Studio dei mezzi trasmissivi

Studio dei mezzi trasmissivi

Francesco Mazzetti

Tesina Esame di stato AS 2007-2008

a

Classe 5 B 4

ITIS "Odone Belluzzi" (Bologna) 1

Indice 3

1) Prefazione

1a Introduzione 3

1b L’idea 3

1c Metodo di lavoro 3

4

2) Progetto

2a Scopo 4

2b Schema a blocchi 5

2c Funzionamento blocchi 6

Alimentatore 6

Tastiera 8

Controllo tastiera 9

Sistema invio dati 11

Selettore uscite 14

Selettore ingressi 15

Invio fibra ottica 17

Ricezione fibra ottica 19

Invio dati parallelo 21

Ricezione dati parallelo 25

Codificatore AM 28

Modulatore 32

Demodulatore AM 35

Antenne 39

Sistema ricezioni dati 40

Display LCD 43

2d Tecnica trasmissione 44

2e Listato Assembler Trasmissione 46

2f Listato Assembler Ricezione 51

2h Listato Assembler Libreria LCD 61

2i Comunicazione Display LCD 65

2l Regolazioni e test 66

2m Vincoli 67

2n Supporti 68

69

3) Conclusione

3a Foto 69

3b Problemi 70

3c Ringraziamenti 70

2

Prefazione

1a Introduzione

Come da titolo, questo progetto si prefigge come obiettivo lo studio dei più famosi mezzi di trasmissione dati: via cavo, via radio e via fibra ottica.

Con il termine studio, viene inteso, la progettazione e realizzazione (naturalmente tramite una conoscenza a monte) di strutture capaci di rendere semplice e intuibile le tecniche di utilizzo dei suddetti mezzi trasmissivi.

Per fare ciò, come verrà approfondito successivamente, ho deciso di creare progetti completamente capaci di adattarsi l’un l’altro, quindi utilizzando standard e vincoli da me prefissati.

Più semplicemente ho cercato di mantenere un’unica e semplice codifica dati in invio e ricezione.

Quello che cambia è appunto ciò che sta in mezzo: come parlare in un microfono registrando la proprio voce, che potrà essere incisa in un vinile o in una cassetta, o ancora in un CD. Quello che conta è che la propria voce torni tale e diventi riascoltabile da qualsiasi altra parte.

Nel mio caso specifico, la fonte non è altro che un comune carattere digitato da una tastiera qwerty.

Il risultato sarà invece la visualizzazione di tale carattere su vari display LCD 16*2. Questa ultima parte ha come unico scopo la verifica della fedeltà della trasmissione (tornando all’esempio di prima, è come incidere un CD ed ascoltarlo per verificare la riuscita della masterizzazione).

Di seguito verrà analizzato un po’ tutto il progetto in modo semplice e schematico, senza scendere troppo nei dettagli che renderebbero lunga e di difficile lettura, una tesina già complessa di suo.

1b L’idea

All’inizio circa della 5 ho cominciato a pensare ad un originale progetto d’esame, che potesse essere veramente innovativo o geniale.

Non riuscendovi, ho quindi iniziato ad ideare una semplice simulazione di trasmissione di numeri tramite fibra ottica. Questo tipo di progetto necessitava la conoscenza di argomenti non ancora del tutto trattati.

Per allargare il progetto, che mi pareva abbastanza banale o per lo meno di semplice realizzazione, ho deciso di fissare uno standard di comunicazione (standard unicamente per il mio progetto) e da questo ho esteso il trasferimento del segnale con altri due mezzi (che successivamente saranno ancora modificati e perfezionati): via radio in modulazione d’ampiezza (AM) e via cavo, in trasmissione dati parallela.

Verso febbraio ho quindi migliorato i vari blocchi, il loro compito e il loro metodo di lavoro.

La realizzazione è quindi iniziata verso marzo e, pian piano che il progetto prendeva forma si aggiungevano idee e quindi nuovi circuiti o soluzioni perfezionate.

1c Metodo di lavoro

Il metodo di lavoro da me attuato non è stato certamente il più corretto. Le cause possono essere varie. La principale credo sia dovuta alla poca esperienza che in generale uno studente possiede. In secondo luogo, lo stesso corso di studio mi suggeriva nuove idee o metodi che semplificassero il lavoro, così da convincermi spesso a cambiare circuiti. Inoltre, le poche ore disponibili in laboratorio mi costringevano a lavorare a casa, dove gran parte della strumentazione o dei componenti per il collaudo, non erano disponibili.

