Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la

UNIVERSIDAD DE GRANADA
INGENIERIA ELECTRÓNICA
Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la
banda ISM de 2.4GHz
REALIZADO POR
Juan Santaella Hernández
DIRIGIDO POR
D. Francisco Jiménez Molinos
DEPARTAMENTO
Electrónica y Tecnología de los Computadores
Palabras clave: CC2510, transceptor, SmartRF04_EB, radio.
Resumen:
En este proyecto se trabajará con los CIs de radio de las familias CC11xx y CC25xx
de Texas Instruments. Estos circuitos integrados son transceptores capaces de manejar
diferentes esquemas de modulación, con potencia de salida programable e indicador de
potencia recibida (RSSI) en el receptor.
El objetivo principal de este proyecto es emplear estos transceptores para realizar un
radioenlace entre dos unidades, estableciendo también los montajes y procedimientos de
medida (setups) de laboratorio necesarios para su caracterización. Todo este desarrollo podrá
servir como punto de partida para posteriores trabajos en los que se desee añadir
funcionalidad inalámbrica a algún sistema a través de radios implementadas con estos CIs.
UNIVERSIDAD DE GRANADA
INGENIERIA ELECTRÓNICA
PROYECTO FIN DE CARRERA
AUTOR: Juan Santaella Hernández
TÍTULO: Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace
en la banda ISM de 2.4 GHz
TRIBUNAL :
D. Juan Antonio Jiménez Tejada
D. Carlos Sampedro Matarín
D. Miguel A. Carvajal Rodríguez
CALIFICACIÓN:
Presentado en Granada a
de Septiembre de 2009
Evaluado en Granada a
de Septiembre de 2009
El Presidente
El Vocal
El Secretario
UNIVERSIDAD DE GRANADA
INGENIERIA ELECTRÓNICA
AUTORIZACIÓN DE LECTURA
DE
PROYECTO FIN DE CARRERA
D. Francisco Jiménez Molinos, profesor del Departamento de Electrónica y
Tecnología de los Computadores de la Universidad de Granada, como director del
Proyecto Fin de Carrera titulado
“Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda
ISM de 2.4GHz”
y realizado por el alumno D. Juan Santaella Hernández
CERTIFICA: que el citado Proyecto Fin de Carrera, ha sido realizado y redactado por
dicho alumno y autorizan su presentación.
Granada, a de Septiembre de 2009
Fdo:
UNIVERSIDAD DE GRANADA
INGENIERIA ELECTRÓNICA
AUTORIZACIÓN DE DEPÓSITO EN LA BIBLIOTECA
Yo, D. Juan Santaella Hernández con DNI 74673294, autor del Trabajo Fin de Carrera
titulado “Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM
de 2.4GHz” realizado en la Universidad de Granada
AUTORIZO: al depósito de dicho Trabajo en la Biblioteca de la Universidad de
Granada, y de la visualización a través de Internet.
Granada, a de Septiembre de 2009
Fdo. D. Juan Santaella Hernández
Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM de 2.4GHz
ÍNDICE
1.- AGRADECIMIENTOS………………………………………………………
3
2.- INTRODUCIÓN……………………………………………………………...
2.1 – Motivación.................................................................................................
4
4
2.2 – Objetivo…………………………………………………………………..
5
3.- FAMILIA DE CIRCUITOS INTEGRADOS CC11XX/25XX ……………
8
4.- CARACTERIZACIÓN DEL CIRCUITO INTEGRADO CC2510……….
4.1 – Introducción……………………………………………………………..
10
10
4.2 - Características generales CC2510……………………………………....
4.2.1- APLICACIONES CC2510…………………………………………..
4.2.2- DESCRIPCIÓN GENERAL………………………………………...
11
11
11
4.3 - Características específicas CC2510...........................................................
4.3.1- PUERTOS I/O.....................................................................................
13
13
4.3.2- DESCRIPCIÓN DEL CIRCUITO…………………………………..
4.3.2.1- CPU y Periféricos………………………………………………
4.3.2.2- Administración de Potencia…………………………………….
4.3.2.2.1- Modos de operación……………………………………
4.3.2.3- Radio……………………………………………………………
4.3.2.3.1- Descripción…………………………………………….
4.3.2.3.2- Instrucciones …………………………………………..
4.3.2.3.3- Registros
4.3.2.3.4- Indicadores de calidad (RSSI)…………………………
4.3.2.3.5- Potencia de salida programable ……………………...
15
16
22
22
25
25
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29
4.3.3- EMPAQUETADO…………………………………………………...
4.3.3.1- Recomendaciones PCB…………………………………………
30
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5.- HERRAMIENTAS DE DESARROLLO EMPLEADAS…………………..
5.1 - Introducción……………………………………………………………..
32
32
5.2 – Herramientas…………………………………………………………….
5.2.1- HARDWARE: CC2510DK………………………………………….
5.2.1.1- SMARTRF04_EB…………………………………………...
5.2.1.2- CC2510EM………………………………………………….
33
33
35
42
5.2.2- SOFTWARE ………………………………………………………..
5.2.2.1- IAR Embedded Workbench………………………………….
5.2.2.2- SmartRF® Studio……………………………………………
5.2.2.3- SmartRF® Flash Programmer……………………………...
44
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47
49
6.- MEDIDAS EXPERIMENTALES DE LA POTENCIA DE SEÑAL
RECIBIDA………………………………………………………………………..
51
7.- IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA INALÁMBRICO PARA
MEDIDA DE DISTANCIA Y TEMPERATURA……………………………...
7.1 – Introducción……………………………………………………………..
58
7.2 - Descripción del sistema………………………………………………….
58
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61
7.3 – Desarrollo de la aplicación……………………………………………...
7.3.1- NIVEL SOFTWARE………………………………………………...
7.3.1.1- Transmisor………………………………………..................
7.3.1.2- Receptor…………………………………………………......
7.3.1.3- Funciones comunes………………………………………….
61
61
74
84
7.3.2- NIVEL HARDWARE……………………………………………….
7.3.2.1- Sensores…………………………………………………….
7.3.2.2- Módulo HOST………………………………………………
7.3.2.3- Módulo TRANSMISOR……………………………………..
7.3.2.4- Diseño de un MÓDULO TRANSMISOR AUTÓNOMO…
86
86
95
97
100
7.4 – Implementación final …………………………………………………...
113
8.- CONCLUSIONES……………………………………………………………
114
9.- BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………..
115
10.- ANEXO 1: PROYECTO INNOVACIÓN DOCENTE …………………..
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1.- AGRADECIMIENTOS
En primer lugar, y como no podía ser de otra manera, quisiera agradecer a mis
padres, Juan y Encarnita, y a mi hermana María del Mar, el apoyo que me han dado
durante todos estos años, ya que sin ellos estoy seguro de que no hubiera podido escribir
estas líneas. A María, por estar a mi lado en cada momento y ayudarme a superar los
retos más complicados. A mis amigos por comprenderme y aceptar siempre de buen
grado la respuesta “No, que tengo que estudiar”. A mi compañera Lucía por tantas horas
de estudio soportando el “a por ellos” de Kiki.
A mi tutor, Francisco Jiménez Molinos, por su amabilidad, predisposición y
dedicación durante el desarrollo de este proyecto.
A la Universidad de Granada en general, y a todos mis profesores en particular,
por haberme brindado la oportunidad de adquirir unos extensos conocimientos y
capacidades.
A todos, Gracias.
“Sólo sé que no sé nada”
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2.- INTRODUCIÓN
2.1 – Motivación
Finalizaba el curso 2007/2008 con los exámenes de Julio y en Octubre
comenzaba el nuevo curso 2008/2009. Iba a ser, o mejor dicho, “pretendía” que fuera
mi último curso de Ingeniería Superior en Electrónica por la Universidad de Granada
(ya que después de algunos años te das cuenta de que no puedes hacer demasiadas
cábalas con esta carrera en este sentido) y necesitaba encontrar un proyecto final de
carrera.
Mi idea inicial era la de realizar el proyecto durante el periodo lectivo 2008/2009
junto con las demás asignaturas de segundo y de esta manera poder presentarlo para
Junio o Septiembre de 2009.
Desde el principio tenía claro que quería desarrollar un proyecto algo más
práctico y no demasiado teórico, es decir, un proyecto donde pudiera aplicar los
conocimientos adquiridos durante estos años y plasmarlo en una forma experimental de
tratar la electrónica.
De esta forma pensé rápidamente en la asignatura de Electrónica de
Comunicaciones ya que, en mi opinión, fue una asignatura distinta en comparación a
las que había
cursado hasta el momento. Esta asignatura tenía una parte teórica
interesante y una parte práctica más atractiva aún. Dicha parte concentraba todo el
contenido teórico en la construcción práctica de algo muy cercano a la realidad
cotidiana como era el caso de un receptor homodino. Aquí, se desarrollaba un proyecto
más allá del papel y la teoría cuyo objetivo final estaba claramente definido: se tenía
que poder escuchar la cadena SER a 1080 KHz. Por ello decidí hablar con el profesor
Francisco Jiménez Molinos, quien impartía esta asignatura, e intentar realizar el
proyecto con él.
Me puse en contacto con él y no hubo ningún problema al respecto, por lo que
comenzamos a trabajar enseguida en el desarrollo de un radioenlace a partir de los
circuitos integrados (CI) de la familia CC25XX de Texas Instrument.
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2.2 – Objetivo
El presente proyecto se enmarca dentro del proyecto de innovación docente
“Nuevas Herramientas para el Aprendizaje de Técnicas Básicas de Medida en el
Laboratorio de Electrónica Analógica y para el Desarrollo de Sistemas de RF”.
Como expone el título anterior, la prioridad de este proyecto consiste en el
desarrollo de Nuevas Herramientas en el campo de RF. De esta manera, el proyecto fin
de carrera que nos ocupa tiene su base en el transceptor (transmisor/receptor) CC2510,
un CI actual que se caracteriza fundamentalmente por su bajo coste y consumo de
potencia.
Así pues, podemos decir que el presente proyecto intenta cubrir dos grandes
metas claramente diferenciadas que se muestran a continuación.
Por un lado tenemos el primer bloque denominado “CARACTERIZACIÓN DEL
CIRCUITO INTEGRADO CC2510”. Aquí se intentará describir, de forma general, las
características del CI. De esta forma, un futuro usuario que no tenga conocimientos
previos sobre este componente, podrá obtener en un tiempo relativamente corto, una
visión amplia del mismo. Todo este trabajo podrá servir como punto de partida para
posteriores implementaciones en las que se desee añadir funcionalidad inalámbrica a
algún sistema a través de radios implementadas con estos CIs o para realizar
aplicaciones de radio más complejas (como comunicación entre más de dos unidades,
redes de sensores, ...). Por tanto, este apartado tiene como objetivo fundamental,
facilitar el camino a futuros trabajos basados en esta tecnología, resumiendo en este
documento, los conocimientos adquiridos a partir de la gran cantidad de información
procedente de manuales, hojas de características, notas de aplicación etc. Es por ello que
se seguirán los siguientes pasos de actuación
•
Estudio de los manuales, hojas características y notas de aplicación de los
integrados.
•
Familiarización con las herramientas de desarrollo para estos circuitos
integrados (kit de desarrollo, entorno de programación del MCU, …)
•
Caracterización de los circuitos como radio:
Medidas de rango de alcance en función de la potencia de salida y para
diversos esquemas de modulación
Medidas de sensibilidad del receptor
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En segundo lugar encontramos el bloque “IMPLEMENTACIÓN DE UN
SISTEMA INALÁMBRICO PARA MEDIDA DE DISTANCIA Y TEMPERATURA.”. El
desarrollo de este segundo apartado consistirá en la realización de una aplicación
concreta a partir del CC2510.
Este sistema electrónico se basará en dos módulos independientes.
Uno de ellos, el transmisor, se encargará de la adquisición de datos. Estos datos
se concretan en dos señales analógicas procedentes de dos sensores diferentes. En un
lado tenemos un sensor de distancia y en el otro un sensor de temperatura. Este módulo
transmisor, tratará estas señales analógicas de manera adecuada, esto es, las convertirá
en señales digitales a partir de un ADC. Posteriormente, el transmisor enviará estos
datos vía radio, en la frecuencia de 2.4GHz, al módulo receptor o host de una manera
continua, ya que se pretende una adquisición de valores en tiempo real. De esta forma el
transmisor finalizará su tarea cuando sea desconectado de la fuente de alimentación y
volverá, por tanto, a estar en funcionamiento operativo cuando se conecte a la tensión
adecuada.
Por su parte, el receptor o host, recibirá los datos procedentes del transmisor, y
se encargará de mostrarlos al usuario en tiempo real. Además, este módulo tendrá una
interfaz de usuario donde éste podrá interactuar y decidir entre varias opciones, como la
posibilidad de visualizar la temperatura del MCU del host.
Como se puede intuir, la construcción del sistema se fundamentará en dos
niveles de actuación. Por un lado tendremos un nivel software, donde se programará el
dispositivo básico y por otra, encontraremos un nivel hardware que dará sustento físico
al propio sistema y que estará formado por los sensores (distancia y temperatura) y los
módulos anteriores.
A continuación se muestra un esquema (figura 2.1) del sistema completo
con la intención de que el lector conciba una idea general de lo que se propone en este
apartado.
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Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM de 2.4GHz
Figura 2.1 – Esquema modular del Radioenlace
En la implementación de este sistema inalámbrico se utilizarán las herramientas
de desarrollo que se presentarán en el apartado 5.
De esta forma alcanzaremos el segundo objetivo del presente Proyecto Fin de
Carrera, consistente en el diseño e implementación de un radioenlace en la banda ISM
de 2.4GHz. Para ello seguiremos los siguientes pasos.
•
Realización del programa del MCU que debe controlar la operación de las radios
y gestionar la comunicación entre las dos unidades.
•
Diseño y realización del radioenlace entre dos placas, cada una portadora de uno
de estos circuitos integrados.
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3.- FAMILIA DE CIRCUITOS INTEGRADOS CC11XX/25XX
El progresivo escalado de los dispositivos y circuitos electrónicos ha permitido
incluir cada vez más funciones en un único chip, dando lugar a los circuitos integrados
conocidos como SoC (system on a chip). El campo de las radiocomunicaciones no podía
escapar de esta tendencia y desde hace sólo dos ó tres años se han lanzado al mercado
CIs que actúan como transceptores completos que apenas necesitan componentes
externos (prácticamente basta con la antena y un cristal) y que, incluso, incluyen el
microcontrolador (MCU) para la gestión de la radio y de otros componentes externos,
como pueden ser sensores.
En este proyecto se trabajará con los CIs de radio de las familias CC11xx y
CC25xx de Texas Instruments. Estos circuitos integrados son transceptores capaces de
manejar diferentes esquemas de modulación, con potencia de salida programable,
indicador de potencia recibida (RSSI) en el receptor etc. Además, algunas referencias
incluyen el MCU para el control de la radio.
Distribución de frecuencias
Para elegir la frecuencia de radio correcta para nuestra aplicación, en primer
lugar, debemos decidir la banda en la que queremos operar. La familia de CIs de Texas
Instrument, ofrece la posibilidad de trabajar en la banda de 2.4GHz (CC25XX) o en
bandas sub-1GHz (CC11XX), con frecuencias inferiores a 1GHz. Este tipo de bandas
ISM (Industrial Scientific Medical) están reguladas en función de la distribución
geográfica en la que se pretenda trabajar. En la siguiente figura 3.1 se muestran qué
bandas de frecuencias están disponibles para cada región.
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Figura 3.1 – Distribución geográfica de frecuencias
En nuestro caso optaremos por la banda de 2.4GHz ya que es una banda libre en
toda la superficie terrestre, que posee unas menores restricciones.
En esta banda, Texas Instrument ofrece las siguientes posibilidades en cuanto al
tipo de IC que queramos utilizar
2.4 GHz
CC2400 Transceiver
CC2500 Transceiver
CC2550 Transmitter
CC2510 System-on-Chip
CC2511 System-on-Chip with Integrated USB Controller
Nuestra elección final será el dispositivo CC2510 ya que incorpora ambas
funciones de transmisión y recepción, además de incorporar una unidad de
microcontrolador (MCU) con las grandes ventajas que esto implica. Este dispositivo
será descrito con mayor detalle en las páginas siguientes.
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4.- CARACTERIZACIÓN DEL CIRCUITO INTEGRADO CC2510
4.1 - Introducción
Este apartado pretende descubrir al lector el dispositivo CC2510 de manera
general. El objetivo que se pretende alcanzar es el de proporcionar, de manera rápida,
unos conocimientos previos del dispositivo. De esta forma iremos analizando las
características específicas del IC.
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4.2 - Características generales CC2510
4.2.1- APLICACIONES CC2510
Aplicaciones en la banda de 2.4 GHz (2400 - 2483.5 MHz)
Dispositivos electrónicos
Teclados y ratones inalámbricos
Comunicación inalámbrica de audio
Control remoto
Equipamiento deportivo inalámbrico
Telemetría de baja potencia
4.2.2- DESCRIPCIÓN GENERAL
El CI CC2510 es un transceptor system-on-chip (SoC) integrado de bajo coste
que trabaja en la banda de 2.4GHz y está diseñado para construir aplicaciones
inalámbricas de baja potencia.
