Apuntes de: Sistemas embebidos (2009)

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1 Apuntes de: Sistemas embebidos (2009) Tema 3 (c) Benito Úbeda Miñarro; José Santa Lozano ABSTRACT Descripción de las técnicas de interconexión mas habituales. Medios de transmisión mas usados y sus características.

2 TÉCNICAS DE INTERCONEXION Contenidos 3.1. Conceptos de transmisión digital por línea en banda base Puertos serie normalizados: RS232, RS422, Infrarrojos, USB Buses de interconexión: RS485, CAN, Ethernet Transmisión por canales paso banda Introducción a la transmisión inalámbrica. Técnicas RFID 2

3 Universidad de Murcia 07BN.- SISTEMAS EMBEBIDOS Apuntes del profesor: Benito Úbeda; José Santa 3.1. Conceptos de transmisión digital por línea en banda base Introducción Un sistema embebido normalmente no es un sistema aislado, sino que necesita comunicarse con el entorno para obtener y enviar información. Lo habitual es que dicho sistema se construya a partir de una placa base, donde se aloja el chip que contiene la CPU, los chips de memoria y todos aquellos que realizan el resto de tareas necesarias, los componentes electrónicos externos, etc. La interconexión entre dicha placa y el exterior se lleva a cabo mediante conexionado por cable o por radio. Es habitual el empleo de conectores físicos de diseño estándar en función del tipo de conexión: DB9, IDC, PC104, etc. En un sistema embebido, las necesidades de interconexión suelen ser múltiples. Algunos ejemplos típicos son: - Captura de información de sensores. - Envío de información a los actuadores. - Envío de información a los dispositivos de presentación. - Interconexión dentro de una red. - Etc. En todos los casos se emplea información basada en señales eléctricas, en formato analógico o digital y como en tantos otros aspectos es necesario una labor de normalización y estandarización para poder universalizar el uso de dichos dispositivos. Las señales eléctricas se propagan a través de los denominados Medios de Transmisión a velocidades próximas a la velocidad de la luz. Habitualmente empleamos propagación a través de cables metálicos, de fibras ópticas y comunicaciones inalámbricas. Las necesidades de interconexión son amplias y variadas. Así podemos hablar de comunicaciones: - A nivel de placa PCB: Se caracteriza por distancias de interconexión muy cortas. Se emplean las denominadas pistas de cobre fabricadas sobre un sustrato aislante como es la fibra de vidrio. Según la anchura de estas pistas, la 3

4 longitud y la forma física se obtienen los parámetros eléctricos deseados. La interconexión entre circuitos integrados alojados en la misma placa PCB, a veces se lleva a cabo mediante protocolos específicos de transmisión serie, tal es el caso del bus I2C o el bus SPI. Figura Conexiones entre componentes electrónico realizadas mediante pistas de cobre impresas en una placa de fibra de vidrio u otro material aislante. - Interconexión de placas o módulos, dentro de un mismo dispositivo: Se suelen emplear cables de corta distancia o también sistemas de interconexión del tipo back plane bajo estándares tipo bus VME, PCI, etc. La comunicación puede ser serie o paralelo. Figura Conexionado del modulo sensor GNSS DG16 de Magellan Navigation - Entre dispositivos a distancias cortas y medias: Se suele emplear cableado con transmisión serie o paralelo. La transmisión inalámbrica también se ha 4

5 Universidad de Murcia 07BN.- SISTEMAS EMBEBIDOS Apuntes del profesor: Benito Úbeda; José Santa convertido en una opción de primer nivel bajo cualquier estándar conocido, DSRC, WiFi, RFID, Bluetooth,... Figura Sistema de test y medida de un modulo electrónico de Tektronix - Entre dispositivos a distancias largas: Se empelan comunicaciones bajo formatos de transmisión serie. Las técnicas habitualmente empleadas para compartir el medio de transmisión entre varios usuarios son: TDMA, FDMA, CDMA. Esta técnica de acceso multiple son empleadas tanto en transmisión por cables metálicos, por fibra óptica y por radio. - Etc. En el ámbito de la electrónica y las telecomunicaciones una interfaz (electrónica) es el puerto (circuito físico) a través del que se envían o reciben señales desde un sistema o subsistemas hacia o desde otros. No existe un interfaz universal, sino que existen diferentes estándares (Interfaz USB, interfaz SCSI, etc.) que establecen especificaciones técnicas concretas (características comunes), con lo que la interconexión sólo es posible utilizando el mismo interfaz en origen y destino. En materia de hardware encontramos términos que se refieren a las interfaces: puerto, puerto de datos, bus, bus de datos, slot, slot de expansión. En transmisión digital se establece una estructura de capas que van desde el nivel físico hasta el nivel lógico de presentación. En los sistemas embebidos mas sencillos es necesario tener un conocimiento profundo del nivel físico y los primeros niveles lógicos. 5

6 Figura Estructura de niveles o capas empleados en comunicaciones digitales Todas las comunicaciones que se llevan a cabo entre dispositivos emplean señales eléctricas que se propagan a través de los medios de transmisión. Todas las señales son formas de onda que existen para cualquier instante de tiempo (Función matemática continua en el tiempo), tanto las denominadas analógicas como las digitales. Esto es, en cada instante de tiempo existe un valor finito de tensión o de corriente en un determinado punto de medida. En el caso de la señales digitales, se realiza la medida de la tensión en determinados instantes de tiempo y de acuerdo con un criterio de decisión se estima si el valor medido se corresponde con un 1 o un 0 para el caso binario. Figura Señal digital banda base con ruido añadido Las señales que contienen la información a transmitir presentan unos niveles de tensión y de corriente y poseen un determinado espectro de frecuencias, denominado banda base. Figura Densidad espectral de potencia típica de una señal banda base con ancho de banda BW=2f c (espectro bilateral) 6

