Distanța de citire in funcție de frecventă [309237]

CAPITOLUL 1 INTRODUCERE

Sistemele de securitate pentru acces controlat au aparut în urma dorinței de a limita accesul pentru persoanele neautorizate în diferite locații. [anonimizat] o tastatură sau cu ajutorul sistemelor bazate pe recunoasterea amprentei.

[anonimizat], sau codul unic (PIN) [anonimizat]. [anonimizat]. [anonimizat], dar nu și vizitatorii.

Sistemele bazate pe tehnologia RFID pot fi utilizate pentru persoanele cu handicap. Cartela poate fi montată pe un scaun cu rotile iar cititorul poziționat astfel încat persoana respectivă să aibe acces.

Distanța la care trebuie scanată eticheta depinde de frecvență. Sistemele RFID pot fi de trei tipuri: [anonimizat]. În cazul persoanelor cu handicap este recomandat sistemul cu o [anonimizat] 5 metri. Distanța de citire la diferite frecvențe poate fi vazută în tabelul de mai jos.

Distanța de citire in funcție de frecventă

Tehnologia RFID este folosită în sistemele de securitate pentru a vedea cine a avut acces ultima data într-o [anonimizat] o cartelă cu coduri unice diferite înregistrate în memorie.

[anonimizat], astfel în imobilul respectiv pot intra doar persoanele autorizate.

Sistem de securitate cu cartela de proximitate(RFID)

[anonimizat]. Acest numar este compus în mare parte din 4 elemente. Pentru o [anonimizat].

Capitolul 2 Microcontroller

Un microcontroller este un microcircuit care cuprinde o unitate centrală și o memorie împreună cu mai multe resurse care sa ii permită interactiunea cu mediul exterior. Un microcontroller trebuie sa includă urmatoarele componente:

1. o unitate central cu un oscillator

2. o memorie volatilă și una nevolatilă

3. un sistem de întreruperi

4. intrări/ieșiri numerice

5. port serial

6. timer

7. [anonimizat]

8. [anonimizat]

9. Comparator analogic

10. Watch dog

Schema bloc a unui microcontroller

2.1 Arhitectura unui microcontroller

Arhitectura unei unități central de calcul (CPU) este unul dintre elementele cele mai importante în vederea analizei oricărui sistem de calcul. Conceptele care trebuie luate in considerare sunt urmatoarele:

Arhitecturi de tip “von Neuman”

Majoritatea microcontrolerelor sunt realizate pe baza acestei arhitecturi.

[anonimizat] o unitate central (CPU), fiind caracterizată de existența unui singur spațiu de memorie folosit cu scopul de memorare a codului intrucțiunilor dar și a datelor ce fac obiectul prelucrarii.

Exista o singură o singură magistrală internă (bus), folosită pentru preluarea instrucțiunilor (fetch opcod) și a datelor. [anonimizat].

Arhitecturi de tip “Harvard”

În cadrul acestei arhitecturi, spațile de memorie sunt separate pentru program și pentru date, din această cauză magistralele sunt diferite (de adrese și date) pentru codul instrucțiunilor și respectiv pentru date, existând posibilitatea suprapunerii celor doua operații menționate anterior.

Este arhitectura standard pentru procesoarele numerice de semnal (DSP). Fiind o arhitectură destul de costisitoare, se intalnește de cele mai multe ori fiind modificată, cu spații de memorie separate pentru program și date, dar cu magistrale comune pentru adrese și date.

Arhitecturi “RISC”

RISC (Reduced Instruction Set Computer) este un concept utilizat cu success în realizarea de CPU, metoda adoptată și pentru realizarea microcontrolerelor. Datorită unui set redus de instrucțiuni, care se realizează rapid și eficient, se obține o reducere a complexitătii microcircuitului, suprafața utilizată fiind redusă, astfel suprafata ramasă se poate folosi în alte scopuri.

Caracteristicile principale associate unui CPU RISC sunt:

Arhitectura Harvard modificată sau von Neumann

Viteza sporită de execuție prin implementarea unui pipeline pentru instrucțiuni

Orice instrucțiune operează cu orice spatiu de adrese sau registru

CISC

Majoritatea microcontroalerelor au la baza realizarii CPU conceptual CISC ( Complex Instruction Set Computer), aceasta însemnând un set uzual de aproximativ 80 de instrucțiuni, multe fiind foarte puternice și specializate. Avantajul fiind utilizarea unei singure instrucțiuni complexe în locul mai multor instrucțiuni simple.

2.2 Memoria unui microcontroller

Pe langă memoria locală de tip RAM, de dimensiuni relative reduse, mai există o serie de aspecte specifice, în mare parte fiind legate de implementarea fizică a memoriei de program cu ajutorul unor memorii nevolatile. Memoria clasică implementată este de tip ROM: EPROM pentru productie și dezvoltare pe scară mică, iar mask-ROM fiind pentru producția în masă. Principalele concept noi apărute de-a lungul timpului în legatură cu implementarea memoriei de program sau date sunt:

OTP (One Time Programable)

O mare parte a producătorilor oferă memoria locală al microprocesorului fiind de tip OTP. Aceasta este identică cu memoria EPROM, dar fară fereastra de cuart pentru stergere, care pot fi utilizate pentru o producție limitată, până în momentul testării, după care se poate folosi ROM pentru o producție in masă.

FLASH EPROM

O soluție mai bună decat EPROM, cand este necesar un volum mai mare de memorie program.

EEPROM

Foarte multe microcontrolere folosesc o memorie de acest tip, este o memorie relative lentă (la scriere) dar cu un numar de cicluri stergere/scriere mai mare ca FLASH-ul.