El CC2510 es un dispositivo actual que combina las características de RF del
transceptor CC2500 junto con las del microcontrolador estándar 8051 MCU.
Una de sus ventajas es su reducido tamaño (6x6 mm). Esto implica que sea muy
adecuado en aplicaciones donde las dimensiones sean un factor importante a tener en
cuenta.
Otra ventaja
es su bajo consumo lo que representa una característica
indispensable en el diseño de cualquier sistema electrónico.
A continuación se describen brevemente las propiedades más importantes del
dispositivo
Radio
-
Transceptor de RF de alto rendimiento basado en el CC2510
-
Gran selectividad en el receptor
-
Alta sensibilidad (-103 dBm a 2.4 kBaud)
-
Data rate programable hasta 500kBaud
-
Potencia de salida programable hasta 1dBm
-
Rango de frecuencias : 2400-2483.5 MHz
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Consumo
-
Bajo consumo (RX: 17.1 mA a 2.4 kBaud - TX: 16 mA a −6 dBm de potencia de
salida)
-
0.3 µA en el modo PM3 (modo de consumo de potencia más bajo)
MCU, Memoria y Periféricos
-
Microcontrolador 8051
-
8/16/32 kB de memoria programable flash. Esta característica se añade al
nombre del dispositivo CC2510Fx, donde x ~ 8, 16 o 32 kB.
-
1/2/4 kB de memoria RAM
-
Interface I2S (Inter-IC Sound) para audio
-
7-12 bit ADC con 8 canales de entrada
-
128 bits AES (Advanced Encryption Standard) de seguridad
-
Gran funcionalidad del DMA
-
2 canales USARTs
-
1 Timer (contador) de 16 bit en modo DSM (Delta Sigma Modulator)
-
3 Timers de 8 bit de uso general
-
21 pins GPIO (General Purpose I/O pins)
General
-
Rango de tensiones de alimentación (2.0 – 3.6) V
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4.3 - Características específicas CC2510
4.3.1- PUERTOS I/O
En la figura 4.1 y en la tabla 4.1 se presentan los pins de Entrada y Salida del
CC2510.
Figura 4.1 – Vista Superior del CC2510Fx
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Tabla 4.1 – Correspondencia de pines del CC2510Fx
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4.3.2- DESCRIPCIÓN DEL CIRCUITO
El diagrama de bloques del CC2510 se muestra en la figura 4.2. Los diferentes
módulos se dividen en tres categorías: módulos referentes a la CPU, módulos
relacionados con la Potencia Consumida y un tercer grupo basado en la propia Radio.
Éstos serán analizados en los siguientes subapartados.
Figura 4.2 – Diagrama de Bloques del CC2510Fx
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4.3.2.1- CPU y Periféricos
CPU
El núcleo del microcontrolador se basa en una arquitectura CPU 8051 formada
por tres buses de acceso a memoria diferentes (SFR, DATA y CODE/XDATA), una
interfaz de depuración y una amplia unidad de interrupción que proporciona dieciocho
formas distintas de interrupciones. La representación en el diagrama de bloques se
muestra en la (figura 4.3).
Figura 4.3 – Representación de la CPU
PERIFÉRICOS
El módulo conocido como memory arbitrator (figura 4.4) es el corazón del
sistema, ya que conecta la CPU y el controlador DMA con las memorias físicas y todos
los periféricos a través del bus SFR. Esta memoria tiene cuatro puntos de acceso
mediante los cuales se puede mapear una de las tres memorias físicas disponibles en el
CC2510Fx:
1/2/4 KB SRAM, 8/16/32 KB flash memory y los registros RF/I2S.
Además, la memory arbitrator es la encargada de gestionar los accesos simultáneos a la
misma memoria física.
Figura 4.4 – Conexiones de la Memory Arbitrator
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El bus SFR está dibujado de manera conceptual en el diagrama de bloques
anterior (figura 4.2) como un bus común que conecta todos los módulos periféricos con
la memory arbitrator. Por otra parte, este bus (figura 4.5) proporciona acceso a los
registros de la radio y del I2S.
Figura 4.5 – Bus SFR
La memoria 1/2/4 KB SRAM es un tipo de memoria SRAM de baja potencia
que retiene la información contenida en ella en los modos de operación PM2 y PM3.
Estos modos de operación serán descritos posteriormente.
Figura 4.6 – Interconexión de la memoria SRAM
Por su parte, el bloque de memoria flash 8/16/32 proporciona una memoria
programable no volátil para el dispositivo estando asociada a los espacios de memoria
CODE y XDATA. La siguiente tabla (Tabla 4.2) nos muestra los diferentes tipos de
dispositivos CC2510 atendiendo a su memoria flash.
Tabla 4.2- Opciones de la Memoria Flash del CC2510
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Figura 4.6 – Interconexión de la Memoria Flash
Los diferentes tipos de dispositivos CC2510Fx, únicamente difieren en la
capacidad de la memoria flash. Esta memoria se programa a través del Flash Controller.
Existen cinco canales disponibles en el sistema para el controlador DMA . Éste
es capaz de controlar la memoria utilizando un espacio de memoria unificado y consta,
además, de un acceso a todas las unidades físicas de memoria. Cada canal se puede
configurar atendiendo a diferentes parámetros como son el modo de transferencia, el
modo de direccionamiento o el evento de disparo, a partir de los descriptores DMA.
Figura 4.7 – Representación modular del DMA
El controlador de interrupciones proporciona dieciocho tipos diferentes de
fuentes de interrupción, divididos en seis grupos, cada uno de los cuales está asociado a
uno de los cuatro tipos de prioridades de interrupción.
La interfaz de depuración implementa un tipo de interfaz serie propietaria que
se usa para depurar el propio circuito. A través de esta interfaz es posible borrar la
memoria flash, controlar los osciladores activados, parar y empezar la ejecución de un
programa usuario o ejecutar instrucciones adicionales en el 8051.
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Figura 4.8 – Interconexión de Interfaz de Depuración y la CPU
El controlador de I/O es responsable de todos los pines de entrada-salida. La
CPU puede configurar los módulos periféricos controlando ciertos pins mediante un
software de control. En este caso, cada pin puede ser configurado como entrada o salida
y además es posible configurar el modo de entrada (pullup, pull-down o triestado).
Cada módulo periférico puede conectarse a un pin I/O eligiendo entre dos tipos
diferentes de localizaciones, lo que implica una mayor flexibilidad en el desarrollo de
aplicaciones.
Figura 4.9 – Controlador de I/O
El Sleep Timer es un contador de baja potencia que utiliza un oscilador de cristal
de 32.768 kHz o un oscilador RC de baja potencia como fuente de reloj. El Sleep Timer
funciona continuamente en todos los modos de operación excepto en el modo activo y
en el modo PM3. Se usa típicamente para salir del modo PM0, PM1 o PM2.
El CC2510Fx dispone de un Watchdog Timer que permite resetear el sistema en
el caso de que el firmware falle. Cuando está activado, este timer debe ser inicializado
periódicamente para evitar que el dispositivo se resetee cuando el timer alcanza su valor
final.
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Timer1 es un contador o timer de 16 bits que realiza las funciones típicas de
cualquier timer, ya que es capaz de capturar entradas, comparar registros e implementar
funciones PWM. Este contador dispone de un prescaler programable y tres canales de
captura y comparación.
Timer2 (MAC TIMER) es otro timer especialmente diseñado para soportar
protocolos de tipo time-slotted en software. El contador es capaz de configurar su
periodo a través de un prescaler programable.
Timer3 y Timer4 son contadores de 8 bits de uso general con características
funcionales típicas como comparación y programación del prescaler. Para esto, dispone
de 2 canales los cuales pueden ser usados como salidas de PWM.
Figura 4.10 – Contadores disponibles en el dispositivo CC2510
USART0 y USART1 son dos registros que pueden ser configurados como SPI
master/slave (modo síncrono) o como UART (modo asíncrono). Proporcionan control
de flujo ya que actúan como módulos de doble almacenamiento (buffering) en proceso
de Tx y Rx.
Figura 4.11 – Registros USART0 y USART1
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El núcleo de encriptación/desencriptación (AES) permite al usuario encriptar
y desencriptar los datos usando un algoritmo AES de 128 bits.
El CC2510 dispone de un Conversor Analógico-Digital (ADC) que permite
tener una resolución entre 7 y 12 bits. Las conversiones de audio y DC disponen de
ocho canales independientes. Las entradas de estos canales pueden ser seleccionadas
como single ended (entrada absoluta) o differential extern signal (entrada diferencial).
La referencia de tensión puede ser de cuatro tipos, referencia interna (2.8V-3.6V), VDD
(referencia externa, nunca mayor de 3.6V), single ended o differential external signal.
El ADC también dispone de un canal asignable a un sensor de temperatura interno que
es capaz de adquirir la temperatura del microcontrolador.
Figura 4.12 – Núcleo de Encriptación
El registro I2S (Inter-IC Sound)
puede ser utilizado para enviar/transmitir
muestras de audio a o desde un procesador externo de sonido. Estas muestras pueden
tener una resolución mayor de 16 bits, aunque este parámetro deberá ser configurado en
el registro correspondiente. Además, permite configuraciones del tipo master/slave y
soporta los modos mono y stereo.
Figura 4.13 – Registro I2S
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4.3.2.2- Administración de Potencia
En esta sección se describe la manera de gestionar la Potencia Consumida por el
dispositivo, es decir, se muestran una serie de métodos o modos mediante los cuales se
puede alcanzar un consumo óptimo de potencia en un a aplicación concreta. Esto se
concreta a partir del módulo de Administración de Potencia, que tiene la capacidad de
controlar el uso del modo activo, los modos de potencia y la señal de reloj como
veremos a continuación.
4.3.2.2.1- Modos de operación
El CC2510 utiliza diferentes modos que permiten actuar al dispositivo en
operaciones de baja potencia. Esto se consigue desconectando las fuentes de potencia de
los módulos, lo que permite un bajo consumo de potencia estático. Además se reduce la
frecuencia de reloj y de los osciladores por lo que el consumo potencia dinámica se
reduce.
El CC2510 tiene un modo activo y cuatro modos de potencia consumida
configurables (PM0, PM1, PM2 y PM3), de los cuales, el modo PM3 es el modo en el
que el dispositivo consume menos potencia. Las características fundamentales de estos
modos de operación se reflejan en la siguiente tabla (Tabla 4.3)
Tabla 4.3 – Modos de Operación
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MODO ACTIVO
Es el modo de funcionamiento fundamental. El regulador de voltaje del núcleo
digital está activado y el oscilador RC de alta velocidad y/o el oscilador de cristal de alta
velocidad también están en funcionamiento. Además, el oscilador RC de baja potencia o
el oscilador de 32.768 kHz de cristal está también activado.
PM0
Aquí ocurre lo mismo que en el modo activo, con la salvedad que la CPU está en
un estado de espera mientras no se esté ejecutando ningún código.
PM1
El regulador de voltaje de la parte digital está activo. En cambio ni el oscilador
RC de alta velocidad ni el oscilador de cristal de alta velocidad están en
funcionamiento. Por su parte, el oscilador RC de baja potencia o el oscilador de 32.768
kHz de cristal está también activado. El sistema volverá al modo activo cuando exista
una interrupción o cuando el contador Sleep Timer llegue al final.
PM2
El regulador de voltaje de la parte digital está desactivado. Ni el oscilador RC de
alta velocidad ni el oscilador de cristal de alta velocidad están en funcionamiento. Por
su parte, el oscilador RC de baja potencia o el oscilador de 32.768 kHz de cristal está
también activado. El sistema volverá al modo activo cuando exista una interrupción o
cuando el contador Sleep Timer llegue al final.
PM3
El regulador de voltaje de la parte digital está desactivado. Además, ninguno de
los osciladores está funcionando. El sistema volverá al modo activo cuando exista una
interrupción o cuando el contador Sleep Timer llegue al final.
Cuando una interrupción externa se produce en PM1, PM2 o PM3 o el Sleep
Timer finaliza su cuenta en PM1 o PM2, el sistema retornará al modo activo y el código
se ejecutará desde el lugar donde se quedó (cuando entró en modo PM1/2/(3). En
cambio desde el modo PM0 el sistema volverá al modo activo ejecutando el código
desde el inicio.
23
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Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM de 2.4GHz
Por su parte, un reseteo del chip que se produzca desde cualquier modo de
operación implicará un retorno al modo activo en el cual, el código comenzará a
ejecutarse desde su inicio.
24
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Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM de 2.4GHz
4.3.2.3- Radio
4.3.2.3.1- Descripción
Las características referentes a la radio del transceptor de RF CC2510, se basan
en la tecnología del dispositivo CC2500. De esta forma, se requieren muy pocos
componentes externos para implementar un circuito de RF óptimo.
Figura 4.14 – Diagrama modular de la Radio
En la figura anterior (figura 4.14) se muestra un diagrama de bloques
simplificado formado por los distintos módulos de la radio del CC2510. De aquí se
puede extraer que la señal de RF recibida es amplificada por el LNA (Low-NoiseAmplifier) y separadas las componentes en fase y en cuadratura (I y Q) a la frecuencia
intermedia IF. En esta frecuencia intermedia, las señales I/Q son digitalizadas a partir de
los ADC. De esta manera, el Control de Ganancia Automático (AGC), el filtrado o la
demodulación son llevadas a cabo digitalmente. La parte del transmisor del CC2510
está basada en la síntesis directa de la frecuencia de RF. El sintetizador de frecuencia
incluye un completo on-chip LC VCO y un desplazador de fase de 90 grados para
generar las señales I y Q a partir de la conversión, en los mezcladores de señales, en el
modo de transmisión. La alta velocidad del oscilador de cristal genera la frecuencia de
referencia en la sintetización, además de actuar como señal de reloj en el módulo de
25
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ADC y en la parte digital. Una interfaz SFR es usada como buffer de datos de la CPU.
Al estado y la configuración de los registros se accede a partir de los registros mapeados
de la memoria XDATA.
4.3.2.3.2- Instrucciones
La CPU usa una serie de instrucciones para controlar las operaciones de la
radio. Estos comandos pueden ser vistos como unas instrucciones de un solo Byte que
inician una secuencia interna en la radio. Los comandos son utilizados para activar el
sintetizador de frecuencia, configurar el modo de recepción o transmisión etc. En la
siguiente tabla se describen dichos comandos.
Tabla 4.4 - Comandos
26
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4.3.2.3.3- Registros
La radio se configura a través de una serie de registros de RF. Estos registros
están mapeados en espacio de memoria XDATA. Además la propia configuración de
los registros nos muestra información acerca del estado de la radio. La siguiente figura
(figura 4.15) muestra dichos registros dentro del espacio de memoria existente.
Figura 4.15 – Espacio de Memoria
27
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4.3.2.3.4- Indicadores de calidad (RSSI)
El RSSI (Receive Signal Strength Indicator) proporciona una estimación del
nivel de la señal en el canal elegido. Este valor está basado en la ganancia de corriente
en el receptor Rx y el nivel de señal medido en el canal. En el modo de recepción, el
valor del RSSI puede ser leído de manera continua a partir del propio registro RSSI.
Dicho valor se muestra en dBm. De esta forma, se muestra a continuación una gráfica
(figura 4.16) que nos muestra valores típicos de RSSI frente a la potencia de entrada
para distintos Data Rates.
Figura 4.16 – Valores típicos del RSSI frente al Nivel de Potencia de Entrada [2]
28
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Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM de 2.4GHz
4.3.2.3.5- Potencia de salida programable
Una característica importante del dispositivo CC2510 es que podemos
programar la potencia de salida, de manera que podemos realizar aplicaciones
específicas atendiendo a la realidad del entorno exterior. De esta manera, este nivel de
potencia puede ser configurado a través del registro PATABLE0. Así, en la siguiente
tabla (Tabla 4.5) se muestran las configuraciones típicas de este registro en relación a la
potencia de salida.
Tabla 4.5 – Configuraciones registro PATABLE en función de la potencia deseada
29
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Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM de 2.4GHz
4.3.3- EMPAQUETADO
En este apartado se muestra el empaquetado del dispositivo, es decir, las
dimensiones del mismo. Las medidas se dan en mm y los ángulos en grados.
Figura 4.17 – Dimensiones típicas de empaquetado
30
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4.3.3.1- Recomendaciones PCB
En la figura 4.21 se muestran las recomendaciones del fabricante a la hora de
crear el footprint del dispositivo CC2510. Es muy recomendable seguir estas
instrucciones ya que el IC tiene unas dimensiones muy reducidas.
Figura 4.18 – Recomendaciones en la creación de la PCB
31
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5.- HERRAMIENTAS DE DESARROLLO EMPLEADAS
5.1 – Introducción
En este punto nos encontramos en el inicio del segundo gran bloque de este
Proyecto Fin de Carrera. Esto es debido a que en este apartado se describirán las
herramientas de desarrollo empleadas, tanto a nivel software como a nivel hardware,
utilizadas en la creación de la aplicación práctica. La implementación de dicha
aplicación se plasmará en el capítulo 7 de este documento.