7 Universidad de Murcia 07BN.- SISTEMAS EMBEBIDOS Apuntes del profesor: Benito Úbeda; José Santa Recordemos que una señal digital es una secuencia de símbolos construidos mediante pulsos de tensión discretos y discontinuos, donde cada pulso es un elemento de la señal, conocido como símbolo. Los datos binarios se transmiten codificando cada bit de datos o cada conjunto de N bits de datos en un símbolo construido con una señal eléctrica. En el caso más sencillo, habrá una correspondencia uno a uno entre los bits y dichos elementos. A continuación se comentan algunos aspectos importantes relacionados con la transmisión de señales. Señal polar frente a bipolar. Si los símbolos se construyen con señales que varían su tensión pero no cambia su signo, hablamos de codificación unipolar. Ejemplo, TTL, donde el 1 lógico se representa por un pulso de 5V y el 0 lógico se representa con un pulso de cero voltios. Por el contrario, en una señal polar, un estado lógico se representará mediante un nivel positivo de tensión (+V) y el otro, mediante un nivel negativo (-V). Velocidad de transmisión en bits por segundo. La medida del flujo de información la denominamos la velocidad de transmisión y viene expresada en bits por segundo. También es conocida como Régimen binario, Rb. En modo binario, éste depende de la duración o longitud del pulso que representa un bit, T b que y se define como: R b = 1 T b bps Si empleamos codificación multinivel mediante un conjunto de N símbolos, donde cada uno tiene una duración T s segundos y representa L=log 2 (N) bits, entonces, el R b vendrá dado por: R b = 1 T b Log 2 (N) bps Este es el método empleado para conseguir sistemas de transmisión con una alta eficiencia espectral, es decir, máximo numero de bits transmitidos por unidad de ancho de banda empleado en su transmisión. 7

8 Transmisión síncrona versus transmisión asíncrona. En el caso de la transmisión síncrona, se necesita una señal de reloj (CLK) que se encarga de controlar que cada símbolo transmitido se haga en el instante exacto que la señal de reloj lo indica. Se suele emplear la detección de los flancos de subida o bajada de la señal CLK. Este método es muy robusto, pero necesita un cable adicional o un circuito de recuperación de reloj bastante complejo. Ejemplos típicos usados en microcontroladores son el bus SPI y el I2C. La transmisión asíncrona nos evita la transmisión de la señal de reloj, pero a cambio de emplear relojes muy precisos y mecanismos de sincronización sofisticados. Es mas eficiente en cuanto a la necesidad de ancho de banda pero no se consiguen grandes tasas de transferencia de datos. Casos típicos de comunicaciones asíncronas empleadas en sistemas embebidos son el puerto RS232 y el RS485. Codificación de línea. Los códigos de línea fueron desarrollados para mejorar las prestaciones de los sistemas de transmisión, en especial la necesidad de sincronización de relojes del transmisor y receptor, la modificación del espectro de transmisión para evitar la componente continua, mejorar la inmunidad al ruido, etc. El esquema de codificación es simplemente la correspondencia que se establece entre los bits de los datos con los elementos de señal. 8

9 Universidad de Murcia 07BN.- SISTEMAS EMBEBIDOS Apuntes del profesor: Benito Úbeda; José Santa Figura Algunos tipos de codificadores de línea empleados: NRZ-L, NRZI, AMI bipolar, pseudoternaria, Manchester, Manchester diferencial. En la figura 3.7 se muestran de arriba hacia abajo algunos de lo códigos de línea mas extendidos: No retorno a cero (NRZ-L) o 0 = nivel alto o 1 = nivel bajo No retorno a cero invertido (NRZI) o 0 = no hay transición al comienzo del intervalo (un bit cada vez) o 1 = transición al comienzo del intervalo Bipolar AMI o 0 = no hay señal o 1 = nivel positivo o negativo, alternadamente Pseudoternaria o 0 = nivel positivo o negativo, alternadamente o 1 = no hay señal Manchester o 0 = transición de alto a bajo en mitad del intervalo 9

10 o 1 = transición de bajo a alto en mitad del intervalo Manchester diferencial o Siempre hay una transición en mitad del intervalo o 0 = transición al principio del intervalo o 1 = no hay transición al principio del intervalo B8ZS o Igual que el Bipolar-AMI, excepto que cualquier cadena de ocho ceros se reemplaza por una cadena que tiene dos violaciones al código. HDB3 o Igual que el Bipolar-AMI, excepto que cualquier cadena de cuatro ceros se reemplaza por una cadena que contiene una violación al código Medios de transmisión Se entiende por medio de transmisión al soporte material o no material empleado para conducir las señales electromagnéticas desde el transmisor al receptor. Por un determinado medio se puede propagar la señal en su banda base (BB) o una versión de ésta desplazada en frecuencia en torno a una frecuencia de portadora, fc. En este caso se denomina transmisión por canales paso banda. En un principio podemos hablar de sistemas de transmisión por línea y de sistemas de transmisión inalámbricos. Los primeros emplean medios capaces de confinar la energía electromagnética dentro de una determinada zona mediante el empleo de conductores metálicos, cables, o mediante el empleo de materiales aislantes de determinada constante dieléctrica, fibra óptica. Los segundos emplean el espacio libre, que tiene una constante dieléctrica semejante a la del vacío, ε 0. También hacen usos de la capacidad que tiene las antenas para concentrar la energía electromagnética radiada, directividad, como instrumento para propagar las señales electromagnéticas en determinadas direcciones. Dentro de modelo general de un sistema de comunicación, el módulo que engloba al Medio de transmisión se sitúa entre el del transmisor y el del receptor. Aquí la señal sufre diferentes degradaciones tales como: Atenuación, distorsión, dispersión, ruido, interferencias, etc. 10

11 Universidad de Murcia 07BN.- SISTEMAS EMBEBIDOS Apuntes del profesor: Benito Úbeda; José Santa En este tema, se va a describir algunos de los sistemas físicos empleados para transportar las señales electromagnéticas con la información, caracterizándolos según su comportamiento ante diversas anomalías que sufre la señal. En una primera clasificación podemos hablar de : Medios guiados: Cables metálicos y fibra óptica Medios no guiados: Transmisión por radio. A través de ambos se transmiten señales de naturaleza electromagnética con una determinada potencia y un determinado espectro de frecuencias ocupado. No todos los medios de transmisión presentan la misma respuesta en frecuencias, aunque casi siempre semejante a la de un filtro paso bajo, es decir, a mayor frecuencia, mayor atenuación sufrida por la señal. A la hora de elegir qué medio de transmisión se emplea se deben tener en cuenta diversos factores: Ancho de banda o margen de frecuencias capaz de transmitir. A mayor ancho de banda mayor velocidad de transmisión. Atenuación: La atenuación limita la longitud máxima de las secciones de repetición. En los cables suele venir expresada en db/m, db/100m o db/km. Protección contra Interferencias. Las posibles interferencias de señales externas dentro de la misma banda de frecuencias puede causar graves efectos en la transmisión de nuestras señales. En entornos con gran nivel de posibles señales interferentes será necesario el empleo de cables con buen nivel de apantallamiento. Dispersión: Cuando las distintas componentes de frecuencia que forman una señal digital se propagan a diferentes velocidades, se produce el efecto de la dispersión que provoca errores en el receptor. 11