NOVRAM (RAM nevolatil)

Este realizat printr-o alimentare locala (ex: baterie, acumulator) a unui masiv RAM CMOS atunci când avem nevoie de un volum mare de memorie program și date nevolative. Acest tip, este cel mai rapid și nu există limită ca numar de cicluri.

Bootloader

Majoritatea microcontroalerelor recente cu memoria de program de tip FLASH, au si facilitatea de a putea scrie în memoria de program fără a utiliza un circuit de programare extern, astfel în microcontroller poate exista permanent un cod de mici dimensiuni care se va încărca prin intermediul portului serial.

Memoria externă de program sau date

O mare parte a famililor de microcontroalere, permit și utilizarea de memorie externă de program (ROM) sau date (RAM), presupnând existența unor magistrale externe de adrese și date.

2.3 Dispozitive I/O

Există o varietate mare de dispozitive I/O.

Aceste dispositive conduc operații generale de comunicație, funcții generale de timp (numarare de evenimente,generare impulsuri), funcții de protecție, operații de conversie analog/numerică,funcții speciale de comandă etc.

Dispozitivele I/O sunt văzute de unitatea centrală ca fiind porturi, apelate de către unitatea centrală prin semnale de selecție construite din decodificarea magistralelor de adrese și control. Unitatea centrală poate opera scrieri sau citiri cu porturile ca și cu memoria.

2.3.1 Module de comunicații seriale

1. SCI (serial Communication Interface) este un subsistem intrare-ieșire serial, independent, de tip UART asincron. SCI se poate folosii pentru comnicații între microcontroller și un terminal, un alt microcontroller sau un PC.

2. SPI (Serial Peripherial Interface) este un modul serial folosit pentru comnuicarea asincron la distanțe mici și cu viteze de pana la 4 Mbps. Acest modul este folosit pentru a comunica cu perifericele, cum ar fi un sistem de afisare LCD sau un sistem de conversie digital-analog.

SPI se poate folosi și pentru a se extinde numărul de intrări/ieșiri unde avem nevoie, și unde numărul de pini ai microcontrolerului este limitat.

3. SCI+, este asemănător cu SCI, dar are în plus și un support pentru comunicații seriale sincrone. Acesta mai dispune de o ieșire de ceas, ieșire folosită pentru transferarea datelor în mod sincron cu periferice de tip SPI

4. SIOP (Simple I/O Port) este implementarea mai simplă a SPI.

5. I2C (Inter-Integrated Circuit) o magistrală serială bidirecțională sincronă, care pune la dispoziție un mod eficient și simplu de a transfera datele la 100 Kbps.

2.3.2 Module Timer

Sistemul timer (circuit de timp), se folosește cu scopul de a măsura timpul și pentru a genera semnale cu perioade de frecvențe dorite. În acest modul sunt câteva mecanisme care pun la dispoziția utilizatorului și funcții specifice. Mecanismul de comparare la ieșiri, permite controlul semnalelor de ieșire. Timerul poate fi folosit pentru orice funcție de timp, chiar și pentru generarea unor forme de undă sau conversii digital-analog simple.

Mecanismul OC (Output Compare – Comparare la ieșire) se folosește cu scopul de a determina o schimbare la ieșire la un moment de timp pe care îl dorim. Se folosește pentru a genera spre exterior referințe de timp.

Mecanismul IC (Input Capture – Captura la intrare ) Este folosit pentru a se determina momentul apariției unui eveniment sau de a se măsura perioada sau durata unui semnal de intrare.

Mecanismul PWM ( Pulse Width Modulation – modularea impulsurilor în lațime) folosit la generarea semnalelor pentru a comanda motoare, a convertoarelor analog-digital simple și a comutatoarelor de putere.

Exemplu modulator PWM

Mecanismul RTC (Real-Time Clock) Similar cu RTI, dar se foloseste cu scopul de a implementa un ceas de timp real.

Mecanismul RTI (Real-Time Interrupt) este folosit în generarea automată de întreruperi periodice, funcție utilă în realizarea operaților I/O de tip polling, diagnoza sau întreținere.

Module A/D si module D/A

2.3.3.1 Convertor analog-digital

Un convertor analog-digital, este un circuit electronic care converteste o tensiune analogică de la intrare într-o valoare digitală. Aceasta poate fi reprezentată în mai multe feluri în funcție de codificarea datelor: binary, cod graz sau cod complement al lui doi.

Reprezentarea unui semnal analogic

O caracteristică importantă a unui convertor analog-digital o constituie rezoluția acestuia. Rezoluția indică numărul de valori discrete pe care convertorul poate sa le furnizeze la iesirea sa în intervalul de masură.Deoarece rezultatele conversiei sunt de obicei stocate intern sub formă binară, rezoluția unui convertor analog-digital este exprimată în biți.

Acelasi semnal analogic esantionat la rezolutii diferite.

De exemplu, daca rezolutia unui convertor este de 10 biți atunci el poate furniza 210 = 1024 valori diferite la iesire. Dacă gama de măsurare este de -0.5 V, rezoluția de măsurare va fi : (5V-0V)/1024 = 0,005V = 5mV

2.3.3.2 Convertor digital-analog

Convertorul digital-analog este de asemenea un modul implementat pe chip. Acesta preia de la unitatea central o serie de valori binare si produce semnalul analogic corespunzator. De obicei această functie se realizează cu ajutorul modulului PWM (mai este necesară o filtrare externă). O aplicație tipică este comanda volumului la un apparat TV.

Schema bloc simplificată al unui convertor analog digital

Familii de microcontrolere representative

8048 (Intel MCS-48)

Unul dintre cele mai vechi tipuri de microcontrolere pe 8 biti, care mai este încă folosit. Unele din caracteristicile sale arhitecturale se regasesc la urmatoarea generație (MCS-51,8051).