32
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5.2 - Herramientas
En esta parte se describe de manera general las herramientas de desarrollo
empleadas. Estas herramientas se hacen indispensables en al creación de cualquier
aplicación, ya que dan un soporte sobre el cual es posible implementar, de manera
práctica, cualquier idea basada en el CC2510. Con este material de ayuda podemos
actuar a dos niveles fundamentales: nivel hardware y nivel software que describiremos a
continuación.
5.2.1- HARDWARE: CC2510DK
El Hardware de desarrollo empleado es un conjunto elementos que se concretan
en lo que se conoce como el kit de desarrollo CC2510DK (CC2510 Development Kit).
Esta plataforma de desarrollo pertenece a la compañía Texas Instruments y permite la
evaluación, el desarrollo y el prototipado de aplicaciones reales basadas en el
dispositivo CC2510 de la propia compañía.
El CC2510DK se divide en dos partes fundamentalmente. Por un lado
encontramos la placa SmartRF04_EB (Evaluation Board) está formada por
componentes discretos como un LCD, una serie de LEDs, potenciómetros etc. Por otra
parte encontramos el CC2510EM (Evaluation Module). Éste es un pequeño módulo
donde se sitúa el propio CC2510 y los elementos necesarios en el diseño de la capa de
RF. En los siguientes apartados se amplían las características de estas dos placas de
prototipado.
El contenido de este kit de desarrollo es el siguiente y se muestra en la figura
5.1.
• 2 x SmartRF04EB
• 2 x Módulos de Evaluación (CC2510EM)
• 2 x Antenas de 2.4GHz
• 2 x Cables USB
• 1 x 10 Cable de prototipado para tarjetas externas
• Guía de inicio rápida al kit de desarrollo
33
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Figura 5.1 – Kit de desarrollo CC2510DK
34
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5.2.1.1- SMARTRF04_EB
En primer lugar se presenta la SmartRF04_EB. Esta placa de desarrollo incluye
una serie de funciones y aplicaciones que permite testear de manera rápida la interfaz
RF y los módulos periféricos del chip CC2510.
En la siguiente figura (figura 5.2) se presentan los principales componentes de la
SmartRF04_EB
Figura 5.2 – Diagrama de Módulos de la tarjeta SmartRF04_EB
El cable USB procede del PC y se conecta, en la propia EB, al controlador de
USB. El USB MCU es un C8051F320 de Silicon Labs. El único propósito de este
controlador es el de traducir las señales USB a la interfaz del módulo SoC (Chipcon
System on Chip) cuando éste está conectado. Esta interfaz incluye DC (Depuración
señal Reloj) y DD (Depuración de Datos). Además, la mayoría de los módulos
periféricos del chip están conectados al controlador USB, lo que implica, que los
puertos I/O del controlador USB y del SoC están relacionados en pines semejantes.
Cuando el controlador USB detecta el módulo SoC, todas las señales I/O del mismo se
ponen en modo triestado (alta impedancia). De esta manera el controlador USB no tiene
influencia ninguna en estas líneas I/O.
35
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La siguiente tabla (Tabla 5.1) muestra el uso de los pines I/O del USB MCU.
Tabla 5.1 – Pines del USB MCU
36
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La siguiente figura (Figura 5.3) muestra la SmartRF04_EB junto con la
descripción de cada uno de sus componentes.
Figura 5.3 – SmartRF04_EB
Los principales módulos de esta placa de desarrollo se especifican a
continuación.
37
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Fuente de alimentación SmartRF04_EB
La propia placa tiene diferentes vías de alimentación. Si existen varias tensiones
conectadas a la placa, la más alta será la que predominará.
Figura 5.4 – Interruptor de Alimentación
El interruptor de alimentación S3 debe estar en la posición correcta dependiendo
de la fuente alimentación usada. De esta manera, si se aplican 3.3V, utilizando el bloque
terminal, el interruptor debería estar en la posición de la izquierda. En otro caso, éste
debe estar en la posición derecha.
Figura 5.5 – Conector de Alimentación
38
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La SmartRF®04EB puede ser alimentada por diferentes vías
•
Conector DC jack (4-10V)
•
Laboratory power supply (4-10V)
•
USB power
•
Battery power (9V)
Sea cual sea la fuente de alimentación, la propia placa de desarrollo regula la
tensión a 3.3V, siendo muy importante no alimentar directamente la EM a más de
3.6V.
Interfaz USB
La interfaz USB conecta el PC con la EB y se usa para poder utilizar el software
de programación correspondiente que veremos posteriormente.
Interfaz RS-232
Esta interfaz puede ser utilizada para comunicar diferentes dispositivos con la
propia EB.
Interfaz de Usuario
La SmartRF04_EB dispone de un joystick y un pulsador como dispositivos de
entrada para un usuario. Además existen cuatro LEDs y un display LCD de 2x16
caracteres como dispositivos de salida.
Interfaz de Audio
La EB incluye un micrófono de entrada y un auricular de salida para configurar
múltiples aplicaciones de este tipo.
Conectores I/O
Estos conectores extraen las señales procedentes de los conectores de la EM.
Esto permite un acceso sencillo a las señales de I/O además de la posibilidad de
conexión de placas prototipo. Estas relaciones, entre pines de EM y conectores, se
muestran en la siguiente tabla (Tabla 5.2). En el desarrollo de cualquier aplicación, es
39
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necesario tener en cuenta estas relaciones ya que nos permitirán depurar la aplicación
concreta diseñada.
Tabla 5.2 – Conectores I/O
Figura 5.6 – Conectores I/O
En este sentido, hay que tener en cuenta un detalle muy importante a la hora de
utilizar correctamente estos conectores. Como se observa en la tabla anterior, el pin3 del
conector A, por ejemplo, conecta el pin P0_0 de la EM y el micrófono de la EB. De
esta manera la señal de salida que encontramos en el conector A relaciona las dos
señales anteriores al mismo tiempo. Esto es debido a que existe una serie de resistencias
de baja impedancia (R_0ohm) que unen estos dos módulos como se observa en la figura
5.7.
40
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Figura 5.7 – Evaluation Board Signal flow
Si queremos obtener únicamente la señal procedente de la EM, es decir, del
propio CC2510, tendremos que eliminar estas resistencias. Para ello debemos desoldar,
literalmente, las propias R_0ohm de la EB. Para ello debemos tener en cuenta la
relación entre cada módulo de la EM y la EB. Esta información la podemos encontrar en
la tabla 5.1.
41
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5.2.1.2- CC2510EM
En este apartado se describe el módulo CC2510_EM. Esta placa contiene el
propio dispositivo CC2510 y se monta sobre la SmartRF04_EB a partir de unos
conectores de superficie disponibles. La figura 5.8 muestra la EM.
Figura 5.8 – CC2510EM
La característica fundamental de este módulo, reside en el hecho de que todos
los componentes de RF necesarios (cristal, antena etc.) para una correcta Tx/Rx están
montados sobre la propia placa. Además, en ésta se encuentra el CC2510. Así, lo único
que hay que hacer, es colocar la EM sobre la EB.
Finalmente, el hardware completo de desarrollo sería el mostrado en la figura
5.9.
42
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Figura 5.9 – SmartRF04_EB + CC2510EM
43
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5.2.2- SOFTWARE
En este apartado corresponde hablar del software empleado en el desarrollo
realizado. Este software se divide en tres programas diferentes:
-IAR Embedded Workbench
-SmartRF® Studio
-SmartRF® Flash Programmer
El primero de ellos se emplea en el diseño del código que utilizaremos en el
microcontrolador. El segundo se encarga de la optimización en las medidas de RF. Por
último, el tercer programa se utiliza para programar la memoria del propio CC2510.
A continuación describiremos de forma detallada estos programas.
44
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5.2.2.1- IAR Embedded Workbench
El IAR Embedded Workbench® IDE es un Entorno de Desarrollo Integrado que
permite el diseño y la gestión completa de proyectos basados en aplicaciones
embebidas. Las características generales de este software son las siguientes:
● Lenguaje de alto nivel IAR C/C++
● Compilador de alta optimización IAR C/C++
● Ensamblador IAR
● IAR XLINK Linker
● Librerías IAR y IAR XLIB
● Potente editor de desarrollo
● Depurador IAR C-SPY®
Este programa es compatible para una gran variedad de microprocesadores y
microcontroladores de segmentos de 8, 16 y 32 bits sin ser necesario unos grandes
conocimientos previos sobre el Entorno de Desarrollo. Esto es posible debido a la
eficiente interfaz de Windows de desarrollo y depuración, lo que proporciona un
aprendizaje rápido de dicho software.
El programa IAR Embedded Workbench® IDE viene con múltiples librerías de
funciones que permiten al usuario obtener un control absoluto de un proyecto de
desarrollo, empleando diferentes lenguajes y niveles de programación como, por
ejemplo, C, C++ o lenguaje ensamblador.
En particular, en lo que a este proyecto se refiere, se usará este Entorno de
Desarrollo Integrado para construir el código, en lenguaje C/C++, del programa que
correrá en el microcontrolador. Es decir, utilizaremos este software para obtener un
pequeño programa que gestionará las funciones del dispositivo CC2510, esto es, activar
pines I/O, utilizar los módulos de los periféricos (Radio, DMA etc.), interrupciones o
cambiar los registros internos del chip.
El entorno gráfico que utiliza el IAR Embedded Workbench® IDE se presenta
en la figura 5.10.
45
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Figura 5.10 – IAR Embedded Workbench® IDE
46
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5.2.2.2- SmartRF® Studio
Como se ha dicho anteriormente, este programa se encarga de la optimización en
las medidas de RF. Es decir, el software permite, de manera sencilla, tener acceso
directo a todos los registros del dispositivo CC2510. De esta manera, sabemos en todo
momento la información contenido en los mismos, por lo que podemos depurar
correctamente cualquier aplicación a través del SmartRF® Studio. Además desde el
propio programa, el usuario puede modificar dichos registros, lo que implica que éste
puede cambiar parámetros como el tipo de modulación utilizada en el módulo de la
radio, los modos y direcciones de funcionamiento de las I/O, la función del ADC o el
control del DMA.
La interfaz de usuario es sencilla, lo que permite un fácil manejo del programa.
De esta forma, al conectar el hardware (SmartRF04_EB + CC2510EM) al PC (donde se
instala el SmartRF® Studio), el propio programa reconoce el dispositivo y con una
simple pulsación tenemos acceso a los registros internos del CC2510.
A continuación se muestran dos figuras; figura 5.11 y figura 5.12 en las que se
presenta esta interfaz.
Figura 5.11 – Interfaz del SmartRF® Studio1
47
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Figura 5.12 – Interfaz del SmartRF® Studio2
Como se observa, la visualización y el acceso a los registros del chip es muy
sencillo.
Por otro lado, el programa puede cargar el firmware del MCU en la
SmartRF04_EB, lo que hace posible el control del USB.
Además, otra característica importante de este software es la posibilidad de
comprobar la calidad de un radio enlace. Esto es posible ya que se pueden medir
parámetros como el RSSI (Receive Signal Strength Indicator), que se obtiene
directamente de un registro específico, o el PER (Packet Error Rate), que nos indica el
porcentaje de paquetes que se pierden al ser transmitidos. Esto anterior, combinado con
la posibilidad de modificar el tipo de modulación, el Bit-Rate, o el número de paquetes
transmitidos, hacen de este programa sea una herramienta fundamental en el desarrollo
de cualquier aplicación.
48
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5.2.2.3- SmartRF® Flash Programmer
Por último nos encontramos con el SmartRF® Flash Programmer. Este software
permite programar la memoria flash del CC2510. Dispone, igualmente, de una interfaz
gráfica amable, lo que permite programar el CC2510 fácilmente.
Los pasos a seguir son los siguientes
Creamos el código en lenguaje de alto nivel C/C++ con IAR
Embedded Workbench.
Compilamos el código generando un archivo .HEX
En el SmartRF® Flash Programmer indicamos la ruta del archivo
.HEX anterior.
Cargamos el programa en el CC2510 con diferentes posibilidades:
i) Borrar el contenido de la memoria flash y cargar el nuevo
código.
ii) Borrar, cargar y verificar.
iii) Cargar a continuación del último código.
iv) Verificar.
v) Leer el archivo .HEX de la memoria flash.
La Interfaz Gráfica de Usuario (GUI) descrita anteriormente se muestra a
continuación en la figura 5.13.
49
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Figura 5.13 – Interfaz del SmartRF® Flash Programmer
50
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6.- MEDIDAS EXPERIMENTALES DE LA POTENCIA DE SEÑAL RECIBIDA
A continuación se muestran las medidas experimentales realizadas con el
dispositivo CC2510. Estos datos corresponden a una representación del parámetro RSSI
(Indicador de la Potencia de la Señal Recibida) frente a la distancia. La nota de diseño
DN018 [11] muestra una gráfica en la que se observan estos parámetros a diferentes
alturas, tal y como se muestra en la siguiente figura (Figura 6.1).
Figura 6.1 – RSSI a 7cm, 31cm y 115cm de elevación
El objetivo fundamental de este apartado es ampliar la zona comprendida entre 0
y 10 metros, ya que nuestra aplicación tendrá sentido dentro de este rango de distancias.
De esta manera podremos optimizar nuestro desarrollo (en cuanto a consumo de
potencia) atendiendo a datos experimentales.
51
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Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM de 2.4GHz
Siguiendo esta línea de estudio, podemos decir que los parámetros configurables
en el dispositivo CC2510
para poder desarrollar una gráfica similar a la anterior
mediante el software SmartRF, que se describe en el capítulo 5, son los siguientes
PARÁMETROS CONFIGURABLES
1) Packet Lenght Longitud de los paquetes que van a ser transmitidos
En nuestro caso elegimos un valor fijo intermedio de 10 Bytes.
* 10
2) Packet Count Número de paquetes que van a ser transmitidos
Aquí dejamos un número de paquetes fijo de (200) es recomendable seleccionar
un valor alto para que el error en la medida sea pequeño.
* 200
3) Preset Modulación deseada y data rate.
Seleccionamos tres configuraciones posibles para obtener diferentes resultados.
* 10 KBaud
* 250 KBaud
* 500 KBaud
4) Potencia de Salida Potencia configurable del emisor
Nos centramos en dos valores. Uno de ellos es un valor intermedio y el otro es el
máximo posible.
* -20 dbm (intermedia)
* +1 dbm (máxima)
Por su parte, seleccionamos una altura de 41 cm ya que es un valor comprendido
entre los 7cm y los 115cm que se pueden observan en la gráfica anterior.
5) Altura Altura del CC2510EM
Obtenemos valores para una altura concreta
*41cm
52
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De esta forma obtenemos los siguientes resultados experimentales.
RSSI (10 Kbaud)
0
2
4
6
8
10
-20dBm
-34
+1dBm
Polinómica (+1dBm)
Polinómica (-20dBm)
RSSI (dBm)
-44
-54
-64
-74
Distancia (m)
Figura 6.2 – RSSI a 10Kbaud
Los resultados se han ajustado mediante un polinomio de 6º orden, dando lugar a
las siguientes expresiones
+1dBm
y = 0,0005x6 - 0,0133x5 + 0,1367x4 - 0,7134x3 + 2,7401x2 - 10,884x - 25,404
-20dBm
y = 0,0037x6 - 0,09x5 + 0,8063x4 - 3,3068x3 + 7,0029x2 - 13,638x - 44,589
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RSSI (250 Kbaud)
0
2
4
6
-29
8
10
-20dBm
+1dBm
Polinómica (+1dBm)
Polinómica (-20dBm)
RSSI (dBm)
-39
-49
-59
-69
-79
Distancia (m)
Figura 6.3 - RSSI a 250Kbaud
Los resultados se han ajustado mediante un polinomio de 6º orden, dando lugar a
las siguientes expresiones
+1dBm
y = 0,005x6 - 0,1253x5 + 1,1742x4 - 5,1921x3 + 11,757x2 - 18,879x - 22,817
-20dBm
y = 0,0012x6 - 0,0325x5 + 0,3586x4 - 2,1227x3 + 7,5909x2 - 17,96x - 44,605
54
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RSSI (500 Kbaud)
0
2
4
6
-29
8
10
-20dBm
+1dBm
Polinómica (+1dBm)
Polinómica (-20dBm)
RSSI (dBm)
-39
-49
-59
-69
-79
Distancia (m)
Figura 6.4 - RSSI a 500Kbaud
Los resultados se han ajustado mediante un polinomio de 6º orden, dando lugar a
las siguientes expresiones
+1dBm
y = 0,0036x6 - 0,0912x5 + 0,8761x4 - 4,0847x3 + 10,277x2 - 18,814x - 22,292
-20dBm
y = 0,005x6 - 0,1329x5 + 1,3617x4 - 6,7727x3 + 17,347x2 - 25,672x - 42,301
55
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A continuación se presentan una serie de gráficas, en donde se compara (para
una misma potencia de salida) la influencia del bit rate en el valor del RSSI.