12 Figura Efecto de redondeo de los pulsos que llegan al receptor debido a la dispersión Criterios técnicos y económicos. Por ejemplo, la fibra óptica es mas económica que el cable coaxial y además permite mayor velocidad, pero los interfaces electro-opticos son costoso, lo que hace que el cable coaxial sea la opción elegida. Otro ejemplo es el caso de las comunicaciones por satélite o móviles, donde solo es posible la transmisión por radio Teoría básica de Líneas de Transmisión En el diseño de circuitos digitales de alta velocidad es necesario aplicar la teoría de líneas para poder simular y analizar el comportamiento de los circuitos. El estudio del comportamiento de los medios de transmisión, desde un punto de vista eléctrico se conoce como Teoría de LINEAS de TRANSMISIÓN. Una línea de transmisión se forma mediante dos hilos metálicos por los que circula una corriente eléctrica de I amperios, aportada por un generador. Dicha corriente se pretende hacerla circular a través de una carga, de impedancia Z L situada al otro extremo de la línea de transmisión. Para que la corriente retorne al generador se hace necesario un segundo hilo conductor, formando así la una línea de transmisión mediante un par de hilos conductores. 12

13 Universidad de Murcia 07BN.- SISTEMAS EMBEBIDOS Apuntes del profesor: Benito Úbeda; José Santa Figura Conexión de generador a una carga a través de una línea de transmisión Hasta aquí ningún problema si no es porque la corriente I(x) representa una señal armónica de frecuencia, f, amplitud, I(x) y fase φ. Cuando la longitud de la línea de transmisión es mucho menor que la longitud de onda de la señal que se propaga, el problema de resolver la potencia disipada en la carga se resuelve de manera muy simple, aplicando las ecuaciones básicas de teoría de circuitos, tales como la Ley de Ohm, V=IR o la expresión de la potencia P=kVI. Sin embargo cuando la longitud de la línea se hace comparable a la longitud de onda, los resultados obtenidos por el procedimiento anterior ya no son válidos. Es necesario emplear otro modelo para la línea de transmisión. Dicho modelo es el denominado modelo de constantes distribuidas, frente al clásico de constantes concentradas. Consiste en suponer la línea de transmisión compuesta por infinitas células de constantes concentradas, que para el modelo de línea sin perdidas se trata de células LC, tal como se muestra en la figura Vemos que el valor de las capacidades y de la inductancias viene expresado en Faradios y Henrios por unidad de longitud. A estos valores se les denomina constantes primarias. 13

14 Figura Modelo de línea de transmisión sin perdidas. Si la línea presenta perdidas, el modelo se complica añadiendo elementos resistivos en serie con las inductancias y en paralelo con las capacidades. Aún así este modelo de constantes primarias no es muy versátil para trabajar con el y se recurre entonces a definir unas constantes secundarias mas adecuadas: La Impedancia característica de la línea de transmisión ( Z 0 ) y la constante de propagación. Que expresan valores relacionados con la capacidad para la transmisión de las señales de un determinado cable: Reflexiones, atenuación y desfase. Estos valores, en algunos casos dependen de la frecuencia. Los efectos de las reflexiones en la transmisión de datos pueden hacer que se incremente la tasa de errores y sea imposible su utilización. En la figura se muestra la captura de una señal digital afectada por reflexiones. Figura Señal degradada por múltiples reflexiones 14

15 Universidad de Murcia 07BN.- SISTEMAS EMBEBIDOS Apuntes del profesor: Benito Úbeda; José Santa Medios de Transmisión Guiados Los sistemas de transmisión por línea emplean como medios de transmisión los diferentes tipos de cables: Cable de pares, par trenzado, cable coaxial, fibra óptica, etc. En los medios de transmisión guiados, la capacidad de transmisión, tanto en ancho de banda como en velocidad de transmisión, depende críticamente de la distancia así como si el medio se emplea para transmisión punto a punto o punto-multipunto, caso de una red de área local. En la tabla 1 se muestran algunas de las características de estos medios para una transmisión punto a punto. Tipo de cable Velocidad de transmisión tipica Ancho de banda tipico Longitud sección de repetición Par trenzado 4 Mbps 3 MHz 2 a 10 Km Cable coaxial 500 Mbps 350 MHz 1 a 10 Km Fibra óptica 2 Gbps 2 GHz 10 a 100 Km Tabla 1 Existen multitud de tipos de cables comerciales, la mayoría de ellos normalizados por organismos dedicados a la estandarización, para aplicaciones especificas. Todos los cables se basan en la inclusión de un único par de cobre o de múltiples pares para así incrementar la capacidad. Par Trenzado Figura Aspecto de un cable de par trenzado. Es un tipo de cable económico y quizá el más ampliamente utilizado en la actualidad en redes de área local. 15

16 Se trata de un par de hilos de cobre aislados trenzados formando una espiral con un paso determinado. Su impedancia característica suele ser alta y en los empalmes se producen desadaptaciones de impedancia lo que provoca reflexiones. No es apto para propagar señales de muy alta frecuencia. El motivo de trenzar los hilos es para aumentar su escasa inmunidad al las fuentes de ruido externo y asimismo provocar menor señal interferente electromagnética, EMI. Junto con el trenzado, se suele recurrir a configuraciones de tensión balanceadas para aumentar la inmunidad a señales interferentes. Figura Generador de seña balanceada como driver de línea Es fácil de conectar y de bajo coste. En función del nivel de protección contra interferencias, los cables de pares trenzados sin malla de protección, UTP, se encuentran normalizados en 5 categorías, de las cuales, la mas empleada en la actualidad en el cableado de redes de área local es el UTP-categoría 5. Este acepta hasta 100 Mbps de velocidad binaria. Esta compuesto por 4 pares de cobre trenzados, con una trenza cada centímetro. A la velocidad de 16 Mbps posee una atenuación de 8.2 db/100m mientras que a 100 Mbps posee una atenuación de 22dB/100m. Cable Coaxial Existe una amplia variedad de tipos de cable coaxial. En general es el medio con mejores prestaciones desde el punto de vista de: 16