8051 (Intel MCS-51,Atmel, Philips, Infineon, Atmel, Dallas Maxim, Cygnal,etc)

A 2-a generație de microcontrolere de 8 biti. Arhitectura are spatii de memorie separate pentru program si date. Poate adresa 64 Kbytes memorie de program, dintre care primii 4 (8..32)Kbytes locali (ROM). Are 158 (256) octeti de RAM local, plus un numar de register special pentru lucrul cu periferia locala.

80C196 (Intel MCS-96)

Este un microcontroller pe 16 biti care face parte din generația a treia de microcontrolere a firmei Intel.Are o arhitectură Von Neumann, cu un spațiu de adresare de 64 KBytes, o unitate de intrări/ieșiri numerice de mare viteză, iesiri PWM, convertor analog numeric, timer watchdog.

80C168,80C188 (Intel, AMD…)

Microcontrolere derivate din 8086/88 prin includerea pe acelasi microcircuit a 2-a canale DMA, două numărătoare/timere, un system de întreruperi și un controller pentru DRAM.

68HC05 (Motorola)

Un microcontroller de 8 biți derivate din microprocesorul M6800 și care prezintă multe asemănări cu un alt microprocessor răspândit la timpul său, 6502.Deține un spațiu de memorie unic (64 Kbytes) în care sunt plasate registrele perifericelor (I/O, timere) cu un indicator de stivă (SP) hard pe 5 biți (stivă de maxim 32 octeti). Există variante cu memorie EEPROM, CAN, port serial, etc.

68HC11, 68HC12, 68HC16 (Feescale)

68HC11 a fost unul dintre cele mai puternice microcontrolere pe 8 biti, foarte răspândit. Deține un spațiu de adrese unic de 64K. Prezintă ca particularitate existența unui program de încărcare resident (bootstrap loader în ROM intern) cu care, la reset, un segment din memoria RAM externă poate fi încărcat cu un cod program prin intermediul portului serial.

683xxx (Freescale)

Microcontroler pe 32 de biti, construit in jurul unui CPU analog microprocesorului M68020 (CPU32), denumite și “procesoare integrate”.

PIC (Microchip)

Este o familie de microcontrolere care, în ultimii ani a cunoscut o dezvoltare explozivă. Sunt disponibile în momentul de fată sub forma a 6 serii: PIC10, PIC12, PIC14, PIC16, PIC17 si PIC18.

Primele microcontrolere de 8 biti cu arhitectura RISC: PIC16C5x avea un set de doar 33 instructiuni (Intel 8048 AVEA 90). Arhitectura de tip Harvard și, ca o particularitate, dimensiunea cuvantului pentru program este de 12, 14, sau 16 biti, cuvântul de date fiind tot de 8 biți.

AVR (Atmel)

Un concurent puternic al seriei PIC este familia AVR, a firmei ATMEL, familie apărută în ultimii ani, care oferă variante de microcontrolere oarecum asemanatoare. Sunt bazate pe o arhitectură diferită, dar unitatea centrală este de tip RISC, cu cuvantul de date de 16 biti.Există cel putin 3 sub familii mari, în ordinea complexitătii resurselor, acestea fiind: AT Tiny, AT90 si ATMega.

COP4(00) si COP8(00)

COP4 este un microcontroller pe 4 biti, care a ocupat un loc relativ important pe segmentul pieței. Printre caracteristici enumerăm: până la 2K ROM local, 32×4 până la 160×4 RAM local, Microwire, numărătoare/timere, tensiune de alimentare între 2.3V până la 6V, număr mic de pini.

COP8 reprezintă o serie de microcontrolere pe 8 biți, versatile, cu preț scăzut, disponibila în multe variante. Arhitectura este similară lui 8051, dar setul de instrucțiuni este similar lui Z80.

Z8(Zilog)

Un derivat al microprocesorului Z80, reprezintă un compozit al mai multor arhitecturi diferite. Nu este comparabil cu setul de instrucțiuni și nici cu perifericele standard Z80. Are timere, DMA, sistem de întreruperi cu pana la 37 de surse.

Z180(Zilog), Rabbit ( Rabit Semiconductors)

Z180-ul firmei Zilog are un CPU similar cu Z80 dar îmbunătățit, cu resurse locale cum ar fi: managementul de memorie, USART, doua canale DMA, timere, sistem de întreruperi, eventual PIO.

TMS370 (Texas Instruments)

Microcontrolerul standard pe 8 biți al firmei TI realizat în multe variante, prezintă unele asemănari cu 8051.

80386EX(Intel)

Un 80386 destinat aplicaților de tip controller. Resurse locale: I/O seriale, timere/numărătoare, DMA, optimizarea consumului, controller de întreruperi, controller pentru RAM dinamic. Acest tip de microcontroller nu are memorie locală.

Cel mai mare avantaj al acestui microcontroller este că se poate utiliza ca platformă de dezvoltare pentru un sistem de tip IBM PC împreună cu tot mediul de programare afferent.

SC 3/4/5xx, Elan (AMD)

O serie de microcontrolere deosebit de performante realizate în jurul unei unități centrale de tip 386/486. Permit practic, doar prin adăugarea de memorie externă, obținerea unui sistem de calcul compatibil PC, destinat unor aplicașii de control încapsulate-integrate.

80C16x (Infineon, ex Siemens)

Unul din microcontrolerele de 16 biți foarte utilizat in Europa. Arhitectura deosebit de performantă a CPU, de tip RISC, are diverse variante cu resurse complexe: 80C165, 80C166, 80C167, etc.

MSP430 (Texas Instruments)

Firma TI oferă și o familie de microcontrolere de 16 biși cu arhitectură RISC, cu posibilitatea controlului compromisului viteză de calcul/consum propriu, destinată aplicaților portabile(și nu numai), denumita MSP 430. Spațiu de adresare de 64KBztes, are diverse variante de realizare a memoriei interne de program(OTP,FLASH), resurse diverse(printer care și o interfată cu afisare LCD).

