SEP SEIT DGIT CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO TECNOLÓGICO cenidet REFLECTOMETRÍA EN EL DOMINIO DEL TIEMPO Y SU APLICACIÓN A LA DETECCIÓN DE FALLAS Y A LA MEDICIÓN DE PARÁMETROS EN REDES DE COMUNICACIÓN T E S I S QUE PARA OBTENER EL GRADO DE: MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA ELECTRÓNICA P R E S E N T A : ISRAEL LEYRANA CEBALLOS DIRECTOR: M.C. JOSÉ MARTÍN GOMÉZ LÓPEZ; CO-DIRECTOR: M.C. GUILLERMO CAHUE DIAZ CUERNAVACA, MOR. ABRIL 2005 Resumen Las redes de comunicación alambradas han extendido su uso debido al creciente empleo de la Internet lo cual demanda que el cableado de la red se encuentre siempre en óptimas condiciones. Toda estructura de cableado real tiene pérdidas propias por la naturaleza de los conductores, por el tipo de aislante, etc., a ello hay que añadirle la posibilidad de que ocurran fallas debido a problemas físicos en la instalación, a factores de carácter ambiental o a fallas en los equipos que se propagan hasta la red y la colapsan. Es este contexto es común encontrar fallas en el cableado tales como: cables rotos o en corto, empalmes en los conductores, interferencia mutua excesiva entre conductores y configuraciones incorrectas en los conectores. Su detección requiere de herramientas confiables, la Reflectometría en el Dominio del Tiempo (RDT) es una técnica utilizada con éxito para éste propósito En el trabajo que se reporta, se describen los elementos de un sistema electrónico autónomo basado en microcontrolador que se desarrolló para detectar fallas en cable de red mediante la técnica de RDT. Este desarrollo consiste de un módulo electrónico que realiza funciones de inyección de señales de alta frecuencia en el cableado bajo prueba y mide la respuesta por medio de un submódulo de adquisición de datos. Esta señal de retorno es una fracción de la señal inyectada e indica que existen cambios de impedancia en el cableado producto de probables anomalías en él. El análisis de esta información se realiza en el sistema y lleva a determinar el estado del cableado. La programación es una parte relevante del módulo y la filosofía de operación desarrollada es modular y se basa en el empleo de pequeños subprogramas (drivers o controladores) que coordinan y maneja los distintos submódulos del sistema, dotándolo de flexibilidad, escalabilidad y portabilidad. Ello abre la posibilidad a reutilizar parte de la infraestructura desarrollada (Hardware y software) en aplicaciones similares. También se presentan las pruebas que se realizaron para caracterizar las señales y sus formas de onda. Los resultados del trabajo demuestran la bondad de la técnica RDT para solucionar este tipo de aplicaciones. El uso de esta herramienta podría extenderse a la Detección de derivaciones en cableados de la red eléctrica o detección de fallas en cables de fibra óptica, entre otras aplicaciones. Abstract The communication networks wire fences have extended their use due to the increasing use of the Internet which demand that the wiring of the network always is in optimal conditions. All structure of real wiring has own losses by the nature of the conductors, the type of insulator, etc., to it is necessary to add the possibility to him that faults due to physical problems in the installation happen, to factors of environmental character or to faults in the equipment that propagates until the network and they colapsan it. It is east context is common to find faults in the wiring such as: broken cables or in short, joints in the conductors, excessive mutual interference between conductors and incorrect configurations in the connectors. Its detection requires of reliable tools, the Time Domain Reflectometry (TDR) is a technique used successfully for this one intention. In the work that is reported, describe the elements of an independent electronic system based on microcontroller who was developed to detect cable faults of network by means of the TDR technique. This development consists of an electronic module that makes functions of injection of signals of high frequency in the wiring under test and measures the answer by means of a submodule of data acquisition. This signal of return is a fraction of the injected signal and indicates that changes of impedance in the wiring exist product of probable anomalies in him. The analysis of this information is made in the system and takes to determine the state of the wiring. The programming is an excellent part of the module and the philosophy of developed operation is to modulate and it is based on the use of small subprograms (drivers or controller) that they coordinate and handles the different submodules from the system, equipping it with flexibility, scalability and portability. It opens the possibility to reuse part of the infrastructure developed (Hardware and software) in similar applications. Also the tests appear that were made to characterize the signals and their waveform. The results of the work demonstrate the kindness of technique TDR to solve this type of applications. The use of this tool could extend to the Detection of derivations in wirings of the mains or detection of optical fiber cable faults, among other applications. Tabla de Contenido Índice de Figuras ......................................................................... vii Índice de Tablas........................................................................... ix CAPITULO 1 INTRODUCCIÓN .................................................... 1 1.1 Antecedentes.......................................................................................... 1 1.1.1 Problemática de Estudio .......................................................... 1 1.1.2 Objetivo ..................................................................................... 2 1.1.3 La RDT como instrumento de prueba .................................... 2 1.2 La técnica de Reflectometría en el Dominio del Tiempo..................... 5 1.3 Marco conceptual ................................................................................... 6 1.3.1 Conceptos básicos sobre líneas de transmisión.................. 6 1.3.2 Características de las ondas electromagnéticas ................... 7 1.3.3 Circuito equivalente de la línea de transmisión ..................... 8 1.3.4 Factor de velocidad .................................................................. 13 1.3.5 Cálculo de la Señal de Retrodispersión.................................. 14 1.3.6. Reflectometría en el Dominio del Tiempo.............................. 15 1.4 Propiedad de un cuarto de longitud de onda ...................................... 18 1.5 Propuesta para el módulo RDT ............................................................. 20 CAPITULO 2 ESPECIFICACIÓN DEL MÓDULO RDT ................ 23 2.1 Filosofía funcional.................................................................................. 23 2.2 Arquitectura del sistema........................................................................ 24 2.2.1 El dispositivo probador............................................................ 24 2.2.2 Módulo auxiliar de prueba. ...................................................... 28 iii 2.2.3 Interfaz hombre/máquina. ........................................................ 28 CAPITULO 3 DISEÑO DE HARDWARE ...................................... 30 3.1 Introducción............................................................................................ 30 3.2 Descripción Modular Del RDT ............................................................... 32 3.2.1 Unidad de procesamiento ........................................................ 33 3.2.1.1. Generador de pulsos. .............................................................37 3.2.1.2. Despliegue de información ....................................................39 3.2.1.3. Memoria..................................................................................41 3.2.1.4 Interfase serial (SCI, serial communication interface)........ 41 3.2.1.5 Detector de Pulsos ................................................................... 42 3.2.1.6 Control de Conmutación de señal. ........................................44 3.2.2. Adquisición de datos............................................................... 45 3.2.3. Multiplexeo de señal................................................................ 47 3.2.4 Módulo auxiliar.......................................................................... 49 3.3 Diseño del PCB....................................................................................... 49 3.4 Conclusiones.......................................................................................... 51 CAPITULO 4 DISEÑO DE SOFTWARE ....................................... 53 4.1 Introducción............................................................................................ 53 4.2 Programa principal................................................................................. 55 4.3 Diseño de controladores ....................................................................... 56 4.3.1 Inicialización de programa....................................................... 58 4.3.2 Controladores de periféricos ................................................... 