17 Universidad de Murcia 07BN.- SISTEMAS EMBEBIDOS Apuntes del profesor: Benito Úbeda; José Santa Atenuación Facilidad de interconexión. Protección frente a interferencias Ancho de banda. En la figura 3.14 se muestra la estructura típica de un cable coaxial. Figura Estructura de un cable coaxial Y en la figura 3.15 se muestra la apariencia de diferentes tipos de cables coaxiales comerciales. Figura Apariencia de diferentes cables coaxiales Los parámetros mas importantes que definen un cable coaxial son su impedancia característica, Z 0 y su atenuación. La Z 0 de un cable es una función de sus dimensiones físicas y de la constante dieléctrica del material dieléctrico empleado en su construcción. Z 0 = 60 Ln b Ohmios ε r a En la figura 3.16 se muestra la sección de un cable coaxial con diámetro del conductor interior 2a y diámetro del conductor exterior igual a 2b. El dieléctrico de que se 17

18 encuentra relleno tiene una constante dieléctrica relativa ε r, que en el caso típico del teflón tiene un valor de 2.1 Figura Sección de un cable coaxial Por otro lado, la atenuación que un cable introduce a la señal es función de la conductividad de los metales con que está fabricado, de la calidad del dieléctrico y también de sus dimensiones físicas y por tanto de su impedancia característica. Las perdidas debidas a los conductores vienen expresadas por db/m donde es la parte real de la impedancia superficial del conductor. Depende de la frecuencia y de la conductividad del metal. Analizando estas expresiones vemos que las perdidas debidas a los conductores es proporcional a la raíz cuadrada de la frecuencia, k. Cables típicos muy usados son los siguientes: Denominación Z 0 Ω, Velocidad de Propagación Atenuación db/100m (10 MHz) Atenuación db/100m (100 MHz) RG 58 U c RG 174 U c RG 218 U c Tabla 2 18

19 Universidad de Murcia 07BN.- SISTEMAS EMBEBIDOS Apuntes del profesor: Benito Úbeda; José Santa Línea de Fibra óptica Por ser un medio de transmisión totalmente dieléctrico (aislante), la fibra óptica presenta ciertas características cuando se compara con los medios de transmisión convencionales, basados en conductores metálicos. Las propiedades básicas de una fibra óptica son: bajas pérdidas. Gran ancho de banda diámetro pequeño. bajo peso radio de doblez pequeño (small bending radius) inmunidad contra perturbaciones electromagnéticas. Esto hace que sea un medio de transmisión muy útil con características tales como: espaciamiento largo del repetidor amplia capacidad de transmisión simplicidad de instalación A continuación realizamos una breve comparación entre los cables convencionales y las fibras ópticas: Atenuación. Las fibras ópticas comparadas con los cables metálicos poseen unas atenuaciones extremadamente bajas. Mientras en un cable multipar, calibre 0.4 mm, se pueden presentar atenuaciones de 1.6 decibelios en un Km, hoy en día se han logrado fibras ópticas con atenuaciones de 0.1 decibelios por kilómetro. Capacidad de transmisión La fibra óptica tiene una capacidad superior de transmisión comparada con los sistemas de cables metálicos; en éstas se puede transmitir en el orden de los 19

20 Gigabit/seg, mientras que en los cables de cobre se logra trasmitir solamente en los Megabits/seg. Interferencias electromagnéticas Las fibras ópticas son inmunes a las interferencias originadas por otros sistemas eléctricos. Una fibra óptica puede ser instalada en líneas de alta tensión y no sufrir ninguna influencia de los campos electromagnéticos que éstas generan. El cable metálico ante la presencia de un campo electromagnético introduce ruidos y diafonías en la comunicación. Reducción del peso y tamaño del cable Un cable de 6 fibras ópticas puede tener un diámetro exterior de 8 a 10 mm y ofrecer la misma capacidad de transmisión de información de 10 cables de pares de cobre. En cuanto al peso del cable de fibra, se pueden obtener 300 kgr/km, pudiéndose así transportar varios kilómetros de cable en una misma bobina. No sucede lo mismo con un cable metálico multipar, donde un solo metro de él puede pesar hasta 8 Kgs o más. Materia prima La materia prima fundamental empleada en la fabricación de la fibra óptica es el Dióxido de silicio (SiO 2 ), elemento muy abundante en la naturaleza pues forma una cuarta parte de la corteza terrestre. Seguridad Puesto que las fibras ópticas no irradian energía electromagnética, la señal por ellas transmitida no puede ser captada desde el exterior, por esto algunas aplicaciones militares apoyan en esta propiedad para incrementar la seguridad de las comunicaciones. Coste Sin embargo, el coste de circuitería necesaria para la conversión electro óptica sigue siendo excesivamente alto, lo que reduce el empleo de las líneas de fibra a las denominadas líneas troncales de alta capacidad. En la figura 3.17 se muestra la estructura de una fibra óptica. 20

21 Universidad de Murcia 07BN.- SISTEMAS EMBEBIDOS Apuntes del profesor: Benito Úbeda; José Santa Figura Aspecto de un cable de fibra óptica La propagación guiada de las señales electromagnéticas a través del núcleo dieléctrico que compone la fibra se lleva a cabo mediante un cuidado diseño de parámetros tales como la constante dieléctrica y el diámetro del núcleo. En la figura 3.18 se muestran los posibles perfiles de variación del índice de refracción, empleados típicamente en las fibras comerciales: Salto de índice e índice gradual Figura Estructura de las fibras ópticas: Salto de índice e índice gradual. Multimodo y monomodo. 21