ATMega 328P

Este un microcontroller de tip RISC, care are urmatoarele caracteristici: 32Kbytes memorie IPS flash, memorie cu o capacitate de a citi în timp ce scrie, 1KB memorie EEPROM, 2KB SRAM, 23 intrări/ieșiri, trei cronometre/contoare flexibile, programator tip USART, spi port serial, 6 canale10-bit convertor D/D, watchdog timer programabil cu oscillator intern. Microcontrolerul functioneaza alimentat la o sursă de current de 1,8-5,5V.

Schema bloc ATMega 328p

Configurație pin ATMega328p

Capitolul 3 Sisteme de comunicație

Dezvoltarea tehnologică în domeniul electronicii digitale a dus printre altele, la dezvoltarea unor tehnici avansate de comunicații, bazate pe semnale digitale. În figura de mai jos este prezentată schema bloc a unui sistem tipic de comunicații digitale.

Schema bloc generală a unui sistem de comunicații digitale

Semnalul mesaj poate fi preluat fie de la o sursa analogică sau de la una digitala (calculator). Convertorul A/D eșantionează si cuantizează semnalul analogic transformându-l in formă digitala (biți 1 sau 0). Codorul sursei realizează o prima operație de codare și are rolul aducerii rezultatului conversiei A/D într-o formă mai scurtă. Se obține astfel un semnal cu redundanță mai scazută, dar și o viteză de transmisie. Codorul de canal îl readuce într-o formă mai lungă, adăugându-i intenționat o informație redundantă pentru a putea realiza corecția erorilor cauzate de zgomotele și interferențele aferente canalului de transmisie.

Datorită faptului că transmisia se face la frecvențe înalte, rolul modulatorului este acela de a transfera banda de bază a semnalului util, în banda canalului de transmisie. Uneori transmisia se face în banda de bază, modulatorul numindu-se modulator de bandă de bază sau formator, acesta transformând semnalul digital într-o formă acceptabilă transmisiei.

Amplificatorul de putere, urmează întotdeauna modulatorul, și are rolul de a obține semnal util la distanțe mari.

Transmisia la înaltă frecvență necesită modularea și demodularea pe o frecvență intermediară IF. Această variantă necesită un bloc modulator suplimentar inserat între modulator și amplificatorul de putere. Dacă frecvența intermediară IF este prea aproape de cea purtătoare, sunt necesare mai multe etaje de modulare. Pentru sisteme fără fir (sisteme wireless), sarcina amplificatorului de putere este antena de emisie. Mediul de transmisie este numit uzual canal de transmisie. Aici se adaugă zgomote, atenuări și apare fenomenul de fading (semnalul ajunge pe două căi cu întârzieri diferite). Zgomotele pot fi de orice tip și se pot datora unor cauze externe sau chiar sistemului.

Receptorul realizează procesarea inversă a semnalului fată de emițător. Astfel semnalul slab recepționat de antena de recepție, este amplificat (cu un amplificator de zgomot redus LNA), convertit într-o frecvență intermediară și dacă este necesar este demodulat. Urmează apoi înlăturarea redundanței și refacerea semnalului original înainte de a fi trimis către utilizator (analogic sau digital). Schemele reale ale unui sistem de comunicație pot fi mult mai complicate. Ele pot conține multiplexoare, codoare, etc., sau pot fi mult mai simple. În general singurele blocuri esențiale sunt modulatorul, canalul, demodulatorul și amplificatoarele. Pentru analiza performanțelor și descrierea tehnicilor de modulare și demodulare, se utilizează un model simplificat al sistemului de comunicație

Model simplificat al sistemului de comunicație

Medii de comunicare fără fir

Rețeaua fără fir (sau wireless) este rețeaua care nu utilizează cabluri între dispozitive.

Tipuri de retele făra fir:

-infrarosu: această tehnologie operează cu dispozitive cum ar fi calculatoare, PDA-uri si telecomenzi. Ea este utilizată pentru conectarea unor echipamente care nu se deplasează în timp ce se realizează transferul de date, operând în spectrul invizibil, situat după rosu din spectrul vizibil. Ca și lumina, acesta poate străpunge obiectele opace și are o rază de acoperire mult mai mică. O metodă pentru comunicația în infraroșu este specificată de IrDA (Infrared Data Association), folosită pe distanțe scurte, cu consum redus de energie, această tehnologie presupune existența unui câmp vizual fără obstacole între dispozitivele care realizează comunicarea. Sistemele care folosesc infraroșu lucrează cu lungimi de undă între 850 și 950 nm. Aceste sisteme se utilizează în interiorul clădirilor și operează cu transmisiune nedirecțională

– bluetooth (PAN) – este o rețea fără fir personală, care creează o cale prin care se poate face schimb de informații între telefoane mobile, laptop-uri, calculatoare personale, imprimante, camere digitale și console sigure, printr-o frecvență radio de rază mică. Dispozitivele bluetooth comunică între ele când se află în aceeași rază de acțiune. Sunt ușor de fabricat și întregul proces consumă foarte puțină energie.

– Wi-Fi (LAN) – wirelessless Fidelity – rețele care folosesc unde electromagnetice din domeniul radio. Este cel mai răspândit tip de retea, deoarece undele radio trec prin pereți și alte obiecte solide. Este o tehnologie construită pe baza standardelor de comunicație din familia IEEE 802.11 utilizate pentru rețele locale de comunicație fără fir la viteze echivalente cu cele ale rețelelor Ethernet. Raza de acoperire a unei rețele fără fir poate fi limitată la nivelul unei camere sau poate fi mai mare.