59 4.3.2.1 SWITCH.H ..............................................................................59 4.3.2.2 GENERADOR.H ....................................................................59 iv 4.3.2.3 DETECTOR.H ........................................................................ 60 4.3.2.4 SERIAL.H................................................................................61 4.3.2.5 INTERFAZ.H..........................................................................62 4.3.2.6 ADQUISICION.H................................................................... 63 4.4.3 Controlador de eventos de usuario......................................... 64 4.4 Conclusiones.......................................................................................... 65 CAPITULO 5 PRUEBAS Y RESULTADOS.................................. 67 5.1 Introducción............................................................................................ 67 5.2 Caracterización de la señal RDT ........................................................... 67 5.3 Pruebas de caracterización de señal RDT ........................................... 69 5.3.1 Condiciones de prueba ............................................................ 69 5.3.2 Resultados de la caracterización ............................................ 71 5.3.2.1 Cable de 5 metros.................................................................... 71 5.3.2.2 Cable de 7 metros.................................................................... 72 5.3.2.3 Cable de 10 metros.................................................................. 73 5.3.2.4 Cable de 25 metros.................................................................. 74 5.3.2.5 Pruebas con derivación...........................................................75 5.4 Conclusiones ......................................................................................... 77 CAPITULO 6 CONCLUSIONES ................................................... 79 6.1 Importancia de la Reflectometría en el Dominio del Tiempo.............. 79 6.2 Hardware ................................................................................................. 80 6.3 Software .................................................................................................. 81 6.4 Pruebas y resultados ............................................................................. 82 6.5 Aportación del trabajo ........................................................................... 82 v 6.6 Trabajos futuros ..................................................................................... 83 Apéndice A: Simbología y Abreviaciones ................................. 85 Apéndice B: Bibliografía ............................................................. 86 Apéndice C: Vistas Preliminares del PCB ................................. 88 C.1 Top layer................................................................................................. 88 C.2 Bottom layer........................................................................................... 89 C.3 Top Overlay ............................................................................................ 90 C.4 Drill Guide............................................................................................... 91 C.5 Top paste mask...................................................................................... 92 C.6 Bottom paste mask................................................................................ 93 Apéndice D: Lista de Materiales................................................. 94 Apéndice E: Especificaciones del microcontrolador MC9S12A128 ....................................................................................................... 96 vi Índice de Figuras 1.1 Distintos tipos de fallas en cables de red...........................................................3 1.2 Puertos Ethernet conectados..............................................................................4 1.3 Operación básica del radar ................................................................................5 1.4 Operación básica del RDT en cables de red .....................................................5 1.5 Línea de transmisión de dos conductores ..........................................................7 1.6 Modelo de una línea de transmisión ..................................................................9 1.7 a) tiempo transcurrido, b) transmisión de un pulso ancho.................................17 1.8 Modelo de una línea de Transmisión para la propiedad de un cuarto de longitud de onda ...............................................................................................18 1.9 Circuito Propuesto por Medelius.......................................................................20 1.10 Principio de Operación del RDT .......................................................................21 1.11 RDT Propuesto ..................................................................................................22 2.1 Diagrama a bloques funcional del módulo propuesto .......................................24 2.2 Diagrama funcional del módulo de procesamiento ...........................................25 2.3 Diagrama funcional del generador de pulsos ....................................................26 2.4 Diagrama funcional del detector de pulsos........................................................26 2.5 Adquisición de datos .........................................................................................27 2.6 Diagrama funcional del control de comunicaciones..........................................27 2.7 Diagrama funcional del control de Interfaz.......................................................27 2.8 Diagrama funcional del módulo auxiliar ...........................................................28 3.1 Diagrama a bloques del módulo RDT ...............................................................33 3.2 Diagrama funcional del bloque CPU.................................................................35 3.3 Diagrama eléctrico del bloque CPU ..................................................................36 3.4 Diagrama funcional del generador de pulsos ....................................................37 3.5 Diagrama eléctrico del generador de pulsos......................................................38 3.6 Diagrama funcional del módulo de interfase.....................................................39 3.7 Diagrama eléctrico de la interfaz de usuario y puerto serie ..............................40 3.8 Diagrama funcional del detector de pulsos........................................................42 vii 3.9 Diagrama eléctrico del detector de pulsos.........................................................43 3.10 Diagrama funcional del módulo de conmutación..............................................44 3.11 Diagrama funcional del módulo de adquisición ................................................45 3.12 Diagrama eléctrico del módulo de adquisición .................................................46 3.13 Diagrama eléctrico del módulo de conmutación ...............................................48 3.14 PCB final, imagen 3D generada por el Protel 99SE..........................................50 4.1 Arquitectura del sistema RDT ............................................................................54 4.2 Módulos de software ..........................................................................................56 4.3 Diagrama de flujo ...............................................................................................57 4.4 Distintos niveles del menú de usuario ................................................................62 4.5 Flujo de llamada a los controladores por los eventos.........................................66 5.1 Diagrama del generador......................................................................................68 5.2 Prueba de fallas más comunes ............................................................................69 5.3 Configuración general de prueba........................................................................70 5.4 Señales para cable de 5m; 2V/div, 50 ns/div......................................................72 5.5 Señales para cable de 7m; a) y b) 1 V/div, 200 ns/div; c) 2 V/div, 100 ns/div. .73 5.6 Señales para cable de 10m; a) y b) 1 V/div, 100 ns/div, c) 2 V/div, 100 ns/div 74 5.7 Señales para cable de 25 metros; a) y b) 1 V/div, 100 ns/div, c) 2 V/div, 100 ns/div. ........................................................................................................75 5.8 a) Terminación abierta y derivación abierta b) terminación cerrada y derivación abierta; 1 V/div, 50 ns/div.. ..............................................................................76 5.9 Terminación cerrada y derivación cerrada; 1 V/div, 50 ns/div.. .......................76 5.10 Terminación abierta y derivación cerrada; 1 V/div, 50 ns/div. .........................77 viii Índice de Tablas 3.1 Convertidores Analógico-Digitales rápidos ......................................................31 3.2 Convertidores Analógicos-Digitales de gama media ........................................31 3.3 Convertidores Analógico-Digitales de gama media. Continuación. .................32 ix Capítulo 1 Introducción Capítulo 1 Introducción 1.1 Antecedentes 1.1.1 Problemática de estudio En los Estados Unidos la mayoría de los adultos tiene trabajos de oficina con una rápida conexión a internet, esto provoca que sea inaceptable para ellos el uso de conexiones lentas en sus hogares, como lo son las conexiones vía módem [4]. Las casas tienden a ser cada vez más como oficinas [3]. Cada vez es más común encontrar sistemas centralizados para el control de alarmas, seguridad y por supuesto el acceso a internet. Todos estos servicios provocan que los usuarios requieran excelentes condiciones en el desempeño de su red. Un sistema de cableado metálico real siempre tendrá pérdidas propias de la naturaleza de los conductores, tipo de aislante, etc. En el caso del cableado estructurado para redes de computadoras, se han establecido estándares para la operación óptima de esta, así como para asegurar la integridad de los datos. Los requerimientos de confiabilidad en la instalación física hacen necesario que se desarrollen herramientas de diagnóstico para el análisis de confiabilidad en el cableado. 