RSSI (-20 dBm)
-44
0
1
2
3
4
5
6
7
8
-250Kbaud
500Kbaud
-49
RSSI (dBm)
9
10Kbaud
-54
-59
-64
-69
-74
-79
Distancia (m)
Figura 6.5 -20dBm de Potencia de Salida
RSSI (+1 dBm)
-25
0
1
2
3
4
5
6
-30
8
9
10Kbaud
250Kbaud
500Kbaud
-35
RSSI (dBm)
7
-40
-45
-50
-55
-60
Distancia (m)
Figura 6.6 +1dBm de Potencia de Salida
56
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A la vista de estos resultados experimentales, podemos concluir que para
optimizar el consumo de potencia se deben atender a las siguientes consideraciones:
1) Obviamente, la potencia de salida influye en el valor del RSSI ya que cuanto
mayor es aquella, mejor es el valor del propio RSSI. Por el contrario cuando
aumentamos la potencia de salida aumentamos el consumo del dispositivo.
2) En cambio, el Datarate no influye en el valor del RSSI y por lo tanto, éste
sólo depende de la potencia de salida.
3) Para un enlace con un Datarate promedio bajo (10KBaud) se producirá un
aumento en el tiempo del modo activo y por tanto un aumento en el consumo medio.
4) Usando un Datarate alto (500KBaud) se reducirá el tiempo en el modo activo
y por tanto disminuirá el consumo de corriente de forma significativa. Además,
reduciendo el tiempo en el modo activo se reducirá la probabilidad de colisión con otros
sistemas como por ejemplo redes WLAN o Bluetooth.
5) Como conclusión final podemos decir que dependiendo de la distancia entre
los dispositivos y de la fiabilidad pretendida (teniendo en cuenta condiciones de
interferencia con otros sistemas) necesitaremos elegir una potencia de salida y un
Datarate adecuado para llegar a un compromiso entre el consumo del dispositivo y el
cumplimiento de las condiciones del sistema desarrollado.
57
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7.- IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA INALÁMBRICO PARA MEDIDA
DE DISTANCIA Y TEMPERATURA.
7.1 – Introducción
En este apartado nos situamos claramente dentro del segundo bloque del
presente proyecto. Después de familiarizarnos con las herramientas de desarrollo
necesarias para la creación del sistema electrónico, pasaremos a utilizarlas de manera
práctica, sin perder de vista los dos objetivos marcados para este bloque.
•
Realización del programa del MCU que debe controlar la operación de las radios
y gestionar la comunicación entre las dos unidades.
•
Diseño y realización del radioenlace entre dos placas, cada una portadora de uno
de estos circuitos integrados.
Otra cuestión que hay que tener en mente, antes de empezar a describir el
sistema, es que la base del desarrollo de éste, se fundamenta en el CC2510. Es decir,
este dispositivo controlará todas las situaciones posibles que se presenten, siendo parte
imprescindible en la implementación de la aplicación.
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7.2 - Descripción del sistema
Aquí haremos una descripción general del propio sistema electrónico que
queremos desarrollar. El sistema consta de dos módulos independientes.
Uno de ellos, el transmisor, se encargará de la adquisición de datos. Estos datos
se concretan en dos señales analógicas procedentes de dos sensores diferentes. En un
lado tenemos un sensor de distancia y en el otro un sensor de temperatura. Este módulo
transmisor, tratará estas señales analógicas de manera adecuada, esto es, las convertirá
en señales digitales a partir de un ADC. Posteriormente, el transmisor enviará estos
datos vía radio, en la frecuencia de 2.4GHz, al módulo receptor o host de una manera
continua, ya que se pretende una adquisición de valores en tiempo real. De esta forma el
transmisor finalizará su tarea cuando sea desconectado de la fuente de alimentación y
volverá, por tanto, a estar en funcionamiento operativo cuando se conecte a la tensión
adecuada.
Por su parte, el receptor o host, recibirá los datos procedentes del transmisor, y
se encargará de mostrarlos al usuario en tiempo real. Además, este módulo tendrá una
interfaz de usuario donde éste podrá interactuar y decidir entre varias opciones, como la
posibilidad de visualizar la temperatura del MCU del host.
Como se puede intuir, la construcción del sistema se fundamentará en dos
niveles de actuación. Por un lado tendremos un nivel software, donde se programará el
dispositivo básico y por otra, encontraremos un nivel hardware que dará sustento físico
al propio sistema y que estará formado por los sensores (distancia y temperatura) y los
módulos anteriores.
A continuación se muestra un esquema (figura7.1) del sistema completo
con la intención de que el lector conciba una idea general de lo que se propone en este
apartado.
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Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM de 2.4GHz
Figura 7.1 – Esquema modular del Radioenlace
En la implementación de este sistema inalámbrico se utilizarán las herramientas
de desarrollo descritas en el capítulo 5.
De esta forma se alcanzarán los objetivos propuestos en este bloque y que se
plantearon en la introducción del mismo.
60
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7.3 – Desarrollo de la aplicación
7.3.1- NIVEL SOFTWARE
Como se ha descrito en el apartado 4, el dispositivo CC2510 dispone de una
memoria flash programable. En este espacio de memoria es donde se aloja el programa
principal que será el encargado de gestionar las entradas y salidas del MCU. Este
software será creado a partir del IAR Embedded Workbench, una herramienta de
desarrollo descrita en el apartado 5. El lenguaje de programación utilizado será el
conocido C/C++.
Ya que el sistema inalámbrico dispone de dos módulos, transmisor y receptor,
con funciones diferentes, será necesario desarrollar dos programas distintos, uno para
cada módulo, que permitan al sistema total funcionar como un conjunto coordinado de
subsistemas independientes.
7.3.1.1- Transmisor
Antes de comenzar a describir el código de este módulo, es conveniente
recordar, de forma esquemática, las funciones que debe realizar el mismo.
•
Adquisición de dos señales analógicas (temperatura y distancia)
•
Tratamiento adecuado de estas señales Conversión digital
•
Transmisión de las mismas al receptor.
De esta manera, se presentará a continuación el diagrama de flujo
correspondiente al programa de este módulo transmisor.
61
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Diagrama de flujo
INICIO
CONF DE PARÁMETROS
•
•
•
•
Modo Oscilación Cristal
Bit-Rate 10kBaud
Canal 2.42GHz
Modo Transmisor
•
•
•
CONF I/O
MODO Analógicas
P0_1 IN
P0_2 IN
INTERRUPCIONES ON
CONSTRUCCIÓN PAQUETE
DE ENVÍO
TRANSMISIÓN
Figura 7.2 – Diagrama de flujo del Transmisor
62
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Una explicación detallada de este diagrama sería la siguiente.
En primer lugar, el programa comienza a ejecutarse (INICIO) cuando el
transmisor se conecta a la alimentación.
El siguiente paso es configurar ciertos parámetros referentes a la radio (CONF
DE PARÁMETROS). Aquí elegimos un modo de oscilación activo, es decir, dejamos
actuar como señal de reloj la salida del oscilador a cristal que incorpora el propio
CC2510EM. Además, seleccionamos un Bit-Rate de 10kBaud, un canal de
comunicación a la frecuencia de 2.42GHz y un estado de funcionamiento en modo
transmisor, esto es, configuramos el módulo DMA del CC2510 para trasladar los datos
que queremos enviar, desde el buffer de empaquetamiento hasta la propia radio sin
necesidad de que intervenga la CPU.
Seguidamente, procedemos a configurar las entradas/salidas (CONF I/O) que
nos interesan para adquirid las señales analógicas procedentes de los sensores. De esta
manera, establecemos los pines P0_1 y P0_2 del CC2510 como entradas analógicas.
El tercer paso (INTERRUPCIONES) consiste en activar las interrupciones que
se producen cuando ocurre algún evento. De esta manera seremos capaces, por ejemplo,
de detectar que una transmisión se ha realizado completamente o que se ha trasladado
un paquete en su totalidad desde el buffer de empaquetamiento a la radio.
Posteriormente debemos construir el paquete de envío (CONSTRUCCIÓN
PAQUETE DE ENVÍO). En este caso debemos seguir las instrucciones dadas en la
hoja de características del dispositivo y formar una trama de bits correcta que sea capaz
de recibirse en el host.
Finalmente (TRANSMISIÓN), trasladamos el paquete construido desde el
buffer de empaquetamiento a la radio, mediante el DMA configurado previamente para
ello, que se encarga de transmitirlo.
63
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Programa Principal
A continuación se muestra el programa principal, creado en lenguaje C usando el
entorno de programación del IAR Embedded Workbench. Todas las sentencias utilizadas
están explicadas a través de comentarios.
Cabe mencionar, que no todas las funciones utilizadas en el código serán
mostradas debido a la extensión que ocuparía este documento. Además, muchas de estas
funciones son propias del dispositivo y son suministradas por el fabricante. Aún así, el
programa completo se presenta en un CD adjunto a este documento en el entorno de
programación antes mencionado.
En cambio, se describen aquellas funciones que han sido confeccionadas durante
la realización de este proyecto.
/*----------------------------------------------------------------------------| Archivo: Transmisor_ pfc.c
| Tarjeta: cc2510
| Autor: Juan Santaella Hernández
| Fecha: 10/09/2009
| Revision: 1.0
| Proyecto: Sistema Inalámbrico para Medida de Distancia y Temperatura
/*-----------------------------------------------------------------------------*==== INCLUDES ==============================================*/
#include "hal_main.h"
#include "per_test_main.h"
#include "stdbool.h"
/*==== FUNCIONES GENERALES==================================*/
void main(void)
{
UINT32 burstSize;
UINT32 seqNum;
bool condicion;
BYTE dist;
BYTE tempe;
BYTE mensel;
int i;
// Elegimos el oscilador de cristal como señal de reloj
halPowerClkMgmtSetMainClkSrc(CRYSTAL);
// Seleccionamos la frecuencia y el Data-Rate
64
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radioConfigure(10000, 2420000);
//Seleccionamos el modo de transmisión
mode = RADIO_MODE_TX;
//ENTRADAS ANALÓGICAS:--> P0_1 , P0_2
ADCCFG=0x06;
//Activamos los leds1 y 2
Led1_ON();
Led2_ON();
// Configuramos el DMA para mover los datos desde el buffer de empaquetamiento
a la radio
dmaRadioSetup(RADIO_MODE_TX);
// Configuramos las interupciones
HAL_INT_ENABLE(INUM_RF, INT_ON); // Enable RF general interrupt
RFIM = IRQ_DONE;
// Mask IRQ_DONE flag only
INT_GLOBAL_ENABLE(INT_ON);
// Enable interrupts globally
// Construimos el paquete que queremos transmitir
radioPktBuffer[0] = PACKET_LENGTH;
// Length byte
radioPktBuffer[1] = (BYTE) (NETWORK_ID_KEY>>8); // Network identifier
radioPktBuffer[2] = (BYTE) NETWORK_ID_KEY;
//Comenzamos un bucle de forma constante
while (TRUE) {
//Obtenemos los datos de los sensores y seguimos construyendo el paquete
//Estas funciones se analizarán más adelante
radioPktBuffer[7] = (BYTE) getdistancia();
radioPktBuffer[8] = (BYTE) getTempLM335();
//Elegimos el número de paquetes con esta información que se enviarán
burstSize =1;
// Transmitimos el número de paquetes
for (seqNum = 1; seqNum <= burstSize; seqNum++) {
// Se forma la parte final de la trama con la secuencia correcta del num de paquete
pktSetSeqNum(seqNum);
// Transmitimos el paquete
DMAARM |= DMAARM_CHANNEL0; // Arm DMA channel 0
RFST = STROBE_TX;
// Switch radio to TX
// Esperamos hasta que la transferencia de la radio esté completa y bajamos el
// flag del registro del evento asociado a esta interrupción.
while(!pktSentFlag);
pktSentFlag = FALSE;
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Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM de 2.4GHz
// Esperamos 3ms para que el receptor haga sus propias tareas antes de recibir
//otro paquete
halWait(3);
}
}
//Desaactivamos los indicadores leds1 y 2
Led1_OFF();
Led2_OFF();
}
}
/*==== FUNCIONES PRIVADAS====================================*/
/*==== RUTINAS DE INTERRUPCIÓN===============================*/
/**********************************************************************
* @fn rf_IRQ
*
* @brief
*
The only interrupt flag which throws this interrupt is the IRQ_DONE interrupt.
*
So this is the code which runs after a packet has been received or
*
transmitted.
*
* Parameters:
*
* @param void
*
* @return void
*
#pragma vector=RF_VECTOR
__interrupt void rf_IRQ(void) {
RFIF &= ~IRQ_DONE;
// Tx/Rx completed, clear interrupt flag
// Clear the general RFIF interrupt registers
S1CON &= ~0x03;
if (mode == RADIO_MODE_RX) {
pktRcvdFlag = TRUE;
}
else {
pktSentFlag = TRUE;
}
}
/*==== END OF FILE ===========================================*/
66
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Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM de 2.4GHz
Adquisición de datos :
getdistancia() y getTempLM335()
En este subapartado describiremos las funciones creadas usando el programa
IAR Embedded Workbench necesarias para la adquisición y tratamiento de las señales
analógicas procedentes del sensor de distancia y del sensor de temperatura y que son
tratadas por el módulo periférico integrado ADC del CC2510. Estos sensores serán
analizados posteriormente en el Nivel Hardware del Sistema Inalámbrico de Medida.
•
FUNCIÓN getdistancia()
Esta función tiene como objetivo transformar la tensión que recibe una entrada
analógica predeterminada, en un valor de distancia. Es decir, dado un valor de entrada
en V, la función debe devolver un valor en cm. Este valor será el que enviemos vía
radio al host. Seguidamente se presenta el código elaborado para conseguir este proceso.
/**********************************************************************
* Función: getdistancia
*
* Resumen:
*
Obtener la distancia dada por Sharp
*
Reference voltage: VDD en PIN AVDD --> (2.1-3.6) V, (3.3V)
Resolution: 12 bits,
ADC input: Distancia sensor LM335 en AIN2
Obtenemos experimentalmente la curva de calibración del sensor
* Parámetros:
* @param void
*
* @return float
*
Valor de la Distancia del Sharp
**********************************************************************/
float getdistancia(void){
//Declaramos las variables necesarias
unsigned int adcValue2;
float Vo;
float dist;
do {
//Escribimos en los registros del ADC los valores necesarios según nuestras
especificaciones
ADCCON2 = 0xB2;
ADCCON1 = 0x73;
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//Mientras no se alcance el final de la conversión…
while(!(ADCCON1 & 0x80));
//Grabamos el registro bajo del ADC en nuestra variable adcValue2
adcValue2 = ADCL;
//Grabamos el registro alto del ADC en nuestra variable, desplazado 8 bits
adcValue2 |= (((unsigned int)ADCH) << 8);
} while(0);
//Desplazamos 4 bits nuestro registro a la derecha ya que la conversión resultante
//siempre reside en la sección MSB del registro ADC ( ADCH:ADCL )
adcValue2 >>= 4; // Shift 4 due to 12 bits resolution
//Multiplicamos por la constante de conversión
Vo = adcValue2 * CONST2;
// Según nuestra ecuación de calibrado(ver Nivel Hardware) la distancia resultante es
dist=((0.9619*(Vo*Vo*Vo*Vo*Vo*Vo))(10.211*(Vo*Vo*Vo*Vo*Vo))+(45.122*(Vo*Vo*Vo*Vo))(107.77*(Vo*Vo*Vo))+(150.91*(Vo*Vo))-(125.31*Vo)+57.778);
//Devolvemos la distancia
return dist;
}
Aclaraciones del Código:
1. REGISTROS ADCCON1 Y ADCCON2
Estos registros controlan el ADC del CC2510. Para configurarlos correctamente
hay que recurrir a las hojas de características. De esta forma, la figuras 7.3 y 7.4
muestran el contenido de estos registros.
El valor de estos registros se escribe directamente en hexadecimal. Así pues en
este caso particular ADCCON2 = 0xB2. Si nos fijamos en la figura 7.3, y traducimos
0xB2 a binario entenderemos el porqué de este valor. Es un detalle a tener en cuenta ya
que nos servirá para entender la nomenclatura de este datasheet. Ver el ejemplo en la
tabla 6.1.
0xB2 1011 0010
POSICIÓN BIT
DESCRIPCIÓN
7:6 10
VDD en el pin AVDD
5:4 11
12 bits de resolución
3:0 0010
Entrada analógica AIN2
Tabla 7.1 – Ejemplo del registro ADCCON2
68
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Figura 7.3 – Registro ADCCON2
De la misma manera actuamos con el registro ADCCON1 cuyo valor es
ADCCON1 = 0x73. Si nos fijamos en el significado de este valor en la figura 7.4,
vemos lo que queremos conseguir de este registro.
69
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Figura 7.4 – Registro ADCCON1
2. REGISTRO ADC
El registro ADC se divide en dos registros. ADCL contiene la parte menos
significativa del registro ADC y ADCH contiene la parte más significativa, tal y como
se aprecia en la figura 7.5. De esta forma hay que prestar atención a la hora de cargar el
valor del registro ADC en la variable adcValue2 de nuestro código y realizar los
desplazamientos oportunos atendiendo al número de bits de resolución que hayamos
configurado previamente en el registro ADCCON2.
Figura 7.5 – Registro ADC
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3. Constante de conversión CONST2.
Esta constante tiene su origen en la división que se produce en cualquier
Conversión Analógica-Digital. Ya que se divide el rango de tensión total (elegimos
una referencia interna de 3.28V) entre el valor máximo del ADC que en este caso es
211-1 (2047) debido a que este valor es dado en complemento a 2. Así pues:
CONST2= 0.00160234 = (3.280V / 2047)
4. Calibrado del sensor de distancia
Esta ecuación de calibrado se ha obtenido de manera experimental, tal y como se
mostrará en el Nivel Hardware.