22 En función del diámetro del núcleo se consigue que la energía electromagnética se propague mediante una única posible configuración o modo de los campos eléctrico y magnético (monomodo) o mediante varias posibles configuraciones, multimodo. Se tienen por tanto, las denominadas fibras monomodo y fibras multimodo. Esto afecta principalmente a la dispersión, mostrada en la figura 3.18 como un ensanchamiento de los pulsos digitales introducidos a la entrada. La propagación monomodo es la que emplea un diámetro de núcleo mas pequeño y por tanto tecnológicamente mas difícil de conseguir. Es la menos dispersiva y en la actualidad la que se prefiere por sus grandes ventajas, entre otras la gran longitud de las secciones de regeneración. La atenuación de la fibra varía, actualmente, entre 0.2 y 5 db/km en el rango de longitud de onda de µm. Un factor principal causante de pérdida es la absorción. En la figura 3.19 se muestra la típica curva de atenuación total. Figura Curva de atenuación total en las fibras ópticas: Ventanas de utilización. En la figura 3.20 se muestran las denominadas ventanas de frecuencia en que trabajan los sistemas de comunicaciones por fibra óptica. 22

23 Universidad de Murcia 07BN.- SISTEMAS EMBEBIDOS Apuntes del profesor: Benito Úbeda; José Santa Figura Ventanas de frecuencia empleadas en la transmisión por fibra óptica Lo que encarece principalmente a los sistemas por fibra óptica son los interfaces eléctrico-óptico y los óptico-eléctrico y la electrónica que conllevan. Como fuentes de luz que se suelen emplear en los sistemas de transmisión por fibra óptica tenemos: El diodo LED ( Light emitting diode ) y el diodo laser, LD ( Laser diode ). Ver figura Figura Estructura de los emisores de luz y los detectores de luz. Los convertidores O/E (opto-eléctricos) adecuados son los fotodiodos PD ( Photo diode) y los fotodiodos de avalancha, APD (Avalanche photo diode). La figura 3.22 se muestra un típico dispositivo receptor de fibra óptica basado en un fotodiodo. Figura Receptor óptico. Configuración Básica 23

24 3.2. Puertos serie normalizados: RS232, RS422, Infrarrojos, USB. El empleo de la transmisión digital banda base en serie es mas económica que la transmisión paralelo, dado el ahorro en cables conductores con respecto a la transmisión paralelo. Hace años, la transmisión serie era sinónimo de baja velocidad aunque en la actualidad esto ya no es así. La conexión punto a punto unidireccional o bidireccional entre dos extremos es una de las aplicaciones primeramente desarrollada. Este es el caso de la conexión entre un ordenador y una impresora u otro dispositivo periférico. Es necesario establecer un PROTOCOLO conocido en ambos extremos para poder realizar la transmisión En transmisión serie se distinguen dos tipos de formatos: Transmisión síncrona Transmisión asíncrona. La primera requiere el envío de la señal de reloj pero consigue mas velocidad. Como el reloj es el mismo para el transmisor como para el receptor no se requiere una alta estabilidad de éste. La transmisión asíncrona en general es mas lenta pero es la mas económica, tanto por el ahorro en cables como por lo que significa de receptores mas sencillos y por tanto mas económicos. Comunicaciones asíncronas. No se requiere el envío de señal de reloj. Pero requiere que los osciladores del transmisor y el receptor sean lo suficientemente estables. El receptor detecta el cambio de un nivel de tensión o de corriente en un determinado pin para darse por enterado de que se inicia un proceso de comunicación. El estándar mas clásico de este tipo es el RS232. Comunicaciones síncronas. La idea fundamental se encuentra en que el reloj se envía junto con los datos (utilizando una codificación adecuada) o en una línea dedicada. De esta forma no es 24

25 Universidad de Murcia 07BN.- SISTEMAS EMBEBIDOS Apuntes del profesor: Benito Úbeda; José Santa necesario preocuparse por la sincronización o los desfases producidos al enviar una gran cantidad de datos (esto es, no es necesario enviar señales de control, como en el caso asícrono. Protocolos de comunicación mas empleados. BISYNC Históricamente, el precursor delos protocolos asíncronos fue el Bisync (binary synchronous). Estába orientado originalmente a enviar caracteres ASCII, aunque se extendió, en posteriores versiones, para enviar caracteres binarios. Cuando no hay nada que enviar se transmite, por defecto, el carácter ASCCII $16, que es el carácter nulo (null) y permite mantener sincronizado al receptor con el emisor. Este código utiliza técnicas de corrección de errores, incluyendo, algunas versiones, al final de cada grupo de paquetes un cheksum. Otras versiones de Bisync utilizan códigos correctores de error denominados cyclic redundancy check (CRC), basándose en técnicas de manipulación de polinomios. Este protocolo ha evolucionado para conectar varios terminales remotos a un procesador, (multi-drop). Este protocolo tiene como fundamental limitación que sólo se puede utilizar en transmisiones half-duplex. SDLC Otro protocolo, desarrollado por IBM fué el Synchromous Data Link control (SDLC) y sus versiones ANSI (ADCCP) y CCITT (HDLC). La idea básica de funcionamiento es que mientras no existe transmisión se envían 1 (Idle condition) o un byte de flag ($7E=% ). Este byte de flag termina un paquete y puede comenzar el siguiente. Para evitar repetir esta estructura de flag los datos se modifican para que no se transmitan más de 5 1 seguidos, insertando un valor 0 si esto ocurre; esto es, los datos se envía como , mientras que los datos se envía como El paquete consta de un byte de dirección de estación, un byte de control. Después se envián tantos bytes de datos como sean precisos y por último se envía un byte de test (CRC). Por último se envía un byte de flag. 25

