Trabajo Práctico Nº 2: "Mediciones con captura de datos con osciloscopio"

Trabajo Práctico Nº 2: "Mediciones con captura de datos con osciloscopio"

Objetivos del trabajo:

•  Aprender a usar bien el osciloscopio digital
•  Medir, capturar y almacenar señales.
•  Comparar las mediciones realizadas
•  Aprender a usar Hyperterminal (básico).
•  Aprender a manejar algunos conceptos como por ejemplo protocolo.

Desarrollo teórico:
Antes de empezar a hacer el trabajo práctico, debemos saber:

• ¿Que es un osciloscopio?
• ¿Que es el protocolo?
•  La definición de transmisión de datos serie.
• ¿Para que usamos el programa Hyperterminal?  
• ¿Que es un foto transistor?

¿Que es un Osciloscopio?
 El osciloscopio es un instrumento que permite visualizar fenómenos transitorios así como formas de ondas en circuitos eléctricos y electrónicos. Por ejemplo en el caso de los televisores, las formas de las ondas encontradas de los distintos puntos de los circuitos están bien definidas, y mediante su análisis podemos diagnosticar con facilidad cuáles son los problemas del funcionamiento.

 Presenta los valores de las señales eléctricas en forma de coordenadas en una pantalla, en la que normalmente el eje X (horizontal) representa tiempos y el eje Y (vertical)representa tensiones.

Osciloscopios digitales:

En la actualidad los osciloscopios analógicos están siendo desplazados en gran medida por los osciloscopios digitales, entre otras razones por la facilidad de poder transferir las medidas a una computadora.

En el osciloscopio digital la señal es previamente digitalizada por un conversor analógico digital. Al depender la fiabilidad de la visualización de la calidad de este componente, esta debe ser cuidada al máximo.

Las características y procedimientos señalados para los osciloscopios analógicos son aplicables a los digitales. Sin embargo, en estos se tienen posibilidades adicionales, tales como el disparo anticipado (pre-triggering) para la visualización de eventos de corta duración, o la memorización del oscilograma transfiriendo los datos a un PC. Esto permite comparar medidas realizadas en el mismo punto de un circuito o elemento. Existen asimismo equipos que combinan etapas analógicas y digitales.

La principal característica de un osciloscopio digital es la frecuencia de muestreo, la misma determinara el ancho de banda máximo que puede medir el instrumento, viene expresada generalmente en MS/s (millones de muestra por segundo).

La mayoría de los osciloscopios digitales en la actualidad están basados en control por FPGA (del inglés Field Programmable Gate Array), el cual es el elemento controlador del conversor analógico a digital de alta velocidad del aparato y demás circuitería interna, como memoria, buffers, entre otros.

Estos osciloscopios añaden prestaciones y facilidades al usuario imposibles de obtener con circuitería analógica, como los siguientes:

• Medida automática de valores pico, máximos y mínimos de señal. 
• Medida de flancos de la señal y otros intervalos
• Captura de transitorios
• Cálculos avanzados.

Osciloscopio utilizado:Marca RIGOL

Traducciones:

• Multi-function Knob: Multi-función de mando.
• Common Menú Buttons:Teclas comunes del menú.
• Run Control Buttons:Ejecutar Botones de Control.
• Trigger Co:Dispare Co.
• Horizontal Control:Control Horizontal.
• Vertical Co:Control vertical.
• Usb Host:USB HOST.
• Signal Input Channel:La señal del canal de entrada.
• EXT Trigger Input: EXT Entrada de activación.

"Lo que vemos en pantalla":

• Channel 1 and Channel 2: Canal 1 y Canal 2
• Running status: El estado de ejecución.
• Location of waveform window in memory:Ubicación de la ventana de forma de onda en la memoria.
• Trigger point in memory:"Punto de disparo" en la memoria.
• Trigger point in wave window:"Punto de disparo" en la ventana de onda.
• Waveform display window: Visualización de la ventana de forma de onda.

¿Que es el protocolo?
El protocolo en si, es un "grupo" de reglas normalizadas, si buscamos en internet, wikipedia que es el protocolo, nos sale la siguiente información:

Protocolo puede reeferisre a:

• Protocolo, ciertas reglas establecidas para las ceremonias oficiales o trato social.
• Protocolo, texto anexo a un tratado internacional. 
• Protocolo de intercambio, es la relación que se reconoce en la comunicación o la transferencia de información. 
• En informática, un  protocolo es un conjunto de reglas usadas por computadoras para comunicarse unas con otras a través de una red. 
• Protocolo de comunicaciones,conjunto de estándares que controlan la secuencia de mensajes que ocurren durante una comunicación entre entidades que forman una red. 
• Protocolo de internet,(Internet Protocol), protocolo de red para la comunicación de datos a través de paquetes conmutados. 
• Protocolo de tratamiento, conjunto de acciones, procedimientos y exámenes auxiliares solicitados para un paciente con características determinadas.
•  Protocolo de investigación.

