ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA CONTROL REMOTO PARA PC

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1 ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA CONTROL REMOTO PARA PC Tesis previa a la obtención del Título de Ingeniero en Electrónica v Telecomunicaciones JUAN MANUEL REAL PAREDES Quito, agosto de 1999

2 DEDICATORIA A Dios, Gracias por darme la preciosa familia que tengo. A mis queridos Padres, nada será suficiente para expresarles mi amor y gratitud. Ustedes día a día estimulan mi superación.

3 Certifico que la presente tesis ha sido realizada en su totalidad por Sr. Juan Manuel Real P. Ing. Alüánso Espinosa R. DIRECTOR DE TESIS

4 AGRADECIMIENTO N Para la Escuela Politécnica Nacional dejo constancia de mi gratitud imperecedera, porque en sus aulas se forjaron mis ideales de lucha, superación y de (rabajo. Para el Ing. Alfonso Espinosa, director de ésta tesis un profundo agradecimiento por sus consejos y su apoyo siempre positivo; al igual que a todos los profesores de ésta universidad que me prestaron su valiosa colaboración tanto en mi formación, cuanto para llevar a feliz termino ésta tesis, síntesis de una constante investigación científica. También expreso mi gratitud a mis compañeros y amigos que siempre fueron solídanos a lo largo de mi vida estudiantil El autor

5 CONTENIDO INTRODUCCIÓN 1 L COMUNICACIONES INFRARROJAS DE BAJA VELOCIDAD Lias comunicaciones ópticas a El medio de propagación 5 l.l.b El espectro de luz y el espectro infrarrojo Elementos del sistema de comunicación en controles remotos de baja velocidad a Características de los emisores b Características de los receptores Controles remotos infrarrojos, Estándares usados por controles remotos infrarrojos de baja velocidad a Comparación entre los diferentes estándares b Estándar RC5 16 II. SUBSISTEMA DEINTERFAZDE TECLADO DEL COMPUTADOR PERSONAL El teclado a Adquisición de las teclas pulsadas b Codificación de las teclas Interfaz del teclado a Transmisión de los códigos 28 ///. INTERFAZ DE RATÓN DEL COMPUTADOR Mouse serial y Microsoft serial mouse Sistema PS/2 mouse 39 IV. DISEÑO DEL EQUIPO Diseño del control remoto de teclado a Descripción del circuito de control b Formato de trama usado cMicrocontroJador y programa usado Diseño del control remoto de ratón a Descripción del circuito de control b Programa usado 65

6 4.3 Diseño del receptor a Recepción de tramas infrarrojas b Simulación de la comunicación bidireccional con el nterfaz de teclado 3' arranque C Envío de datos al interfaz de ratón y arranque d Encendido y apagado del equipo e Circuito de control usado JT Programa usado Consideraciones sobre alimentación y consumo de energía de los equipos remotos Tramas generadas en los equipos y alcance efectivo del sistema de control remoto Construcción del equipo y costos 104 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 108 BIBLIOGRAFÍA 110 ANEXOS A. Manual de usuario B. Códigos Phillips C. Códigos de rastreo para un teclado MFIE operando en el modo 2 D. Set de instrucciones del PIC 16f84 E. Programas usados F. Hoja de datos de Baterías Alnas AA

7 INTRODUCCIÓN La tecnología al servicio del hombre tiene entre sus misiones principales ayudarle a realizar sus tareas en forma más rápida, eficiente, fácil y cómoda, ofreciéndole todas las ayudas posibles. Se ha creado numerosos y complejos productos que requieren un proceso inteligente y funcionan en base a procesadores o microcontroladores, "no es aventurado pronosticar que en el siglo XXI habrá pocos elementos que carezcan de un microcontrofador" 1. Esto ha facilitado que tengamos gran variedad de equipos controlados, mediante "controles remotos" que son hoy totalmente comunes y que están expandiendo su uso a más aplicaciones. Es también indudable que la presencia de computadores personales en hogares y oficinas, que duplican su capacidad a velocidades vertiginosas, facilita la extensa tarea en las diversas actividades que realiza el ser humano. Se ha introducido'tanto el uso de computadores, que los hay ahora en actividades en las que ni remotamente antes se hubiese pensado sería necesario ira computador. Su forma ha variado y seguirá evolucionando mucho más aún. Las tendencias actuales son facilitar el uso del mismo al máximo, hacerlo más amigable, para que más personas puedan manejar un computador, aprovechando todas sus facilidades y las autopistas de información a las que puede acceder. Al operar un computador es necesario tener los medios para introducir información en el mismo. El teclado y actualmente el ratón son por excelencia los mecanismos primarios para introducir información al computador, operarlo y hacer que éste siga su proceso y envíe posteriormente dicha información hacia un dispositivo de salida de información como el monitor, la impresora, etc. Por tanto, es necesario comprender el funcionamiento de estos elementos: ratón y teclado, para posteriormente crear un interfaz que permita operar estos dispositivos en forma remota. En cuanto al interfaz, el de mayor uso es uno de tipo inalámbrico, por la libertad y comodidad que brinda el operar cualquier equipo de esta manera. El alcance efectivo en distancia que se necesita para la operación de un computador es corto, en el orden de las unidades de metros. Lo más usado para sistemas de control remoto en cortas distancias son las comunicaciones ópticas, por ser un sistema económico del que se tiene mucha información, tiene bajo consumo de energía, es óptimo para usarse con pilas, un alcance de distancia efectivo apropiado para la aplicación y permite velocidades de transporte de información digital suficientes. Es además bastante inmune a interferencias y al ruido, y existe hardware estándar, ya que los controles remotos comerciales son hoy muy comunes. 1 Ángulo, 1997, pág. 1.