26 Este protocolo se puede implementar en comunicaciones full-duplex, puede enviar datos de longitud arbitraria y es una buena elección para enviar paquetes grandes con alta velocidad de transferencia. X.25 El protocolo X.25 es un protocolo de tres niveles establecido por el CCITT para grandes volúmenes de datos. Los niveles físicos y de conexión se toman de una versión del protocolo anterior (HDLC). Además especifica el nivel de red (network level) como de conmutación de paquetes (packet switching). De esta forma se permite que paquetes de un mensaje se envíen por la red por diferentes caminos, mejorando la eficiencia de la red. USB Con el bus USB se pretende dar a todos los dispositivos que rodean al PC un medio único de comunicarse con el ordenador. USB es el acrónimo de Universal Serial Bus, o Bus Serie Universal para nosotros. USB es una conexión de tipo serie entre dispositivos que pretende unificar todos los dispositivos conectados. Es decir, los periféricos USB comparten un mismo canal de comunicación con el ordenador. El mecanismo que se utiliza para conectar los dispositivos USB al PC es muy versátil. El propio ordenador es el primero que tiene conectores USB, pues hasta él tiene que llegar la información proveniente de los dispositivos. La flexibilidad reside en el hecho de que los periféricos cuentan a su vez con conexiones USB hacia el exterior. La primera ventaja de esta disposición es clara, ya que se reduce el número de cables dentro del ordenador, pues las conexiones se reparten. Por otro lado, la gestión de los dispositivos es más fácil para el sistema operativo, que no va a tener que preocuparse de gestionar varias líneas de interrupción y de I/O (Entrada/Salida). En cualquier caso, algunos componentes van a centralizar la mayor parte de las conexiones. Los elegidos para esta función son el teclado, el monitor y por supuesto el PC, que se unirán a los demás. Estos elementos se encargarán de terminar adecuadamente la cadena USB, además de proporcionar conectores. La interfaz USB es relativamente rápida. El ancho de banda teórico es de 12 Mbits por segundo, que se comparte entre los dispositivos conectados al canal de comunicación. 26

27 Universidad de Murcia 07BN.- SISTEMAS EMBEBIDOS Apuntes del profesor: Benito Úbeda; José Santa También se contempla un modo de baja velocidad de 1,5 Mbits/s para periféricos lentos como los ratones o joysticks. El máximo de dispositivos es de 126 siempre teniendo en cuenta que tienen que repartirse el ancho de banda de 12 Mbits/s. Además dispone de funciones de autoconfiguración. La transmisión de datos sobre las líneas USB se hace mediante codificación NRZI de bits. Para ello se emplean voltajes de 5 voltios para la alimentación del bus, utilizándose una lógica CMOS de 3,3 voltios; los conectores USB constan de 4 pins. Con estas características eléctricas se pueden utilizar segmentos de cable de cinco metros de longitud. FireWire o IEEE 1394 El FireWire se dirige a los dispositivos de alta velocidad como cámaras de vídeo, impresoras profesionales, etc. Si con USB se intenta hacer más flexible la conexión de dispositivos al PC, el FireWire intenta ganar en velocidad. Con este nuevo estándar se apunta más alto dentro de los sistemas de conectividad. La principal característica de FireWire es su elevado ancho de banda de transmisión. Este puerto de alta velocidad es capaz de ofrecer velocidades de 100, 200 y 400 Mbits/s. Por si esto fuera poco, se están investigando soluciones que podrían ofrecer desde 1 a 8 Gbits/s en el futuro. Pero FireWire, en principio tiene un ancho de banda de 200 Mbits/s. Si dentro de la cadena de periféricos tenemos uno que sólo es capaz de funcionar a un máximo de 100 Mbps, y que requiere usar el bus el 60 por ciento del tiempo, entonces sólo dispondremos de la teórica velocidad de 200 Mbps para los dispositivos que la aguanten un 40 por ciento del tiempo. Los principales beneficiados por la inclusión de FireWire, como opción de conectividad para los ordenadores PC, van a ser los productos que operan con transmisiones de datos síncronas como la imagen. De hecho, el desarrollo de este estándar viene motivado por productos como cámaras digitales o los lectores de discos de vídeo digital (DVD). En cuanto al esquema de conexión de dispositivos es muy similar al de USB. Las conexiones se reparten entre los periféricos conectados, reduciéndose la longitud de 27

28 los cables. Una tremenda ventaja del IEEE 1394 es que los dispositivos pueden comunicarse entre ellos sin tener que mediar la CPU. El conector que lleva las señales a través de este bus consta de seis cables. De ellos, cuatro se usan para transmitir la señal y dos para llevar la alimentación eléctrica que podrá variar entre 8 y 40 voltios con un máximo de 1,5 amperios de corriente. La longitud máxima de cables que asegura un buen funcionamiento es de 4,5 metros, aunque es posible aumentar estas distancias con cables de calidad. Para mas información sobre otros protocolos industriales) (ver tutorial de comunicaciones 3.3. Buses de interconexión: RS485, CAN, Ethernet. La conexión tipo bus, donde uno emite y muchos reciben (maestro-esclavo) o todos emiten y todos reciben (multimaestro) es muy usada cuando hay que interconectar muchas entidades, por el significativo ahorro de cables de conexión, entre otras razones. Este tipo de estándares suelen tener en común que transmiten señales bipolares para conseguir mayor inmunidad a las señales de ruido en modo común que se suman a los conectores del cable empleado. Para una misma tasa de errores consiguen mayor velocidad de transferencia o mayor longitud física entre el transmisor y el receptor. Figura Ejemplo de configuración del bus CAN, ampliamente empleado en el automóvil. 28

29 Universidad de Murcia 07BN.- SISTEMAS EMBEBIDOS Apuntes del profesor: Benito Úbeda; José Santa Existe numerosa información bibliográfica sobre todos estos estándares que se recomienda consultar en caso de necesidad o curiosidad Transmisión por canales paso banda. Mediante las técnicas de modulación se consigue trasladar el espectro de la señal banda base a un determinado canal. Las razones de esto son principalmente: Utilización simultanes de multiples usuarios de un determinado medio de transmisión: cable, fibra o canal radio. Técnicas de acceso multiple (FDMA, TDMA, CDMA, SDMA). Criterios de propagación de las señales electromagnéticas en determinados medios de transmisión según la banda de frecuencia usada. Criterios de asignación de frecuencias a determinados servicios por parte de la Unión Internacional de Telecomunicaciones.Gestión del espectro radioeléctrico. La información de banda base que se desea enviar necesita ser transportada mediante una señal de mayor frecuencia. A este proceso se le denomina MODULACION, mientras que al proceso inverso se le denomina DEMODULACION. Para realizar comunicaciones biireccionales, en cada exteremo habrá que colocar tanto un modulador como un demodulador. Si además, estos se colocan dentro de un mismo encapsulado, se le suele denominar MODEM. Figura Traslación de frecuencia llevada a cabo en las comunicaciones inalámbricas. Ejemplo de un proceso de modulación. 29

