UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MEDELLÍN FACULTAD DE CIENCIAS ESCUELA DE FÍSICA. PhysicsSensor Mobile Edition- Módulo # 1: Interface de audio

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1 UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MEDELLÍN FACULTAD DE CIENCIAS ESCUELA DE FÍSICA PhysicsSensor Mobile Edition- Módulo # 1: Interface de audio M. Sc. Diego Luis Aristizábal Ramírez Ing. Físico Luis Londoño Ramírez HARDWARE LABORATORIO MÓVIL DE CIENCIAS NATURALES M e d e l l í n, C o l o m b i a

2 Interface de audio En éste módulo se describen los pasos necesarios para la construcción de la interface de audio, Figura 1, que acoplada al dispositivo móvil ANDROID permite un correcto funcionamiento de un micrófono externo, de la fotocompuerta y del generador de señales de PhysicsSensor. 1 Figura 1: Izquierda (interface de audio). Derecha: (interface de audio -encerrada en el óvalo rojo-) El módulo se divide en los siguientes temas: Elementos para la construcción de la interface de audio Construcción de la interface de audio Verificación del funcionamiento de la interface: Ejemplos 1. Elementos para la construcción de la interface de audio 1.1. Materiales En la Tabla 1 se listan los materiales necesarios para la construcción de la interface de audio. En la Figura 2 se ilustran las fotos de estos materiales.

3 Tabla 1: Materiales Cantidad Descripción Costo 2 Conector PCB Audio estereo 3,5mm Hembra US$ 0,78 1 Cable Conector TRRS (Triestéreo) US$ 1,20 1 Potenciómetro de precisión (trimmer) de 20KΩ US$ 0,49 1 Interruptor de 2 estados US$ 0,5 1 Placa de Circuito Impreso US$ 6,0 2 Conector PCB Audio Cable Conector TRRS Potenciómetro de precisión (Trimmer) Circuito impreso Interruptor deslizante SGB mm x 4 Figura 2: Fotos de los materiales

4 Las funciones que cumple cada elemento de la Tabla 1 se explican a continuación: Los conectores PCB de audio permiten la entrada y salida de señales al celular a través de otros dispositivos y equipos diseñados para interactuar con PhysicsSensor, estos pueden ser la fotocompuerta, el tubo de Kundt, el amplificador de señales, entre otros. El cable TRRS es claramente el conducto para el intercambio de información (señales). La funcionalidad que el trimmer permite a la interface de audio adaptarse a las características del equipo que se desea conectar, de forma que el procesador del teléfono celular pueda identificar qué tipo de dispositivo se ha conectado, de esta forma, al variar la resistencia, el equipo puede detectar la conexión de un dispositivo de entrada que en la mayoría de las actividades con PhysicsSensor, será la fotocompuerta. 3 Los elementos del sistema deben disponerse de la forma que indica la imagen del circuito impreso mostrado en la Figura 2, siendo este el elemento de conexión que brinda también el soporte físico necesario para la configuración de los componentes. Finalmente se encuentra el interruptor deslizante, el cual permite configurar el conector contiguo como canal de entrada o salida de señales. Nota: Es importante reconocer el tipo de conexión del plug de audio de los equipos móviles ya que existen dos estándares: OMTP y CTIA/AHJ. Éste último es el estándar empleado por la mayoría de los dispositivos ANDROID, no obstante, algunas especificaciones pueden variar de acuerdo al fabricante. La interface de audio de PhysicsSensor para dispositivos móviles se ha probado con las marcas de fabricantes que se presentan en la Tabla 2, indicando además si su funcionamiento fue el esperado, sin embargo, debe considerarse que la evaluación se realizó con modelos nuevos y que es posible que se presenten excepciones sobre otra línea de la marca. Tabla 2 Funcionó Adecuadamente No Funcionó Samsung LG Huawei Sony Lenovo Mi Motorola Blu 1.2. Esquema del circuito de la interface de audio de PhysicsSensor En la imagen de la Figura 3 a la izquierda se presentan el diagrama eléctrico del circuito y a la derecha el esquema de la impresión sobre placa. En el primero, los conectores JP1, JP2 y JP3 representan la entrada de las líneas del cable al circuito, mientras que los elementos P1, P2 y P3 corresponden a los pines de conexión del interruptor deslizante.