71
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•
FUNCIÓN getTempLM335()
De manera similar a la función anterior, obtenemos la temperatura dada por el
sensor LM335. El código de esta función es el siguiente
/*******************************************************************
Función: getTempLM335
*
* Resumen:
*
Obtener la Temperatura del LM335 a través del ADC -->DN102
*
Reference voltage: VDD en PIN AVDD --> (2.1-3.6) V, (3.3V)
Resolution: 12 bits,
ADC input: Temperature sensor LM335 en AIN1
Asumimos un punto de calibración obtenido de manera experimental
modificable a través del potenciómetro (hardware)-->OFFSET_exp=0;
* Parámetros:
*
* @param void
*
* @return float
*
Valor de la Temperatura del LM335
*
*
**********************************************************************/
float getTempLM335(void){
unsigned int adcValue1;
float outputVoltage1;
do {
ADCCON2 = 0xB1;
ADCCON1 = 0x73;
while(!(ADCCON1 & 0x80));
adcValue1 = ADCL;
adcValue1 |= (((unsigned int)ADCH) << 8);
} while(0);
adcValue1 >>= 4;
outputVoltage1 = adcValue1 * CONST1;
return ((outputVoltage1 - OFFSET_DATASHEET1) / TEMP_COEFF1);
}
72
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Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM de 2.4GHz
Aclaraciones del Código:
1. OFFSET_DATASHEET1 y TEMP_COEFF1
El offset_datasheet1, que aparece en la ecuación de calibrado del sensor de
temperatura, es un valor necesario que debemos introducir en esta función ya que
esperamos que la función nos devuelva la temperatura en ºC en lugar de K. Por su
parte el coeficiente temp_coeff1 proviene de la propia hoja de características del
dispositivo LM335. Aunque todo esto se verá con mayor detalle en el apartado Nivel
Hardware correspondiente a estos sensores.
73
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7.3.1.2- Receptor
De la misma manera que se hizo en la descripción del transmisor, recordaremos
de forma general las funciones que debe realizar este módulo.
•
Modo de RECEPCIÓN
Recepción válida del paquete de envío construido en el transmisor
Tratamiento de los datos por parte del host
Visualización de los datos
•
Modo de TEMPERATURA
Visualización de la temperatura del MCU
Así pues, se presentará a continuación el diagrama de flujo correspondiente al
programa de este módulo receptor.
74
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Diagrama de flujo
INICIO
•
•
•
•
CONF DE PARÁMETROS
Modo Oscilación Cristal
Bit-Rate 10kBaud
Canal 2.42GHz
Modo Receptor
SI
NO
Mensel
=
¿ADQ?
MODO RECEPCIÓN
Mensel
=
¿TMP?
NO
INTERRUPCIONES ON
SI
MODO TEMPERATURA
RECEPCIÓN
PAQUETE
MOSTRAR VALORES
mostrartemp()
NO
¿PAQUETE
VÁLIDO?
NO
SI
¿BOTÓN
PULSADO?
SI
TRATAMIENTO DATOS
• dist = Valor_Distancia
• tempe = Valor_Temperatura
MOSTRAR VALORES
mostrarvaloresdist()
mostrarvalorestemp()
SI
¿BOTÓN
PULSADO?
NO
Figura 7.6 – Diagrama de flujo del Receptor
75
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A continuación se presenta una explicación detallada de este diagrama.
En primer lugar, el programa comienza a ejecutarse (INICIO) cuando el
receptor se conecta a la alimentación.
El siguiente paso es configurar ciertos parámetros referentes a la radio (CONF
DE PARÁMETROS). En este caso, al igual que en el transmisor, elegimos un modo de
oscilación activo. Además, seleccionamos el mismo Bit-Rate y el mismo canal que en
en el transmisor. En cambio, aplicamos un estado de funcionamiento en modo receptor,
esto es, configuramos el módulo DMA del CC2510 para trasladar los datos que
queremos enviar, desde la radio hasta el buffer de empaquetamiento (acción contraria
que en el transmisor) sin necesidad de que intervenga la CPU.
Seguidamente entraríamos en una interfaz de usuario, donde éste puede elegir
entre dos opciones. Si la variable mensel toma el valor “ADQ”, el programa entra en el
MODO RECEPCIÓN. Aquí, el primer paso (INTERRUPCIONES) consiste en
activar las interrupciones que se producen cuando ocurre algún evento. De esta manera
seremos capaces, por ejemplo, de detectar que una recepción se ha realizado
completamente o que se ha recibido un paquete válido. Posteriormente se produce el
evento RECEPCIÓN PAQUETE, donde se recibe un paquete enviado por el
transmisor. En realidad el paquete puede ser recibido desde cualquier medio de
transmisión (en ese canal) por lo que la siguiente acción (¿PAQUETE VÁLIDO?)
consiste en validarlo antes de continuar. Si el paquete es correcto, pasamos a
TRATAMIENTO DATOS, donde extraemos la información que nos interesa del
mismo, almacenándola en las variables dist y tempe. Como el transmisor emite de
manera continua, el siguiente nivel es volver al estado de RECEPCIÓN PAQUETE,
en el caso de que no hayamos pulsado el botón, ya que si esto ocurre, el programa
vuelve al menú principal.
Por el contrario, si el usuario selecciona la opción MODO TEMPERATURA, a
través de la variable mensel=TMP, el programa muestra la temperatura del MCU hasta
que el propio usuario pulse el botón, acción que le devolverá al menú principal.
76
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Programa Principal
A continuación se muestra el programa principal del módulo receptor, creado en
lenguaje C usando el entorno de programación IAR Embedded Workbench.
Cabe mencionar, que no todas las funciones utilizadas en el código serán
mostradas debido a la extensión que ocuparía este documento. Además, muchas de estas
funciones son propias del dispositivo y son suministradas por el fabricante. Aún así, el
programa completo se presenta en un CD adjunto a este documento en el entorno de
programación antes mencionado.
/*----------------------------------------------------------------------------| Archivo: Receptor_ pfc.c
| Tarjeta: cc2510
| Autor: Juan Santaella Hernández
| Fecha: 10/09/2009
| Revision: 1.0
| Proyecto: Sistema Inalámbrico para Medida de Distancia y Temperatura
/*-----------------------------------------------------------------------------*==== INCLUDES ==============================================*/
#include "hal_main.h"
#include "per_test_main.h"
#include "stdbool.h"
/*==== FUNCIONES GENERALES==================================*/
void main(void)
{
UINT32 burstSize;
UINT32 seqNum;
bool condicion;
BYTE dist;
BYTE tempe;
BYTE mensel;
int i;
// Elegimos el oscilador de cristal como señal de reloj
halPowerClkMgmtSetMainClkSrc(CRYSTAL);
// Inicializamos el LCD de la SmartRF04_EB
halBuiInitLcd();
// Seleccionamos la frecuencia y el Data-Rate
radioConfigure(10000, 2420000);
77
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Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM de 2.4GHz
while(TRUE){
mensel=selopcionmenu();
//Según la opción seleccionada hacemos una cosa u otra:
//ADQ--> Adquirir datos permanentemente del MS
//TMP--> Ver la temperatura del Micro del MM
if (mensel == ADQ) { //Adquirir datos permanentemente del Transmisor
//Seleccionamos el modo de recepción
mode = RADIO_MODE_RX;
// Configuramos el DMA para trasladar los paquetes desde la radio al buffer
dmaRadioSetup(RADIO_MODE_RX);
// Activamos las interrupciones
HAL_INT_ENABLE(INUM_RF, INT_ON); // Enable RF general interrupt
RFIM = IRQ_DONE;
// Mask IRQ_DONE flag only
INT_GLOBAL_ENABLE(INT_ON);
// Enable interrupts globally
// Cargamos en el LCD
halBuiLcdUpdate("Ready to", "receive");
Comenzamos a recibir
DMAARM = DMAARM_CHANNEL0;
// Arm DMA channel 0
RFST = STROBE_RX;
// Switch radio to RX
// No avanzamos hasta que se levante la bandera de paquete recibido
while (!pktRcvdFlag);
// Mientras no pulsemos el botón, estamos en el bucle de RECEPCIÓN
while (!halBuiButtonPushed()) {
// Comprobamos la validez del paquete recibido
if (pktRcvdFlag) {
pktRcvdFlag = FALSE;
if (pktCheckValidity()) {
//Si el paquete es válido, extraemos los datos que nos interesan de él y los
//almacenamos en las variables correspondiente
dist=radioPktBuffer[7];
tempe=radioPktBuffer[8];
//Activamos el LED1 para indicar el enlace
LED1 = LED_ON;
// Turn on LED to indicate PER test link
}
//No necesitamos el buffer más, por lo que rearmamos el DMA para el
//siguiente paquete
DMAARM = DMAARM_CHANNEL0;
78
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RFST = STROBE_RX;
// Apagamos el LED1
LED1 = LED_OFF;
}
//Mostramos los valores de distancia y temperatura a través del LCD
mostrarvaloresdist((float)dist , LINE1, 1);
mostrarvalorestemp((float)tempe , LINE2, 1);
}
}else if (mensel == TMP){ //Ver la temperatura del MCU del receptor
while (!halBuiButtonPushed()){
halBuiLcdUpdate("TEMP_MICRO", "");
mostrartemp(getTemp() , LINE2);
} while (!halBuiButtonPushed());
}
}
/*==== FUNCIONES PRIVADAS====================================*/
/*==== RUTINAS DE INTERRUPCIÓN===============================*/
/**********************************************************************
* @fn rf_IRQ
*
* @brief
*
The only interrupt flag which throws this interrupt is the IRQ_DONE interrupt.
*
So this is the code which runs after a packet has been received or
*
transmitted.
*
* Parameters:
*
* @param void
*
* @return void
*
#pragma vector=RF_VECTOR
__interrupt void rf_IRQ(void) {
RFIF &= ~IRQ_DONE;
// Tx/Rx completed, clear interrupt flag
S1CON &= ~0x03;
// Clear the general RFIF interrupt registers
if (mode == RADIO_MODE_RX) {
pktRcvdFlag = TRUE;
}
else {
pktSentFlag = TRUE;
}
}
/*==== END OF FILE ===========================================*/
79
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Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM de 2.4GHz
Adquisición de datos :
Función getTemp()
Esta función tiene como objetivo obtener la temperatura del MCU
(microcontrolador) del CC2510. Este dispositivo posee un sensor interno de
temperatura, cuya salida puede ser entrada del propio ADC del CC2510, a través de una
configuración adecuada. Por tanto, esta función debe proporcionar dicha configuración
como veremos a continuación. El código es el siguiente.
/**********************************************************************
* Función: getTemp
*
* Resumen:
*
Obtener la Temperatura del Micro a través del ADC -->DN102
*
Reference voltage: Internal 1.25 V,
Resolución: 12 bits,
ADC input: Sensor de Temperatura
Asumimos un offset de 29.75mV (Hoja de Características)
* Parámetros
* @param void
*
* @return float
*
Valor de la Temperatura del microcontrolador
**********************************************************************/
float getTemp(void){
unsigned int adcValue;
float outputVoltage;
do {
ADCCON2 = 0x3E;
ADCCON1 = 0x73;
while(!(ADCCON1 & 0x80));
adcValue = ADCL;
adcValue |= (((unsigned int)ADCH) << 8);
} while(0);
// Desplazamos 4 bits debido a los 12 bits de resolución
outputVoltage = adcValue * CONST;
return ((outputVoltage - OFFSET) / TEMP_COEFF);
}
80
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Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM de 2.4GHz
Aclaraciones del Código:
1. CONST
Esta constante tiene su origen en la división que se produce en cualquier
Conversión Analógica-Digital. Ya que se divide el rango de tensión total (elegimos
una referencia interna de 1.25V) entre el valor máximo del ADC que en este caso es
211-1 (2047) debido a que este valor es dado en complemento a 2. Así pues:
CONST = 0.61065 // (1250 / 2047)
2. OFFSET
El offset que aparece en la ecuación de calibrado del sensor de temperatura, es
un valor necesario que debemos introducir en esta función y cuyo origen es
experimental. Este valor lo proporciona el propio fabricante ya que no se puede
acceder al sensor de forma externa.
3. TEMP_COEFF
Esta coeficiente también lo proporciona el fabricante.
81
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Visualización de datos:
•
mostrarvaloresdist() y mostrarvalorestemp()
FUNCIÓN mostrarvalorestemp()
Esta función tiene como objetivo mostrar al usuario el valor de la temperatura a
través del LCD de la SmartRF04_EB. La función recibe la temperatura, la línea del
LCD donde se quiere mostrar este valor y el número de secuencia del dato. A
continuación se muestra el código del proceso.
/********************************************************************
* Función: mostrarvalorestemp
*
* Resumen:
* Muestra la temperatura de la muestra X
*
* Parámetros:*
* @param float tempmicro //Temperatura a mostrar*
* @param UINT8 line
* @param UINT8 nummuestra
*
* @return void
*********************************************************************/
void mostrarvalorestemp(float tempmicro , UINT8 line, UINT8 nummuestra) {
char vtemp[15];
char letra[2];
//Escribimos un tipo char en un vector
sprintf(letra,"%d",nummuestra);
//Escribimos "TEMP" antes del valor
halBuiLcdUpdateChar(line, 0, 'T');
halBuiLcdUpdateChar(line, 1, 'E');
halBuiLcdUpdateChar(line, 2, 'M');
halBuiLcdUpdateChar(line, 3, 'P');
halBuiLcdUpdateChar(line, 4, letra[0]);
halBuiLcdUpdateChar(line, 5, ':');
//Primero almacenamos el valor numérico de la temperatura en un char array
sprintf(vtemp,"%4.1f",tempmicro);
//Ahora escribimos caracter a caracter en la segunda línea del LCD
halBuiLcdUpdateChar(line, 7, vtemp[0]);
halBuiLcdUpdateChar(line, 8, vtemp[1]);
halBuiLcdUpdateChar(line, 9, vtemp[2]);
halBuiLcdUpdateChar(line, 10, vtemp[3]);
halBuiLcdUpdateChar(line, 11, ' ');
halBuiLcdUpdateChar(line, 12, 'C');
return ;}
82
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•
FUNCIÓN mostrarvaloresdist()
Esta función tiene como objetivo mostrar al usuario el valor de la distancia a
través del LCD de la SmartRF04_EB. La función recibe la distancia, la línea del LCD
donde se quiere mostrar este valor y el número de secuencia del dato. A continuación se
muestra el código del proceso.
/********************************************************************
* Función: mostrarvaloresdist
*
* Resumen:
* Muestra la distancia de la muestra X
*
* Parámetros:*
* @param float tempmicro //Distancia a mostrar (Variable LOCAL)
* @param UINT8 line
* @param UINT8 nummuestra
*
* @return void
*********************************************************************/
void mostrarvaloresdist(float tempmicro , UINT8 line, UINT8 nummuestra) {
char vtemp[15];
char letra[2];
//Escribimos un tipo char en un vector
sprintf(letra,"%d",nummuestra);
//Escribimos "TEMP" antes del valor
halBuiLcdUpdateChar(line, 0, 'D');
halBuiLcdUpdateChar(line, 1, 'I');
halBuiLcdUpdateChar(line, 2, 'S');
halBuiLcdUpdateChar(line, 3, 'T');
halBuiLcdUpdateChar(line, 4, letra[0]);
halBuiLcdUpdateChar(line, 5, ':');
//Primero almacenamos el valor numérico de la temperatura en un char array
sprintf(vtemp,"%4.1f",tempmicro);
//Ahora escribimos caracter a caracter en la segunda línea del LCD
halBuiLcdUpdateChar(line, 7, vtemp[0]);
halBuiLcdUpdateChar(line, 8, vtemp[1]);
halBuiLcdUpdateChar(line, 9, vtemp[2]);
halBuiLcdUpdateChar(line, 10, vtemp[3]);
halBuiLcdUpdateChar(line, 11, 'c');
halBuiLcdUpdateChar(line, 12, 'm');
return ;}
83
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7.3.1.3- Funciones comunes
En este subapartado, se muestran algunas de las funciones comunes de los
códigos del Transmisor y del Receptor. Estas funciones corresponden al encendido y el
apagado de los leds. Se ha creído importante introducir estas funciones aquí, ya que
muestran al lector la forma de poner en alto y bajo los pines del dispositivo CC2510. De
esta manera tenemos lo siguiente.
Funciones Led1_ON() y Led1_OFF()
Led1_ON()
Esta función tiene el objetivo de activar un Led a partir de un pin del CC2510. El
código de esta función se muestra a continuación.
/**********************************************************************
* Función: Led1_ON()
*
* Resumen:
* Activa Led1
*
* Parámetros:
* @param void
*
* @return void
**********************************************************************
void Led1_ON(void) {
//Pone P1_0 a 0 -->LED1_ON
P1_0=0;
IO_DIR_PORT_PIN(1, 0, IO_OUT);
P1SEL &= ~0x03;
}
Los pasos a seguir son 3:
1. Poner la salida del pin en el estado lógico deseado (0 en nuestro caso)
2. Configurar este pin como salida
3. Configurar la salida como salida periférica (Ver registro P1SEL en la hoja de
características).