1 Capítulo 1 Introducción Estas herramientas pueden consistir en instrumentos tan sencillos como un multímetro digital o analógico, hasta algunos más complicados como osciloscopios, espectómetros, etc. Entre estos encontramos los Reflectómetros en el dominio del tiempo, los cuales son instrumentos que nos permiten hacer mediciones con mucha exactitud de los principales parámetros de un sistema de cableado metálico. Esto lo hacen mediante la técnica de reflectometría en el dominio del tiempo (RDT). 1.1.2 Objetivo El presente trabajo tiene como objetivo general el diseño e implementación de un dispositivo autónomo basado en la técnica de RDT, aplicado a la detección de fallas en el cableado UTP nivel 5. Así como la interfaz hombre-máquina para la conexión PCmódulo RDT. El alcance del proyecto consiste de los siguientes puntos: Asimilación de la base analítica de la técnica de la Reflectometría en el Dominio del Tiempo y su aplicación a la detección de cambios de impedancia y caracterización de parámetros eléctricos relacionados con la transmisión de señales en conductores Diseño, construcción y prueba del prototipo electrónico de un medidor de parámetros de cableado basado en RDT. Desarrollo de la interfaz hombre-máquina para control, análisis y despliegue de resultados de prueba. Caracterización de parámetros de cableado y localización de fallas utilizando el módulo desarrollado. Documentación del trabajo en la edición de la tesis. 1.1.3 La RDT como instrumento de prueba En las redes de computadoras la RDT es una de las formas más confiables y exactas de calificar el cableado de cobre y fibra óptica. Conforme las redes de área local proliferan, la RDT empieza a volverse el método estándar para la verificación y 2 Capítulo 1 Introducción mantenimiento de la estructura de cableado [6]. El cableado en las redes de hoy envuelve una topología compleja de conectores, tomas y terminadores. Esta misma complejidad ocasiona que se presenten amplias posibilidades de sufrir distintos tipos de fallas tales como: aberturas, cortos, falsas terminaciones, desgaste, amarres, torceduras, etc. Lo cual causa mal funcionamiento en la red y el costo por perdida de tiempo [5]. Algunas veces el cable contiene más de una falla. Múltiples fallas en el cable son causadas por roedores, una instalación inapropiada, por construcción, cambio de tierra o algún daño estructural en el proceso de manufactura. La Figura 1.1 nos muestra los tipos de fallas más comunes. Figura 1.1 Distintos tipos de fallas en cables de red. Actualmente el cableado estructurado en categoría 5 es el tipo de cableado más solicitado, esto es debido al incremento en las redes caseras y de la PyME (Pequeña y Mediana Empresa) [6]. 3 Capítulo 1 Introducción La Figura 1.2 Puertos Ethernet conectados.nos muestra la supremacía del cableado UTP nivel 5 (100 Mbps) y su crecimiento futuro en relación a los nuevos estándares de cableado estructurado [7]. Compañías de expertos como Parks Associates en Dallas e International Data Corporation (IDC), creen que el crecimiento del cableado UTP será exponencial en los siguientes años. Esto debido a un incremento del 37% en ventas de PC´s en el año 2000, especialmente para consumidores caseros, tan sólo en los U.S. [8]. Por otro lado el costo de migración a otras tecnologías de cableado de red, como lo es la fibra óptica, todavía representa un alto costo para las empresas que su estructura de red está basada en el alambre de cobre. Más del 60% de los edificios corporativos hasta 1997 están cableados con la categoría 5, por lo que resulta mas barato utilizar el cableado existente para los nuevos estándares de red, ya que estos generalmente son compatibles con la categoría 5. [18] La Reflectometría en el Dominio del Tiempo aunque es una forma conveniente de probar el cableado, aunque aún es caro el costo de los instrumentos que la utilizan, incluso hay quienes rentan los equipos, sin embargo a la larga, esto puede significar un alto costo [9]. Figura 1.2 Puertos Ethernet conectados. 4 Capítulo 1 Introducción 1.2 La técnica de reflectometría en el dominio del tiempo La Reflectometría en el Dominio del Tiempo (RDT), es una técnica de medición eléctrica que originalmente se usó para localizar rupturas en cables de transmisión de potencia, y la localización espacial y naturaleza de algunos objetos. Una primera forma de RDT fue el radar, el cual se desarrolló por allá de los años 30´s[10]. Este consiste de: Un transmisor, el cual emite un pulso corto de microondas; una antena direccionable; y un radio receptor sensible. La forma en que se hace la medición es de la siguiente forma: (i)medir el tiempo entre el envío de la onda electromagnética y la detección de la señal, (ii) medir la amplitud de la reflexión, (iii) determinando la dirección de la reflexión y la velocidad de propagación de la onda se puede establecer el tamaño y posición del objeto que causó la reflexión[11]. Figura 1.3 Operación básica del radar. En aplicaciones de cableado metálico la RDT transmite un pulso de energía sobre el conductor. Cuando ese pulso alcanza el extremo del cable, o se encuentra un cambio en la impedancia característica del cable, parte o toda la energía del pulso se refleja con un retardo al instrumento RDT. Ver Figura 1.4. Figura 1.4 Operación básica del RDT en cables de red. 5 Capítulo 1 Introducción El RDT mide el tiempo que le toma a la señal viajar por el cable, ve el cambio en Zo, y lo refleja de regreso a la fuente. Históricamente la RDT ha sido reservada sólo para compañías grandes y la ingeniería de alto nivel. Esto se debe a la complejidad de funcionamiento y al elevado costo de los instrumentos. Algunas compañías como RiserBond Instruments reconocieron estas limitaciones y desarrollaron los primeros RDT a principios de los 80’s. Gracias a los adelantos en la tecnología de hoy, el funcionamiento e interpretación de un RDT se ha simplificado grandemente. Debido a su habilidad de identificar los problemas del cableado, el RDT está recobrando ahora rápidamente la popularidad en la industria de las comunicaciones[12]. Si un cable es metálico y tiene dos conductores por lo menos, puede probarse con un RDT. Esto es especialmente cierto, si hablamos de redes de computadoras, donde el estándar TIA 568 A/B esta dirigido a cables de par trenzado de 8 hilos. En las comunicaciones la RDT es ampliamente utilizada para localizar e identificar fallas en el cable. LA RDT se ha utilizado ampliamente también en aplicaciones geotécnicas, para el monitorio de las deformaciones en grandes masas de roca, en una gran variedad de mediciones de cambios geométricos, en medidas de nivel de agua, presión de agua y cambios de humedad[13]. 1.3 Marco conceptual 1.3.1 Conceptos básicos sobre líneas de transmisión Una línea de transmisión (L.T.) es un sistema conductor metálico que se utiliza para transmitir señales eléctricas de un lugar a otro. Más específicamente una línea de transmisión son dos o más conductores separados por un aislante, inclusive el aire, como un par de cables o un sistema de par de hilos [14]. La propagación de energía eléctrica a lo largo de la línea de transmisión ocurre en forma de ondas electromagnéticas transversales (TEM). Una onda es un movimiento oscilatorio. Una onda TEM se propaga principalmente en un no conductor (dieléctrico) 6 Capítulo 1 Introducción que separa los dos conductores de una línea de transmisión. Para una onda transversal, la dirección de desplazamiento es perpendicular a la dirección de propagación, a esto se le llama onda longitudinal. Una onda electromagnética (EM), se produce por la aceleración de una carga eléctrica. En un conductor, la corriente y el voltaje siempre están acompañados por un campo eléctrico (E) y un campo magnético (H), en la región de espacio colindante. Los campos E y H son perpendiculares, a esto se le conoce como cuadratura del espacio. Las ondas electromagnéticas que viajan a lo largo de una línea de transmisión, desde la fuente a la carga, se llaman ondas incidentes, y aquellas que viajan desde la carga nuevamente hacia la fuente se le llaman ondas reflejadas. La Figura 1.5 muestra una línea de transmisión paralela de dos conductores. Figura 1.5 Línea de transmisión de dos conductores. 