5 4 Diagrama eléctrico Esquema de impresión Figura 3: Esquema del circuito de la interface de audio 1.3. Identificación de los sectores de conexión Los conectores Jack son empleados en la mayoría de los sistemas de transmisión y recepción de audio. En el caso de los dispositivos móviles (teléfonos celulares y tabletas), estos conectores constan de 4 regiones unidas a cada uno de los elementos que conforman un dispositivo manos libres, como se muestra en la Figura 4: 1 (Parlante izquierdo), 2 (Parlante derecho), 3 (Tierra), 4 (Micrófono). Figura 4: Jack para los dispositivos móviles

6 2. Construcción de la interface de audio de PhysicsSensor 2.1. Construcción del cable de la interface de audio Para construir el cable se procede de la siguiente manera: Cortar el cable TRRS de forma que quede un extremo con conector y el otro sin él. Identificar los cables correspondientes a cada uno de los segmentos. Para ello se utiliza un multímetro en modo de prueba para continuidad y se procede como se indica a continuación: 5 Retirar el aislante de caucho hasta que sobresalgan los cables de conexión (aproximadamente 3 cm). Retirar el recubrimiento aislante de los cables, esto se realiza quemando las puntas de cada uno, de forma que se evapore el esmalte y quede expuesta la parte conductora, teniendo cuidado de que sólo sea descubierta una sección de 5mm aproximadamente para cada cable. Limpiar los extremos de los cables hasta que pueda apreciarse el brillo del cobre o del material conductor con el cual está fabricado. Tocar con una de las puntas del multímetro la sección 1 del Jack, mientras con la otra se tocan los extremos de los cables (uno a la vez) que sobresalen en el lado de los audífonos. El cable correspondiente a esta sección se reconocerá cuando el multímetro emita un sonido, indicando la unión al sector del Jack que está en contacto con la otra punta del instrumento. Repetir el paso anterior para cada uno de los sectores restantes Conexiones sobre la tarjeta impresa Una vez identificados los sectores del conector, se realizan las conexiones sobre el circuito impreso con la disposición que se muestra en el screen. Vista superior (Disposición) Vista inferior ampliada (Conexiones) Figura 5: Esquema de disposición y conexiones

7 La Figura 5 izquierda presenta la vista superior del dispositivo en la que se observa cómo están dispuestos los elementos en el circuito. En el orificio marcado como JP2, orificio de la izquierda, se ubica el cable de tierra, en el siguiente debe conectarse la línea del parlante derecho y por último el cable unido a la sección del micrófono del conector Jack. También se muestra en la figura la ubicación del trimmer y el interruptor, este último en la posición marcada como R1 en la carátula del circuito impreso. La Figura 5 derecha muestra las conexiones de los componentes en el circuito sobre la placa. 3. Verificación del funcionamiento de la interface: Ejemplos 6 Como se dijo anteriormente, la interfaz permite la entrada y salida de señales desde un dispositivo móvil, debido a esto, es necesario realizar las siguientes pruebas para verificar que funciona correctamente Modo de una entrada y una salida En esta disposición, el interruptor deslizante debe estar ubicado como se indica en la Figura 5 izquierda. La configuración de este modo asigna al Jack 1 la función de entrada y al Jack 2 la función de salida. Para comprobarlo, se puede emplear el Tubo de Kundt de PhysicsSensor (ver módulo # 9 del hardware de PhysycsSensor) como equipo de prueba. La conexión con el Tubo de Kundt se realiza de la siguiente forma y como se muestra en la Figura 6: Un cable de audio entre el conector Jack 1 y el micrófono del tubo: ésta es la entrada de la señal que recibe el dispositivo. Un cable de audio entre el conector Jack 2 y el parlante del tubo: ésta será la vía para enviar una señal a un medio externo. Figura 6: Tubo de Kundt acoplado al teléfono celular a través de la interface audio