84
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De igual forma encontramos la función que desactiva o apaga el Led. La
estructura es la básicamente la misma que la anterior.
Led1_OFF()
Esta función tiene el objetivo de activar un Led a partir de un pin del CC2510. El
código de esta función se muestra a continuación.
/**********************************************************************
* Función: Led1_OFF()
*
* Resumen:
* Desactiva Led1
*
* Parámetros:
* @param void
*
* @return void
**********************************************************************
void Led1_ON(void) {
//Pone P1_0 a 0 -->LED1_OFF
P1_0=1;
IO_DIR_PORT_PIN(1, 0, IO_OUT);
P1SEL &= ~0x03;
}
Los pasos a seguir son 3:
4. Poner la salida del pin en el estado lógico deseado (1 en este caso)
5. Configurar este pin como salida
6. Configurar la salida como salida periférica (Ver registro P1SEL en la hoja de
características).
85
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Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM de 2.4GHz
7.3.2- NIVEL HARDWARE
En este apartado se describirá el hardware utilizado en la construcción del
“Sistema Inalámbrico para Medida de Distancia y Temperatura”. Este hardware dará
soporte físico al sistema total y se divide en tres grupos diferentes. En primer lugar
tenemos los sensores de medida. En segunda posición se encuentra el módulo receptor o
host. Por último, y como no podía ser de otra manera, tenemos el módulo transmisor
que complementa al host. Estos tres conjuntos se detallan a continuación.
7.3.2.1- Sensores
A) Sensor de Distancia SHARP GP2D120.
El sensor GP2D120 es un dispositivo optoelectrónico de medida de distancias
por infrarrojos (IR), que consta de un procesador integrado de señal y una salida de
tensión analógica. Este sensor emite una señal hacia el exterior. El propio dispositivo
recoge la señal reflejada en un objeto, obteniendo de esta manera una tensión de entrada
que se puede relacionar con la distancia a dicho objeto.
Las características más importantes del dispositivo son las siguientes
Salida Analógica
Rango efectivo de medida: 4-30 cm
Tiempo de respuesta: 39ms
Consumo de corriente media: 33mA
Figura 7.7 – Representación del GP2D120
86
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Un aspecto a tener en cuenta es la calibración del dispositivo. La respuesta de
éste, es una respuesta no lineal.
La hoja de características del dispositivo, nos ofrece una gráfica de la salida (V)
del sensor frente a la distancia medida. Esto se muestra en la figura 7.8.
Figura 7.8 – Curva del Fabricante Tensión_salida vs Distancia del GP2D120
87
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Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM de 2.4GHz
Para validar este modelo y tener unos datos objetivos y precisos de nuestro
sensor, se ha decido reconstruir esta gráfica de manera experimental para una superficie
de reflexión dada que será la que utilizaremos en nuestra aplicación. De esta forma,
midiendo la tensión de salida frente a la distancia medida, obtenemos la siguiente
representación (figura 7.9).
CALIBRADO GP2D120
3
2,5
Vo (V)
2
1,5
1
0,5
0
0
5
Cal_Superfice_Oscura
10
15
20
25
30
35
Distancia (cm)
Figura 7.9 – Curva Experimental Tensión_salida vs Distancia del GP2D120
88
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Podemos observar que las dos curvas (fabricante y experimental) se asemejan,
por lo que podemos concluir que la curva de calibración experimental es válida, y por
tanto, será nuestro punto de partida a la hora de obtener la distancia medida
Según la hoja de características del sensor, éste es fiable en dos condiciones de
trabajo:
1. Ambiente no contaminado Al ser un dispositivo que funciona por
infrarrojos, la luz exterior al mismo puede dar como resultado medidas
erróneas. A su vez, la superficie reflectora debería ser siempre la misma
ya que un cambio de la misma puede provocar igualmente variaciones en
la medida.
2. Rango de medidas fiable Según el fabricante, sólo se pueden realizar
medidas fiables en el rango de 4 a 30cm. De esta forma, la ecuación de
calibración utilizada a nivel software en el apartado correspondiente se
limita a este rango tal y como se observa en la figura 7.10.
Rango Válido de Actuación
3
Rango Válido
Polinómica (Rango Válido)
2,5
Vo (V)
2
1,5
1
0,5
0
3
8
13
18
23
28
Distancia (cm)
Figura 7.10 – Rango Válido Experimental de Actuación del GP2D120
A partir de un ajuste polinomial de sexto orden, obtenemos la ecuación de
calibrado usada en la programación del dispositivo CC2510, donde D(cm) y V(V).
D(Vo) = 0,9619Vo6 - 10,211Vo5 + 45,122 Vo4 - 107,77Vo3 + 150,91Vo2 - 125,31Vo + 57,778
(E7.1)
89
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Algunas fotografías realizadas durante el proceso de calibración, muestran el
proceso de obtención de los datos experimentales anteriores.
Figura 7.11 – Calibración del GP2D120 _1
Figura 7.12 – Calibración del GP2D120 _2
90
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Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM de 2.4GHz
B) Sensor de Temperatura LM335
El dispositivo LM335, es un sensor de temperatura preciso y de fácil calibrado.
Opera como un diodo zener de dos terminales con una tensión de ruptura directamente
proporcional a la temperatura absoluta, con un coeficiente de temperatura igual a
10mV/ºK. Las características generales del sensor son las siguientes:
Salida de Tensión Analógica
Fácil calibrado
Bajo coste
De la misma manera que en el sensor anterior, un aspecto a tener en cuenta es la
calibración del dispositivo. A diferencia del sensor de distancias, este dispositivo
muestra una respuesta lineal a la salida, facilitando en gran medida el calibrado del
mismo. Según la hoja de características del fabricante, si representamos la tensión de
salida frente a la temperatura, obtenemos lo siguiente (figura 7.13).
CALIBRADO LM335
3200
3200
Tensión Salida (mV)
3100
3000
f( x) 2900
2800
2700
Teórica
2600
2600
0
0
10
20
30
40
x
50
50
Temperatura (ºC)
Figura 7.13 – Curva Teórica Tensión_salida vs Temperatura del LM335
91
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Por tanto, la ecuación que deberíamos usar en la programación del CC2510 sería
Vo(T) = 10 T + 2731.5 (E7.2)
Sin embargo necesitamos un punto de calibración experimental, ya que, según el
fabricante, existen errores en la tensión de salida debido a errores en la pendiente real de
la curva. De esta manera, el dispositivo muestra un offset (figura 7.14) que se resuelve
mediante el cálculo de este punto de calibración.
OFFSET EXPERIMENTAL
3200
3200
Tensión Salida (mV)
3100
3000
f( x)
y ( x)
2900
2800
2700
Teórica
Experimental
2600
2600
0
0
10
20
30
40
x
50
50
Temperatura (ºC)
Figura 7.14 – Offset entre Curvas Teórica y Experimental
De esta forma la ecuación resultante sería:
Vo(T) = 10 T + 2731.5 + Offset (E7.3)
92
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Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM de 2.4GHz
Para corregir esta variación, se incorpora un potenciómetro (figura 7.15) al
dispositivo, que se regula hasta que se obtiene una tensión de salida a una temperatura
conocida (2.982V a 25ºC , según el fabricante), haciendo válida, por tanto, la expresión
inicial:
Vo(T) = 10 T + 2731.5 (E7.4)
Esta ecuación de calibrado es la utilizada en la programación del CC2510, que nos da
una temperatura en ºC para una tensión dada en mV.
Figura 7.15 – Diagrama del sensor LM335
93
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C) Sensor Integrado de Temperatura
El SoC CC2510, incorpora un sensor de temperatura que está conectado
directamente a uno de los canales del ADC y que nos indica la temperatura alcanzada
del MCU. Esta configuración se puede apreciar en la figura 7.16, donde se muestra un
diagrama esquemático del propio ADC.
Figura 7.16 – Diagrama de bloques del ADC del CC2510
De esta forma podemos calcular la temperatura del MCU a través de la
expresión dada por el fabricante
Temp =
Vo( mV ) − 779.75( mV )
2.43( mV
ºC )
Programando adecuadamente las entradas del ADC como se vio en el apartado
Nivel Software, y basándonos en esta ecuación, obtenemos la temperatura del MCU de
una manera relativamente sencilla.
Por otro lado, cabe destacar que esta medida puede no ser del todo fiable debido
a la inviabilidad de calibración del propio sensor de temperatura que incorpora el
CC2510. Por tanto, no podemos hacer una comparación entre las medidas teóricas
proporcionadas por el fabricante, y las experimentales.
94
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7.3.2.2- Módulo HOST
Antes de describir este módulo conviene recordar las funciones que debe
cumplir. El receptor o host, (figura 7.17) recibirá los datos procedentes del transmisor,
y se encargará de mostrarlos al usuario en tiempo real
De forma esquemática tenemos las siguientes acciones
•
RECEPCIÓN
Recepción válida del paquete de envío construido en el transmisor
•
VISUALIZACIÓN
Visualización de los datos.
Figura 7.17 - Host
Una vez que tenemos en mente las funcionalidades del receptor, presentaremos
el soporte físico donde se sustenta este módulo.
95
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Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM de 2.4GHz
Para tal fin, usaremos como módulo receptor la tarjeta SmartRF04_EB junto con
el CC2510EM (figura 7.18) que vimos en el apartado 5 “Herramientas de desarrollo”.
Figura 7.18 – Módulo Receptor
Esta decisión se debe a que este conjunto físico responde perfectamente a las
exigencias que nos planteamos en relación al módulo receptor. Por un lado, el sistema
es capaz de recibir los datos procedentes del transmisor y mostrarlos por la pantalla
LCD que incorpora. Por otro lado, podemos programar el dispositivo CC2510 de una
manera rápida y sencilla a través de esta placa (conexión USB al PC) y del programa
SmartRF® Flash Programmer.
Además el CC2510EM proporciona una fiabilidad demostrada, en cuanto a la
transmisión/recepción de datos a 2.4 GHz. De hecho, el fabricante del dispositivo
CC2510 recomienda el uso de este esquemático en el desarrollo de cualquier aplicación
de radiofrecuencia donde se utilice el propio CI CC2510.
En definitiva, la principal tarea que debemos llevar a cabo para la puesta a punto
de este módulo, será la de programar el CC2510 con el código desarrollado en el Nivel
Software.
96
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Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM de 2.4GHz
7.3.2.3- Módulo TRANSMISOR
Igual que hicimos anteriormente, es conveniente recordar las funciones que debe
cumplir realizar este módulo. El transmisor, (figura 7.19) estará encargado de adquirid
los datos del exterior (temperatura y distancia) y transmitirlos de manera constante al
host.
De forma esquemática tenemos las siguientes acciones
•
ADQUISICIÓN
Adquisición de Temperatura y Distancia
•
TRANSMISIÓN
Transmisión de los datos al receptor.
Figura 7.19 - Transmisor
Una vez que tenemos en mente las funcionalidades del transmisor,
presentaremos el soporte físico donde se sustenta este módulo.
97
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Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM de 2.4GHz
En un primer prototipo, utilizaremos como transmisor la tarjeta SmartRF04_EB
junto con el CC2510EM (figura 7.18) que vimos en el apartado 5 “Herramientas de
desarrollo”. Esto se hace necesario ya que en primer lugar debemos comprobar que el
módulo funciona como tal, es decir, necesitamos depurar los posibles errores cometidos
tanto a nivel de software (programa del transmisor), como a nivel de hardware
(sensores).
De esta manera, colocamos las salidas analógicas de los sensores a las entradas
correspondientes de los conectores I/O (figura 7.20), siguiendo los esquemas de la hoja
de características de la placa SmartRF04_EB.
Figura 7.20 – Conectores I/O
Para identificar correctamente los pines que queremos usar como entradas
analógicas (P0_1 y P0_2 en nuestro caso) debemos recurrir a la tabla 7.21 como ya
vimos en el capítulo 5 de este documento.
Tabla 7.21 – Conectores I/O
98
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Una vez realizado esto, programamos adecuadamente el CC2510 a través del PC
y el SmartRF® Flash Programmer y depuramos los posibles errores del sistema final,
esto es, comunicación correcta entre los dos módulos receptor y transmisor.
Figura 7.22 – Sistema Completo
99
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7.3.2.4- Diseño de un MÓDULO TRANSMISOR AUTÓNOMO
Una vez que hemos depurado los errores y que comprobamos que el sistema
total funciona tal y como lo hemos diseñado, nos planteamos llegar un poco más lejos y
proceder a diseñar un transmisor independiente. Esto es, basándonos en los esquemas
correspondientes a la SmartRF04_EB queremos construir una tarjeta específica que
cumpla los objetivos planteados para el módulo transmisor sin depender de la propia
placa SmartRF04_EB.
Para este fin, haremos uso de la placa CC2510EM (figura 7.23) para
implementar el circuito de Radio, ya que el CC2510EM proporciona una fiabilidad
demostrada, en cuanto a la transmisión/recepción de datos a 2.4 GHz. Además, de esta
forma facilitaremos el diseño de la tarjeta transmisora.
Figura 7.23 – CC2510EM
En este punto, podemos deducir que nuestro objetivo es crear un sistema
parecido a la SmartRF04_EB, que sirva de soporte al CC2510EM, con unas condiciones
muy particulares:
Servir como fuente de alimentación al dispositivo CC2510
Suministrar una potencia adecuada a los sensores externos
Proporcionar un acceso directo a los pines I/O del CC2510 que nos
interesan (entradas analógicas, salidas a periféricos)
100
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Un esquema modular del transmisor completo que se pretende diseñar sería el
siguiente (figura 7.24)
Figura 7.24 – Esquema del Transmisor
Las ventajas de este nuevo transmisor serían básicamente dos
Reducción del espacio
Portabilidad
Diseño en función de una Aplicación Específica
La herramienta de desarrollo que se utilizará en el diseño de esta placa será el
software de diseño PCB PADS de Mentor Graphics. Este programa se divide en tres
partes diferenciadas
1. PADS LOGIC
Diseño de los esquemáticos del circuito
2. PADS LAYOUT
Posicionamiento de los componentes
3. PADS ROUTER
Ruteado de las pistas
Además, para completar el diseño de la placa se han tenido que crear librerías
con los componentes necesarios, basándose en las hojas de características de la tarjeta
SmartRF04_EB.
101
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1. ESQUEMÁTICOS DEL SISTEMA
Alimentación
El sistema debe poder suministrar potencia en tres niveles de tensión según las
especificaciones técnicas, esto es, 3.3V, 1.8V y 5V. Las dos primeras tensiones
corresponden a la alimentación del CC2510EM y la tensión de 5V corresponde a los
sensores de temperatura y de distancia. De esta manera diseñaremos el sistema para que
obtenga estos valores a partir de una fuente de alimentación de 9V. Para ello
necesitaremos
i)
Interruptor de entrada
ii)
Regulador a 3.3V: LP298533
iii)
Regulador de tensión a 1.8V: LP298518
iv)
Regulador de tensión a 5V: LM7805
Un esquema de lo anterior lo encontramos en la figura 7.25.
Figura 7.25 – Suministro de Potencia
102
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Periféricos
Este módulo debe tener una serie de periféricos que den funcionalidad al sistema
como son
v)
Sensor de Temperatura: LM335
vi)
Sensor de Distancia: GP2D120
vii)
LEDs de indicación
viii)
Switch de RESET
Un esquema de la interconexión de los periféricos se visualiza en la figura 7.26.
Figura 7.26 - Periféricos
103
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Pins I/O
El sistema debe proporcionar un acceso directo a los pines I/O del CC2510 que
nos interesan (entradas analógicas, salidas a periféricos)
ix)
Conector I/O
La representación de este conector se refleja en la figura 7.27.
Figura 7.27 – Esquema de los Conectores I/O
Conexión CC2510EM
Se debe poder acoplar el módulo CC2510EM que realiza las funciones de la
radio. Esto se hará mediante unos conectores específicos para ello. Se representan en la
figura 7.28.
Figura 7.28 – Conectores SMD
El esquema completo del sistema se muestra en la figura 7.29
104
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Figura 7.29 – Esquemático de la Tarjeta_Base_Transmisor RF
105
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2. LAYOUT DE LA PLACA
A partir del esquemático anterior obtenemos el layout de la placa como se
muestra en la figura 7.30. Aquí se muestran la colocación de los componentes y la
interconexión existente entre ellos.
3. RUTEO DE LA PLACA
Por último se muestra el ruteo de las pistas a partir del layout. Cabe destacar que
se ha elaborado una PCB de doble cara, por lo que existen pistas por las dos superficies
de la placa. Esto se visualiza en la figura 7.31.
Finalmente, se imprime el fotolito (figura 7.32) correspondiente y se realiza la
PCB de manera práctica.
106
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Figura 7.30 - Layout
107
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Figura 7.31 – Layout final
108
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Figura 7.32 - Fotolito
109
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PROCESO DE FABRICACIÓN
A continuación se muestran algunas imágenes del proceso de fabricación de la
PCB, desarrollado en el Laboratorio de Proyectos del Departamento de Electrónica y
Tecnología de los Computadores de la Universidad de Granada.