1.3.2 Características de las ondas electromagnéticas ¾ Velocidad de onda: Las ondas viajan a distintas velocidades, dependiendo del tipo de onda y de las característica del medio de propagación. ¾ Frecuencia y longitud de onda: Las oscilaciones de una onda electromagnética son periódicas y repetitivas. Por lo tanto, se caracterizan 7 Capítulo 1 Introducción por una frecuencia. La proporción en la que la onda periódica se repite es su frecuencia. La distancia de un ciclo ocurriendo en el espacio se llama longitud de onda y se determina por la siguiente ecuación fundamental: Distancia = velocidad x tiempo (1) Si el tiempo para un ciclo se sustituye por el periodo de la onda en la ecuación (1), obtenemos la longitud de un ciclo, que se llama longitud de onda (λ) λ= v x T (1) Donde v, es la velocidad de la onda en el medio y T es el período de la onda. Y ya que T= 1/f, λ= (2) v f (3) Para la propagación en el espacio libre, v=c; donde c es la velocidad de la luz en el vacío cuyo valor es 3x108 m/s, por lo tanto, la longitud de onda de un ciclo es λ= c f (4) 1.3.3 Circuito equivalente de la línea de transmisión Líneas distribuidas uniformemente Debido a que los cables en una L.T. no pueden ser conductores ideales, ellos tienen una resistencia de valor finito. Esta resistencia/conductancia está determinada por la longitud del cable y el área de la sección transversal. Algunos modelos de L.T. poseen una resistencia en serie, que representa la conductividad de los cables. Es conveniente establecer la resistencia en unidades por longitud. De la misma forma, el medio de separación de los cables no está perfectamente aislado, por lo que existen pequeñas corrientes de fuga, estas corrientes de fuga pueden generar conductancias [15]. 8 Capítulo 1 Introducción Las características de una línea de transmisión se determinan por sus propiedades eléctricas, como la conductancia de los cables y la constante dieléctrica del aislante, y sus propiedades físicas, como el diámetro del cable y los espacios del conductor. Estas propiedades determinan a su vez las constantes eléctricas primarias: ¾ Resistencia de cd en serie (R), ¾ Inductancia en serie (L), ¾ Capacitancia de derivación (C), y ¾ Conductancia de derivación (G). La resistencia y la inductancia ocurren a lo largo de la línea, mientras que entre los dos conductores ocurren la capacitancia y conductancia. Figura 1.6. Modelo de una línea de transmisión [17]. Características de la transmisión Las características de una línea de transmisión se llaman constantes secundarias y se determinan con las cuatro constantes primarias. Las constantes secundarias son impedancia característica y constante de propagación. 9 Capítulo 1 Introducción Impedancia característica. Para una máxima transferencia de potencia, desde la fuente a la carga (o sea, sin energía reflejada), una línea de transmisión debe terminarse en una carga puramente resistiva igual a la impedancia característica de la línea. La impedancia característica (Zo), de una línea de transmisión es una cantidad compleja que se expresa en ohms, que idealmente es independiente de la longitud de la línea, y que no puede medirse. Se define como la impedancia que se ve desde una línea infinitamente larga o la impedancia que se ve desde el largo finito de una línea que se termina en una carga totalmente resistiva igual a la impedancia característica de la línea. Una línea de transmisión almacena energía en su inductancia y capacitancia distribuida. Si la línea es infinitamente larga, puede almacenar energía indefinidamente; está entrando energía desde la fuente y ninguna se regresa. Por lo tanto, la línea actúa como un resistor que disipa toda la energía. Se puede simular una línea infinita si se termina una línea finita con una carga resistiva igual a Zo; toda la energía que entra a la línea desde la fuente se disipa en la carga (esto supone una línea totalmente sin pérdidas). La Figura 1.6 muestra una sola sección de una línea de transmisión terminada en una carga ZL que es igual a Zo. La impedancia que ve desde una línea de n secciones sucesivas se determina de la siguiente expresión: Z 0 = Z1Z 2 + 2 ZL n 2 (5) En donde n es el número de secciones. Para un número infinito de secciones Z L2 /n se acerca a 0 si lim Z L2 n → ∞ = 0 Entonces n (5) Zo = Z1 Z 2 (7) En donde 10 Capítulo 1 Introducción Z 1 = R + jwL (8) Y2 = 1 1 1 = + = G + jwC Z 2 R s 1 / jwC (9) Z2 = 1 G + jwC (10) Por lo tanto, Z 0 = ( R + jwL) Z0 = 1 ,o G + jwC (11) R + jwL G + jwC (12) Particularmente, si se consideran frecuencias suficientemente altas ω 〉100 Khz la ec. (12) se simplifica a; [16] 2π Z0 = jwL L = jwC C (13) Para frecuencias bajas, en el rango Z0 = R G ω ≅ 1KHz (12) se simplifica a [17]: 2π (14) Puede verse de la ecuación (13) que para frecuencias mayores a 100 Khz, la impedancia característica en una línea de transmisión se acerca a una constante, es independiente de la frecuencia y longitud, y se determina sólo por la inductancia y capacitancia. También puede verse que el ángulo de fase es de 0o. Por lo tanto Zo se ve totalmente resistiva y toda la energía incidente se absorberá por la línea. 11 Capítulo 1 Introducción Constante de propagación. La constante de propagación (a veces llamada el coeficiente de propagación) se utiliza para expresar la atenuación (pérdida de la señal) y el desplazamiento de fase por unidad de longitud de una línea de transmisión. Conforme se propaga una onda, a lo largo de la línea de transmisión, su amplitud se reduce con la distancia viajada. La constante de propagación se utiliza para determinar la reducción en voltaje o corriente en la distancia conforme la TEM se propaga a lo largo de la línea de transmisión. Para una línea infinitamente larga, toda la potencia incidente se disipa en la resistencia del cable, conforme la onda se propague a lo largo de la línea. Por lo tanto, una línea que se ve como infinitamente larga, y que termina en una carga acoplada (Zo=ZL), no se refleja ni se regresa energía nuevamente a la fuente. Matemáticamente, la constante de propagación es γ = α + jβ (15) En donde γ= constante de propagación α= coeficiente de atenuación (nepers por unidad de longitud) β=coeficiente de desplazamiento de fase (radianes por unidad de longitud) La constante de propagación es una unidad compleja definida por γ = ( R + jwL )(G + jwC ) (16) Ya que un desplazamiento de fase de 2π rad ocurre sobre una distancia de una longitud de onda, β= 2π (17) λ A frecuencias de radio e intermedias, wL>R y wC>G; por lo tanto α= R GZ 0 + 2Z 0 2 [18] (18) Y β = w LC [19] (19) 12 Capítulo 1 Introducción Como se indicó anteriormente, las ondas electromagnéticas viajan a la velocidad de la luz. Sin embargo, en las líneas de transmisión metálica donde el conductor generalmente es de cobre y los materiales dieléctricos varían, considerablemente, de acuerdo con el tipo de cable, una onda electromagnética viaja mucho más lenta. 1.3.4 Factor de velocidad Los instrumentos que usan la RDT miden el tiempo entre el envío del pulso y la recepción de la señal. Este tiempo es convertido a distancia usando una conversión conocida como factor de velocidad [20] se define simplemente como la relación de la velocidad real de propagación, a través de un medio determinado a la velocidad de propagación a través del espacio libre. Matemáticamente, el factor de velocidad es Vf = Vp (20) c En donde Vf = factor de velocidad Vp =velocidad real de propagación c =velocidad de propagación a través del espacio libre, c=3 x 108 m/s y V f xc = V p (21) La velocidad a la que viaja una onda electromagnética, en una línea de transmisión, depende de la constante dieléctrica del material aislante que separa los dos conductores. El factor de velocidad se puede obtener, aproximadamente, con la fórmula Vf = 1 (22) εr En donde εr es la constante dieléctrica de un material determinado (permeabilidad del material relativo a la permeabilidad del vacío, la relación ε/εo). Se puede demostrar que el tiempo T = LC . Por lo tanto, la inductancia, la capacitancia, y la velocidad de propagación están relacionadas matemáticamente por la fórmula. 13 Capítulo 1 Vp = Introducción D LC (23) Si la normalizamos a un metro, la velocidad de propagación para una línea sin pérdidas es Vp = 1m = LC 1 m/s LC (23) 1.3.5. Calculo de la Señal de Retrodispersión Para determina la ecuación matemática de la señal de retrodispersón, primero, se analiza la energía de la luz presente en una pequeña sección del conductor, se considera la difusión de la señal en esa sección, y se determina la potencia dispersada en sentido contrario al flujo de la señal, y finalmente se define la ecuación de retrodispersión en función del tiempo. Dada una señal con energía Eo inyectado en el conductor en el tiempo t=0 al punto x=0. La energía del pulso Ei(x) a la distancia x es: x Ei( x) = Eo exp{− ∫ α ' (l )d ¨l} (24) 0 Donde α ' (l ) es la atenuación del conductor en el punto l en el sentido en que viaja el pulso. Si consideramos que α (l ) es constante entonces: Ei ( x) = Eo exp(−α ' x) (25) Ahora, considerando la difusión de la señal en x, x+dx, x dEd ( x) = Eoα d ( x) exp{− ∫ α ' (l )d (l )}dx (26) 0 Donde α d (x) es el coeficiente de dispersión al punto x, ésta dispersión es debida principalmente a irregularidades geométricas e inhomogeneidades propias de la construcción del material. La porción de la potencia dispersada que será capaz de retrodispersarse, está dad por la fracción de potencia de captura S(x). 