 Lo que quiero decir que protocolo es un concepto muy general y lo que realmente estábamos buscando era la definición de:

Protocolo de comunicaciones:

En el campo de las telecomunicaciones,  un protocolo de comunicaciones es el conjunto de reglas normalizadas para la representación, señalización, autenticación y detección de errores necesario para enviar información a través de un canal de comunicación. Un ejemplo de un protocolo de comunicaciones simple adaptado a la comunicación por voz es el caso de un locutor de radio hablando a sus radiooyentes.

Los protocolos de comunicación para la comunicación digital por redes de computadoras tienen características destinadas a asegurar un intercambio de datos fiable a través de un canal de comunicación imperfecto. Los protocolos de comunicación siguen ciertas reglas para que el sistema funcione apropiadamente.

Para este trabajo buscamos la definición del concepto protocolo ya que para la realización del práctico necesitaba como previos conocimientos:

•  Protocolo serie RS-232 
•  Protocolo RC5 y SIRC

 Protocolo serie RS-232:

El puerto serie RS-232C, presente en todos los ordenadores actuales, es la forma mas comúnmente usada para realizar transmisiones de datos entre ordenadores. El RS-232C es un estándar que constituye la tercera revisión de la antigua norma RS-232, propuesta por la EIA (Asociación  de Industrias Electrónicas), realizándose posteriormente un versión internacional por el CCITT, conocida como V.24. Las diferencias entre ambas son mínimas, por lo que a veces se habla indistintamente de V.24 y de RS-232C (incluso sin el sufijo "C"), refiriéndose siempre al mismo estándar.

 El RS-232C consiste en un conector tipo DB-25 de 25 pines, aunque es normal encontrar la versión de 9 pines DB-9, mas barato e incluso mas extendido para cierto tipo de periféricos (como el ratón serie del PC). En cualquier caso, los PCs no suelen emplear mas de 9 pines en el conector DB-25. Las señales con las que trabaja este puerto serie son digitales, de +12V (0 lógico) y  -12V (1 lógico), para la entrada y salida de datos, y a la inversa en las señales de control. El estado de reposo en la entrada y salida de datos es -12V. Dependiendo de la velocidad de transmisión empleada, es posible tener cables de hasta 15 metros.

Cada pin puede ser de entrada o de salida, teniendo una función especifica cada uno de ellos. Las mas importantes son:



Las señales TXD, DTR y RTS son de salida, mientras que RXD, DSR, CTS y DCD son de entrada. La masa de referencia para todas las señales es SG (Tierra de Señal). Finalmente, existen otras señales como RI (Indicador de Llamada), y otras poco comunes que no se explican en este artículo por rebasar el alcance del mismo.

Protocolo RC5 y SIRC:

Protocolo RC5:

Protocolo, hecho por  PHILLIPS, es uno de los dos mas usados por los controles remotos para poder enviar datos vía infrarroja. Muchas empresas se adjudicaron este protocolo.

Sus características mas importantes:

• 5 bits de dirección y 6 bits para el comando (7, en el caso del RC5X) 
• Codificación tipo Manchester (Bi-phase coding) 
• Frecuencia portadora de 36KHz.  
• Tiempo constante para cada bit, de 1.778ms (64 ciclos a 36KHz.)

Modulación 

El protocolo esta basada en una modulación Manchester de doble fase sobre una portadora de 36KHz. 

Cada "1" esta codificado como 889 us (micro segundo)  de pulsos, y 889 us de "silencio". El "0" se codifica como 889 us de "silencio" y 889 us de pulsos. La longitud total del "0" y "1" es idéntica, y son 1778 us (o 1,778 ms). 

Dentro de un bit "caben" exactamente 64 pulsos, si la portadora es de 36KHz. Es decir, el periodo de una señal de 36 KHz es de 1/36000 = 27,78125....us, que multiplicado por 64 da exactamente 1778 us. Este es un buen dato para tener en cuenta el diseño del software de nuestro receptor.