Inoltre la stessa evoluzione delle mie idee mi portava a cambiarle spesso, anche completamente. In assoluto ho deciso, come detto prima, di dedicarmi all’idea: inviare un dato o un treno di dati da una fonte all’altra. Successivamente, diviso il progetto in vari blocchi, mi sono dedicato ad ognuno di questi singolarmente, sempre tenendo conto di quello che precedeva e seguiva il blocco stesso. Per mia fortuna tutti i circuiti (a parte varie tarature previste in partenza) hanno subito funzionato.

3

Unicamente il caso della trasmissione dati via radio ha portato a qualche problema costringendomi a qualche modifica on-board.

In generale la progettazione dei circuiti stampati mi ha impegnato in tre fasi differenti, ognuna di queste è stata seguita dalla relativa realizzazione, test e implementazione nel circuito finale. (un lavoro a parte è stato fatto per i due programmi dei microcontrollori utilizzati)

Nonostante le varie difficoltà, credo di essere riuscito ad avere un buon rendimento nel rapporto risulti/tempo, permettendomi di perfezionare anche graficamente ed ampliare parti comunque futili al risultato (ad esempio l’utilizzo di tre display LCD in tri-state piuttosto che uno).

La cosa che più mi ha meravigliato è che tutto ha funzionato correttamente.

Progetto

2a Scopo

Il compito di questo progetto è quindi una trasmissione dati da una “stazione” di invio e una di ricezione. Come detto sopra, i mezzi di comunicazione utilizzati sono tre:

• Fibra ottica
• Radio AM (in modulazione d’ampiezza)
• Via cavo, in comunicazione parallela

Queste tre scelte sono state prese anche per la loro importanza nella storia delle telecomunicazioni.

In tutti e tre i casi, ho deciso di utilizzare e adattare i componenti utili alla trasmissione in modo semplificato e più didattico, senza seguire le vere tecniche di applicazione, anche perché non sarebbero stati da progettare, ma solo da comprare, eliminando così tutta la parte di studio e applicazione che è stata necessaria prima del collaudo.

La verifica della trasmissione avverrà istantaneamente, controllando il carattere premuto e il carattere visualizzato sul display. Così si avrà, oltre alla verifica, anche un risultato di simbolica utilità (immaginando di avere la trasmissione e la ricezione in luoghi differenti, ad esempio in due stanze separate). Difatti i blocchi di ricezione e i blocchi di trasmissione sono completamente separate (nel mio caso, ai fini pratici l’alimentazione è in comune, ma pure questa potrebbe essere separata) cosicché da poter allontanare le due parti ed avere i medesimi risultati, previe le dovute tarature.

Ora verranno visualizzati e spiegati i vari blocchi in modo molto schematico, per non appesantire troppo la tesina e complicare la lettura.

2b Schema a blocchi

4

5

2c Funzionamento blocchi

Alimentatore

L’alimentatore è stato completamente progettato e realizzato da me. La progettazione è partita valutando le tensioni e le correnti necessarie. Sono risultate indispensabili una tensione duale a ±15V e una tensione TTL a 5V. In più ho pensato potesse diventare utile, se non necessario, per l’evoluzione del progetto e del collaudo due tensioni regolabili, una positiva e una negativa (da ±3V a ±15V). Inizialmente ho immaginato l’utilizzo di correnti molto alte (non assorbite) e comunque è sempre meglio prevedere un buon margine di sicurezza. Così ho disposto che le correnti massime siano di 1A per ogni tensione, meno la 5V in cui ho previsto 2A. Di conseguenza sono stati montati due dissipatori sopra gli integrati a tre terminali (uno per le tensioni positive e uno per le negative) e una ventolina da 4 pollici. Infine un fusibile veloce sulla massa che permette la protezione contro i cortocircuiti (che ha salvato i circuiti più volte).

Dalla foto è possibile vedere il trasformatore toroidale utilizzato. Esso è stato comprato ed aveva caratteristiche ottimali in quanto possedeva due secondari: uno a 16-0-16 (ottimo per la tensione duale e per quelle regolabili, e il secondo a 0-6. È stato verificato però che quest’ultimo non riusciva ad erogare corrente e quindi mantenersi stabile, sopra i 400mA.

Ho dovuto quindi aggiungere un secondario esterno, con un filo di rame di diametro di 1mm, più che sufficiente per 2A. Il numero di spire è stato calcolato per 7V (valore efficace). In modo da avere il massimo rendimento e la minor potenza dissipata, quindi meno calore sui dissipatori.

La ventolina nera, è posizionata in modo da riuscire a ventilare entrambi i dissipatori, tenuti separati, per comodità di posizionamento e perché il comune collegato ai vari integrati (PIN2) era differente e quindi sarebbe stato possibile un cortocircuito.