8 La meta que persigue está tesis es precisamente facilitar el manejo del computador personal, convirtiéndolo en un equipo que pueda operarse de forma remota de manera natural, siendo transparente, incluso en su instalación a cualquier usuario. El equipo a diseñarse será un "Control Remoto de PC" y cumplirá con las siguientes características: Ser totalmente amigable, para que pueda ser usado por cualquier usuario. Ser manejado de forma remota desde su encendido hasta su apagado cerrando los programas de software apropiadamente. El control remoto debe tener una distancia razonable de operación (usando luz infrarroja). El equipo remoto será estándar, fácil de instalar y compatible con los sistemas de controles remotos universales. Permitir conectarse al Internet usando un módem telefónico. Tener dimensiones adecuadas para poder ser colocado en cualquier lugar cercano al computador. Aprovechar todas las facultades actuales del PC y del Internet En la presente tesis se diseña un prototipo práctico, fácil de implementar y operar, que siga las tendencias actuales como son: el bajo consumo de energía, usar equipo con la máxima integración posible, y bajo costo. Se espera también colaborar con futuras tesis, pues las aplicaciones que pueden tener los sistemas de control remoto son infinitas y únicamente limitadas por la imaginación. Los tres primeros capítulos examinan todo lo necesario para comprender el funcionamiento normal de los sistemas de control remoto, el interfaz de teclado y el interfaz jde ratón. El cuarto capitulo explica el diseño del equipo. Finalmente, en la realización de esta tesis se ha buscado una relación entre el rendimiento técnico del equipo y su costo. Es misión de la Universidad colaborar con el país desarrollando equipos localmente; el Ecuador debe necesariamente realizar adaptaciones tecnológicas, usando equipo de punta, persiguiendo las tendencias y creando prototipos que se puedan implementar de acuerdo a nuestra realidad. Caminando con pasos pequeños pero seguros se puede llegar muy lejos; la meta del ingeniero es ser imaginativo en la creación de dispositivos que faciliten las labores cotidianas de todo ser humano. La presente tesis, espera fervorosamente cumplir estas expectativas. Adicionalmente, el equipo diseñado será utilizado, por una tesista en la Facultad de Ingeniería de Sistemas, para la elaboración de un t Navegador dedicado al Internet ". Este es un equipo de uso especifico, similar a un VHS operado por control remoto, permitirá al usuario conectarse al Internet mediante i:n módem, aprovechando todos sus recursos y usando un

9 monitor de televisión común. Esto requerirá en esencia la creación de una plataforma de software especial, sumamente fácil de operar, que emplee un navegador de Internet comercial y un procesador con los puertos y dispositivos de entrada y salida necesarios.

10 CAPITULO

11 I. COMUNICACIONES INFRARROJAS DE BAJA VELOCIDAD Desde hace aproximadamente dos décadas es común tener equipos domésticos muy comerciales, operados por control remoto. Este tipo de control facilita su operación, mejora la dad del sistema y da mayor comodidad a su manejo. La presente tesis persigue implemento un sistema de control remoto con similares características, por esto el presente capitulo explica los conceptos básicos necesarios para poder diseñar un sistema de comunicaciones infrarrojas de baja velocidad. 1.1 LAS COMUNICACIONES ÓPTICAS La comunicación es la transferencia de información desde un punto en espacio y tiempo a otro punto en espacio y tiempo. Todo sistema de comunicación comprende tres aspectos: Transmisión Recepción Procesamiento de la Información. La información puede ser analógica o digital. Esta información debe convertirse en una forma de energía electromagnética antes de poder propagarse en un sistema de comunicaciones. La Figura 1.1 representa una forma de comunicación unidireccional (comunicación simplex). Si la comunicación es en los dos sentidos se requiere duplicar los equipos a cada lado. Sistema de comunicaciones unidireccional Información de la Fuente Destino Estación A Estación B Medio de Transmisión Fig, 1.1 En el caso de la comunicación óptica la información viajará en forma de una señal luminosa, a través del medio de comunicación. Todo medio de comunicación tiene efectos indeseables como la atenuación, interferencia y mido; por esto, muchos procesos de

12 comunicación requieren algún tipo de modulación para facilitar la transmisión, reducir el ruido y la interferencia. La idea de transmitir información por medio de la luz es posible gracias a la producción de radiaciones electromagnéticas controladas en las longitudes de ondas del espectro visible, infrarrojo, ultravioleta, etc. La necesidad de nuevos planteamientos en comunicaciones de corta y larga distancia, con bajos niveles de energía y mayor capacidad, exige soluciones óptimas, ya que Jos radioenlaces requieren cada vez frecuencias más altas y se tiene el agravante de la saturación del espectro. En las comunicaciones de larga y mediana distancia en cambio la atenuación de la luz íue el problema principal, lo que ahora está completamente superado gracias a -medios de transmisión que guían la luz infrarroja por fibra óptica. Para muy cortas distancias, en las unidades de metros, el uso de radioenlaces significa desperdiciar una banda de frecuencia y crear fuentes abundantes de ruido e interferencia sobre otros sistemas en el mismo rango, o en rangos cercanos del espectro electromagnético. En este tipo de sistemas conviene transmitir la información por medios que tengan el alcance indispensable para la aplicación y no más, para así evitar crear interferencia sobre otros sistemas. La luz reúne estas propiedades y además tiene un consumo de energía mínimo. La luz tiene una longitud de onda muy reducida, por lo que se puede manejar con facilidad sistemas con técnicas de modulación en frecuencias muy altas, como las portadoras usadas en fibra óptica, pero también puede transmitir con facilidad transportar en frecuencias más bajas a El medio de propagación Se podría decir que la comunicación implica un intercambio de energía, pero la información en su viaje pierde energía y diversos experimentos sobre transmisión de luz por la atmósfera han puesto de manifiesto diversos obstáculos(rubios 1995, pag. 23): Escasa fíabilidad en comunicaciones de larga distancia por precipitaciones atmosféricas, contaminación, turbulencia, etc. Los valores de atenuación de las señales en la atmósfera húmeda oscilan entre 1 y 100 db/km, dependiendo de la frecuencia de la señal y el ambiente. Dificultad para atravesar objetos sólidos y, cuando choca contra estos puede existir reflexiones. Existen fuentes naturales que generan radiaciones infrarrojas; así, todo cuerpo que se enta irradia ondas en esas longitudes de onda. Usando la atmósfera como medio de transmisión usualmente solo se puede tener enlaces rígidos entre equipos transmisores o receptores, con longitudes máximas de algunas decenas de metros.