8 Posteriormente, se ingresa a la aplicación PhysicsSensor del dispositivo móvil y se hace clic en el botón GENERAR SEÑAL, Figura 7 izquierda: se despliega la pantalla de la Figura 7 centro. Generar un sonido de Hz, Figura 7 derecha. 7 Figura 7: Generador de Señales armónicas de PhysicsSensor Pasar al Panel Sonómetro y proceder a detectar la señal, Figura 8. Desplazando el pistón del tubo de Kundt, debe variar la intensidad de la señal (y obviamente el nivel de intensidad en decibles). En la Figura 9 se ilustra el nivel de intensidad sonora registrada por el sonómetro para dos posiciones diferentes del pistón. Figura 8: Sonómetro

9 Posición 1 8 Posición 2 Figura Modo para entrada doble Para configurar el Jack 2 como una entrada de señal, el interruptor debe situarse en la posición contraria a la de la Figura 5 izquierda. IMPORTANTE: En esta configuración es posible que se deba ajustar el trimmer de forma que el dispositivo móvil pueda identificar adecuadamente la señal de entrada, para ello, se puede emplear un destornillador de pala pequeño con el cual se girará el mando del trimmmer como ilustra la Figura 10 Figura 10: Ajuste del trimmer

10 Este procedimiento se debe realizar conjuntamente con las instrucciones que se indican a continuación, hasta que la señal obtenida en la pantalla del dispositivo móvil tenga el aspecto que se muestra en la Figura 12. Los pasos en el mando del trimmer se pueden efectuar cada tres giros completos, es decir, se realizan los tres giros iniciales en uno de los sentidos y si la imagen no satisface el aspecto de la Figura 12, se realiza de nuevo el procedimiento efectuando tres giros más.: por cada vez que se realicen los giros, es conveniente desconectar el cable del dispositivo móvil y seguidamente volver a conectarlo con el fin de reiniciar la detección de la interface de audio de acuerdo a la nueva configuración. Si al finalizar este procedimiento no se presentan los resultados esperados, se invierten los sentidos de giro siguiendo las mismas instrucciones. Para verificar el funcionamiento de esta configuración, se emplearán dos fotocompuertas, cada una conectada a través de los Jack con la interface de audio para PhysicsSensor 9 Figura 11. El LED de cada fotocompuerta se alimentará con un adaptador de 5 V a la red eléctrica. Figura 11 La prueba consiste en dejar caer la regla-cebra de forma que atraviese la región entre el led y el receptor de cada fotocompuerta y comprobar que la señal fue detectada por el instrumento. El proceso anterior se llevará a cabo siguiendo los pasos a continuación: Hacer clic en el botón SONOSCOPIO de la aplicación PhysicsSensor y en la pestaña de control seleccionar el Modo 2, de esta forma la aplicación queda dispuesta para realizar una captura de señales en un lapso de 2 segundos. Preparar la ubicación de la regla para que caiga pasando por ambas fotocompuertas. Aquí es conveniente encargar a una persona par soltar la regla mientras que otra controla la aplicación. A continuación se debe activar el botón capturar y soltar la regla para que cada fotocompuerta envíe sus señales al equipo. Es necesario tener en cuenta que la aplicación estará en modo de captura durante dos segundos, en ese tiempo la regla debe atravesar ambas fotocompuertas. Pasar ahora a la pestaña Sonograma: en ella se desplegarán las señales de ambas fotocompuertas como muestra la Figura 12. Inicialmente las señales se presentan como muestra la imagen de la izquierda, pero se puede realizar un aumento en el área de interés hasta obtener una imagen similar a la figura de la derecha.

11 10 Señal Original Figura 12 Señal Aumentada Una vez realizados los pasos anteriores y luego de verificar que los resultados son los que se indicaron en las figuras, se hace una última comprobación, esta vez con cada entrada funcionando individualmente. Para esto conectar sólo una fotocompuerta en uno de los Jack y seguir el mismo procedimiento, luego hacerlo para el otro Jack. El resultado debe ser similar al mostrado en la Figura 13. Figura 13