el led de esperaque esta en el bit 0 del puerto A. Despues habilitamos el microfono y elaltavoz con el bit 7 del puerto B. En la lınea 117 empieza un ciclo que poleael estado del boton TALK en el puerto A bit 1, si esta presionado se activala transmision y se envıa directamente el audio al transmisor mientras esteboton siga presionado, si no esta presionado entonces se activa la recepcion yse escucha lo que llega directamente al transmisor. La unica manera de salirde esta rutina es presionando el boton END que como se indica en la seccion4.1 debe ser conectado a la terminal 4 como se muestra en la figura 4.1 querestablece todo el programa del PIC, inicializando otra vez el dispositivo ydejandolo listo para realizar o recibir llamadas.


4.3.5. RING

Esta subrutina a diferencia de su homonima del codigo para el receptor,no es simplemente para simular el “ring” que hacen los telefonos cuando reci-ben una llamada, en este caso ademas de indicar que se ha hecho la peticional equipo receptor, es un temporizador de espera de ACK, el cual funcionacon 2 ciclos anidados donde se espera el cambio del bit mas significativo delos registros que se estan incrementado en cada iteracion, si se alcanza elconteo maximo, entonces regresa el control a la seccion REINTENTO.

4.3.6. LEETECLADO

En el registro de proposito general 0x4f se guarda el valor que se lee desdeel puerto B los bits 3 al 6, ya que en la lectura de el puerto se incluyen todoslos bits, tenemos que hacer dos corrimientos y despues un enmascaramientopara quedarnos unicamente con los bits 3 al 6 y se hace una serie de llamadasa subrutinas:

ACTIVATX para poder enviar el ID del intercom que se desea contac-tar.

ENVIAID esta subrutina envıa por la AUSART el ID leıdo del puertoB al transmisor HP3.

ACTIVARX para poner en modo de recepcion el intercom, activandoreceptor HP3.


4.3.7. INT SAI

Al entrar a esta subrutina, deshabilitamos todas las interrupciones po-niendo en 0 el bit INTE del registro INTCON, en la siguiente instruccion,la lınea 215, revisamos la bandera que nos indica si la interrupcion fue in-terna o externa, si la interrupcion fue por que se introdujo un numero en elteclado, es decir una interrupcion externa, hacemos el salto a la lınea 217donde hacemos llamada a la seccion LEETECLADO, se pone la banderade espera del ACK en el registro 0x55, en la siguiente lınea se limpia labandera de interrupcion externa ya que hay que hacerlo segun el manualdel PIC, y finalmente se hace un salto a la etiqueta SAL en la lınea 248,donde se habilita de nueva cuenta la interrupcion externa y se finaliza conla instruccion que indica el fin de la interrupcion. En caso de que en la lınea215 se detecte una interrupcion por recepcion entonces se hace un salto ala lınea 223 (Etiqueta INT RX), en la siguiente lınea despues de este saltose prepara el registro de proposito general 0x40 para guardar lo que llego albufer de recepcion, antes de eso se checan las banderas de error de recepciony en caso de encontrar alguno (de framing3 o de Overrun4) se ignora el valorrecibido mediante el salto a la lınea 232 (etiqueta IGNORA) y se reinicia larecepcion. Si no hay error se guardan los datos en el registro mencionado yse hace salto a la lınea 239 (etiqueta ACK) donde simplemente se compruebasi lo recibido es un ACK, de ser ası se hace llamada a la rutina LLAMADA,y en caso contrario termina la interrupcion y regresa al modo de espera.

3El framing se refiere a la “cuadratura” o la coincidencia de la longitud de los valores0 y 1

4El Overrun ocurre cuando se reciben cadenas de bits mas largas que la que se esperan


4.4. Codigo del intercom residencial

Al igual que el intercom central el codigo aquı presentado es un piloto yno implementa algunas funciones mencionadas anteriormente.

MAIN. Donde se realiza toda la inicializacion de variables, configu-racion de perifericos e interrupciones.

ESPERA. Seccion ciclo de espera de recepcion de datos, tambien cono-cido como modo STANDBY.

LLAMADA. Seccion de codigo que deja el control de la comunicaciona los botones TALK y END, despues de haber recibido el ID de llamadacorrecto.

RING. En esta seccion el microcontrolador simula mediante un LEDparpadeante el ring que hacen los telefonos al recibir una llamada.