13 Estas dificultades no son necesariamente un problema para sistemas de comunicación y control que usan luz en el rango infrarrojo para comunicaciones en distancias cortas. Algunas de estas desventajas podrían verse como ventajas; de hecho, unas pocas áreas de aplicación para estos dispositivos comprenden la lectura de tarjetas y cintas perforadas, codificadores de ejes, sistemas de transmisión de datos y alarmas. En sistemas de control remoto es normal usar la luz infrarroja para transportar la información en distancias cortas, pues usan transmisión de datos a bajas velocidades y frecuencias relativamente bajas b El espectro de luz y el espectro infrarrojo El espectro, está distribuido a nivel mundial por organismos reguladores como la CCIR, CCITT, y otros. La Figura 1.2, indica la distribución general del mismo: Banda de Audio Banda de Radiofrecuencia DISTRIBUCIÓN DEL ESPECTRO I t TO CJ 5 i f~\ _D ' ow 03 i ~5 Atvl TV Ffvl u * ' CD C~ tu i- Satelital jo Radar 5 p LJ 00 O "o^ i TO «^- 1 í (" S -í? i S ^! "1 J S i X coo o: ^ CQ O ro CK 69 O O C -O O 00 o ro cr FRECUENCIA ( Hz) Fí.q. 1.2 Una vista más cercana del espectro infrarrojo se aprecia en la Figura 1.3 (National Telecommunications and Information Ádministration"., 1996). Detalle del espectro de luz :.OOGhz 1013 Hz 1015 Hz i i l INI IMFOrtH'Or"^! KA! <r\uju.j \r\^ i i A 1 sub-rnilirnetrica ' " i i i i QJ _ 3 '(ff > M =J _l ce o?o I II TDAV/ini PTA ULl K^vIULt:!.^. T ' Longitud de Onda ( ( m) Fig

14 Las principales propiedades de los sistemas de comunicación por ondas infrarrojas son: Se usan ampliamente en comunicaciones de corta distancia, como controles remotos de TV, puertas electrónicas, redes LAN, computadores sin conexión física a la red, etc. Son direccionales, pero no atraviesan objetos sólidos. Esto puede verse como una ventaja desde el punto de vista de no-interferencia. - Existe gran cantidad de equipo, emisores y receptores baratos, fáciles de implementar. Tienen gran ancho de banda. 1.2 ELEMENTOS DEL. SISTEMA DE COMUNICACIÓN EN CONTROLES REMOTOS DE BAJA VELOCIDAD. Un sistema de comunicación en controles remotos infrarrojos de baja velocidad es en la mayoría de casos unidireccional y se compone además de uno o varios emisores en un extremo, mientras que en el otro extremo existe un detector. El transmisor lo constituye un LED o convertidor electro-óptico (E/O); su misión es suministrar la onda portadora luminosa que transporta la información, previamente codificada y modulada, hacia el detector. La selección del emisor se hace en función de la potencia de salida y la velocidad de comunicación requerida. En forma paralela, en el otro extremo del sistema está el receptor, el cual es un dispositivo que realiza la operación inversa: convierte la energía luminosa en señales eléctricas aptas para ser procesadas. Este dispositivo es un fotodiodo, que es un convertidor optoeléctríco que recibe una señal debilitada por lo que es indispensable tener a continuación una sección de amplificación, para llevar la señal al nivel adecuado para su tratamiento por un host inteligente. La adecuación de la señal luminosa al medio de transmisión, que es el espacio, exige darle determinada forma, lo que se consigue mediante los llamados códigos de línea y el uso de subportadoras, siguiendo algún estándar existente. Ambos pasos permiten reducir el BER (bits error rate). Tanto el emisor como el receptor suelen consumir bajos niveles de potencia, por lo cual es usual su implementación en sistemas fáciles de transportar y manejados con baterías.

15 1.2.a Características de los emisores Las fuentes emisoras de ondas infrarrojas usadas por controles remotos de baja velocidad son niayoritariamente diodos electroluminiscentes (LED). El espectro de emisión y las características típicas de mi LED infrarrojo de alta salida, usado en controles remotos de baja velocidad, se presenta a continuación: CARACTERÍSTICA LED Longitud de onda (nm) 940 Corriente de excitación (ma) Potencia media de salida (mvy) 16 Voltaje reverso (V) 1.2 Temperatura máxima admisible 60 Máximo Ángulo para media Intensidad 45 Vida media (horas) 107 El alcance efectivo de la señal infrarroja enviada depende en gran medida de la intensidad luminosa axial y el ángulo máximo para puntos de media intensidad. La Figura 1.4 derecha, revela que la intensidad es mayor a O grados (sobre la cabeza) y la mínima a 90 grados (cuando se mira el dispositivo por un lado). Potencia relativa de salida Intensidad luminosa relativa vrs desplazamiento angular 100% ÍQ"01i.t] 50% 40* $0!" SO* 100E Longitud de onda Fíg. 1.4

16 Para futuras referencias., es importante definir los siguientes ángulos (Especificación de control de la IrDA,1998, pag. 16) en la Figura 1.5: Ángulo Horizontal Ángulo Horizontal (periférico^ $tti Ángulo Vertical -U ft, ; Ángulo Vertical (periférica) Ángulos entre host y periféricos periférico vista superior vista lateral Fig. 1.5

17 1.2. b Características de los Receptores: El receptor posee un detector (fotodiodo), el mismo que detecta la señal óptica procedente del emisor y la convierte en señal eléctrica como primera parte del proceso de recepción. A continuación la señal se regenera y adapta, El detector se limita a obtener una fotocorriente a partir de la luz modulada incidente, por lo que esta corriente será proporcional a la potencia recibida, y corresponderá a la forma de onda de la moduladora. Una vez detectada la portadora luminosa infrarroja y convertida en señal eléctrica, es necesario eliminar el ruido introducido sobre la misma en su viaje por el espacio. El ruido introducido por otras fuentes de luz puede deberse a causas naturales, como por ejemplo cuerpos entes, o por otros equipos electrónicos como lamparas y distintos equipos de vídeo; también superficies reflectantes iibicadas cerca del emisor o detector infrarrojo deterioran tremendamente la forma original de la señal luminosa enviada. Los fotodiodos son un filtro óptico y son sensibles en recepción a longitudes de onda de luz correspondientes al rango de los infrarrojos, bloqueando la luz visible cuando se usan como detectores, para eliminar también el ruido introducido por otras fuentes de luz en el rango de los infrarrojos, se suele enviar la señal modulada con una sub-poríadora y así es posible diferir entre la señal y el ruido. Además se requiere un detector muy sensible que reconozca cuando comenzó la oscilación y también es necesario que exista un control automático de ganancia (ACG) para proteger al amplificador de saturación cuando el emisor está muy cerca o se encuentra a una distancia limite para la detección. Posteriormente la señal pasa a través de un filtro sintonizado a la frecuencia de subportadora y es amplificado, la señal amplificada es demodulada de forma similar a como se demodula mía señal AM en un radio receptor. Existen receptores integrados sensibles en el rango infrarrojo que tienen incluido un filtro pasabanda sintonizado a la frecuencia de 38 Khz, con control automático de ganancia (ACG), y que adapta la señal a niveles TTL. Esta clase de equipo es actualmente de uso comercial muy extendido. 10