Transmisie radio

În realizarea unei transmisii radio (radiocumunicație) intervin două tipuri de echipamente. Primul este echipamentul de emisie, care are rolul de a emite imformația utilă. Sunetul (unda mecanica) produs prin vorbire sau altă sursă este transformat în semnal electric cu ajutorul unui microfon, semnalul fiind foarte slab este amplificat cu un amplificator, iar apoi semnalul este direcționat către un modulator. Aici este suprapus peste o undă radio purtătoare provenită de la un oscilator local. Din acest etaj, semnalul este injectat în etajul de radiofrecvențe și apoi direct în antenă. După ce semnalul a fost astfel transformat în radiație electromagnetică, intervine al doilea tip de echipament, și anume echipamentul de recepție unde semnalul captat de antena receptorului, este demodulat, și apoi transmis unui amplificator de joasă frecvență. Emițătorul este ultimul element care mai intervine în finalizarea transmisiunii.

Modularea reprezintă modelarea undelor radio de către semnalul sonor sau imagine. Prin urmare undele radio poartă semnalele sonore si imaginile. După tipul de modulație al undei electromagnetice, întâlnim două tipuri de modulație. Această frecvență modulatoare este asigurată de oscilatorul local al echipamentului din care face parte. Întâlnim modulația în amplitudine AM și modulația în frecvență FM. Descarcarile electrice și zgomotul diminuează amplitudinea semnalelor însă nu le modifică frecvența. Ca urmare undele FM au lațimea de bandă mai mare decât cele AM.

Undele radio se întind pe o bandă largă de frecvențe. De exemplu, undele radio FM obijnuite sunt emise între 88-108 MHz(CCIR) fiind “banda de vest” și „banda de est” intre 65-74 MHz (OIRT).

VHF sunt unde FM cu frecvența între 30-300MHz și merg doar în linie dreaptă, de aceea se folosesc numai pe distanțe mici.

Principii ale comunicațiilor prin unde radio

Transmiterea informațiilorprin unde electromagnetice prezintă urmatoarele avantaje:

Informația se transmite fără a avea nevoie de un canal fizic, fiind economică.

Posibilitatea de a transmite informația simultan la mai mulți utilizatori; transmiterea informatiei simultan la un număr mare de receptoare

Posibilitatea transmiterii simultane a mai multor informatii

Raza de actiune este foarte mare, între puncte fixe sau mobile

Transmiterea și recepția la distanță a unor sunete, date, sau imagini cu ajutorul undelor electromagnetice reprezinta legăturile radio sau radiocomunicațiile în general.

Sistemul de radiocomunicație este alcătuit dintr-un emițător și unul sau mai multe receptoare, în compunerea carora se află urmatoarele blocuri funcționale principale:

Dispozitiv de intrare

Instalația de emisie

Antena de emisie

Antena de recepție

Instalația de receptie

Dispozitiv de ieșire

Emițătorul asigură captarea informațiilor de natură auditivă sau / și vizuală pe care le transformă în semnale electrice prin intermediul dispozitivului de intrare. În instalația de emisie se realizează codificarea informației, suprapunerea acesteia pe semnalul purtător prin procesul de modulare și se asigură prin amplificare energia necesară propagării semnalelor prin unde electromagnetice care sunt radiate de antena de emisie.

Receptorul captează undele electromagnetice cu ajutorul antenei de recepție, selectează semnalele electrice din canalulce conșine informațiile utile, le amplifică și le decodifică, apoi prin demodulare extrage semnalul de informație pe care îl convertește în semnal sonor sau vizual, cu ajutorul dispozitivului de ieșire.

Schema unei legaturi de radiodifuziune

După sensul in care se efectuează comunicațiile, acestea pot fi:

Direcționale

Omnidirecționale

Radiocomunicațiile direcționale sunt legaturi în care transmisia undelor electromagnetice între punctul emisie și cel de recepție se realizează pe direcții bine determinate, folosind antene directive și stații intermediare de recepție și emisie denumite statii de retranslație sau relee.

Schema unei radiocomunicații direcționale

Fig. 1 și 4 – Stații terminale; 2 și 3 – stațiiintermediare

Radiocomunicațiile omnidirecționale sunt legăturile utilizate în transmisiile de radiotransmisiune, situatie în care de la punctul de emisie undele electromagnetice sunt radiate cu aceași intensitate în toate direcțiile. În acest caz sunt utilizate antene omnidirecționale, iar în funcție de distanța și domeniul ce trebuie acoperit în cadrul transmisiei pot fi utilizate și stații de retranslație.

Sistemul de comunicații cuprinde ansamblul mijloacelor tehnice al instalațiilor de emisie și recepție pentru realizarea legăturilor între sursă si destinație.

În cazul transmisiilor analogice mărimea fizică corespunzătoare informației , modifică parametrii semnalului purtător (amplitudine, frecvență, fază) proporțional cu legea de variație a semnalului de informație. Spre deosebire de acestea, comunicațiile digitale transmit informația dupa ce aceasta a fost convertită in semnal digital

(numeric) care la apoi asigură modularea (codificarea) unei purtătoare de radiofrecvență.

În sistemele de radiocomunicații sunt necesare blocuri funcționale care să asigure la emisie, prelucrarea informațiilor de la sursa de informație, transformarea acestora în unde electromagnetice și emiterea lor în spațiu, iar la recepție refacerea informației inițiale. În acest scop sistemele de radiocomunicații contin:

Antene de emisie și recepție

Oscilatoare pentru generarea frecvențelor de lucru

Modulatoare pentru introducerea semnalului de informație pe semnalul purtător

Filtre pentru introducerea sau extragerea numai a anumitor componente a semnlului de informare

Demodulatoare pentru extragerea informației din semnalul purtător

Blocuri de multiplexare atunci cand se urmăreste introducerea a mai

multor semnale de intrare pe acelasi semnal purtător

Amplificatoare pentru mărirea puterii semnalelor

Circuite de conversie analog-digitale și digital-analogice în cazul transmisiilor digitale.