INT SAI. Esta es la subrutina que atiende la interrupcion, se encargade checar el ID recibido y en caso de ser el correcto, regresar el ACK.

Al igual que en el codigo del intercom central, antes de la seccion MAINse declara el modelo del microcontrolador, se hace referencia a las librerıasnecesarias ası como la inicializacion del vector de interrupcion

4.4.1. MAIN

Comenzamos con la inicializacion de algunos registros de proposito gene-ral y continuamos con la inicializacion de los puertos, ya que no haremos usode los comparadores analogicos del PIC16F628A, los deshabilitamos median-te el registro CMCON. Habilitamos tambien la interrupcion por recepcionde la UART mediante los bits PEIE y RCIE de los registros INTCON yPIE1 respectivamente. En esta seccion tambien se configura la recepcionasıncrona de la UART y la velocidad de 9600 KBPS.

4.4. CODIGO DEL INTERCOM RESIDENCIAL 51

Figura 4.9: Pagina 1 del codigo para el intercom residencial.


4.4.2. LLAMADA

Esta seccion es llamada desde la subrutina que atiende la interrupcion,con esto aseguramos que la transmision no sea interrumpida por otra llamadaentrante. Esta rutina, a diferencia de su homonima del intercom central esmucho mas sencilla, enciende el altavoz y microfono mediante un 1 logicoenviado desde el bit 7 del puerto B, que en el circuito esta simplementeconectado a un LED. Esta rutina unicamente polea el estado del botonTALK en la lınea 75, si esta presionado activa la transmision llamandoa ACTIVATX para enviar voz y si esta sin presionar activa la recepcionllamando a ACTIVARX. La unica manera de salir de esta subrutina espresionando END para hacer un reset al PIC lo que terminara la llamada yregresa el intercom al modo de espera o standby.


4.4.3. RING

Esta seccion emula el “ring” que hacen los telefonos convencionales cuan-do reciben una llamada, esta rutina es simplemente varios ciclos anidadoscomenzando por el ciclo de la lınea 93, ciclos que se encargan de encendery apagar el LED que se encuentra controlado por el bit 0 del puerto A. Elciclo termina cuando se presiona el boton TALK que esta siendo poleadoconstantemente en la lınea 108.


4.4.4. INT SAI

Al entrar a esta subrutina, se inicializa el registro de proposito general0x40 donde guardamos lo que se recibe. se hace un chequeo de error de lamisma manera que en la seccion INT SAI del intercom central. Si no hayerror se guardan los datos en el registro mencionado y se hace una compara-cion del dato recibido con el ID del intercom residencial mediante un XOR,si coinciden se hace salto a la lınea 151 (etiqueta ACK) donde simplementese escribe el valor del ACK (para este caso, 0xAA) en el registro TXREG, alescribir en este registro inmediatamente se envıa por la AUSART del PIC elvalor al modulo HP3 de transmision, se hace llamada a la subrutina RINGy si se contesta la llamada con el boton TALK, entonces se le da el controla la subrutina LLAMADA.


4.5. Procedimiento de prueba

El procedimiento para probar la comunicacion entre los 2 intercom sedescribe en los pasos siguientes:

Al encender ambos intercom, se tiene que esperar a que encienda elLED1 que indica el modo de espera o standby.

En este modo, ingresamos en el dip switch del intercom central el IDdel intercom residencial que se encuentra en la lınea 144 del codigodel intercom residencial (ver figura 4.12) que en este caso es 0x0A, esdecir , 0b1010 .

Presionamos el boton TALK del intercom central para comenzar lapeticion, en ese momento si no hubo error de comunicacion (ver seccion4.2), ambos intercom deben hacer “ring”, esto se logra si el LED1comienza a parpadear, y si se presiona TALK en el intercom residencialel parpadeo se detiene y al presionar TALK ya sea en el central o en elresidencial, debe encender el LED2 del respectivo intercom, indicandoque la llamada esta activa y se logro la comunicacion inicial.

Para terminar la comunicacion entre los intercom, es necesario presio-nar END en ambos itercom, de esta manera regresaran al modo deespera.

Para comprobar si el intercom central esta haciendo los reintentosen caso de no recibir el ACK correctamente, para esto es suficientedesconectar la terminal TX o RX de cualquier intercom y presionarTALK en el central y si se ve parpadear el LED1 y despues regresaral modo de espera entonces el central esta haciendo los reintentos demanera correcta. Una alternativa es tambien cambiar el codigo delACK en alguno de los intercoms, con el objetivo de que sea diferente enambos dispositivos y la comparacion de el valor del ACK no coincida.