18 El diagrama de bloques de un receptor usado en sistemas de control remoto de baja velocidad se muestra en la Figura 1.6 (Diagrama de bloques del receptor modular GP1U52X de Radio Shack). Diagrama de bloques del receptor infarrojo GP1U52X AXíP IHTEGÍ1ATGP. C Fig. 1.6 Las "especificaciones del receptor GPlU52x son las siguientes: Voltaje de operación Disipación de corriente Frecuencia central Filtro pasabanda de 3db Pasabanda infrarroja 5 voltios ± 0.5 (6.3 V rnax) 5mA 40Kliz ±4Khz 940nm±50nm Algunos emisores no modulan sus señales con sub-portadora, enviando pulsos sin modular, esto prolonga la vida de las baterías y reduce costos en el sistema. Existen detectores modulares para ambos formatos de envío de señal infrarroja. El elemento LT-1060 de LiteOn o el GP1U52X de Radio Shack son detectores completos, para convertir señales moduladas con sub-portadora de 40 khz a lógica TTL o CMOS. Quality Technologies produce el receptor para señal no modulada con sub-poríadora número: QSE157QT. 11

19 1.3 CONTROLES REMOTOS INFRARROJOS Un sistema de control remoto posee al menos dos dispositivos (Figura 1.7) que permiten operar a distancia un equipo terminal, mediante la transferencia de comandos por algún medio de transmisión. Son ampliamente utilizados en comunicaciones de corta distancia, como por ejemplo controles remotos de TV, equipos de sonido, puertas electrónicas, etc. El equipo terminal es el que realiza las acciones que el operador remoto necesita, portante el medio de transmisión es usado por lo general de manera unidireccional. Para algunas aplicaciones, dada la gran cantidad de procesamiento que existe en los sistemas digitales, la tendencia actual es descargar cierta parte del procesamiento en el equipo remoto, requiriéndose por tanto que el medio sea bidireccional, para que el equipo remoto procese y reciba también cierta cantidad de información sobre el estado del equipo terminal. De lo anterior se deduce que se puede dividir al sistema en dos partes: Equipo remoto; y, Equipo terminal. Componentes del sistema cíe control remoto Equipo terminal Equipo remoto Fig. 1.7 Las características del equipo remoto de corta distancia, normalmente mencionado "control remoto", son las siguientes: Ligero, compacto y fácil de transportar. Bajo consumo de energía. Matriz de pulsantes. Sistema inteligente que procese y envíe la información. Emisor de señales. La matriz de pulsantes es similar a la matriz que se usa para los teclados. El sistema inteligente usualmente se diseña con un solo microcontrolador de uso especifico, el cual detecta el botón pulsado y lo asocia a-un comando, después genera una trama de bits que se transmite, debidamente codificada y modulada a través del emisor de señales. El equipo remoto realiza el procesamiento solo al detectar la presión de un botón; puede por tanto estar en reposo, operando con baterías con bajo consumo de energía, durante 12

20 prolongados periodos de tiempo. Puede enviar señales en cualquier instante; por tanto, el receptor en el equipo terminal siempre debe estar siempre esperando sus señales. El emisor es un convertidor electro-óptico de luz infrarroja, suele ser un diodo LED, de alto poder de radiación en el rango de la luz infrarroja. El equipo terminal se compone de: Receptor Host inteligente El receptor debe ser optimizado para bajo consumo de corriente, su función es la conversión opto-eléctrica hasta niveles de señal adecuados. El host inteligente debe procesar la información para a continuación efectuar alguna acción en el equipo que nos interesa controlar; debe controlar el acceso de múltiples servicios y, si es del caso, también seleccionar el puerto por el cual se envía la información. Pueden existir varios equipos remotos así como mío o varios equipos terminales. No es conveniente que varios periféricos actúen simultáneamente sobre el mismo host, (Figura 1.8) esto perjudicaría a ambas señales pues se interfieren mutuamente. Esta posibilidad se debe considerar ea el momento que el host procesa la información, con el fín de evitar errores y posibles comandos erróneos. Múltiples periféricos sobre un host periféricos Fig.1.8 distancia de alcance Los controles remotos infrarrojos de baja o alta velocidad, deben tener al menos 5 metros de alcance efectivo en línea de vista. El estándar de la IrDA, define distancias menores de 1.5 metros o hasta 20 cm en algunos equipos especiales operados por control remoto. 13

21 1.4 ESTÁNDARES USADOS POR CONTROLES: REMOTOS INFRARROJOS; DE BAJA VELOCIDAD Todos los controles remotos que utilizan luz infrarroja para transmitir información usan similar tipo de codificación para enviar las señales. Existen al menos dos estándares internacionales bien establecidos que son usados por los controles remotos, para codificar los comandos: el RC5 yelrecso La IrDA (Infrared Data Association) es la organización que intenta regular de manera oficial el formato de las comunicaciones infrarrojas para nuevas aplicaciones. Publicó su primer estándar para el control de acceso de "controles remotos" en junio de 1998, el protocolo que usa trata de evitar la interferencia mutua entre los controles remotos antiguos de baja velocidad, con los nuevos protocolos. Su reciente estándar: "IrDA Control Specifícation (Formerly IrBus)", completo y con correcciones se halla en la dirección Internet: Los controles remotos son producto del desarrollo de la era digital. Los diferentes estándares usan diferentes códigos de línea con el fin de adaptar la señal, logrando que esta sea más resistente a otras fuentes de ruido infrarrojo. En vez de introducir la señal codificada directamente en el transmisor infrarrojo, la mayoría de los controles remotos infrarrojos se comunican usando una sub-portadora que oscila entre 30 y 40 Khz. Algunos remotos infrarrojos no usan sub-portadora, ni modulan sus salidas y envían los pulsos sin modular. Esto extiende la vida de la batería en el control y reduce el costo del sistema de control remoto; pero los hace más susceptibles a recibir interferencia, diminuye la velocidad limite a la cual se pueden transmitir datos y reduce su alcance efectivo. 14