Tramite i due trimmer (i componenti di colore beige) è possibile regolare le due tensioni variabili. Una è stata poi utilizzata, e quindi fissata a -5V, utili per codificare il segnale per il modulatore AM (di cui parlerò in seguito). Il LED rosso, funge da spia di accensione.

Schema elettrico: 6

7

Cuore della stabilizzazione sono i due ponti di diodi (ad alta potenza), i tre grandi condensatori elettrolitici che filtrano la tensione alternata per i vari stabilizzatori a tre terminali. I condensatori posti dopo gli integrati servono a migliorare ancora di più la stabilità (da datasheet).

Questo circuito, insieme a quello di collegamento dei display LCD, è stato realizzato su una scheda millefiori, per permettere una miglior passaggio di alte correnti, difatti, i collegamenti che avrebbero dovuto far passare molti mA, sono stati “ingrossati” con stagno e fili più spessi, cosa molto difficile con il sottile strato di rame degli stampati.

Tastiera

La tastiera è una semplice tastiera qwerty (quella normalmente utilizzata con il computer) tagliata in modo da diminuirne le dimensioni rendendo disponibili unicamente i tasti interessati.

Il problema di quali tasti utilizzare è stato un serio problema, risolto grazie al blocco controllo di cui si parlerà in seguito.

Tastiera,

Così, senza troppi problemi si è riuscito a controllare ben 40 tasti disposti su dieci colonne e quattro righe. (la classica disposizione a matrice)

Sono compresi tutti i numeri e tutte le 26 lettere, i quattro tasti rimanenti sono stati utilizzati come tasti funzione:

1. Maiuscolo
2. Backspace (canc)
3. Spazio
4. Invio (freccia giù)

Difatti tramite un sistema di diodo-resistenza è stato possibile controllare in modo separato il tasto maiuscolo in modo che non interferisse sulla pressione degli altri tasti della stessa riga. Dietro ogni tasto è stato posizionato un microinterruttore, incollato con colla calda e saldato agli altri interruttori con fili in disposizione a matrice (vedi immagine sotto) 8

Controllo tastiera

Il controllo tastiera sarebbe stato inutile se non avessi necessitato di tanti tasti, o se avessi avuto tante porte input/output nel microcontrollore utilizzato. Ad esempio, se avessi avuto solamente tre tasti, avrei potuto collegarli direttamente a PIC (microcontrollore), se invece ne avessi avuto 16, con un sistema a matrice avrei potuto controllarli, cioè disponendo i tasti in righe e colonne è possibile con soli 8 pin controllarli tutti. Tra l’altro il PIC possiede ben 13 pin IN/OUT, quindi, considerando che 4 venivano utilizzati per funzioni esterne, ne rimaneva pure uno libero.

Gli otto pin vengono collegati rispettivamente alle quattro righe e quattro colonne.

Il PIC, abilita (porta a livello logico alto) una colonna alla volta e controlla se le quattro righe sono a livello logico basso (il tasto non è stato premuto); se invece il livello logico è alto, controlla quale riga e quale colonna, in modo da poter risalire al rispettivo carattere.

Se ad esempio viene premuto il terzo tasto della seconda colonna, solo la rispettiva riga, nel momento di pressione e di abilitazione, subirà il passaggio di corrente.

Con lo stesso principio si sarebbe potuto fare per la mia tastiera che possedeva dieci colonne e quattro righe. Quindi sarebbero stati necessari soltanto 14 pin, che però sono ancora troppi per le possibilità del mio PIC, anche perché altri quattro PIN sono necessari ad altre funzioni.

Ho così ideato un sistema di abilitazione automatico e sequenziale, in modo che il PIC, mandando un solo impulso, potesse controllare tutte e 10 le colonne, e intendere il tasto premuto semplicemente contando gli impulsi inviati.

Un sistema del genere è possibile farlo con un contatore Johnson (4017), una serie ad anello di flip-flop D, in cui al primo viene posto livello logico alto (di cui sotto la tabella di verità).

Necessario è però l’utilizzo di un altro PIN, il reset, utile in quanto all’accensione non è sicuro che la colonna abilitata sia proprio la prima, se ciò non fosse, difatti, scombinerebbe tutto il controllo.

Proprio per questo dal PIC, sono utilizzate solamente 6 porte per il controllo, 4 per il controllo delle righe, uno per il reset, e l’ultimo per l’abilitazione delle colonne (ck). 9

Il rapporto pin/tasti, che normalmente è a 1, raggiunge l’invidiabile risultato di 0,15.