Tambien podemos comprobar si el intercom residencial responde uni-camente al ID que le corresponde, cambiando el ID por uno diferenteal del intercon residencial, en el dip switch del intercom central y pre-sionando TALK, de esta forma tenemos que comprobar que el itercomresidencial unicamente responde al intercom que le corresponde.

Conclusiones

En general el desarrollo de este proyecto fue bastante interesante, duranteel diseno surgieron varias interrogantes y diversas soluciones, se reviso ca-da una de ellas planteando e imaginando la situacion real paso a paso, esdecir, imaginando desde el momento en que alguien tiene la necesidad decomunicarse, pasando por todo el proceso de marcar el numero, presionarun boton para comenzar la llamada, esperar a que se conteste la otra parte,se realice la comunicacion mediante el pulsado del boton TALK y se finalicela comunicacion, analizando este procedimiento por la parte del intercomcentral y por la del intercom residencial, de tal manera que surgieron nuevasideas, funcionalidades y ası mismo se descartaron otras. Este tipo de “pen-samiento ingenieril” es esencial para el desarrollo de este tipo e proyectos,es importante simular la situacion principal y sus derivaciones lo que nosva a permitir visualizar el problema de diversas maneras y descubrir puntosque deben tomarse con mas atencion. Considerando todos estos aspectos sehizo la seleccion de tecnologıas y se procedio a la etapa de la elaboraciondel diagrama de flujo, donde se tomo como base el analisis inicial ademasde tomar en cuenta las capacidades de programacion del microcontroladorelegido, en esta parte tambien hubo un refinamiento basado en buscar unprocedimiento sencillo y solido, que resolviera algun posible contratiempo enla comunicacion. Finalmente en la implementacion se fue desarrollando elcodigo del microprocesador mientras se hacıan las pruebas, el codigo mostra-do en este reporte es una version de muchas que no mostraron los resultadosesperados, es importante tambien llevar un control de versiones puesto quehubiera sido de mas ayuda reportar los cambios que se fueron haciendo en elcodigo para evitar caer en errores anteriores o detectar codigo que puede seroptimizado, ademas de observar con mas detalle el desarrollo del proyecto.Fue una lastima que no se pudo contar con los modulos de Lynx puestoque con ellos nos podemos aproximar a un prototipo mas funcional, nos hu-bieramos encontrado con aspectos de interferencia y otros problemas que sehubieran atacado con otras tecnicas. En resumen el proyecto tiene un avance

59


significativo ademas se adquirieron nuevas habilidades que son empleablesen otros ambitos, es importante la parte que falta en materia inalambricapero las bases del funcionamiento se desarrollaron en este proyecto.

Bibliografıa

[1] http://es.wikipedia.org/wiki/Radiofrecuencia

[2] High Performance RF Module TXM-900-HP3 HP Series-3Transmitter Design Guide, del sitio de Lynx Technologies:http://www.linxtechnologies.com

[3] High Performance RF Module RXM-900-HP3 HP Series-3 Re-ceiver Module Design Guide, del sitio de Lynx Technologies:http://www.linxtechnologies.com

[4] Product Comparison Utility, del sitio de Microchip:http://www.microchip.com/

[5] PIC16F627A/628A/648A Data Sheet Flash-Based, 8-Bit CMOS Mi-crocontrollers with nanoWatt Technology, del sitio de Microchip:http://www.microchip.com/

61

62 BIBLIOGRAFIA

Anexos

63

Anexo A

Estructura de la memoria del PIC16F628A

65

66 BIBLIOGRAFIA

Anexo B

Detalle de registros de funcion es-pecial usados del PIC16F628A

67

68 BIBLIOGRAFIA

BIBLIOGRAFIA 69

70 BIBLIOGRAFIA

BIBLIOGRAFIA 71

UNIVERSIDAD AUTONOMA´ METROPOLITANA148.206.53.84/tesiuami/UAMI14484.pdf · Proyecto ﬁnal de...

Documents

Transcript of UNIVERSIDAD AUTONOMA´ METROPOLITANA148.206.53.84/tesiuami/UAMI14484.pdf · Proyecto ﬁnal de...