22 1.4.a Comparación entre los diferentes estándares La siguiente tabla muestra las características de los estándares que más nos interesan: Estándar Codificación Frecuencia de Velocidad de Tx y Sub-portadora forma de trama Usa modulación de ancho de pulso. Cada bit que es transmitido es Max 1 Kbps codificado por un nivel alto de duración 30-4QKhz REC80 T seguido por un nivel bajo de duración 2T, representando un 0 lógico o 3T para Duty Gycle 50% Tramas de 12,16,20, 48 o más bits. representar un 1 lógico, existen sin embargo al menos tres variantes de Una trama lleva un este esquema. comando. Nótese que el 1 lógico toma más üempo para ser transmitido que el 0 lógico. Tiene una duración uniforme de todos RC5 los bus en su protocolo de capa física. Una transición en la mitad de intervalo 36-3SKhz Max 1 Kbps asignado a cada bu, codifica el valor Duty Gycle 50% Tramas de 14o 13 bits lógico. Un 0 lógico es codificado por una transición de alta a baja (flanco Una trama lleva un negativo) y el 1 lógico es codificado por comando. una transición de baja a alta (flanco positivo) Los datos transmitidos son codificados IrDA por un esquema 16-PSM (Pulse Sequence Modulatlon), con duración uniforme de bits. 1.5Mhz Duty Cycle 50% 75 Kbps Tramas complejas, varias tramas forman un comando. El protocolo de la IrDA, usado en aplicaciones de mayor velocidad, es ciertamente mucho más complejo que los anteriores y su uso requiere de equipo modular más sofisticado y mayores exigencias del host inteligente. Estas razones, unidas a su reciente aparición no lo hacen el candil dato más adecuado. En el caso particular de está tesis no presenta la mejor relación rendimiento técnico vs costo. Los estándares de controles remotos de baja velocidad RECSO y RC5 tienen mucho tiempo de ser usados, el RECSO es más antiguo y ha sufrido muchas variaciones por los fabricantes de equipo electrónico. Su duración de bit no es uniforme. Para el desarrollo del "Control remoto de PC" se selecciona el estándar RC5. Su velocidad es adecuada en está aplicación y el equipo necesario para su implementación se puede conseguir localmente. El RC5 permite un mejor control de errores sobre los datos enviados, además la distribución de direcciones para equipos terminales y comandos en el 15

23 estándar RC5 tuvo mejor previsión y permite el desarrollo de prototipos experimentales de tal forma que no interfieran ni reciban interferencia de otros equipos que usan el mismo estándar. Existen otras clases de controles remotos que alternan los códigos entre transmisión. Se usan en aplicaciones que requieren mayor grado de seguridad contra violaciones del código, como puertas electrónicas y aparatos que operen con claves electrónicas & Estándar RC5 El código RC5 tiene una duración uniforme de todos los bits en su protocolo de capa física. Una transición en la mitad de intervalo asignado a cada bit, codifica el valor lógico (Figura 1.9), Un O lógico es codificado por una transición de alta a baja (flanco negativo) y el 1 lógico es codificado por una transición de baja a alta (flanco positivo). Se necesitan transiciones adicionales para las transiciones al inicio de cada bit para ubicar correctamente el inicio del mismo, en caso de que seríes iguales de bits sean enviadas, no se necesita una transición adicional si el siguiente bit tiene un valor diferente. Este código se llama también bifase y fue desarrollado inicialmente por Phillips. t Código bifase -1. b'rt 2-bH. 4.bH. T=1.778ms T Fig.1.9 La duración del bit es constante e igual a ms, es decir medio bit (un estado) dura 889 microsegundos. Esta señal no se introduce directamente en el transmisor infrarrojo, ya que se usa en principio una sub-portadora de 36 Kliz. Por tanto, un estado lógico de alta es representado por un tren de oscilaciones (Figura 1.10). El Duty Cycle inicial fue de 25 %. Cuando se envía una señal en alta, realmente se envían 32 períodos de sub-portadora = 889 microsegundos * 36 Khz. 16

24 Señal enviada en el formato RC5 -LbrL 2.brt S.biL I 4.brt I microsegundos Duty Cycle 25 % Frec= 36 Khz """^ microsegundos Fig.1.10 El código original desarrollado por Phillips, ha sufrido modificaciones menores por su propio creador y por otros fabricantes que han optado por este código. Se usan siempre bits de inicio. Estos bits se transmiten antes del código actual y se usan para activar al receptor y sincronizarlo, esto es necesario puesto que los receptores tienen un control automático de ganancia (AGC) que se debe ajustar al inicio de la transmisión. La onda cuadrada de 36Khz, es controlada por una señal lógica no mayor a 1 Kbps y la señal resultante es enviada por uno o mas emisores LED infrarrojos hacia el receptor. La cabecera y el código son transmitidos mientras se tiene pulsado un botón, con un intervalo de repetición de 64 períodos de bit ( ms). Formato de trama enviada: Para el control lógico del enlace, se genera una trama compuesta por 14 bits. La trama original de Phillips se indica a continuación: Bits de inicio (I), - Bit de Control (T), Bits de Dirección (D), y; Bíts de Comando (C). I 1,. msb I 1,. T X D X D X D X D X D X C X C X C X C X C X C X Isí) Debido a las variaciones que ha sufrido la trama, actualmente en algunas referencias se le conoce como trama normal. 17