14 Capítulo 1 Introducción x dEd ( x) = EoS ( x)α d ( x) exp{− ∫ α ' (l )d (l )}dx (27) 0 Si se observa la energía en la entrada del conductor se tiene: x x 0 0 dEd ( x) = EoS ( x)α d ( x) exp´− ∫ α ' (l )d (l ) − ∫ α ' ' (l )d (l )}dx (28) Donde α ' ' (l ) es la atenuación de retorno. Para el caso práctico donde α ' (l ) = α ' ' (l ) = α = cte tenemos: dE ( x) = EoSα d exp(−2αx)dx (29) Haciendo cambios de variable de E y x, se obtiene la potencia de la señal de retrodispersión como función del tiempo. Eo = Po∆t (30) Donde ∆t = ancho del pulso inyectado. 2 x = Vg t dx = Vg 2 (31) (32) dt Vg = velocidad de grupo, o propagación. P (t ) = Po∆tα dVg exp( −αVg t ) (33) 2 En esta ecuación se debe notar que: La potencia retrodispersada es proporcional a: • La potencia Po en la entrada. • El ancho del pulso ∆t . • Los parámetros del conductor S, α d . [21] 1.3.6. Reflectometría en el dominio del tiempo Los cables metálicos, como todos los componentes, dentro de un sistema de comunicación electrónica, pueden desarrollar problemas que inhiben su habilidad de funcionar como se espera. Cuando ocurre un problema con un cable, puede consumirse 15 Capítulo 1 Introducción mucho tiempo y, en consecuencia, puede ser bastante costoso, para determinar el tipo y el lugar exacto donde ocurre el problema. Una técnica que puede utilizarse para localizar el deterioro de un cable metálico se llama reflectometría en el dominio del tiempo (RDT). Con la RDT, los deterioros en la línea de transmisión pueden localizarse en una radio de algunos metros hasta distancias de varios kilómetros. RDT hace uso de la teoría, bien establecida, que dice que el deterioro de las líneas de transmisión, con cortos y abiertos, hacen que una porción de la señal incidente regrese a la fuente. Cuánto regresa, depende del tipo y de la magnitud del deterioro. El punto en la línea donde el deterioro se localiza representa una discontinuidad de la señal. Esta discontinuidad hace que una parte de la señal transmitida sea reflejada, en lugar de que continúe a lo largo del cable. Si no regresa la energía (o sea, que la línea de transmisión y la carga están perfectamente acopladas), la línea está infinitamente larga o está terminada en una carga puramente resistiva con una impedancia igual a la impedancia característica de la línea. RDT opera de forma similar a un radar. Un pulso de corta duración con un rápido tiempo de elevación se propaga a lo largo del cable; luego se mide el tiempo para que una porción de esa señal regrese a la fuente. Esta señal de retorno se llama, a veces eco. Conociendo la velocidad de propagación en el cable, puede determinarse la distancia exacta entre el deterioro y la fuente utilizando la siguiente relación matemática: d= v *t 2 (34) En donde d= distancia de la discontinuidad (metros) v=velocidad (metros/segundo) v=k x c (metros/segundo) k= factor de velocidad (v/c) c= velocidad de la luz (3 x 108 metros/segundo) t=tiempo transcurrido (segundos) 16 Capítulo 1 Introducción La ecuación (34) es una simplificación de la ecuación de retrodispersión (32) en donde se considera un punto diferencial en el conductor. La ec. (34) nos proporciona una buena aproximación para fines prácticos para el cálculo de la señal retrodispersada o de retorno. En la ec. (34) tiempo transcurrido se mide del borde delantero del pulso transmitido a la recepción de la señal reflejada, como se muestra en la Figura 1.7a. Es importante que el pulso transmitido sea tan angosto como sea posible, esta medida es dependiente de la precisión requerida en la medición. . De otra forma, cuando se localice el deterioro cerca de la fuente, la señal reflejada podría regresarse, mientras que el pulso se esté transmitiendo todavía (ver Figura 1.7b), dificultando su detección. Figura 1.7 a) tiempo transcurrido, b) transmisión de un pulso ancho Considerando la ecuación 18, podemos ver que mientras la distancia que recorra el pulso sea más corta, el pulso a de ser mas angosto. En otras palabras si queremos hacer 17 Capítulo 1 Introducción una medición de una longitud de 10 metros, idealmente necesitamos un pulso cuando menos de 45 Mhz, para que el pulso de regreso este espaciado un ciclo por el pulso enviado y de esta forma no se traslapen los pulsos. La aplicación es la que determinará el tamaño máximo del pulso. 1.4 Propiedad de un cuarto de longitud de onda Esta propiedad nos dice lo siguiente: Si una terminación de una línea de transmisión está a un cuarto de longitud de onda y está en corto circuito, entonces la línea de transmisión presenta una impedancia infinita para el caso ideal (o muy grande en la práctica) para cualquier equipo que esté conectado en la otra terminal. Si una terminal está en circuito abierto, entonces la línea de transmisión presenta una impedancia cero para el caso ideal (muy baja en la práctica) para cualquier equipo que esté conectado en la otra terminal. [20] Para los dos casos las formas de ondas reflejadas de voltaje y corriente están en fase cuando alcanzan la terminación de fuente. Esto hace que la impedancia presente un comportamiento puramente resistivo, esto se demuestra por medio del análisis fasorial [17]. Rref Rref R2 L2 L1 V1 I1 R1 C2 a) Circuito resonante paralelo C3 b) Circuito resonante serie Figura 1.8 Modelo de línea de transmisión para la propiedad de un cuarto de longitud de onda. Para el caso de una línea de transmisión terminada en circuito abierto, el cable se comporta como un circuito LC resonante serie, y la impedancia de entrada es mínima. 18 Capítulo 1 Introducción Para el caso de la terminación en corto circuito es equivalente a un circuito LC en paralelo y la impedancia de entrada es máxima Línea de transmisión terminada en corto circuito. En el circuito de la Figura 1.8 parte a) la frecuencia de resonancia está definida como la frecuencia a la cual la impedancia vista desde la fuente de corriente es puramente resistiva [19]. Esta frecuencia hace que la correspondiente admitancia sea puramente conductiva. De esta manera la frecuencia de resonancia es. ωn = 1 LC (35) A esta frecuencia el voltaje entre las terminales de la resistencia R1 es: → V 0 (ω = ω n ) = V max = I m R (36) De esta manera toda la tensión recae sobre R1, y es máxima por lo que la tensión en Ref. es cero (o muy cercano a cero), por el divisor de voltaje que se forma Línea de transmisión terminada en circuito abierto. En la parte b) de la Figura 1.8 se puede ver el modelo de una línea de transmisión y como se ve desde la terminal de entrada de fuente, para este caso la frecuencia de resonancia está definida como la frecuencia a la cual la fuente de voltaje ve al cable como una carga puramente resistiva, la frecuencia de resonancia es igual que para el caso anterior [19]. La corriente es máxima, por lo que el voltaje es mínimo, de está manera, la tensión que se ve en Ref. es cercana o igual al voltaje de fuente, ya que en R1 es cercano a cero. De esta manera se justifica el circuito propuesto por Medelius y Simpson [20] el cual se muestra a continuación: 19 Capítulo 1 Introducción Figura 1.9 Circuito propuesto por Medelius [20]. 1.5 Propuesta para el módulo RDT Un sistema de cableado metálico real siempre tendrá pérdidas propias de la naturaleza de los conductores, tipo de aislante, etc. En el caso del cableado estructurado para redes de computadoras, se han establecido estándares para la operación óptima de esta, así como para asegurar la integridad de los datos. Los requerimientos de confiabilidad en la instalación física hacen necesario que se desarrollen herramientas de diagnóstico para el análisis de confiabilidad en el cableado. Estas herramientas pueden consistir en instrumentos tan sencillos como un multímetro digital o analógico, hasta algunos más complicados como osciloscopios, espectrómetros, etc. Entre estos encontramos los Reflectómetros en el Dominio del Tiempo (RDT), los cuales son instrumentos que nos permiten hacer mediciones con mucha exactitud de los principales parámetros de un sistema de cableado metálico. Esto lo hacen mediante la técnica de Reflectometría en el Dominio del Tiempo. Por todo lo anterior se propone el desarrollo de un equipo cuya operación básica consista en la inyección de un pulso de energía en un extremo del conductor tal que viaje 20 Capítulo 1 Introducción por él, hasta que encuentre una imperfección o llegue al final del mismo y en cualquiera de los dos casos genere un eco que viaje de regreso hasta el emisor en donde será cronometrado el tiempo de envío-recepción y la forma de onda para su análisis y generación de conclusiones respecto a impedancia, longitud y atenuación, (un RDT). Figura 1.10 Principio de operación del RDT. Mediante la técnica de RDT se propone el diseño y construcción de un módulo electrónico basado en algún tipo de microcontrolador con su circuitería asociada, en este módulo se capturará toda la información necesaria para el análisis y será enviada a una computadora personal en donde se tomarán las decisiones respecto a los resultados de las pruebas y se desplegaran los mismos a través de una interfaz hombre-máquina. La Figura 1.11 muestra la propuesta de este módulo en el ámbito de la aplicación de cableado estructurado. Debe entenderse por sistema de cableado, a los componentes físicos de la red, como son: conectores, toma de pared y cables, los cuales conforman la interfaz física de conexión de una red, y que en nuestro caso de estudio se refiere al alambre de par trenzado UTP nivel 5. El diseño consistirá en dos partes perfectamente identificadas: 1. Módulo electrónico que ejecutará las siguientes funciones: ¾ Generación de pulsos ¾ Detección de pulsos ¾ Adquisición de datos ¾ Comunicación serial (RS-232) 21 Capítulo 1 Introducción ¾ Procesamiento ¾ Almacenamiento ¾ Despliegue de información ¾ Autodiagnóstico 2. Interfaz hombre-máquina con las siguientes funciones: ¾ Despliegue ¾ Programación del módulo electrónico ¾ Diagnóstico ¾ Análisis de resultados ¾ Historial ¾ Comunicación 3. Módulo auxiliar con las siguientes funciones: ¾ Facilitar al módulo principal las funciones de detección de fallas en las pruebas de mapa de cableado y crosstalk. Figura 1.11 RDT propuesto. 