Instalația de emisie asigură transmiterea semnalului de informație, preluat de la sursa de informație, prin intermediul undelor electomagnetice transmise de antena de emisie, Conține urmatoarele bloduri funcționale:

Bloc de conversie a informației unde transformă informația in semnale electrice prin intermediul unui traductor (de sunet, imagine, etc.) și adaptează semnalele electrice la valoarea impusă de blocul de codare.

Codor (bloc de codare), acest bloc, care se utilizează numai la transmisiile codificate (sunte,imagini, date, etc.), transformă, pe baza unui algoritm de corespondență, semnalele electrice de informație în alte semnale electrice analogice sau în semnale digitale.

Modulatorul, asigură suprapunerea informației din domeniul audio sau video pe oscilația de radiofrecvență

Generatorul de RF, asigura generarea si amplificarea oscilațiilor de radiofrecvență (frecvența purtătoare) la un nivel suficient pentru transferul lor în antenă.

Antena de emisie, transformă curenții de radiofrecvență în unde electromagnetice

Schema bloc a unui sistem de radiocomunicatii

Canalul de transmisie asigură propagarea undelor electromagnetice care conțin informația de la sursa la destinatar. În cazul radiocomunicatiilor canalul de transmisie îl constituie atmosfera terestră. Pe acest canal alaturi de semnalul util se suprapun parazite (perturbații de natură electromagnetică, zgomote)

Instalația de recepție

Extrage din canalul de transmisie semnalul de recepție dorit și asigură reconstitiurea acestuia. Conține următoarele blocuri funcționale:

Antena de recepție – captează undele radio și le transformă în curenți de radiofrecvență

Circuit de intrare – asigură alegerea semnalelor corespunzătoare postului căutat

Amplificator selectiv – amplifică semnalul de radiofrecvență (RF) care conține semnalul util

Detector (demodulator) – extrage semnalul util (sunet, imagine sau date) din semnalul de radiofrecvență

Decodor – decodifică semnalul, în cazul în care acesta a fost codificat la transmisie, folosind procedura de reconstituire a informației

Amplificatorul – măreste semnalele electrice purtătoare de informații pentru a putea fi prelucrate de catre dispozitivele finale de conversie

Bloc de conversie – transformă semnalele electrice în informații finale prin intermediul unui traductor (difuzor, casti, tub catodic, etc.)

Unda electromagnetică se caracterizează prin componentele de câmp, inseparabile și perpendiculare între ele: câmpul electric –E- , și câmpul magnetic –H-. Unda electromagnetică se propagă după o direcție perpendiculară pe planul determinat de coponentele de câmp magnetic și câmp electric și este caracterizată prin lungime de undă (ʎ), perioada de repetiție (T) si frecvența ().

CAPITOLUL 4 CODIFICAREA ȘI DECODIFICAREA

4.1.CODIFICATOARE

Forma redusă, sau cea minimă, a funcției unui circuit combinațional este fie o sumă de produse, fie un produs de sume. Aceste forme pot fi implementate pe organizări cu două niveluri de NAD-OR (NAND-NAND) sau OR-AND (NOR-NOR). În consecință, este normal ca pentru implementarea unei funcții reduse, sau minime, să se apeleze la acele structuri, pe două nivele, deja realizate. Pentru toate circuitele combinaționale prezentate în continuare se va urmări măsura în care acestea pot fi un suport pentru implementarea de funcții logice pe două niveluri.

Funcția de codificare constă într-o translatare de limbaj. Particularizând această foarte generală definiție, o codificare în binar constă într-o aplicație de pe o mulțime cu n elemente disjuncte într-o mulțime de cuvinte binare cu o lungime de m biți; m = [log2n] biți, 2m≥n (simbolul [ ] denotă cel mai mic număr întreg egal sau mai mare decât numărul din interiorul simbolului). Deci, circuit codificator, CD, este caracterizat de n intrări și m ieșiri, notat simbolic CD n:m. Aplicația realizată de circuitul codificator este injectivă, adică fiecărei intrări active, din cele n, îi corespunde doar un singur cuvânt de ieșire cu lungimea de m biți.

Un exemplu îl constituie codificatorul zecimal-binar la a cărui intrare se aplică datele în sistem zecimal (m=10), iar la ieșire apar datele codificate în binar (n=4) conform tabelului următor.

Numărul de cuvinte generate la ieșirea codificatorului este egal cu număru intrărilor sau liniilor de cuvant Wm de la intrare. În cazul exemplului de mai sus m=10, prin Wm se notează linia de cuvânt activată (activ in 1); de exempli W2 corespunde activarii liniei (cuvântului de intrare) când variabilei x2 i se da valoare 1, la fel W3 când x3=1 etc. din tabelul de adevar se vede că la cele 4 ieșiri se obtin funcțiile y0, y1,y2,y3 care exprima codul binar determinat de relațiile logice:

Cea ce indica fatul că circuitul codificator poate fi realizat cu porți SAU.

În cazul general de codificare a n elemente, prin activarea în 1 logic, pe cuvinte binare cu lungimea de m biți circuitul codificator consta in m porti OR cu maximum n intrări, iar când intrările Wi sunt active în 0 logic codificatorul este structurat din m porti NAND cu maxim n intrări.

4.2 Decodificatoare

Funcția de decodificare este o aplicație de pe multimea de 2n cuvinte binare într-o multime de 2n elemente diferite, prin decodificarea fiecărui cuvânt binar cu lungimea de n biți i se desemnează un element distinct. Deci, funcția de decodificare apare ca aplicatia inversă celei de codificare (ce asignează unui element dintr-o multime de 2n elemente distincte un cuvânt de cod). Circuitul care modelează funcția de decodificare este notat cu DCD n:2n deoarece prezintă n intrări (un cuvânt de intrare cu lungimea de n biți) si 2n iesiri(distincte).