Figura 7.33 – Diferentes cubetas con productos químicos
Figura 7.34 – Proceso de Revelado
110
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Figura 7.35 – Realizando el proceso de atacado
Figura 7.36 – Resultado final
111
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PROCESO DE ENSAMBLADO
Aquí se muestran algunas imágenes del proceso de ensamblado de la PCB.
Figura 7.37 – Ensamblado de los componentes
Figura 7.38 – Sistema Transmisor Completo
112
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– Implementación final
Finalmente, el sistema total quedaría de la siguiente manera (figura 7.39).
Figura 7.39 – Sistema Total
113
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8.- CONCLUSIONES
El futuro de la electrónica depende de dos características fundamentales: el
tamaño y la potencia consumida. Las tendencias en el desarrollo de esta tecnología, se
fundamentan en el intento por reducir al máximo estos parámetros. En esta línea de
investigación, el dispositivo CC2510 aquí presentado, cumple con creces estas dos
premisas.
Su
gran
capacidad
de integración
en
un
reducido
tamaño
de
empaquetamiento, unido a la baja potencia consumida, hacen de este transceptor, un
elemento importante a tener en cuenta a la hora de diseñar cualquier sistema basado en
radiofrecuencia.
Así pues, este proyecto ha pretendido dar a conocer el dispositivo CC2510 de
dos formas distintas, una teórica y otra más experimental.
El trabajo teórico ha implicado un estudio de los manuales y hojas de
características del integrado, la familiarización de las herramientas de desarrollo de este
tipo de circuitos y la caracterización de los mismos mediante una serie de medidas
experimentales.
Por su parte, la labor práctica ha consistido en el diseño e implementación de un
radioenlace entre dos placas, basándonos en el dispositivo CC2510 junto con las
implicaciones a nivel software (manejo de los programas adecuados, programación del
dispositivo CC2510, creación del código general y de las funciones internas
correspondientes, control de los sensores) y a nivel hardware (interconexión de las
tarjetas SmartRF04_EB, configuración y calibración de los sensores, diseño de una
placa transmisora autónoma) que ello conlleva.
Por tanto, podemos llegar a la conclusión de que se han alcanzado los objetivos
planteados al inicio de este Proyecto Fin de Carrera de Ingeniería en Electrónica, con la
esperanza de que éste pueda servir como iniciación en otros proyectos basados en esta
tecnología.
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Juan Santaella Hernández | Universidad de Granada
Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM de 2.4GHz
9.- BIBLIOGRAFÍA
[1] CC2510 Development Kit User Manual
http://focus.ti.com/lit/ug/swru134a/swru134a.pdf
[2] Low-Power SoC (System-on-chip) with MCU, Memory, 2.4GHz RF Transceiver
http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/cc2510f32.html
[3] CC2500 User Manual
http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/cc2500.html
[4] IAR Embedded Workbench IDE User Guide
http://focus.ti.com/lit/ug/swru038/swru038.pdf
[5] 8051 IAR C/C++ Compiler Reference Guide
[6] 8051 IAR Assembler
[7] Texas Instrument website
www.ti.com
[8] Flash Programmer User Manual
http://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/flash-programmer.html
[9] SmartRF Studio User Manual
http://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/smartrftm-studio.html
[10] SoC Temperature Sensor Design Note DN102
http://focus.ti.com/general/docs/litabsmultiplefilelist.tsp?literatureNumber=swra101a
[11] Range Measurements in an Open Field Environment Design Note DN018
http://focus.ti.com/general/docs/litabsmultiplefilelist.tsp?literatureNumber=swra169a
[12] PCB Design Software PADS Lab Workbook
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Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM de 2.4GHz
10.- ANEXO 1: PROYECTO INNOVACIÓN DOCENTE
DATOS GENERALES
Título: Nuevas herramientas para el aprendizaje de técnicas básicas de medida en el
laboratorio de electrónica analógica y para el desarrollo de sistemas electrónicos de RF
Responsable: Francisco Jiménez Molinos
Composición del equipo:
• Profesorado UGR:
o Pedro Cartujo Cassinello
o Francisco J. Gámiz Pérez
o Andrés Roldán Aranda
o Juan Bautista Roldán Aranda
• Colaboradores: Luis Caballero Guindo
• Estudiantes: Juan Santaella Hernández, José Antonio Moya Espinosa
Área académica a la que se dirige: Enseñanzas técnicas
DESCRIPCIÓN Y PLAN DE TRABAJO
Acción en la que se enmarca el proyecto: Acción 2: Innovación en metodologías
docentes para clases teóricas y prácticas
Descripción y objetivos del proyecto: El objetivo global del proyecto es posibilitar la
aplicación de nuevas metodologías de enseñanza en los laboratorios de electrónica
analógica. Estas nuevas metodologías consistirán, en síntesis, en la aplicación de
técnicas instrumentales y herramientas similares a las realmente empleadas en el
contexto industrial que encontrarán los alumnos al terminar la carrera. Estas nuevas
herramientas se aplicarán en dos vertientes: en primer lugar, para el aprendizaje de los
conceptos básicos de electrónica analógica necesarios para trabajar en un laboratorio de
electrónica y, en segundo lugar, para el desarrollo de prácticas avanzadas en el ámbito
de los sistemas de radiocomunicación y de proyectos fin de carrera.
A continuación detallaremos la motivación del presente proyecto de innovación docente
y desglosaremos el objetivo global indicado anteriormente en los objetivos concretos
que se pretenden obtener.
El desarrollo de sistemas electrónicos reales ha evolucionado enormemente en las
últimas décadas. Ya no se concibe realizar una aplicación electrónica usando elementos
discretos (principalmente, transistores y componentes pasivos) como ladrillos básicos
del sistema y diseñar el circuito partiendo de estos elementos como constituyentes
fundamentales. En lugar de esto, se emplean algunos de la infinidad de circuitos
integrados (“chips”) disponibles en el mercado para realizar un gran número de
funciones y facilitar el diseño del circuito completo además de reducir su tamaño.
Además, en los últimos años han aparecido complejos sistemas integrados en un único
chip (“Sistem on a Chip”) con un alto nivel de integración. Ello hace posible realizar en
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Juan Santaella Hernández | Universidad de Granada
Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM de 2.4GHz
placas de muy reducido tamaño completos sistemas electrónicos, como receptores de
radios, lectores de MP3, etcétera.
Además, la alta integración se hace incluso imprescindible en los nuevos sistemas de
radiocomunicación, donde las altas frecuencias requieren sistemas compactos para
minimizar los efectos parásitos de largas pistas.
El desarrollo de estos nuevos sistemas electrónicos requiere también el uso de nuevas
técnicas y metodologías para la depuración y caracterización de los prototipos, además
de para su fabricación. El alto nivel de integración y la complejidad de estos sistemas
requieren del uso de herramientas especializadas para su diseño y desarrollo (a menudo,
proporcionadas por el correspondiente fabricante del circuito integrado). Además,
precisamente el reducido tamaño de estos sistemas dificulta su fabricación con técnicas
tradicionales de fabricación de placas de circuito impreso (PCBs).
Los alumnos de las Ingenierías Electrónica y de Telecomunicación de Granada tienen,
según nuestra opinión, una sólida formación teórica y práctica sobre el diseño de
circuitos analógicos y digitales. Conocen, por ejemplo, los bloques funcionales que
constituyen un sistema de radiocomunicación así como los fundamentos de los circuitos
electrónicos que realizan esos bloques. Sin embargo, no trabajan con sistemas
completos de radiocomunicación y desconocen qué tipo de herramientas se emplean en
su desarrollo.
Sin embargo, como hemos dicho antes, el estado actual de la tecnología requiere el uso
de estas nuevas técnicas y herramientas para el desarrollo de sistemas electrónicos
actuales y competitivos. Además, esto es todavía de mayor importancia en el entorno
empresarial en el que nos encontramos en el que, como mucho, se realiza el diseño y
fabricación de productos electrónicos completos (placas de circuito impreso que
realizan una determinada función), pero nunca se diseña un circuito integrado. Por
consiguiente, es tan importante que el alumno sea capaz de diseñar productos
electrónicos completos trabajando con estos nuevos chips y sus correspondientes
herramientas de desarrollo como que conozca los fundamentos del diseño de los
circuitos integrados.
Por todo ello, con este Proyecto de Innovación Docente pretendemos potenciar a lo
largo de toda la formación universitaria del alumno el uso de la tecnología real
empleada industrialmente para el desarrollo de aplicaciones electrónicas. Por tanto, para
los primeros cursos, desarrollaremos (con este proyecto) placas de entrenamiento en
circuito impreso serigrafiadas con circuitos completamente funcionales y puntos de test.
Sobre estas placas, los alumnos afianzarán conceptos básicos de electrónica, aprenderán
técnicas de medida e instrumentación básica de laboratorio y las aplicarán para la
caracterización de los propios sistemas incluidos en las placas de entrenamiento.
Además, estas mismas placas servirán para ayudar en la evaluación de los
conocimientos adquiridos de una forma más eficaz y fiable que la actual.
Para afianzar esta nueva metodología, también se desarrollarán nuevas herramientas
para permitir introducir nuevas prácticas avanzadas en asignaturas de segundo ciclo o en
proyectos fin de carrera dedicados al diseño y fabricación de sistemas electrónicos de
radiocomunicación. Para esta parte, tendremos en cuenta que cada fabricante cuenta con
sus propios circuitos integrados y sus propias herramientas de diseño, aunque el proceso
117
Juan Santaella Hernández | Universidad de Granada
Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM de 2.4GHz
de desarrollo y las técnicas generales de diseño son similares. Por ello, nos centraremos
en unos pocos circuitos integrados de radiocomunicación y en sus correspondientes
herramientas de desarrollo sin intentar cubrir todos los posibles fabricantes y
aplicaciones (lo cual, además, sería imposible). Lo que sí hemos buscado al seleccionar
los circuitos integrados con los que trabajaremos es que sean lo más actuales y recientes
posibles. Alguno de ellos, está disponible en el mercado tan sólo desde este año.
Como uno de los objetivos fundamentales de este proyecto es conseguir que el alumno
se familiarice con las herramientas y técnicas empleadas en el “mundo real” en las
empresas dedicadas al desarrollo de esta clase de productos, contaremos con el
asesoramiento de Luis Caballero Guindo, Ingeniero de Prototipos en el Departamento
de “Soluciones inalámbricas autónomas” del consorcio Holst Centre (Eindhoven),
constituido por IMEC y TNO.
Los objetivos concretos de este proyecto son:
a. Diseño y construcción de placas de circuito impreso, con circuitos completos de
demostración, para la enseñanza de conceptos básicos de electrónica analógica y
de medida.
b. Desarrollo de documentación referente a las placas: guiones de prácticas y
esquemáticos para su simulación.
c. Diseño, montaje y puesta a punto de un puesto de laboratorio para el diseño y
caracterización de sistemas de radiocomunicación en la banda ISM de 2.4 GHz.
Este puesto contará con dos ordenadores (uno para controlar y depurar el sistema
emisor y otro para el receptor) y dos placas de desarrollo.
d. Diseño, montaje y puesta a punto de un puesto de laboratorio para el diseño de
sistemas RFID (Radio Frequency Identification Systems). Este puesto requiere
de la correspondiente herramienta de desarrollo y de un ordenador para su
control y depurado. Se pretende usar, de momento, uno de los ordenadores del
puesto anterior.
e. Desarrollo por parte del equipo de este proyecto de sistemas que sirvan como
ejemplo de aplicación para la demostración y enseñanza de estas nuevas
herramientas.
f. Desarrollo de manuales y guías para el uso de estos puestos y para el desarrollo
de nuevos sistemas electrónicos basados en estos circuitos integrados. También
se crearán tutoriales en los que paso a paso se detallen los procesos que se han
seguido para desarrollar los ejemplos.
g. Creación de nuevas prácticas avanzadas basadas en estos sistemas.
h. Usar el medidor de campo PROLINK-4 para la medida y análisis de las señales
involucradas en sistemas de radiocomunicación.
i. En la medida de lo posible, se montarán los puestos de Laboratorio para que
puedan operar también de forma remota, de manera que los alumnos puedan
probar y depurar (al menos en parte) sus diseños desde casa o desde otros
ordenadores.
j. Se montará un sitio Web para hacer accesible toda la documentación generada
en el proyecto (ejemplos, guías de desarrollo, tutoriales, …) así como para
recoger y enlazar mucha de la información disponible en la red para el desarrollo
de estos sistemas.
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Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM de 2.4GHz
Metodología:
Para el desarrollo de este proyecto, lo hemos dividido en varias tareas que se han
asignado a diferentes grupos del equipo. Las tareas de mayor envergadura se han
subdividido a su vez en otras tareas.
T1. Informática e instalación de servidores y sitio web
1.1. Instalación de los ordenadores y del software necesario.
1.2. Instalación del servidor web y creación y mantenimiento del sitio web.
1.3. Creación del entorno necesario para el control remoto de los puestos de
laboratorio.
T2. Placas de entrenamiento de electrónica analógica
2.1. Diseño
2.2. Construcción
2.3. Desarrollo de la documentación relativa a las placas (guiones de prácticas,
manuales, esquemáticos, ...)
T3. Puesto de radiocomunicación en la banda ISM de 2.4 GHz
3.1. Diseño del puesto de radiocomunicación en la banda ISM de 2.4 GHz. Análisis
de las alternativas y elección de las placas y herramientas necesarias.
3.2. Montaje del puesto.
3.3. Puesta a punto del puesto y desarrollo de las aplicaciones necesarias para su
control.
3.4. Desarrollo de aplicaciones finales de ejemplo.
3.5. Creación de la documentación necesaria, detallando los pasos seguidos para el
desarrollo de las aplicaciones de ejemplo o para la creación de nuevos sistemas
de radiocomunicación.
T4. Puesto de diseño de aplicaciones de RFID
4.1. Diseño del puesto de desarrollo de aplicaciones de RFID. Análisis de las
alternativas y elección de las placas y herramientas necesarias.
4.2. Montaje del puesto.
4.3. Puesta a punto del puesto y desarrollo de las aplicaciones necesarias para su
control.
4.4. Desarrollo de aplicaciones finales de ejemplo.
4.5. Creación de la documentación necesaria, detallando los pasos seguidos para el
desarrollo de las aplicaciones de ejemplo o para la creación de nuevos sistemas
de radiocomunicación.
T5. Ejemplos de uso y aplicación del medidor de campo en los sistemas de
radiocomunicación.
T6. Coordinación para conseguir uniformidad en la documentación y contenidos web.
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Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM de 2.4GHz
Programación de tareas entre los miembros del equipo:
T1: Pedro Cartujo Cassinello, Juan B. Roldán Aranda y Juan Santaella Hernández
T2: Andrés Roldán Aranda, Jose A. Moya Espinosa, Pedro Cartujo Cassinello y Juan
B. Roldán Aranda
T3: Juan Santaella Hernández, Francisco Jiménez Molinos, Andrés Roldán Aranda,
Francisco Gámiz Pérez y Jose A. Moya Espinosa
T4: Francisco Jiménez Molinos, Francisco Gámiz Pérez
T5: Juan B. Roldán Aranda, Francisco Jiménez Molinos y Andres Roldán Aranda
T6: Francisco Jiménez Molinos y Pedro Cartujo Cassinello
Debido a la envergadura y cantidad de tareas por realizar, con este proyecto se solicita
también un becario. Este becario servirá de apoyo especialmente en las tareas T1, T2 y
T5.
Duración del proyecto (en meses): 9 meses
Cronograma:
Tarea M1 M2
T1
T2
X X
T3
X
T4
X
T5
T6
X
M3 M4 M5 M6
X
X X X X
X X X X
X X X X
X X X X
X
M7 M8 M9
X X X
X
X
X
X
X
X
X
Descriptores del proyecto (palabras clave): electrónica analógica, sistemas de
radiocomunicación, laboratorio remoto, proyectos fin de carrera, desarrollo de
productos electrónicos
BENEFICIARIOS DEL PROYECTO
Titulaciones: Ingeniería Electrónica, Ingeniería de Telecomunicación, Ingeniería
Informática, Ingenierías Técnicas en Informática de Sistemas y de Gestión y
Licenciatura en Física.
Asignaturas y Departamentos implicados:
INGENIERÍA
ELECTRÓNICA
CONFIGURACIÓN):
(Y
ASIGNATURAS
DE
LIBRE
Análisis de Circuitos y Sistemas Lineales
Componentes y Circuitos Electrónicos
Electrónica de Comunicaciones
Sistemas Analógicos e Instrumentación
Dispositivos y Circuitos Integrados de Microondas
Proyectos fin de carrera
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Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM de 2.4GHz
INGENIERO DE TELECOMUNICACIÓN:
Análisis de Circuitos
Dispositivos Electrónicos I
Electrónica Analógica
Diseño de Receptores de Radio
Transmisión por Soporte Físico
Circuitos de Radiofrecuencia y Microondas
Circuitos Integrados para Comunicaciones
Proyectos fin de carrera
INGENIERÍA INFORMÁTICA
Fundamentos Físicos de los Computadores
Fundamentos Tecnológicos de los Computadores
INGENIERÍA TÉCNICA EN INFORMÁTICA DE SISTEMAS
Fundamentos Físicos de los Computadores
Fundamentos Tecnológicos de los Computadores
INGENIERÍA TÉCNICA EN INFORMÁTICA DE GESTIÓN
Fundamentos Tecnológicos de los Computadores
LICENCIATURA EN FÍSICA:
Electrónica 1
Electrónica 2
Profesores:
Los pertenecientes a los departamentos de:
Electrónica y Tecnología de Computadores
Arquitectura y Tecnología de Computadores
Física Aplicada
Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones
Nº de estudiantes al que va dirigido: 600
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Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM de 2.4GHz
EXPERIENCIA DEL EQUIPO EN LA MATERIA:
Comités de Autoevaluación o Evaluación Externa de la Calidad Docente
Proyectos de innovación docente: La mayoría de miembros del equipo han participado
ya en dos Proyectos de Innovación Docente:
• “Aplicación de la nuevas tecnologías a la enseñanza de dispositivos
electrónicos” de la convocatoria 2003-2004, cuyo coordinador fue el profesor
Francisco Gámiz Pérez.