22 Especificación del módulo RDT Capítulo 2 Capítulo 2 Especificación del módulo RDT 2.1 Filosofía funcional. El probador de cableado de red es un dispositivo electrónico concebido para realizar pruebas en cableado categoría 5. Las pruebas consisten en la detección de fallas en el cable, en la determinación de la longitud del cable y en la caracterización de los parámetros más significativos del cable de la red como lo son; la atenuación de señales y Next (crosstalk) adicionalmente el módulo efectúa pruebas denominadas de mapa de cableado con el propósito de verificar el correcto conexionado de los distintos conductores de la red. El dispositivo realiza también la prueba de detección de fallas tales como cortos y abiertos en la red utilizando la técnica de Reflectometría en el Dominio del Tiempo denominada RDT ó TDR por sus siglas en inglés (Time Domain Reflectometry). Los parámetros del cable son verificados insertando también señales digitales de alta frecuencia en los conductores de red para medir porciones de ellas en los mismos conductores o en conductores de vecinos, de tal manera, que permitan obtener de éstas señales información referente al estado del cableado. Las pruebas de mapa de cableado permiten verificar la correcta interconectividad entre todos los puntos de la red y es realizada en los extremos de conexión de dos nodos distintos. El probador efectúa estas pruebas inyectando señales en un extremo de la red y 23 Especificación del módulo RDT Capítulo 2 monitoreando en los conductores ubicados en el otro extremo para lo cual se auxilia de un segundo módulo electrónico. El sistema de prueba se complementa por una computadora personal que permite programar los parámetros de referencia del cable en el probador y las condiciones de la prueba, así como llevar historiales de pruebas y generar reportes de las mismas. Lo anterior se realiza desde una interfaz hombre/máquina. 2.2 Arquitectura del sistema El sistema de prueba consta de los siguientes elementos: ¾ El dispositivo probador de fallas y caracterizador de parámetros de cableado. ¾ El módulo auxiliar para pruebas de mapa de cableado. ¾ La interfaz hombre/máquina. ¾ El elemento bajo prueba (cable UTP nivel 5). Ver Figura 2.1. Figura 2.1 Diagrama a bloques funcional del módulo propuesto. 2.2.1 El dispositivo probador Se integra de los siguientes bloques: ¾ Procesamiento. Realiza las funciones siguientes: • Coordinación general de las pruebas. 24 Especificación del módulo RDT Capítulo 2 • Programación de los parámetros de la prueba. • Procesamiento de resultados de prueba (identificación del tipo de falla, cálculos de distancia de falla, etc.). • Registro de resultados de prueba. • Control de la comunicación con la interfaz hombre/máquina. • Capacidad para almacenar muestras y resultados de las pruebas. • Autodiagnóstico del sistema. Ver Figura 2.2. Figura 2.2 Diagrama funcional del módulo de procesamiento. ¾ Generador de pulsos. Produce las señales a inyectar a los conductores de la red bajo prueba, las cuales deben tener las siguientes características: • Pulsos cuadrados o senoidales • Ancho de pulso de 40 ns mínimo y frecuencia de 60 Khz • Señales TTL compatibles • Capacidad de corriente suficiente para soportar atenuaciones a una longitud máxima de 100 mts. • Impedancia de salida típica de 100 ohms. Ver Figura 2.3 25 Especificación del módulo RDT Capítulo 2 Figura 2.3 Diagrama funcional del generador de pulsos. ¾ Detector de pulsos. Detección de señales con las características siguientes: • Cambios de señal a 54 ns o mayores. • Frecuencia de muestreo de 1/40ns (25 Mhz). • Detección de cambios de polaridad de las señales de voltaje. Ver Figura 2.4. Figura 2.4 Diagrama funcional del detector de pulsos. ¾ Adquisición de datos. Monitorea la forma de onda reflejada de tal forma que permita determinar los parámetros de la red. Sus principales características son: • 4 canales de adquisición analógica. • Voltaje de entrada de cada canal 0 a 5V. • Resolución de 8 bits en cada canal. • Frecuencia de muestreo de 125 us. Ver Figura 2.5. 26 Especificación del módulo RDT Capítulo 2 Figura 2.5 Adquisición de datos. ¾ Comunicaciones. Este bloque realiza las funciones necesarias para enlazar el dispositivo de prueba con la Interfaz Hombre/Máquina (PC). Características del enlace: • Canal serial RS-232 compatible. • Velocidad de enlace 1200 a 9600 bps. • Protocolo de enlace propietario. Ver Figura 2.6. Figura 2.6 Diagrama funcional del control de comunicaciones. ¾ Interfase a usuario. Este bloque muestra las funciones y especificaciones requeridas para interactuar con el usuario. • En pantalla tipo LCD. • Con despliegue de menú. • Teclado para la selección de opciones. Ver Figura 2.7. Figura 2.7 Diagrama funcional del control de Interfaz. 27 Especificación del módulo RDT Capítulo 2 2.2.2 Módulo auxiliar de prueba. Es un módulo concebido para auxiliar al módulo principal en la ejecución de las pruebas de mapa de cableado y de caracterización de parámetros del cable como son: atenuación y crosstalk. Su diseño se basa en un microcontrolador y sus funciones básicas son las siguientes: ¾ Interpretación de comandos provenientes del módulo principal. ¾ Ejecución del comando ordenado por el módulo principal. ¾ Diagnóstico de comunicación con módulo maestro. Ver Figura 2.8. Nota: las señales requeridas, así como las muestreadas son de características similares a las otras partes del sistema. Figura 2.8 Diagrama funcional del módulo auxiliar. 2.2.3 Interfaz hombre/máquina. Las funciones principales de la interfaz hombre máquina se detallan a continuación: ¾ Comunicación con el módulo probador a través de canal serial RS-232., utilizando protocolo propietario. ¾ Programación general del módulo electrónico de prueba. ¾ Operación con base a menús tipo desplegables seleccionables por el usuario. ¾ Análisis de resultados de prueba. ¾ Registro de datos de prueba para propósitos de control de historiales de prueba. ¾ Despliegue en pantalla de resultados de prueba. ¾ Generación de reportes de prueba. 28 Especificación del módulo RDT Capítulo 2 ¾ Diagnóstico de fallas del sistema de pruebas. Todas estas funciones están pensadas para hacer de la aplicación un verdadero instrumento de prueba y detección de fallas, así como para llevar un registro estadísticos de estas. 29 Capítulo 3 Diseño de Hardware Capítulo 3 Diseño de Hardware 3.1 Introducción En la actualidad el diseño de un RDT es regido por muchos factores, entre ellos el económico, ya que en la actualidad se hacen cada vez más populares los reflectómetros con características portátiles y de bajo costo debido a la proliferación de las redes cableadas. Un RDT opera como un radar, este envía un breve pulso a lo largo del la línea y este detecta cualquier eco de retorno debido a un corto circuito, un circuito abierto o una discontinuidad abrupta en la impedancia de la línea. El intervalo de tiempo que transcurre en un cable típico, entre el pulso que es enviado y su retorno es aproximadamente 3.3ns por pie, asumiendo que la propagación en la línea es de 0.6c (un sexto de la velocidad de la luz). Así, teniendo una resolución de 10ns en nuestra electrónica, la distancia más pequeña a cualquier discontinuidad que se puede medir es de 3 pies. 30 Capítulo 3 Diseño de Hardware Mediante el empleo de un ADC con una tasa de muestreo de aproximadamente 2 MSPS, se podría obtener una resolución en el RDT de 5ns. Cualquier ADC de esta gama resultan ser muy caros, con un consumo de energía considerable y generalmente prohibitivo para aplicaciones portátiles. En la Tabla 3.1 y la Tabla 3.2 se muestran algunos de los más comunes Convertidores A/D del mercado. Podemos ver la diferencia de precio entre los convertidores rápidos y los de gama media que en la mayor parte de los casos supera el 1000%. Estos últimos, los de gama media, son los que usamos para nuestra aplicación. Tabla 3.1 Convertidores Analogico-Digitales rápidos. Ancho de Resolución Canales de Tasa de Max. Tiempo (Bits) Entrada muestreo(max) de Conv. (ns) MAX1205 14 1 1 MSPS 2 3.3 MAX1200 16 1 1 MSPS 3.9 3.3 No. De Parte Banda Encapsulado (MHz) 44/MQFP10x10 44/MQFP10x10 Precio @ 1KU $11.50 $20.21 44/LCC MAX1201 14 1 2.2 MSPS 1.8 3.3 44/MQFP- $36.52 10x10 Tabla 3.2 Convertidores Analógico-Digitales de gama media. Interfase Aprox. 1KU Paralela Precio(US$) Resolución Tasa de (Bits) muestreo(max) ADS7818 12 500kSPS SAR 2.50 ADS7834 12 500kSPS SAR 2.45 No. de Parte Arquitectura 31 Multicanal Capítulo 3 Diseño de Hardware Tabla 3.3 Convertidores Analógico-Digitales de gama media. Continuación. Resolución Tasa de (Bits) muestreo(max) ADS7835 12 500kSPS SAR ADS7852 12 500kSPS SAR No. de Parte Arquitectura Multicanal Interfase Aprox. 