Functia circuitului decodificator BCN/ zecimal este de a transforma semnalele de intrare ale codului BCD în semnale exprimate în cod zecimal(1 din 10). Semnalele de intrare exprimate în cod BCD de 4 biți reprezintă numere de la 0 la 9. Prin urmare, la ieșire trebuie sa existe 10 semnale, fiecare reacționând la una dintre cele 10 combinații posibile aplicate la intrare. Fiecare iesire poate sa treacă în 1 când își recunoaște combinația prevăzută la intrare, caz în care se presupune ca decodorul are ieșiri active pe 1. La alte circuite semnalizarea combinației recunoscute se poate face prin zero si în acest caz se poate spune că decodificatorul are iesirile active pe 0.

Structura internă a unui DCD este:

4.2.1 Decodificatorul cu ieșiri active pe 0

Simbolul logic al acestui decodor este prezentat in figura de mai jos, iar funcția indeplinita de acesta in tabelul alaturat.

Relațiile logice între intrări si ieșiri rezulta din tabelul de adevar:

Pentru implementarea functie cu DCD cu iesirile active pe 0 se aplica ecuațiile lui de Morgan:

4.2.2 Decodificatorul cu ieșiri active pe 1

Simbolul logic al acestui decodor este prezentat în figura de mai jos, iar funcția îndeplinită de acesta în tabelul de mai jos:

Relațiile logice între intrări și ieșiri rezultă din tabelul de adevăr:

Se observă că la fiecare ieșire rezultă unul din primii 10 termeni P ai funcției având variabilele A,B,C,D, adica:

yi = Pi,i=0,…,9

4.3 DEMULTIPLEXOR (DMUX)

În multe aplicații este util ca funcționarea circuitului DCD să poată fi permisă sau inhibată printr-o intrare suplimentară Enable- intrare de validare. Funcția de validare se poate obtine introducând câte o intrare suplimentară la portile DCD. Structura internă a unui DMUX este cea de mai jos.

Demultiplexorul permite transmiterea datelor de pe o cale de intrare, pe una dintre căile de ieșire; selectarea unei anumite căi de iesire se face prin aplicarea codului corespunzător la intrările A,B care în acest caz devin intrări de adresa sau selecție. Tabela de adevăr corespunzătoare circuitului este:

4.4 MULTIPLEXORUL (MUX)

Multiplexorul este un CLC care permite transmiterea datelor de la una din cele m căi de intrare la o cale unică de ieșire. Selectarea căii de intrare se face prin intermediul unui cuvânt binar de selectie cu n biți. Între m și n există relația m=2n.

Simbolul circuitului este:

Iar funcția logica a acestuia este:

Prin configurațiile binare Sn-1…S0 este selectată la ieșire valoarea de pe una din ontrările Ij. În cazul particular n=3 circuitul este cel mai jos, descris de functia:

Prezentarea structurii interne:

Intrarea suplimentară E, permite activarea (E=0) sai inactivarea (E=1) comandată a circuitului. Inversoarele de pe intrările de selecție și de pe intrările de validare a funcționării (E) au fost introduse pentru a nu crește fan-out-ul circuitelor ce comandă aceste intrări.

Fan-out-ul unui circuit reprezintă numărul maxim de circuite, realizate în tehnologie identică, pe care un astfel de circuit le comandă fără ca semnalul la ieșire să se alterneze astfel încât să-și piardă semnificația.

Fan-in-ul unui circuit reprezintă numărul de intrări pe aceasta il posedă.

4.5 EXTINDEREA CAPACITĂȚII DE MULTIPLEXARE ȘI DEMULTIPLEXARE

Una dintre rațiunile care stau la baza introducerii semnalului E, care permite activarea unui MUX, DMUX sau unui alt circuit, este legat de extinderea capacității lor de lucru. Cu alte cuvinte, dispunând de circuite de o anumită dimensiune să se poată construii un circuit cu aceași funcție dar de dimensiuni mai mari.

Extinderea capacității de multiplexare la 32 folosind MUX 4:1. Ținând cont de faptul ca avem de multiplexat 32 de canale, vom avea nevoie de 5 variabile de intrare, Pentru implementare cu MUX 4:1 vom avea nevoie de 8 MUX 4:1 si un MUX 8:1. Interconectarea se face conform reprezentării grafice de mai jos.

Daca S4S3S2S1S0=11010, atunci intrarea I6 este transferată la ieșire. Pe această intrare este aplicată ieșirea de la MUX6 pe care se află valoarea de pe intrarea I2 a acestuia. Deci la ieșirea MUX-ului extins se află valoarea de pe intrarea I26.

Extinderea capacității de demultiplexare la 32 utilizând DMXU 4:1. Ținând cont de faptul că avem de demultiplexat 32 de canale, vom avea nevoie de 5 variabile de intrare. Pentru implementare cu DMUX 4:1 vom avea nevoie de 8 DMUX 4:1 și un DMUX 8:1. Interconectare se face ca în figura de mai jos.

4.6 MCP23017

MCP 23017 este un dispozitiv care permite extinderea porturilo I\O (Arduino UNO în cazul de fată) cu ajutorul comunicației seriale I2C sau SPI.

Acest dispozitiv constă din mai multe registre de configurare pe 8 biți pentru selectarea intrărilor, ieșirilor și a polaritătii. Datele pentru fiecare intrare sau ieșire sunt păstrate în registrul de intrare sau ieșire corespunzător.

Polaritatea registrului portului de intrare poate fi inversată cu registrul de inversare a polarității. Toate registrele pot fi citite de system master.