La imagen muestra un típico tren de pulsos en un mensaje RC-5. En este ejemplo se transmite la dirección 05 y el comando 35.

Los dos primeros bits son los de inicio (start), que deben ser dos "1" lógicos. Nótese que trancurre medio tiempo de bit hasta que el receptor se entera de que ha comenzado el mensaje.                                                                                                                                                 

El protocolo RC-5 extendido (RC-5x) tiene un solo bit de inicio. El bit que es llamado "S2" en el protocolo estándar RC-5 se transforma en el RC-5x en un sexto bit de comando, lo que da un total de 7 bits para los comandos.                                                      

El tercer bit del protocolo RC-5, marcado como "T" en el dibujo, es el bit de conmutación. Este bit es invertido cada vez que se libera una tecla en el control remoto y se la presiona de nuevo.                                                                                                                       

El bit que sigue es el primero de la dirección del dispositivo receptor de infrarrojos, poniendo en primer logar el bit más significativo de la dirección. A esta dirección le sigue un comando de 6 bits, también con su bit más significativo en primer lugar.     

Un mensaje, entonces, consiste de un total de 14 bits, que sumados dan una duración total del mensaje de 25 ms. A veces puede parecer que un mensaje es más corto debido a que la primera parte del bit de inicio S1 es inactiva. Y si el último bit del mensaje es un "0" lógico, la última mitad del último bit del mensaje también es inactiva  .         
Mientras se mantenga presionada la tecla, el mensaje se repite cada 114 ms. El bit de conmutación mantendrá el mismo nivel lógico durante la repetición de un mensaje. Esto se hace así para que el programa de interpretación del receptor pueda detectar esta autor repetición y no la confunda con sucesivas pulsaciones de una tecla.                                                                                                                          

 La longitud completa de la trama es igual a 14 * 1.778 us = 24.892 us. Si la tecla se mantiene presionada, la trama se reenvía continuamente, pero con una pausa de equivalente a 50 bits ( 50 x 1.778 us = 88.900us) entre una y otra transmisión. Como dijimos antes, viendo el estado del tercer bit podemos determinar si se trata de pulsaciones sucesivas de la misma tecla (el bit cambiaría) o de una misma pulsación "larga" (el bit permanece en el mismo estado)

Comandos predefinidos                                                                                                                       

Philips ha creado una lista de comandos estandarizados. Esto asegura compatibilidad entre artefactos de un mismo tipo y evita que la tecla que cambia de canal en un televisor produzca al mismo tiempo algún efecto en una videocasetera que también esté allí, enfrente del contro remoto.                                                                                              

Una característica interesante es que la mayoría de los artefactos están representados dos veces, lo que permitiría tener dos videocaseteras juntas sin tener problemas para comandarlas por separado.                                                                                  

  

Protocolo  SIRC:

Este protocolo, fue creado por la marca SONY, y es otro de los protocolos mas usados por otras empresas. Tiene especificaciones distintas al de RC5:

• De 12 bits, 15 bits y las versiones de 20 bits del protocolo 
• Modulación de ancho de pulso.
• Frecuencia de la portadora de 40 kHz
• Poco tiempo de 1.2 ms y 0.6 ms.

Modulación

El protocolo SIRC utiliza un espacio de tiempo que podríamos llamar de 600 us (600*10-6S). La señal se envía en múltiplos de ese espacio de tiempo, que denominamos simplemente T.

Protocolo

Bit de inicio: Todo protocolo de comunicaciones necesita algún indicador de «inicio» que le indique al receptor que se prepare a recibir datos, en este caso es un pulso de      longitud 4T, es decir 2.4ms (2.4*10-3s). Sólo Después de que se ha enviado este           pulso van ordenados los demás pulsos mas cortos que significan 1′s y 0′s, es decir, la    información útil.                       

 Bit 1: Un bit 1 (alto, o verdadero), se codifica mediante un espacio (sin señal) de longitud T, y un pulso también de longitud T.

Bit 0: Un bit 0 (bajo, o falso), se codifica mediante un espacio (sin señal) de longitud T, y un pulso de longitud 2T igual a1.2ms.

Como vemos es bastante simple diferenciar los 1′s de los 0′s y a los bits de inicio. Nos queda analizar la señal completa enviada por el control remoto.

Como se observa, la codificación en el protocolo SIRC es bastante simple, simplemente se limita a enviar pulsos de longitud T, 2T y 4T, lo que los hace suficientemente diferentes entre sí para ser fácilmente detectados en el receptor.