25 La trama completa usa 14 bits, y dura 24,889 ms. Los bits de inicio ajustan el control automático de ganancia del receptor. Se usan dos bits, ambos bits de inicio son 1 lógicos. El bit de control (T=toggle) alterna su estado lógico, siempre que existe una nueva pulsación sobre un botón del control remoto. Los bits de dirección especifican un equipo terminal y permiten diferenciar entre distintos equipos del mismo fabricante; por ejemplo, un televisor y un VHS del mismo fabricante tienen el mismo comando para encendido pero diferente dirección, así se previene interferencias entre equipos. Se usan 5 bits en el campo de dirección y permiten operar hasta diferentes equipos. Los bits de comando, forman un código que indica al equipo terminal la acción que debe ejecutar. Esta trama usa 6 bits en 'el campo de bits de comando, en consecuencia se pueden transmitir hasta 64 diferentes comandos. Un punto muy importante a destacar en este protocolo es que los comandos mantienen su valor en todos los equipos, pero solo procesa el comando el equipo con la dirección correcta. Por ejemplo, el comando Master Volume es siempre equivalente al código decimal 16. Usada esta información en forma adecuada, cualquier control remoto que implementa el estándar RC5 puede ser usado para otras funciones distintas a las que fue creado. Las variaciones del estándar RC5 mantienen el valor de los comandos. Una segunda observación importante es que este protocolo desde su creación dejó 2 de las 32 direcciones que puede manejar para desarrollos experimentales con este protocolo. Aspecto importante para no generar y recibir interferencia en el desarrollo de nuevos equipos. Finalmente, la información proporcionada por la propia Phillips es más fácil de conseguir, permitiendo desarrollar nuevos equipos que operen por control remoto; esto ha evitado que se altere drásticamente el protocolo. Se presentan algunas direcciones y comandos importantes: Dirección del Sistema (decimal) Equipo Televisor Teietexto Grabadora de Vídeo (VHS) Experimental Pre-amplificador Radio Reproductor de cintas de audio Experimental 18

26 Código de comando (decimal) Función (seleccionar canal) Stand by MasterVo!ume + Master Volume - Brillo + Brillo - Retorno rápido de cinta Avance Rápido de cinta Play Stop Grabar La Phillips introdujo posteriormente tres variaciones a su protocolo. La primera variación se llama trama "extendida" del estándar RC5, y se compone de: Bits de inicio (I), - Bit de Control (T), Bits de Dirección (D), y; Bits de Comando (C). I IL nisb C X T X D X D X D X D X D X C X C X C X C X C X C X Ish Básicamente la variación en esta trama está en el segundo bit, que ya no se usa como bit de inicio sino más bien como séptimo bit de comandos; así se piieden enviar hasta 128 comandos. La trama completa sigue usando 14 bits y dura ms. La segunda variación del estándar RC5 elimina el bit de control T obteniendo una trama que dura ms y es de solo 13 bits como se indica a continuación: I 1L nisb I 1L D X D X D X D X D X C X C X C X C X C X C X Isb 19

27 La tercera variación del estándar RC5 elimina el segundo bit de inicio, aumentando el número de comandos que se pueden enviar. Se obtiene una traína de solo 13 bits, que dura rns como se indica a continuación: I IL msb C X D X D X D X D X D X C X C X C X C X C X C X Isb La tendencia actual es tener mayor longitud de la trama, aumentando el número de bits para poder tener mayor número de comandos, principalmente por el aumento de la automatización de los procesos que pueden operarse en forma remota en todos los equipos de uso cotidiano. Este estándar alcanza distancias mínimas efectivas en sus controles remotos de al menos 5 metros en línea de vista. Entre los fabricantes que usan el estándar RC5 en algunos de sus equipos tenemos a Phillips, Pioneer, Canon, Curtís Mathis, Daewoo, General Electric, Instant Replay, Je Penney, Magnavox, Memorex, Olympic, Panasonic, RCA/PROSCAN y Sylvania. En el diseño del "Control remoto para PC" se usa la trama normal, pues al tener 2 bits de inicio se sincroniza de mejor forma el receptor y disminuye el número de tramas perdidas. Para tener mas información sobre el estándar RC5 se recomienda revisar el Anexo B y visitar las paginas en Internet: hrtp://www.kouvola.ksaok.fí/ aylatalo/ir/ y hr^://godot.tm:iv.szczecin.pl/~mjaskula/tomi/opto.html 20

28 CAPITULO II

29 II. SUBSISTEMA DE INTERFAZ DE TECLADO DEL COMPUTADOR PERSONAL Desde la aparición comercial de los computadores personales el teclado fue la entrada de datos primaria hacia el procesador del computador; sin embargo, en anos recientes los ingenieros han trabajado con el hardware del PC diseñando equipos periféricos que puedan reemplazar sus funciones y coexistir con el teclado. El presente capítulo analiza el funcionamiento de un subsistema del computador personal: el interfaz de teclado. Este análisis nos permitirá comprender su funcionamiento y posteriormente llevar a cabo el propósito de diseñar un nuevo interfaz infrarrojo que coexista con el interfaz estándar actual. Desde su creación, por parte de IBM, esta plataforma ha soportado tres tipos de teclados. El teclado XT, el teclado AT y los teclados de Multiftmción H Las primeras plataformas de PC, como el IBM XT., soportaban el teclado XT. Sin embargo, ya no son más compatibles con las nuevas como la AT y PS/2. Con el advenimiento de la plataforma ÁT se diseñó un nuevo teclado para soportarla; su diseño dio más control al computador sobre la operación del teclado que el que se tenía con su predecesor XT. El teclado AT se usa también en la plataforma PS/2; sin embargo, los dos teclados usan diferente conector físico y set de códigos. La tercera clase de teclados, el Multiñmción II (MF U), fue desarrollado a partir del teclado AT. El MF U tiene mejoras, su set es el estándar más usado en los sistemas de PC hoy día. El MF TI usa el mismo interfaz que el AT, pero tienen gran número de mejoras como los LEDs de estado y 18 o 19 teclas adicionales. Es común encontrarlo a nivel mundial en su versión de 101 teclas en la versión U.S. o 102 teclas en la versión Europea, Plataformas de software corno Windows, incluyen nuevas teclas, con nuevas funciones, automatizando más el manejo del PC. Por ejemplo, los teclados de uso especial de la plataforma Windows 98 poseen 107 teclas. Las nuevas funciones, permiten poner en reposo al computador, consumiendo solo el 50% de energía y apagando el monitor. Pueden identificarse dos partes que constituyen el subsistema: 1. El teclado, 2. Interfaz de teclado o puerto, propiamente dicho. 21