Portul de 16 biți I\O contine două porturi de 8 biți (PORTA și PORTB). Dispozitivul poate fi configurat sa funcționeze pe 8 biți sau pe 16 biți prin ICON.BANK.

Sunt doi pini pentru întreruperi, INTA si INTB, care pot fi asociați cu porturile lor respective, sau pot unite astfel încat ambii pini se vor activa daca unul dintre ei cauzeaza o intrerupere.

Diagrama funcționala bloc

4.6.1 Descrierea pinilor

Pini PORTB:

– GPB0 pană la GPB7 – pini bidirecționali I\O, pot fi setați ca și pini de întrerupere

– VDD – Alimentare

– VSS – Ground

– NC – Nu se conectează

– SCL – Port serial clock

– SDA – Serial data line

Pini PORTA:

A0,A1, A2 – adresa hardware, în funcție de conectarea celor trei pini la GND sau VSS obtinem adresa integratului ( ex: daca cei trei pini sunt legați la GND adresa va fi (0x20) )

RESET – Reset hardware

INTB – pin întrerupere pentru PORTB. Poate fi configurat ca și active- high sau active- low

INTA- pin întrerupere pentru PORTA. Poate fi configurat ca și active- high sau active- low

GPA0 pana la GPA7 – pini bidirecționali I\O, pot fi setați ca și pini de întrerupere

4.6.2 Conectare MCP23017 la Arduino

Pinul 9 va fi conectat la 5V

Pinul 10 la GND

11 nu se va utiliza

12 este timerul de la I2C și se va conecta la A5 Arduino

13 data line I2C se va conecta la A4 Arduino

Între pinul 12 și 5V, respectiv 13 și 5V se va folosi o rezistență de 4,7K

Pinul 14 nu se va utiliza

Nu folosim întreruperile deci pinul 19 și 20 nu le vom folosi

Pinul 18 este pinul pentru RESET, iar pentru a evita resetare hardware o să îl conectăm la 5V. Daca o sa il conectam la GND se va reseta.

Pinii 15, 16 și 17 se folosesc pentru a determina adresa pentru I2C, o sa ăi legăm la GND, iar adresa va fi 0x20. (dacă îi legam la 5V adresa se va schimba în 0x27 în hexadecimal sau 0100111 în binar)

Pentru realizarea proiectului o sa avem nevoie de urmatoarele componente

Arduino Uno

Ecran LCD 1602

Modul I2C pentru LCD 1602 2004

Modul RFID RC522

Tag mifare1 S50

Tastatura matriceala 4×3

I/O expander MCP23017

Rezistenta 4k7/ 10K

LED rosu/ verde

Buton push

Placa de prototipare

Baterie 9V

Fire

5.1 LCD

În prima parte o sa conectam ecranul LCD împreuna cu modulul I2C la Arduino si o sa rulam un program pentru aflarea adresei ecranului.

Dupa cum se poate observa, adresa pe care o foloseste display-ul este ”0x27”

O sa derulam un mic test pentru a vedea daca adresa și cablajul au fost executate corect.

Pe display a apărut mesajul ”TEST”, afișat pe linia 2, coloana 4, cea ce înseamna executarea corectă a cablajului și recunoasterea adresei ecranului.

5.2 Modul RFID RC522

Pentru urmatorul pas, se conectează modulul RFID RC522 la Arduino după cum se poate observa în imaginea de mai jos.

După ce protocolul de comunicare a fost selectat se poate trece la următoare etapă, cea a testării modulului RFID

După ce eticheta(tag-ul) având codul de răspuns 191,218,178,171 va fi în apropierea modulului, pe monitorul serial va aparea mesajul ”Card Data –” urmat de adresa etichetei.

O sa desemnăm un tag Master pe care o să îl utilizăm pentru salvarea datelor celorlante taguri. Când cardul master o sa fie în apropierea modului RFID pe ecran o sa apară mesajul ”Master Card” pe prima linie, iar pe a doua linie a ecranului LCD se va afisa numarul de carduri care valide care sunt stocate în program.

În momentul de față nu avem niciun card scanat și stocat în memoria programului

Dacă încercăm sa folosim un card care nu este în memoria program, se va afisa mesajul ”Card Scanat”, iar pe linia 2 ”Card Invalid”

Pentru a valida un card nou, se va folosi cardul master desemnat. Cand cardul master este în apropierea modulului RFID, pe ecran se va afișa ”Master Card” si numarul de carduri scanate, până în momentul de fata, timp de 5 secunde, timp în care se va scana un card nou, pentru ca aceste să se valideze.

După scanarea noului card, pe ecran va fi afișat mesajul ”Card Scanat” pe prima line, iar pe linia 2, ”Card Adaugat”.

Pentru eliminarea unui card din memoria programului, se va face operația inversă adăugarii unui card nou. Se foloseste cardul master, pe ecran se va afisa ”Master Card” iar timp de 5 secunde se va trece prin fața modulului RFID cardul pe care dorim să îl eliminăm.

Pe ecran se va afisa mesajul ”Card Scanat” pe linia 1, iar pe linia 2 ”Card Înlăturat”.

5.3 MCP23017

Începem prin a face legaturile dintre leduri, butoane și integrat pe o placa PCB.

Conectarea la Arduino se face prin comunicație I2C, unde o să folosim ieșirea analog A4 Arduino pentru pinul 13 MCP23017 pentru serial data line iar ieșirea analog A5 Arduino pentru pinul 12 MCP23017 pentru clock și o sa verificam adresa integratului.

O sa folosim doua integrate MCP23017 la care o sa le dam adrese diferite prin conectarea pinilor 15, 16, 17 la GND respectiv VCC.

Combinațile pe care o sa le facem celor trei pini, o sa determine adresele celor doua MCP231017, având posibilitatea de a alege intre 8 adrese diferite între 0x20 și 0x27.