Un altro notevole risultato è il numero di controllo di ogni singolo tasto, difatti ogni singolo carattere viene controllato circa ogni 5ms, tra l’altro questo controllo è stato molto rallentato dal codice sorgente del PIC in protezione dei possibili errori di selezione colonna.

Il circuito che semplifica il lavoro al PIC è il seguente:

J2 J4

CON14

5V (1massa) 1 2 VDD 10 11 12 13 14

1 2 3 4 5 6 7 8 9 R1 3,9k

3,9k

R2 3,9k

R3

15 13 14 3,9k

U1 R4

ENA CLK

RST 4017

CO Q9 Q8 Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0

12 11 10

9 6 5 1 7 4 2 3

9 8 7 6 5 4 3 2 1

14 13 12 11 10

J1 CON TASTIERA (1-4 righe, 5-14 colonne) 10

Le resistenze da 3,9KΩ vengono utilizzate come pull-down, cioè, nel momento in cui il tasto non viene premuto, non è vero che il filo è come se fosse collegato a massa, proprio per questo molti integrati potrebbero confondere questo stato, e rilevare un valore logico alto.

Il pull-down permette quindi a qualsiasi integrato di rilevare il livello logico corretto.

Questo circuito, come quasi tutti gli altri è stato realizzato su uno stampato in vetronite. Nonostante la sua semplicità è stato necessario realizzarlo in doppia faccia, in quanto molti incroci impedivano un collegamento diretto.

Ecco i due lati rame

(in azzurro il lato rame superiore, mentre in rosso, il lato inferiore)

Sistema invio dati

Questo blocco è il cuore della parte di invio dati, cioè è il circuito in cui è presente il PIC, l’importante microcontrollore cui spetta compiti programmabili.

Il suddetto PIC, difatti dovrà controllare in un ciclo infinito la pressione dei tasti, riconoscere tale carattere e inviarlo tramite due uscite, quella del segnale vero e proprio, e quello del clock, che dà la temporizzazione del rilevamento al sistema ricevente.

A livello software è possibile anche, controllando se viene premuto il tasto maiuscolo, portare a 78 i byte differenti inviabili e riconoscibili.

Inoltre prima dell’invio verrà controllata la parità degli 1 presenti nel byte da spedire (difatti i caratteri vengono spediti in codice ASCII, cioè in gruppi di 8 bit) e in caso di esito negativo, l’ultimo bit (l’ottavo) verrà forzatamente portato a 1, in quanto come è possibile verificare nella tabella, i caratteri da me utilizzati rientrano tutti in 7 bit (cioè fino al 128 carattere), lasciando quindi libero l’ottavo. Questo genere di controllo diventa poi utile in ricezione, permettendo di capire con una media sicurezza se il byte rilevato è corretto o è stato soggetto a qualche errore di trasmissione.

11

Tale scheda presenta due LED utili ad intendere lo stato in cui si trova il PIC: se è accesa la spia rossa, il microcontrollore è in attesa della pressione di un tasto, contrariamente, a spia verde, il sistema è in “invio dati”. Infine in caso di lampeggio simultaneo, il sistema è in pausa, in attesa di inizializzazione.

Il listato (programma del PIC), insieme a maggiori informazioni riguardo la trasmissione dati, sono leggibili nei prossimi paragrafi. 12

Circuito elettrico:

J2

alim (1 massa) VCC

1 2 R1

10k

U1 14 4

QZ VDD MCLR J3

4MHz 17 1

RA0 18 2

RA1 1

RA2 J1

2 Segnale (2 ck)

RA3

C1 33pF 3 1

RA4/TOCKI

15

1 2 OSC1/CLKIN 2

C2 6

RB0/INT 3

16 7

33pF RB1

OSC2/CLKOUT 4

8

RB2 5

9

RB3 6

10

RB4 7

11

RB5 8

12

RB6 9

Vss 13

RB7 10

11

12

PIC16F84 5 13

14

D2 D1 CON14

Verde Rosso

R3 R2

220 220

La comunicazione con il blocco “controllo tastiera” è effettuato con un connettore a 14 PIN, anche se, come è visibile, ne vengono utilizzate solamente 6. La motivazione è puramente commerciale, in quanto sono riuscito a trovare connettori soddisfacenti solamente a 14 PIN, la stessa cosa accadrà poi in altre situazioni. Il quarzo utilizzato è a 4MHz, ottimale nel calcolo delle temporizzazioni, in quanto ogni istruzione viene eseguita ogni quattro impulsi di clock, cioè esattamente 1μs. (10^-9 s) 13