30 3.5. Introducción a la transmisión inalámbrica. Técnicas RFID La transmisión por radio o wireless presenta como principal ventaja la movilidad entre emisor y receptor y el no necesitar cables entre los extremos de conexión. Las antenas son los dispositivos claves en la transmisión por radio ya que son las encargadas de emitir y recibir las ondas electromagnéticas al medio de transmisión, que en este caso es el aire o el vacío. Figura Diagrama de bloques simplificado del proceso empleado en la transmisión radio. Entre las principales características de las antenas podemos destacar: Su ganancia por directividad. Es decir, su capacidad para concentrar la energía electromagnética en determinadas direcciones del espacio. El diagrama de radiación de una antena es esencial conocerlo para poder conseguir el enlace. La ganancia se suele expresar en decibelios, db, con respecto a la antena isotrópica. Siendo ésta aquella que radia por igual en todas las direcciones. Margen de frecuencia o ancho de banda. Su forma física, que depende de la banda de frecuencias y de la ganancia. En general el tamaño de las antenas disminuye a medida que la frecuencia de trabajo es mas alta. Otros parámetros son sus pérdidas de inserción, rendimiento, polarización, etc. Como principal inconveniente de la transmisión inalámbrica se tiene la dificultad de compartir el espectro electromagnético por diferentes servicios simultáneamente dado que la ondas de radio se interfieren. La UIT-R es el organismo encargado de la asignación del espectro. Existen múltiples estándares y aplicaciones basadas en la transmisión inalámbrica. Los mas conocidos son: 30

31 Universidad de Murcia 07BN.- SISTEMAS EMBEBIDOS Apuntes del profesor: Benito Úbeda; José Santa Redes de telefonía celular: GSM, GPRS, UMTS. Comunicaciones por satélite. Redes WIFI y WIMAX. Sistemas GNSS, RFID, UWB, etc. En la figura 3.25 se muestra el proceso seguido en la transmisión de una señal banda base entre dos puntos separados R metros. En el caso habitual de comunicaciones digitales, inicialmente la señal banda base se hace pasar por un coder encargado de digitalizar y codificar digitalmente la información. A continuación se hace pasar por un modulador encargado de trasladar el espectro al entorno de una señal de frecuencia determinada. El proceso de traslado al canal asignado se suele llevar en una etapa de conversión IF/RF o en dos etapas de conversión. En este módulo se emplean técnicas de diseño analógico especificas para altas frecuencias. El desarrollo de sistemas transmisores transmisores de pequeñas dimensiones ha permitido que las comunicaciones inalámbricas alcancen un nivel de penetración en el mercado sin precedentes. Aplicaciones tales como redes de sensores, sistemas de telecontrol y telemedida son ejemplos típicos. El nacimiento de protocolos radio robustos y con gran capacidad de transmisión han impulsado este tipo de comunicaciones RFID como tecnología de posicionamiento y seguimiento Probablemente, los sistemas RFID, por su necesidad de miniaturización están mas próximos a los sistemas embebidos que otros tipos de transmisiones inalámbricas. En los últimos años, la identificación por radio frecuencia se ha convertido en una aplicación que ayuda en la gestión de productos y materiales a lo largo del ciclo de producción. Sin embargo, las aplicaciones en donde esta tecnología encuentra aplicación van mucho más allá, pasando, por ejemplo, por el etiquetado de productos en grandes almacenes, o el seguimiento de vehículos. RFID (Radio Frequency 31

32 Identification) permite la identificación desde una distancia prudencial, pero, a diferencia del tradicional código de barras, realiza dicha función sin requerir una línea de visión directa. Mediante un receptor/lector se pueden leer las etiquetas, las cuales contienen un identificador único y pueden incorporar, además, información adicional, como fabricante, tipo de producto, e incluso medir factores medioambientales como la temperatura. El lector RFID puede leer multitud de etiquetas localizadas en el área de cobertura, lo cual presenta una ventaja añadida frente a los tradicionales sistemas de identificación de productos. A pesar de que la tecnología RFID ha estado presente desde hace unos cincuenta años atrás, la implementación masiva se ha llevado a cabo recientemente. La razón principal ha sido el coste de producción. Puesto que el principal ámbito de uso de esta tecnología se ha centrado en la identificación de productos, el coste de producción debía competir con el coste del tradicional sistema de identificación, basado principalmente en símbolos impresos en etiquetas situadas en los productos. Poco a poco, el precio de la electrónica ha descendido y, si se considera una producción masiva de dichas etiquetas RFID, el precio, a pesar de nunca llegar a ser tan bajo como el de los sistemas de antaño, llegará a ser aceptable si se tiene en cuenta las información adicional de la que se podría disponer Principios de RFID Los sistemas RFID están compuestos por dos partes bien diferenciadas: la etiqueta y el lector. Una etiqueta RFID consiste en un microcontrolador, una antena y un material que encapsula los dos primeros elementos. El lector se conecta con el sistema de información encargado de la gestión. Esto puede observarse en la figura Figura Elementos de un sistema RFID Tal y como se muestra en la figura 3.27, el lector inicia el proceso de identificación generando un campo de radio frecuencia, produciendo una diferencia de voltaje en la 32

33 Universidad de Murcia 07BN.- SISTEMAS EMBEBIDOS Apuntes del profesor: Benito Úbeda; José Santa antena de la etiqueta gracias a un acoplamiento inductivo o capacitivo. La etiqueta detecta este cambio y después de autenticar al lector, responde transmitiendo el identificador que contiene. Figura Funcionamiento de RFID. La antena del lector emite la energía necesaria para que la etiqueta transmita su identificador Las etiquetas RFID pueden ser activas o pasivas, dependiendo de si son completamente alimentadas por el campo de radio frecuencia transmitido por el lector o de si contienen una fuente de energía adicional. Cada tipo de sistemas tiene sus propias ventajas; sin embargo, su aplicabilidad depende en gran medida de la frecuencia a la que funcione. En la tabla 3 se resumen alguna de las principales aplicaciones de RFID, dependiendo de la frecuencia usada. Banda de Frecuencia Características Aplicaciones Típicas Ultra High Frequency (UHF) GHz MHz High Frequency (HF) MHz Largo alcance Alta velocidad de comunicación Necesidad de línea de visión Tecnología cara Alcance medio Tecnología no demasiado cara Velocidad de comunicación media Monitorización de vehículos Sistemas de peaje electrónico Identificación de vehículos Control de accesos Tarjetas inteligentes Etiquetado 33