• “Desarrollo de una herramienta de simulación de circuitos y de un sitio web
para la mejora y la innovación del laboratorio de electrónica”, de la
convocatoria del curso 2005-06, cuyo coordinador fue el profesor Juan B.
Roldán Aranda.
Proyectos de Acción Tutorial:
Proyectos ECTS: Muchos de los miembros del equipo han participado en la
Experiencia Piloto para la Implantación del Crédito Europeo (ECTS) durante el curso
2006/07.
Proyectos de mejora de la calidad docente vinculados a Contratos-Programa:
Tres de los miembros del equipo que solicita este proyecto participan en el “Contratoprograma para acciones de mejora de la titulación Ingeniería Electrónica”, firmado el 6
de septiembre de 2007 por D. Luis Rico Romero (entonces Vicerrector de Planificación,
Calidad y Evaluación Docente) y por D. Juan A. López Villanueva (coordinador de
Ingeniería Electrónica).
Congresos y Jornadas Docentes:
Investigación vinculada con la innovación docente (publicaciones, ponencias,
comunicaciones, …)
Libros
Autores: Andrés Roldán Aranda
Título: EXPERIENCIA EN LA UNIVERSIDAD DE HUELVA. LA INNOVACIÓN DOCENTE: UN
CAMINO HACIA LA CALIDAD
Tipo de participación: Monografía
Editor: SERVICIO DE PUBLICACIONES DE LA UNIVERSIDAD DE HUELVA
ISBN: 84-600-9892-3
Depósito Legal: SE-25-2004
Lugar celebración: Huelva
Fecha: 15, 16, 17 de s
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Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM de 2.4GHz
Contribuciones a Congresos
Autores: A. Roldán, J. Roldán
Título: La simulación de circuitos en el siglo XXI.
Tipo de participación: Comunicación
Congreso: 5º Congreso Internacional de Docencia Universitaria e Innovación
Publicación: ISBN 978-84-8458-279-3
Depósito Legal: Gi-733-2008
Lugar de celebración: Lérida, SPAIN.
Fecha: 3-5 Julio, 2008.
Autores: A. Roldán, J. Roldán
Título: ESPICE: Un Nuevo simulador didáctico de circuitos electrónicos. Aplicaciones.
Tipo de participación: Comunicación
Congreso: VIII Congreso TAEE – Tecnologías Aplicadas a la Enseñanza de la Electrónica
Publicación: ISBN 978-84-7733-628-0 Resumen en Pág. 94
Depósito Legal: Z-546-2008
Lugar de celebración: Zaragoza, SPAIN.
Fecha: 3-5 Julio, 2008.
Autores: J.Pajón Permuy, A. Roldán Aranda, T. Santos Rodríguez
Título: Una nueva comprensión del proceso de aprendizaje. Líneas Directrices del Aprendizaje
de las competencias emocionales
Tipo de participación: Ponencia
Congreso: VII Congreso Universitario de Innovación Educativa en las Enseñanzas Técnicas
Publicación: VOL I.= 84-931043-2-9 - Pag:1342-1347
Lugar celebración: Huelva
Fecha: 15-17 de septiembre 2001
Autores: T. Santos Rodríguez, J.Pajón Permuy, A. Roldán Aranda.
Título: Análisis Comparativo de los Planes de Estudio de Ingeniería Técnica en Informática de
Gestión (ITIG) e Ingeniería Técnica en Informática de Sistemas (ITIS) en la Univ. de Huelva.
Tipo de participación: Ponencia
Congreso: VII Congreso Universitario de Innovación Educativa en las Enseñanzas Técnicas
Publicación: VOL I.= 84-931043-2-9 - Pag:1655-1675
Lugar de celebración: Huelva
Fecha: 15, 16, 17 de septiembre 1999
Autores: A. Roldán Aranda, T. Santos Rodríguez, J.Pajón Permuy.
Título: El proyecto fin de carrera: Nuevas perspectivas.
Tipo de participación: Ponencia
Congreso: VII Congreso Universitario de Innovación Educativa en las Enseñanzas Técnicas
Publicación: VOL I.= 84-931043-2-9 - Pag:1757-1760
Lugar de celebración: Huelva
Fecha: 15, 16, 17 de septiembre 1999
Otros méritos relacionados: El proyecto de innovación docente “Desarrollo de una
herramienta de simulación de circuitos y de un sitio web para la mejora y la innovación
del laboratorio de electrónica”, recibió una MENCIÓN HONORÍFICA en la
convocatoria del Premio a la Innovación Docente 2007 de la Universidad de Granada.
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Juan Santaella Hernández | Universidad de Granada
Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM de 2.4GHz
Este proyecto fue coordinado por el profesor Juan B. Roldán Aranda y en él
participaron muchos de los miembros que solicitan el presente proyecto.
DIFUSIÓN DE PROYECTOS DE INNOVACIÓN ANTERIORES
¿Es continuación? No
Describa, si procede, la difusión de PIDs anteriores (no rellenar aquí, sí en los
siguientes ítems)
Indicadores de utilización por el alumnado del producto generado:
La Web que se realizó para el proyecto de innovación docente “Aplicación de la nuevas
tecnologías a la enseñanza de dispositivos electrónicos” ha sido utilizada por bastantes
alumnos, ya que los profesores que intervinieron en el proyecto de innovación docente
le han dado publicidad entre los alumnos de sus asignaturas. Nos hemos ocupado en
todo momento del servidor de páginas, desde que se presentó el proyecto y sigue
disponible en http://deyte.ugr.es
Por su parte, el programa de simulación de circuitos ESPICE, creado en el contexto del
proyecto de innovación docente “Desarrollo de una herramienta de simulación de
circuitos y de un sitio web para la mejora y la innovación del laboratorio de
electrónica”, es el único simulador empleado en numerosas asignaturas de las
titulaciones de Ingeniería Electrónica, Ingeniería de Telecomunicación, Licenciado en
Física e Ingeniería Informática. También los videos y tutoriales multimedia generados
en el proyecto han tenido numerosas descargas y han servido de apoyo para los alumnos
de los primeros cursos que se inician en el manejo de instrumentación básica de un
laboratorio de electrónica. Finalmente, el sitio web en su conjunto (http://espice.ugr.es)
sigue disponible y recibe numerosas visitas y descargas (del programa ESPICE, de
ejemplos de aplicación, manuales de uso, …)
Publicaciones:
Ponencias o comunicaciones en Congresos de Innovación Docente:
En el siguiente congreso se presentó el simulador ESPICE desarrollado en el marco del
proyecto de innovación docente “Desarrollo de una herramienta de simulación de
circuitos y de un sitio web para la mejora y la innovación del laboratorio de
electrónica”, de la convocatoria del curso 2005-06, cuyo coordinador fue el profesor
Juan B. Roldán Aranda.
Autores: A. Roldán, J. Roldán
Título: ESPICE: Un Nuevo simulador didáctico de circuitos electrónicos. Aplicaciones.
Tipo de participación: Comunicación
Congreso: VIII Congreso TAEE – Tecnologías Aplicadas a la Enseñanza de la Electrónica
Publicación: ISBN 978-84-7733-628-0 Resumen en Pág. 94
Depósito Legal: Z-546-2008
Lugar de celebración: Zaragoza, SPAIN.
Fecha: 3-5 Julio, 2008.
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Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM de 2.4GHz
Difusión en medios de comunicación (prensa, TV, …): En la página web “Andalucia
Investiga” (www.andaluciainvestiga.com) se publicó una entrevista al profesor Juan B.
Roldán Aranda, coordinador del proyecto “Desarrollo de una herramienta de simulación
de circuitos y de un sitio web para la mejora y la innovación del laboratorio de
electrónica” (www.andaluciainvestiga.com/espanol/noticias/2/5096.asp).
Indicadores de evolución de los resultados académicos de los alumnos:
Encuestas de satisfacción y opinión del alumnado:
Otros:
PRESUPUESTO
Presupuesto total: 15000 euros
Ayuda solicitada: 15000 euros
Desglose de la ayuda solicitada (en su caso, se deberá indicar la cantidad solicitada
para personal):
Partida 1. Material y fabricación: 10350 €
Desglose partida 1:
1. Kit de desarrollo CC2500DK: 497.4 €
2. Herramienta de desarrollo eZ430-RF2500: 4 uds. x 48.38 € = 193.52 €
3. Herramienta de desarrollo eZ430-RF2480: 2 uds. x 114.42 € = 228.84 €
4. Herramienta de desarrollo MSP-FET430U14: 171.46 €
5. Placa de experimentación MSP-EXP430FG4618: 114.42 €
6. Herramienta de desarrollo eZ430-F2013: 23.01 €
7. Herramienta de desarrollo RFID TRF7960EVM: 560.41 €
8. RFID transponders: 220 €
9. Ordenadores (torre+periféricos): 2 x 596.18 € = 1192.36 €
10. Medidor de campo PROLINK-4C Premium: 4777.34 €
11. Conversor banda 2.4GHz CV-245: 460 €
12. Placas: 220 €
13. Componentes para las placas: 1091.24 €
14. Fabricación de las placas: 600 €
Partida 2. Bibliografía: 600 €
Partida 3. Becario: 4050 €
Desglose de la partida 3:
Becario: 450 € / mes x 9 meses = 4050 €
125
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Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM de 2.4GHz
PRODUCTOS Y BENEFICIOS DEL PROYECTO
Beneficios para una titulación, indicando cómo se garantizará su implantación real
y continuidad temporal:
El presente proyecto implicará un conjunto de beneficios, que hemos agrupado en dos
categorías, para el aprendizaje de los estudiantes de las Ingenierías y Licenciaturas en
las que se imparten asignaturas de Electrónica.
a) El proyecto facilitará el aprendizaje de las técnicas básicas de medida en un
laboratorio de Electrónica y de conceptos fundamentales de circuitos analógicos
en los primeros cursos de estas titulaciones. Este objetivo se pretende lograr a
través del uso en las prácticas de laboratorio de las placas de demostración de
circuitos analógicos que se desarrollarán con el presente proyecto. Con ello,
desde el principio, el alumno manejará circuitos realizados con una tecnología
real, la que encontrará en el mundo laboral. Además, el escaso número de
créditos con el que se cuenta para adquirir y desarrollar las habilidades de
medida en el laboratorio de electrónica aconsejan el uso de estas placas, con
circuitos prediseñados y montados para que sean medidos y caracterizados por
los alumnos. Los proponentes de este proyecto (y todos aquellos profesores que
quieran) las usarán en las prácticas de estas asignaturas. Además, al ser placas de
circuito impreso, podrán ser usadas en múltiples ocasiones y a lo largo de
muchos años.
b) Por otra parte, la puesta a punto de dos puestos de radiocomunicación y RFID,
garantizará la posibilidad de realizar prácticas avanzadas e, incluso, proyectos
fin de carrera sobre estos sistemas. Por un lado, las aplicaciones de ejemplo que
se desarrollen servirán de estudio en prácticas de laboratorio y las nuevas
herramientas desarrolladas servirán para la creación de nuevas prácticas de
laboratorio en las que se haga uso de herramientas actuales y de uso real. Por
otro lado, el interés de la sociedad en estas nuevas tecnologías resulta patente,
por lo que cabe esperar también que sean numerosos los proyectos fin de carrera
realizados por alumnos de estas Ingenierías que hagan uso de estos puestos y
herramientas desarrolladas en el presente proyecto y que se mantendrán a lo
largo de los años. Facilitará también esta labor la documentación generada en el
proyecto y disponible en el sitio web que se creará y mantendrá.
En resumen, las titulaciones que impartan asignaturas de electrónica se verán
beneficiadas con una serie de recursos materiales y documentales que consistirán
básicamente en placas con circuitos electrónicos analógicos básicos para su medida y
caracterización, así como puestos de laboratorio para el diseño de sistemas de
radiocomunicación. Las placas servirán tanto para el aprendizaje como para la
evaluación en numerosas asignaturas y centros, mientras que los puestos estarán
físicamente ubicados en el Laboratorio de Electrónica (F3) situado en la Facultad de
Ciencias. No obstante, se pretende que puedan ser controlados de forma remota desde
cualquier aula de docencia (para demostraciones, por ejemplo) o, en general, desde
cualquier ordenador conectado a la red de la Universidad de Granada.
El equipo participante en este proyecto ha demostrado dar continuidad a los recursos
generados en Proyectos anteriores (cuyo material puede aún consultarse en
126
Juan Santaella Hernández | Universidad de Granada
Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM de 2.4GHz
http://deyte.ugr.es y en http://espice.ugr.es). Además, en el presente proyecto, los
productos generados tienen menos componente software que los anteriores, por lo que si
ya en aquellos casos el material ha perdurado y sigue disponible después de varios años,
cabe esperar que aún más lo haga en este caso y que, por tanto, las placas y
herramientas desarrolladas puedan usarse a lo largo de muchos años.
Productos o recursos generados por el proyecto:
•
•
•
•
•
•
•
Placas de entrenamiento para prácticas básicas de electrónica analógica
Nuevas prácticas y documentación para la medida y caracterización de sistemas
analógicos basados en las placas de demostración desarrolladas.
Habilitación o creación de dos puestos especializados de laboratorio para el
desarrollo de prácticas avanzadas de radiocomunicación y aplicaciones de RFID.
En la medida de lo posible, estos puestos se podrán hacer operativos a través de
Internet, dando lugar a un Laboratorio Remoto de Sistemas de
Radiocomunicación.
Nuevas prácticas sobre herramientas avanzadas de diseño y desarrollo de
sistemas de RF
Documentación detallada sobre el diseño de los sistemas que sirven de ejemplo,
así como guías para la creación de nuevas aplicaciones.
Sitio web para aunar toda la información y recursos generados, alojar la
documentación producida en el proyecto, enlazar con otra documentación
relacionada y servir de comunicación con los futuros usuarios de estas
aplicaciones o con personas interesadas.
Técnicas e instrumentos para la evaluación de la adquisición de competencias, en
su caso:
Las placas de electrónica básica desarrolladas en este proyecto servirán como medio de
aprendizaje, pero también como un apartado más en la evaluación de las prácticas de
asignaturas de electrónica básica, pues los alumnos deberán medir sistemas sin conocer
a priori su esquema eléctrico, por lo que deberán usar los instrumentos de medida de los
laboratorios de electrónica para caracterizar estos sistemas sin poder analizarlos
teóricamente con anterioridad.
Descripción de la mejora que supone el proyecto para la mejora del aprendizaje de
los estudiantes:
La utilización de placas de entrenamiento permite una mayor optimización del escaso
tiempo de laboratorio con el que cuentan los alumnos de los primeros cursos. Los
alumnos pueden aprender a medir y caracterizar sistemas electrónicos sobre estas
placas, sin conocer de antemano el resultado que deben obtener. Por tanto, cabe esperar
que adquieran una mayor soltura y habilidad con el manejo de la instrumentación básica
de electrónica (fuentes de alimentación, generadores de onda y osciloscopios). Además,
al trabajar con placas de circuito impreso desde el principio conocen la tecnología real
en la que se desarrollan los sistemas electrónicos y con la que, muchos de ellos,
trabajarán en su etapa laboral.
Por otro lado, la habilitación de puestos para trabajar con nuevas placas y herramientas
de RF va a permitir al profesorado de estas asignaturas la propuesta de nuevas prácticas
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Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM de 2.4GHz
e, incluso, proyectos fin de carrera, en los que los alumnos podrán trabajar con
herramientas actuales y desarrollar prácticas o aplicaciones completas empleando
circuitos integrados de radiocomunicaciones totalmente novedosos.
Medidas para la evaluación (interna y externa) del proyecto y muy especialmente,
de los resultados del proyecto:
Para garantizar la correcta realización del proyecto se tomarán las siguientes medidas:
• Seguimiento mensual de las tareas realizadas y comprobación del cronograma
• Reuniones mensuales del equipo del proyecto para coordinar tareas
Para la evaluación de la difusión de las herramientas generadas por el proyecto se podrá
atender a los siguientes indicadores objetivos:
•
•
•
Número de visitas a la web y de descargas de documentación
Número de nuevas prácticas realmente implementadas basadas en las placas y
recursos generados en este proyecto
Número de proyectos fin de carrera que han usado las herramientas aportadas
por este proyecto
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Diseño, implementación y caracterización de un radioenlace en la banda ISM de 2.4GHz
CARTA DE CONCESIÓN
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