1KU Paralela Precio(US$) 2.75 Si Si 3.40 Con base a la especificación realizada en el capitulo anterior se realizó el diseño del equipo RDT propuesto. Basándose en un sistema modular tanto en la parte de hardware como de software, así se tiene una implementación más sencilla a la vez que permite la escalabilidad del diseño. Actualmente el empleo de sistemas modulares permite mayor flexibilidad para la mejora de productos, así como el reciclaje de ingeniería, la construcción de sistemas más complejos, basados en unir células electrónicas sencillas. Este enfoque es el que tomamos. En los apartados siguientes se detallan los bloques diseñados. 3.2 Descripción modular del RDT En el presente apartado se presenta la descripción funcional del módulo propuesto. La Figura 3.1 muestra la descripción por bloques del módulo basado en la RDT. 32 Capítulo 3 Diseño de Hardware Figura 3.1 Diagrama a bloques del módulo RDT. 3.2.1 Unidad de procesamiento Las funciones de la CPU son las siguientes: • Generación de la señal de referencia para el pulso a transmitir a través del cable. • Comunicación mediante el canal serie. • Manejo del display y teclado. • Procesamiento de la información. • Almacenamiento de información trascendente. 33 Capítulo 3 Diseño de Hardware La complejidad de los procesos para la detección de fallas, así como la necesidad del procesamiento de datos para propósitos de almacenamiento, estadística e historial, hace necesario el uso de un microcontrolador. Las opciones de diseño para el desarrollo del módulo RDT (Figura 3.1) se basaron en modelos populares de microcontroladores de las compañías siguientes: • Atmel con la serie de microcontroladores AVR, de arquitectura RISC. • Motorola con la familia HCS12. • Microchip con la serie 16F8XX. En un principio se escogió, por razones de disponibilidad inmediata en el mercado local y simplicidad, el microcontrolador PIC16F877 de la compañía Microchip, sin embargo se declinó su uso por el microcontrolador MC9S12A128 de Motorola. Las ventajas sobre microchip son muchas. A continuación se enumeran algunas. • Motorola1 es líder mundial en la fabricación de microcontroladores solamente superado por Intel. • Se tiene conocimiento previo de la programación de la familia HS12 a la que pertenece el microcontrolador de motorola. • La herramienta de programación en lenguaje de alto nivel, lenguaje C, de motorola hay disponibilidad en versiones gratuitas, propias para desarrollo e investigación. • El ambiente de programación de motorola es por mucho más potente a nivel compilador que Microchip. 1 Al momento del desarrollo de esta tesis la compañía Motorola vendió su división Digital DNA, la cual desarrollaba el microcontrolador MC9S12A128, usado en este trabajo. Actualmente este dispositivo es comercializado por la marca Freescale Semiconductor. 34 Capítulo 3 Diseño de Hardware • La programación de microcontroladores motorola permite una gran portabilidad de código, lo que permite la migración fácil a tecnologías nuevas. • El diseño modular nato de los microcontroladores Motorola permite el uso fácil de programación basado en controladores de dispositivos, produciendo un código más limpio y más complejo sin demeritar la legibilidad de este. Las características generales de este microcontrolador se anexan como apéndice de este documento. En el caso de la compañía Atmel era necesaria la migración a un microcontrolador de mayores prestaciones, lo cual aumentaba el tiempo de investigación. Dado que se tenía el conocimiento previo de la arquitectura de la familia HCS12, se decidió el uso de este microcontrolador. La Figura 3.2 muestra de forma funcional el bloque de la CPU. Figura 3.2 Diagrama funcional del bloque CPU. La implementación electrónica de este bloque se muestra en la Figura 3.3. 35 Figura 3.3 Diagrama eléctrico del bloque CPU. 36 A B C D K[7:0] 1 S3 R21 C25 HOLD[C:A] 3 2 1 W5 6 4 2 J7 CONTROL MICRO A[2:0] R24 RESET D9 VCC PT0 GLOBAL RESET K0 K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7 DAC SEL R23 5 3 1 XTAL VCC A2 A1 A0 C21 BKGD VCC C16 Y1 D[7:0] C26 P15 R17 BUSY CS RD DB[07:0] WR DACSEL P31 FLIP FLOP RESET PP+ DELAY GEN 24 25 26 27 37 38 39 40 23 22 21 20 19 18 17 16 14 13 12 11 8 7 6 5 59 31 32 61 60 XTAL 35 EXTAL 34 C15 DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 78 79 80 1 2 3 4 VDDA VDDPLL XFC VRL VRH XTAL EXTAL 2 XCLKS/NOACC/PE7 MODB/IPIPE1/PE6 MODA/IPIPE0/PE5 ECLK/PE4 LSTRB/TAGLO/PE3 R/W/PE2 IRQ/PE1 XIRQ/PE0 ADDR7/DATA7/PB7 ADDR6/DATA6/PB6 ADDR5/DATA5/PB5 ADDR4/DATA4/PB4 ADDR3/DATA3/PB3 ADDR2/DATA2/PB2 ADDR1/DATA1/PB1 ADDR0/DATA0/PB0 IOC7/PT7 IOC6/PT6 IOC5/PT5 IOC4/PT4 IOC3/PT3 IOC1/PT2 IOC1/PT1 IOC0/PT0 Autor: Israel Leyrana MODC/TAGHI/BKGD TEST RESET VREGEN VSS1 VSS2 VSSX VSSR VSSA VSSPLL VDD1 VDD2 VDDX VDDR PJ6/KWJ6/SDA PJ7/KWJ7/SCL PM0 PM1 PM2/MISO0 PM3/SS0 PM4/MOSI0 PM5/SCK0 PS3/TXD1 PS2/RXD1 PS1/TXD0 PS0/RXD0 PAD07/AN07/ETRIG0 PAD06/AN06 PAD05/AN05 PAD04/AN04 PAD03/AN03 PAD02/AN02 PAD01/AN01 PAD00/AN00 BOTON1 BOTON2 69 68 15 36 30 67 10 50 76 28 62 33 RESET VREGEN BKGD P9 P49 DATA4 DATA5 DATA6 DATA7 RS E 75 74 73 72 71 70 9 49 77 29 TX0 RX0 WIRE7 WIRE6 WIRE5 WIRE4 WIRE3 WIRE2 WIRE1 WIRE0 66 65 64 63 58 57 56 55 54 53 52 51 DB15 DB14 DB13 DB12 DB11 DB10 DB9 DB8 Scale C17 VCC C18 WIRE[7:0] /OE O0 D0 D1 O1 O2 D2 D3 O3 GND IC6 VCC O7 D7 D6 O6 O5 D5 D4 O4 LE WIRE7 WIRE6 WIRE5 WIRE4 WIRE3 WIRE2 WIRE1 WIRE0 K7 D7 D6 K6 K5 D5 D4 K4 LE VCC 3 CPU FCSM No. DWG No. 1 CENIDET INTERIOR INTERNADO PALMIRA S/N CUERNAVACA, MORELOS, MEXICO VCC Size Letter GND K0 D0 D1 K1 K2 D2 D3 K3 GND DB[15:8] 48 47 46 45 44 43 42 41 U6 PWM7/KWP7/PP7 PWM5/KWP5/PP5 PWM4/KWP4/PP4 SS1/PWM3/KWP3/PP3 SCK1/PWM2/KWP2/PP2 MOSI1/PWM1/KWP1/PP1 MISO1/PWM0/KWP0/PP0 PA7/ADDR15/DATA15 PA6/ADDR14/DATA14 PA5/ADDR13/DATA13 PA4/ADDR12/DATA12 PA3/ADD11/DATA11 PA2/ADDR10/DATA10 PA1/ADDR9/DATA9 PA0/ADDR8/DATA8 3 2 P9 P9 C33 C27 3 2 1 W4 8 C34 P49 C28 P49 3.3V 1 Sheet 2 of 6 C35 VCC P77 C29 OUT GND 4 C36 VCC P29 C30 VCC P29 3.3VDC E 1 2 3 W3 1 2 3 W2 1 2 3 W1 GND EXTAL J8 C37 P31 C31 P31 5 4 VREGEN VCC VCC XTAL OSC VCC P77 VCC R18 R16RESET GLOBAL VCC Default 2-3 3 2 1 W6 R14 BUSY R15 CS 4 VCC Rev 1.0 C38 VCC P59 C32 VCC P59 2 1 1 A B C D Capítulo 3 Diseño de Hardware Capítulo 3 Diseño de Hardware 3.2.1.1 Generador de pulsos. La generación del pulso constituye una parte sumamente importante en el diseño del RDT. Para generar este se separa el diseño en dos partes. • La generación de una onda cuadrada de 60 Khz, como frecuencia fundamental del pulso. • La generación de un pulso de 40 ns, con la frecuencia arriba mencionada. Esto se puede ver mejor en la Figura 3.4 Figura 3.4 Diagrama funcional del generador de pulsos. El microcontrolador MC9S12A128, tiene asociado un módulo PWM (Modulador por ancho de pulso, por sus siglas en inglés, Pulse Width Modulator), el cual mediante una adecuada configuración de registros se puede utilizar como un generador de onda cuadrada de frecuencia estable con la particularidad de ser modificado su ciclo de trabajo y/o frecuencia mediante software. A este módulo se le complementa mediante un driver para poder manejar un pulso con mayor energía y así evitar que la amplitud “caiga” debido a la impedancia propia de la línea. 37 Capítulo 3 Diseño de Hardware El driver que controla la potencia del pulso transmitido se diseñó con un transistor de alta ganancia de base, con una impedancia de salida igual a la de la línea de transmisión para evitar reflexiones espurias. A FCSM No. Scale Size Letter 3 GENERADOR R4 GEN R2 Autor: Ing. Israel Leyrana Ceballos GND C3 3 2 1 J2 VCC 13 4 Q Q R1 A B CLR Cext Rext/Cext 1 A B C D 1 VCC VCC C1 PT0 2 1 2 3 14 15 U2A GND 3 1 2 R3 Q1 2 R8 C2 3 CENIDET INTERIOR INTERNADO PALMIRA S/N CUERNAVACA, MORELOS, MEXICO DWG No. Sheet 5 of 6 4 4 Rev 1.0 B C D El diagrama eléctrico de este bloque se muestra en la Figura 3.5. Figura 3.5 Diagrama eléctrico del generador de pulsos. 38 Capítulo 3 Diseño de Hardware 3.2.1.2 Despliegue de información Dado que la gran mayoría de las aplicaciones de cableado requieren de sistemas que se puedan manejar “standalone”, estos dispositivos requieren de interfaces con el usuario para el manejo de su información, y opciones de diagnóstico. El RDT propuesta cuenta con tres vía de comunicación (ver Figura 3.6): • Puerto serie para comunicación con la PC. • Pantalla LCD para despliegue de información. • Teclado para selección de opciones. Figura 3.6 Diagrama funcional del módulo de interfase. El display utilizado es de American Settler el cual maneja 4 bits de datos, así como sus señales de control del LCD y su ajuste de contraste. El LCD es de 2X16 (dos líneas y 16 caracteres por línea), para obtener una mejor visualización y claridad en los datos mostrados. La opción de teclado es implementada mediante dos micro-interruptores, los cuales se cablean a unos pines especializados en el manejo de teclado, estos pines tienen opciones de antirebote, así como de interrupciones las cuales pueden ser priorizadas, de esta manera el flujo del programa puede ser optimizado, para trabajar en diferentes 39 A B C 1 GND E 9 10 RS11 12 E R/W RS V_LC J5 GND J6 BOTON2 BOTON1 LCD M1632 GND R20 14 V_DD 2 13 GND LCD CONTRAST V_SS 2 VCC J3 1 2 3 S1 S2 1 2 3 TX0_E TX1_E C24 3 C22 13 8 11 10 1 3 3 TX0_E RX0_E TX1_E RX1_E Figura 3.7 Diagrama eléctrico de la interfaz de usuario y puerto serie. Date: File: Letter Size Title R1 IN R2 IN T1 IN T2 