34 Low Frequency (LF) KHz Pequeño alcance Baja velocidad de comunicación Tecnología barata Control de accesos Identificación de animales Control de inventario Inmobilizador de vehículos Automatización de factorías Tabla 3 Características y aplicaciones de RFID en las diferentes frecuencias Sistemas RFID activos Las etiquetas activas requieren una fuente de alimentación, ya sea una conexión a la red eléctrica del producto al que identifica, o la integración de una batería añadida. Las etiquetas activas alimentadas por batería interna tienen, por tanto, un tiempo de vida determinado por la duración de la misma. Dicha duración se suele medir en operaciones de lectura. Como ejemplo de una etiqueta activa tenemos la que puede ir situada en el parabrisas de un vehículo, con tal de identificarlo. Estas etiquetas pueden ser leídas desde una distancia considerable, que puede exceder los cien metros. Además, presentan una comunicación fiable, aunque limitada por su tiempo de vida, tal y como se ha dicho. La frecuencia de comunicación suele estar entre los 2.45 GHz y los 5.8 GHz. La aplicabilidad de estos sistemas, puede verse pues en la Tabla 2, fijándonos en los sistemas que funcionan a altas frecuencias. Un ejemplo de su aspecto puede comprobare en la Fig Las etiquetas completamente autocontenidas (como la de la figura) contienen en el propio embase el microcontrolador y la antena, a la vez que la batería para su funcionamiento. La de la figura 3.28 usa una batería de litio de buena calidad, lo que alarga su vida útil hasta muchos años. Figura Etiqueta RFID activa para le identificación de vehículos 34

35 Universidad de Murcia 07BN.- SISTEMAS EMBEBIDOS Apuntes del profesor: Benito Úbeda; José Santa Sistemas RFID pasivos El problema de las etiquetas activas radica en el coste, tamaño y en el tiempo de vida. Es por esto que las etiquetas pasivas presentan una mejor elección para ciertos ámbitos, ya que no requieren de mantenimiento ni batería. Las etiquetas, al no requerir de alimentación, tienen un tiempo de vida indefinido y presentan, además, un tamaño ínfimo. El lector es responsable de alimentar y comunicarse con la etiqueta. La antena captura la energía y la usa para devolver el identificador guardado en el interior. El encapsulado mantiene la integridad de la etiqueta y protege a la antena y al chip de las condiciones medioambientales. Dicho encapsulado puede ser un pequeño cristal o una lámina de plástico adhesiva, tal y como se puede apreciar, respectivamente, en las dos fotografías de la figura Ya que no requieren de una fuente alternativa de energía, las etiquetas RFID pasivas continúan funcionando aunque su embase pueda estar dañado o estén en desuso. Sin embargo, en circunstancias normales, éstas solamente pueden ser leídas desde unos pocos centímetros, y los datos transmitidos contienen un alto ratio de errores. Figura Etiquetas RFID pasivas. A la izquierda un encapsulado de crista de 1 cm, y a la derecha un encapsulado de plástico adhesivo de 5x5 cm Existen dos aproximaciones para la transmisión de energía desde el lector a la etiqueta: inducción magnética y captura de ondas electromagnéticas. Ambos sistemas pueden transferir suficiente energía como para permitir su funcionamiento, entre los 10 uw y 1 mw, dependiendo del modelo. Usando varias técnicas de modulación, estos métodos permiten, además, la transmisión y recepción de datos. La frecuencia de transmisión se encuentra principalmente entre los MHz y KHz. Observando de nuevo la Tabla 3 se puede comprobar cómo la segunda y tercera fila comprenden a los típicos sistemas basados en etiquetas pasivas Sistemas RFID pasivos de largo alcance 35

36 Como bien se ha expuesto en el apartado anterior, la frecuencia de transmisión en los sistemas RFID pasivos es significativamente baja. Esto hace que, de forma inherente, la velocidad transmisión sea poco elevada. Además, el hecho de no usar alimentación propia hace que el rango de alcance sea poco elevado (en torno a los pocos metros a lo sumo). Cómo método para solucionar estos inconvenientes, sin abandonar la comodidad de los sistemas pasivos en cuanto al precio y al no uso de batería, existe una tendencia en el mercado hacia el desarrollo de sistemas pasivos UHF RFID. Las ventajas de estos sistemas frente a los típicos pasivos están en una mayor distancia de funcionamiento, a la vez que se sigue prescindiendo de una alimentación autónoma de las etiquetas y consiguiendo bajos costes de producción Cuestiones de rendimiento La frecuencia a la que opera un sistema RFID tiene importantes implicaciones en su rendimiento. Por ejemplo, un sistema de seguridad basado en RFID con tarjetas suele operar entre los 125 y los 134 KHz, donde las distancias de lectura son pequeñas, pero las señales de radio frecuencia no son absorbidas completamente por el agua. Si consideramos este tipo de aplicaciones, el uso de bajas frecuencias es fundamental para que las ondas consigan transmitirse a través del cuerpo humano, el cual está compuesto principalmente por agua. Los sistemas RFID de nueva generación, diseñados para supermercados, usan la frecuencia de operación de 800 MHz (Europa) o 900 MHz (USA), ofreciendo un gran alcance y mayores velocidades de transmisión, requeridas en ciertos casos, como por ejemplo en la identificación de todos los artículos incluidos en un carro de compra. El problema en este caso radica en que las señales son fácilmente absorbidas por el agua, o no son capaces de atravesar las capas de metal que pueden utilizarse en ciertos envases de productos. Consecuentemente, el hecho de que exista una botella de agua en un carro de compra puede evitar que la identificación de todos los productos no sea precisa. Como en muchos ámbitos en la tecnología, el uso de un determinado tipo de transmisión dependerá del ámbito de aplicación sobre el que se quiera implantar el sistema RFID Incorporación de sensorización a RFID Uno de los aspectos más intrigantes de las nuevas etiquetas RFID consiste en la inclusión de información que, fuera de estar almacenada de forma estática, como el típico identificador, se genere dinámicamente a través de sensores incluidos en el encapsulado. Algunas versiones comerciales de RFID pueden ya asegurar que ciertos 36