Pero no basta con conocer cómo se diferencia un 0 de un 1, también hay que saber en qué orden los envía el transmisor, en concreto el protocolo SIRC envía 12, 15 o 20 bits de información.

Estos bits se dividen en:

señal de inicio + 7 bits de comando + 5 u 8 bits de dispositivo + 8 bits adicionales (en la versión de 20 bits).

Para cada una de las variantes tenemos que la forma de la trama emitida es:

Variante de 12 bits:


Variante de 15 bits:


Variante de 20 bits:

Comandos y direcciones predefinidas

Entre los 7 bits de comando va la información del botón que ha sido presionado en el control remoto, codificada en binario natural y en orden de menos significativo a más significativo. Los números enviados serían:

En la información de dispositivo va el número de dispositivo al que queremos controlar, como TV o VCR, sería:

La definición de transmisión de datos serie.

 Transmisión de datos, transmisión digital o comunicaciones digitales es la transferencia física de datos (un flujo digital de bits) por un canal de comunicación punto a punto o punto a multipunto. Ejemplos de estos canales son cables de par trenzado, fibra óptica, los canales de comunicacion inalámbrica y medios de almacenamiento. Los datos se representan como una señal electromagnética, una señal de tensión eléctrica, ondas radio eléctricas, microondas o infrarrojos.

Formas de transmisión de datos entre dispositivos electrónicos:

Transmisión analógica: 

Estas señales se caracterizan por el continuo cambio de amplitud de la señal. En ingeniería de control de procesos la señal oscila entre 4 y 20 mA, y es transmitida en forma puramente analógica. En una señal analógica el contenido de información es muy restringida; tan solo el valor de la corriente y la presencia o no de esta puede ser determinada.

Transmisión digital: 

Estas señales no cambian continuamente, sino que es transmitida en paquetes discretos. No es tampoco inmediatamente interpretada, sino que debe ser primero decodificada por el receptor. El método de transmisión también es otro: como pulsos eléctricos que varían entre dos niveles distintos de voltaje. En lo que respecta a la ingeniería de procesos, no existe limitación en cuanto al contenido de la señal y cualquier información adicional. 

Hyperterminal:

HyperTerminal es un programa que se puede utilizar para conectar con otros equipos, sitios Telnet, sistemas de boletines electrónicos (BBS), servicios en línea y equipos host, mediante un módem, un cable de módem nulo o Ethernet.

Aunque utilizar HyperTerminal con un servicio de boletín electrónico para tener acceso a información de equipos remotos es una práctica que está dejando de ser habitual gracias al World Wide Web, HyperTerminal sigue siendo un medio útil para configurar y probar el módem o examinar la conexión con otros sitios.

HyperTerminal graba los mensajes enviados o recibidos por servicios o equipos situados al otro extremo de la conexión. Por esta razón, puede actuar como una valiosa herramienta para solucionar problemas de configuración y uso del módem(por ejemplo). Para confirmar que el módem está bien conectado o ver su configuración, puede enviar comandos a través de HyperTerminal y ver los resultados. HyperTerminal ofrece la funcionalidad de desplazamiento, que le permite revisar el texto recibido que sobrepase el espacio de la pantalla.

HyperTerminal sirve también para transferir archivos grandes de un equipo a un equipo portátil a través del puerto serie, en lugar de realizar la configuración del portátil en una red.

Puede utilizar HyperTerminal para ayudar a depurar el código fuente desde un terminal remoto. También puede utilizar HyperTerminal para comunicarse con los equipos antiguos basados en caracteres.

Fototransistor:

Se llama fototransistor a un transistor sensible a la luz, normalmente a los infrarrojos. La luz incide sobre la región de base, generando portadores en ella. Esta carga de base lleva el transistor al estado de conducción. El fototransistor es más sensible que el fotodiodo por el efecto de ganancia propio del transistor.

Desarrollo Práctico:

Primer caso:

Lo que haremos en este primer paso es armar el conector DB9 hembra, soldándole tres cables para conectarlo al protoboard (TX,RX y tierra)

Pasos básicos a seguir:

1) Armar el cable con el conector DB9 hembra en un extremo usando los terminales RX TX y GND (2 3 y 5 respectivamente) En el otro extremo conectar los tres cables a un poste de pines e identificarlos. Usar un protoboard para realizar la medición.

 

 

 2) Abrir y configurar el programa Hyperterminal en 9600 bps N-8-1 (sin paridad, ocho bits, un bit de stop).