30 2.1 EL TECLADO Se utiliza para dar comandos y controlar la operación del PC. Consiste de una serie de interruptores activados por teclas, ubicados en un arreglo matricial para disminuir el número de líneas necesarias. Los nuevos teclados tienen teclas que actúan sobre membranas táctiles para darle más suavidad a su manejo. El teclado realiza las siguientes funciones: Adquirir las teclas oprimidas en la matriz, Codificar éstas en "códigos de rastreo", Transmitir los códigos, a través del cable, al interfaz de teclado en el computador; y, Recibir los códigos enviados por el computador. 2.1.a Adquisición de las teclas pulsadas Inicialmente los teclados disponían del hardware necesario para detectar la presión de una tecla, y mantener este dato hasta que una nueva tecla sea pulsada. Circuitos integrados como el Intel 8279 realizaban estas funciones. El circuito lee secuencialmente la matriz del teclado y cuando identifica una tecla pulsada genera una salida binaria de 8 bits, la que contiene información con respecto a cuál de las teclas flie presionada. La forma más sencilla para decodificar la pulsación de una tecla por hardware es usar un guipo de multíplexers y demultiplexers trabajando en armonía. Siempre debe haber una exploración constante de las líneas para determinar cuándo y cuál tecla se presiona; y, para eliminar los rebotes se genera un retardo cuando se detecta una tecla presionada; el retardo deber ser un poco más largo de lo que se calcula dura cualquier rebote. Este esquema básico no es adecuado, la mayor parte del problema ahora es resuelto por un solo circuito integrado. Los mayores problemas asociados a los teclados son dos: Múltiples presiones de teclas al mismo tiempo, en cuyo caso la solución es aceptar la primera o la última tecla presionada, o ignorar a todas las teclas pulsadas a la vez. Los rebotes producidos por los contactos mecánicos de las teclas de duración considerable en sistemas electrónicos y que podrían simular varias presiones de la misma tecla, cuando ha sido presionada una sola vez. Para solucionar este problema se necesitan generar ciertos retardos para estabilizar el sistema y se recomienda que sean de al menos 20 ms. Finalmente, algunas aplicaciones requieren determinar combinaciones especiales de teclas. Ü 22

31 Para resolver estos problemas e implementar nuevas funciones, se diseño el teclado AT con un microcontrolador (MCU). Los teclados XT se implementaron con el microcontrolador Litel 8048 y los teclados AT y MFH se han diseñado con variedad de niicrocontroladores. El teclado matricial de 16 teclas (Ángulo, 1997, pag 68) de la Figura 2.1, usa ocho líneas de un microcontrolador P1Q para su gestión. Las cuatro líneas de menos peso (RBO-RB3) actúan como salidas, y aplican un estado lógico a las cuatro columnas del teclado. En cambio las cuatro líneas de más peso(rb4-kb7) están configuradas como entradas y reciben los niveles lógicos sobre las filas del teclado. Mediante software, secuencialmente se pone a cero lógico una de las salidas, que se aplica a las columnas, y se lee el nivel lógico en las entradas (filas). Si ninguna tecla en esa columna esta pulsada, se debe leer un estado de alta en todas las entradas, y se pasa a activar la siguiente columna, en caso contrario, mía lectura de O lógico en cualquier entrada indica la pulsación de una tecla en la columna activada y fila correspondiente a la entrada en cero lógico. Así se determina la tecla pulsada. A cada tecla se le asigna un código que corresponde al valor actual de los pines que trabajan como filas y columnas. El programa que opera el microcontrolador se encarga de explorar continuamente la matriz de teclado; pero también es el llamado a eliminar los rebotes, detectar presiones simultaneas de varias teclas, trasmitir los códigos, repetir los códigos sí continua presionada una tecla, etc. Matriz de teclado RB% Vcc X2 Xü > g_fl 0 RB4j 1 f Vcc 1 xs RB^ i F" "~ VCC X9 RB6 f r "~.Vcc X1 X1Q >1CC- -í o o RB7 r' r L Fig. 2.1 r r xa X10 r"1"0- xu X? X1 1 r"1""- X1S xa X12

32 2.1.& Codificación de las teclas Durante la operación normal el microcontrolador del teclado continuamente verifica el estado de su matriz de teclas esperando por un evento como el presionar o soltar una tecla por parte del usuario. Cuando un evento ocurre, el microcontrolador descifra qué tecla fue pulsada, determina su posición dentro de la matriz y le asigna un único byte o secuencia de bytes llamada "Código de rastreo" mediante una tabla interna. El teclado entonces intenta transmitir el código de rastreo al interfaz de teclado. Cuando se oprime una tecla, el teclado envía un "código de rastreo" de presión y cuando se libera la tecla, se envía un código de liberación de la tecla, otro "código de rastreo". Si se oprime una tecla y luego otra es pulsada, el computador recibe el código de rastreo de presión de la primera tecla oprimida, a continuación el código de rastreo de la segunda tecla, primero su código de presión y después el código de liberalización de la tecla pulsada. Finalmente el código de rastreo de liberación de la primera tecla oprimida, de está forma el computador puede manejar las teclas SHIFT, ALT y Control. Los códigos que asigna el teclado no son similares a los AS Cu o algún otro set similar de códigos usados comúnmente en otros procesos en los computadores. Los códigos de rastreo son convertidos a códigos más comunes en un procesamiento interno del computador, después de haber pasado el procesamiento del interfaz de teclado. Un típico teclado AT es como el de la Figura 2.2, en el que se presentan también los códigos de rastreo de cada tecla en hexadecimal: 'ESCl f Fl V F2UF3 V F4 ^ L7B US Jl 06 II 04 Jl 00, Teclado AT (JT) (TíTi OA ffsti fpw] fftn f u] ^01 J (^09) ^78 J [_ 07 J F g. 2.2 Los teclados AT y MFII difieren únicamente en el superior número de teclas del MFU, problema resuelto por el MCU en. el teclado. 24