 3) Medir cuidadosamente a fin de no generar cortocircuitos involuntarios con el osciloscopio la señal generada por la PC en el terminal TX (pin 3 del conector DB9), al presionar la tecla A (mayúscula).

4) Capturar el byte y almacenarlo en memoria. 

5) Responder las siguientes preguntas basándose exclusivamente en las mediciones almacenadas en memoria:

1.     En estado de reposo (sin presionar tecla alguna) ¿qué tensión se mide en la linea? 
2. El bit de start marca el comienzo de transmisión. ¿Cuánto tiempo dura y qué valor de tensión se mide? ¿Que valor de tensión tiene un uno lógico y un cero lógico?
3. ¿De qué manera a partir de lo medido se puede inferir que el dato transmitido es la tecla A?
4. ¿Se puede observar el bit de STOP? Si, no porque? 
5. Cuanto tiempo tarda en transmitirse un byte a la velocidad establecida.

 Respuestas:

1.  -1.4V 
2.  Dura 104microseg.   "1" lógico 1.4V
   "0" lógico -1.4V. 
3.  En binario 10111101 (desde el bit de inicio hasta el bit de finalización)
4.  Si, es el que indica que finaliza la transmisión de datos  
5.   Un byte tarda 832microseg.

6) Repetir el punto tres a fin de consolidar los datos medidos y capturados presionando otras teclas en el teclado de la PC y verificar el resultado de la medición, justificando la observación.

Tecla A:
 

Tecla B:

Tecla C:

 Tecla D:

 

7) Verificar lo medido cambiando la velocidad de transmisión.

Velocidad de transmisión original:

   Bit por segundo: 

   Bit de datos:
   Pariedad: ninguno
   Bits de parada:1

 Modificacion de velocidad de transmisión:

   Bit por segundo: 2400
   Bit de datos: 8
   Pariedad: ninguno
   Bits de parada: 1

Segundo Caso:

 

Existen distintos tipos de protocolos de comunicación serie ya establecidos para la generación de señales emitidas por controles remotos que usan señales infrarrojas. Todos ellos los encontramos en una larga lista de dispositivos hogareños e industriales: televisores, equipos de audio, conversores de TV Digital, aire acondicionados etc.

Se necesita poder registrar y almacenar la señal generada por un control remoto, para realizar a posterior un análisis de la trama que genera.
 

Materiales a usar:

•   Punta para medición del osciloscopio. 
• Pendrive cuya capacidad no exceda los 2 GB formateado en FAT16 o 32  (máximo soportado por el osciloscopio) para almacenar las mediciones realizadas.
• IRM8602 o similar (CI Receptor de señales infrarrojas) similar.
• Resistores y capacitores. 
• Control remoto.

Pasos básicos a seguir:

1) Identificar el control remoto por el tipo de control (TV - Audio - VCR - DVD - AA - etc) y su marca en caso de ser posible.

Control remoto de una TV de la marca

2) Armar el siguiente circuito.

 

3) Apuntar con el control remoto al sensor y presionar una tecla del mismo.

Consejos iniciales: Acoplar el canal del osciloscopio en continua y ajustar la sensibilidad a 2 V/div con un barrido de 5 ms aproximadamente. Una vez que se observa la señal ajustar los controles de amplitud y frecuencia del osciloscopio con el fin de capturar la mejor imagen.






4) Registrar y almacenar en memoria la señal capturada.

Tecla 0:

6) Repetir los puntos 3 y 4 tantas veces como sea necesario a fin de poder capturar todas las imágenes necesarias para responder con presición las preguntas. Por lo menos capturar señales generadas por tres teclas del control remoto a fin de contrastar la información.  

Tecla 0:

Tecla 1:

Tecla 2:

 Tecla 3:
 

8) Esbozar una conclusión de la experiencia.

Conclusiones Finales:

 Aprendimos a usar el osciloscopio digital, que también usaremos en futuras prácticas....

"Pequeños detalles"

Uno de los  fines de este práctico era  que aprendamos a hacer captura de datos: guardando lo que necesitamos en el pendrive. Mientras hacíamos el práctico, cometimos algunos errores como por ejemplo cuando guardamos las imágenes lo hicimos en el formato incorrecto, y tuvimos que volver a guardar las mismas imágenes, pero con eso aprendimos: 

• Prestar atención en el formato que se guardan las capturas. 
• Y también a como pasar de un formato a otro, sin tener que rehacer todo el trabajo.