33 Por ejemplo en la plataforma AT, la tecla 'A1 tiene el código de rastreo 41C' (hexadecimal). Cuando se presiona la tecla A3, el teclado envía 1CJ a través del interfaz del teclado y si se mantiene presionada la tecla CA' suficiente tiempo, otro C1C' es enviado. Esto sigue ocurriendo hasta que otra tecla se presiona o la tecla t AJ se suelta. Al liberarse la tecla 'A', se envía el código de rastreo de liberación TO^exadecimal), para indicar que se soltó una tecla, y a continuación se envía el código de la tecla liberada que en este ejemplo es C1C5. El có.digo de cada tecla no cambia, aunque se presionen teclas como SHIFT, o ALT, etc; es el BIOS del computador quien determina las acciones necesarias. El teclado no procesa las teclas de Mayúsculas (CAPS), Bloque Numérico (NUM Lock) y Bloque de desplazamiento (Scroll Lock); cuando alguna de estas teclas se presiona se envía el código de rastreo correspondiente, entonces el BIOS del computador retorna un comando al teclado para encender el LED correspondiente. Esta es una de las razones de la comunicación bidireccional entre teclado e interfaz de teclado. El teclado XT tuvo solamente 83 teclas como consecuencia de una mala previsión; ésto provocó que el teclado numérico realizara dos acciones. Así los números compartían teclas de inicio, fín, flechas, Lis, Supr, RePág} etc, con la tecla Bloque Numérico para conmutar entre ellas (Abel, 1996, pag. 183). Para resolver este problema introdujeron el teclado extendido (AT), con 101 teclas; de las 18 teclas nuevas, solo dos, FU y F12, proporcionan una función nueva; el resto duplican la función de teclas en el teclado original. Plataformas de software recientes han aumentado el numero de teclas por supuesto usando teclados MFH. El teclado extendido y el numérico se presentan a continuación en la Figura 2.3: Teclado Extendido E012E07C El 1477E1F014F077 [ rjuejuwi f Ins } ÍHome] ÍPUpl IE070J leoeci l_e07dj Del End P Dn IE07-1J [E069J 1E07AJ EOBBj IE072J IE074. Fig. 2.3 Entonces, si bien existen actualmente al menos 101 teclas codificadas con 8 bits, esto hace posible 256 diferentes combinaciones, pero desafortunadamente el teclado extendido (AT) codifica algunas de sus teclas con dos códigos de rastreo, estas teclas son precedidas por EO 25

34 (hexadecimal). Inclusive algunas teclas como Pausa tienen 5 códigos de rastreo: #E1 #14 #77 #E1 #FO #14 #77, que representan una sola pulsación de la tecla. Imprimir Pantalla (Print Screen) tiene 4 códigos de rastreo para su presión y 5 para su liberación. Cuando una tecla en el teclado extendido se libera no se envía primero FO, como se esperaría, sino que se envía primero EO, después FO y finalmente el código de rastreo de la tecla liberada en esta sección del teclado. Por todas estas razones actualmente la mayoría de teclados comerciales soportan tres modos de operación y la elección de cualquier modo depende de la asignación de códigos de rastreo que se desea. Algunos teclados tienen un interruptor en su parte inferior para conmutar su modo de operación. En el modo 1 el teclado genera los códigos de rastreo de la plataforma XT. En el modo 2 trabaja añadiendo el prefijo EO en las teclas extendidas, y el prefijo FO se añade cuando se libera una tecla. En el modo 3 cada tecla tiene un único código de rastreo y cuando se libera una tecla se añade el prefijo FO. En el Anexo C se presenta los Códigos de rastreo estándar para un teclado MF u trabajando en el modo 2. 2,2 INTERFAZ DEL TECLADO El segundo componente de este subsistema une el teclado al computador. El interfaz tiene esencialmente 5 funciones: Alimentar de energía eléctrica al teclado. Transmitir los comandos del computador al teclado. Recibir las respuestas a los comandos del computador. Recibir los códigos de rastreo del teclado. Proveer un interfaz al sistema de bus de datos del computador. Todas estas funciones están integradas en un solo chip, que sirve como controlador del interfaz. Los primeros teclados AT, fueron diseñados con el Microcontrolador Intel 8042, en los nuevos AT, y PS/2, el Intel 8741 y el Intel 8742 son comúnmente usados. 26

35 El interfaz de teclado es de tipo serial, puede dividirse en dos partes (Motorola, 1995, pag. 7) como muestra la Figura 2.4: 1. Enlace de comunicaciones del teclado 2. Interfaz al sistema de bus del PC. Interfaz de Teclado p c s y s T E, U B U S OXGOWRTTE I r I 1 0X60 READ [ * i 1 1 CXSiWíílTE [ I 1 OXe^READ 1 * i ttiput BUFFEft OUÍPÜT BUFFER COfJTROL REGÍSTER STATUS RE&STER KEYBOARD CONTROLLER r ~ ~c- - I K o I M I y M I B u t l o " ' I A I N R C K 0 * T I ' í I KM2Jfl74líB742 WCROCOWTROLLER Fig. 2.4 N s n I I I I TO KEYBOARD I I I I I I p El enlace de comunicaciones no solo recibe y transmite datos del teclado, sino que también chequea errores y controla el flujo de los datos del teclado al computador. El interfaz al bus de datos del PC es un punto en el cual el PC interactúa con el teclado. El computador configura y monitorea el teclado mediante el interfaz, enviando comandos directamente al teclado o escribiendo comandos en el controlador del control de el interfaz. El interfaz de teclado consiste en un buffet de entrada, un buffer de salida y un controlador de teclado con registros de control y estado. Los registros de entrada y salida están en las direcciones 0x60 en el espacio del PC para entrada/salida(i/0). El buffer de entrada es accedido escribiendo en la dirección 0x60 mientras la lectura de la dirección 0x60 accede al buffer de salida. El computador lee la respuesta del teclado a comandos y los códigos de rastreo del buffer de salida. Los registros de control y estado del control del teclado están ubicados en la dirección 0x64 del PC, espacio asignado de entradas y salidas (I/O). El registro de estado del teclado se accesa en la lectura de la dirección 0x64, mientras que se accesa al registro de control en su escritura. El computador, envía los comandos al teclado escribiendo en el registro de control. Para los comandos de control, en que se requiere datos en adición al byte de comando, el computador escribe los datos requeridos en el bufifer de entrada. El computador 27

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