IN C1 + C1 - U7 C19 C20 VCC 2 6 16 V+ VVCC GND 15 2 4 6 8 C23 TX0 RX0 TX1 RX1 12 RX1_E 9 RX0_E 14 7 4 5 J4 R22 VCC J11 RXD J10 4 1 6 2 7 TXD 3 8 4 9 5 4 9-Aug-2004 Sheet of E:\israel\Escuela\Tesis\protel99se\tesis\TESIS09072004.ddb Drawn By: Number 1 3 5 7 J12 R1 OUT R2 OUT T1 OUT T2 OUT C2 + C2 - J9 1 2 3 2 1 1 2 D 1 DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 40 2 1 TX D 1 2 3 4 5 6 7 8 Revision J13 A B C D Capítulo 3 Diseño de Hardware planos de acuerdo a la tarea que se este llevando a cabo. La Figura 3.7 muestra la implementación física de este bloque. DAT A4 DAT A5 DAT A6 DAT A7 Capítulo 3 Diseño de Hardware Como se ve en el diagrama el canal serie utiliza un transceiver para acondicionar la señal al puerto de la PC. El LCD tiene un transceiver integrado al encapsulado de la pantalla. Todas las señales de control proceden del microcontrolador 3.2.1.3 Memoria En la Figura 3.2 se puede ver que el módulo CPU contiene un bloque de almacenamiento . Este bloque realiza las funciones las siguientes funciones: • Almacenamiento de historial. • Respaldo de información de parámetros. • Memoria RAM del sistema. El microcontrolador MC9S12A128, tiene 128 kb de flash, así como 8 kb de RAM, y 2 kb de memoria EEPROM. Este espacio de memoria no solo permite la estructuración de un programa suficientemente complejo, sino que además permite la implementación de almacenamiento permanente, sin necesidad de recurrir a dispositivos externos de memoria, los cuales en el futuro se puede usar para implementar una salida hacia algún dispositivo externo como puede ser PDA. 3.2.1.4 Interfase serial (SCI, serial communication interface) El MC9S12A128 tiene 2 puertos SCI, los cuales mediante una interface RS-232 puede ser conectado al puerto de comunicaciones serie de una PC, en el diseño del RDT se utiliza el SCI0 para este fin. De esta manera se puede enviar información a la PC, para fines estadísticos, de almacenamiento o para la visualización de la información aprovechando la capacidad de procesamiento de la PC, así como la simplicidad del puerto serie. Ver Figura 3.7. 41 Capítulo 3 Diseño de Hardware 3.2.1.5 Detector de Pulsos La función principal de este módulo es la detección del pulso RDT, lo cual se logra mediante la implementación de los siguientes sub-bloques (ver Figura 3.8): • Comparador de umbral, el cual recibe el pulso de retorno. • Comparador de polaridad, para llevar a acabo la detección de cortos o abiertos. • Controlador de pulsos, el cual envía a la CPU las señales adecuadas dependiendo del pulso de retorno, para así ser procesadas. Figura 3.8 Diagrama funcional del detector de pulsos. Si bien esta etapa está fuera de la CPU, la parte de procesamiento si se encuentra en esta. La detección se realiza mediante un arreglo de comparadores ultrarrápidos de MAXIM, los MAX479. Estos integrados son alimentados mediante una fuente de alimentación simple y un retardo de 10 ns. Esta etapa es la aplicación práctica de la teoría de reflectometría. El generador de pulsos envía un pulso a la línea de transmisión al cual se le proporciona ganancia en corriente mediante el impulsor. Cualquier reflexión generada es acoplada mediante el comparador. El diagrama de la Figura 3.9 muestra el diagrama eléctrico de esta etapa. 42 43 Figura 3.9 Diagrama eléctrico del detector de pulsos. A B C FLIP FLOP RESET 1 PP+ Q /Q Q /Q IC1B VCC S VCC S C C IC1A D CP D CP LCD CONTRAST DELAY GEN GND 2 VCC OUT IC3D GND DAC SEL /Q Q GND LE IC2 + - D[7:0] V+ IN+ IN- V- VCC GND D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 GND 1 C7 OUT IC3B Rfb B VrefB OUT B Autor: Ing. Israel Leyrana Ceballos CS DACSEL DAC A/DACB WR WR RfbA VrefA OUT A + - OUT VCC GND 12 GND IC3A VCC GND GND VCC R7 R6 BOT TOP DB0[LSM] DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7[MSB] IC4 C5 GND R5 GND C4 AGND GEN DGND 2 V+ V- 11 V+ V- 4 V+ V- Vdd - R11 + R9 3 2 Scale Size Letter GND R12 R10 GND GND VCC OUT IC3C V+ V- 3 RDT FCSM No. DWG No. Centro Nacional de Investigacion y Desarrollo Tecnologico Interior Internado Palmira S/N cuernavaca, morelos, mexico 3 - + Sheet 6 of 6 4 2 4 GND IC5 R13 VCC 1 D 1 C6 Rev 1.0 A B C D Capítulo 3 Diseño de Hardware Capítulo 3 Diseño de Hardware Cada pulso que entra a la línea de transmisión es comparado con un retardo variable generado por la CPU. Este retardo es controlado por un timer de 8 bits con los que cuenta el microcontrolador. Este retardo es enviado a las entradas D de unos flipflops, los cuales son temporizados por las salidas TTL del comparador. Así, se puede medir el intervalo de tiempo entre el pulso enviado y el pulso recibido: si la entrada D llega antes de la transición del pulso de reloj, la salida del flip-flop permanece en alto; de otra manera es cero. La implementación de un comparador con salida complementada permite la detección de pulsos negativos y positivos, con lo que es posible la determinación de circuitos abiertos o cortos circuitos. 3.2.1.6 Control de Conmutación de señal. Debido a que por los 8 alambres del cable de red serán enviadas señales para la medición de diferentes parámetros, es necesaria la implementación de un sub-sistema para la selección de canales. Este debe tener la capacidad de poder direccionar la señal RDT procedente de la CPU para enviar por los distintos hilos del cable UTP. La Figura 3.10 muestra el flujo del pulso de retorno. Figura 3.10 Diagrama funcional del módulo de conmutación. 44 Capítulo 3 Diseño de Hardware Esto se implementa mediante un arreglo de relevadores, los cuales direcciónan cada alambre a diferentes pines del microcontrolador, los cuales a su vez, realizan tareas diferentes. También, tienen como función el aislamiento del pin, ya que la conmutación permite evitar que los alambres se conecten tanto al microcontrolador, como al ADC, simultáneamente, lo cual haría que la impedancia propia de los pines del microcontrolador alteren la medición. Ver Figura 3.10. 3.2.2 Adquisición de datos. Este bloque tiene como función principal la adquisición y procesamiento de la señal de retorno. La Figura 3.11 muestra este bloque y su funcionalidad. • Sub-sistema de acondicionamiento de señal, basado en un amplificador operacional para la adquisición de señales bipolares. • Convertidor análogo a digital. • Salida del convertidor y señales de control hacia la CPU. Figura 3.11 Diagrama funcional del módulo de adquisición. Para obtener parámetros de NEXT , es necesario la implementación de un convertidor de análogo a digital. Estos tipos de dispositivos son sumamente caros para aplicaciones de alta velocidad, por lo que se optó por la implementación de un esquema en cascada, el cual mediante un ADC de 6 canales se muestrea la señal a intervalos 45 Figura 3.12 Diagrama eléctrico del módulo de adquisición A B 1 DB[15:8] C12 C39 HOLDA DB8 DB 8 10 DB[7:0] 2 VCC XTAL 16 1 VCC 4 CLR PRE VCC Q Q 14 15 Autor: Ing. Israel Leyrana Ceballos K CLK J U10A VCC BUSY GND GND CONTROL MICRO Scale Size Letter C41 25 RD CS 26 B4 D14 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 BUSYDGND+Vo CLOCK RD CSHOLDC B3 D15 HOLDB B2 D16 DB6 27 BYTE DB9 DB99 B1 D17 DB 6 12 29 A2 VCC 28 A2 DB10 DB10 8 B0 D18 DB7 30 A1 A1 DB11 7 DB11 20 DB 7 11 31 A0 19 3 1 B5 D13 U8A C14 U9A V- C40 R25 VCC 1 2 3 R27 4 VCC U9B R28 C13 R26 GND 3 ADC 3 FCSM No. Adquisición DWG No. Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico Interior Internado Palmira s/n Depto Electrónica GND 2 A[2:0] 12V IN+ OUT IN- GLOBAL RESET 32 A0 DB12 DB12 6 ADS7864 33 RESET 35 36 DB13 +VA DB13 5 47 34 48 REFOUT 45 DB14 46 DB15 43 DB14 4 44 DB15 3 41 AGND CH A0+ CH A0CH B0+ CH B0-CH C0+ CH C0-CH C1-CH C1+ CH B1-CH B1+ CH A1CH A1+ REFIN 42 AGND 1 38 2 U11 +VA 2 3 C VCC 39 22 D 40 21 11 V+ V- 4 2 37 24 46 23 A 1 8 6 Sheet U9D U9C 3 of 6 HOLD[C:A] 9 5 4 4 Rev 1.0 A B C D Capítulo 3 Diseño de Hardware periódicos y secuenciales entre cada canal. De esta manera se puede obtener una respuesta aproximada a como lo haría un convertidor de tipo rápido. Capítulo 3 Es Diseño de Hardware importante mencionar una ventaja del uso del microcontrolador MC9S12A128, y es la posibilidad de usar el mismo reloj que lo temporiza para otras etapas en el circuito, esto debido a un pin denominado EXTAL, la cual es la misma señal de reloj, pero acondicionada internamente por el microcontrolador (buffered), lo que le permite ser usada para temporizar, en este caso, al ADC. Los datos obtenidos por el ADC, son leídos paralelamente por el microcontrolador, para luego ser procesados. El diagrama eléctrico se muestra en la Figura 3.12. 3.2.3 Multiplexeo de señal Esta etapa es complementaria de la de control de conmutación como se puede ver en la Figura 3.13. Esta etapa es conformada por un driver ULN2803 que maneja el inductor de las bobinas de los relevadores, lo cual ayuda a los pines del microcontrolador para dar mayor corriente. Los relés son tipo RAS0610, ampliamente usados en electrónica de control digital. Esta electrónica tiene por objeto la selección de señales de acuerdo a la tarea realizada por el microcontrolador, que a su vez depende el parámetro que se esté midiendo. La lógica es controlada por el programa de usuario cargado en la memoria de la CPU. 47 Figura 3.13 Diagrama eléctrico del módulo de conmutación A B C D 1 1 K[7:0] VCC K0 1 K1 2 K2 3 K3 4 K4 5 K5 6 K6 7 K7 8 10 IN 1 IN 2 IN 3 IN 4 IN 5 IN 6 IN 7 IN 8 DIODE CLAMP U1 GND GND 9 OUT 1 OUT 2 OUT 3 OUT 4 OUT 5 OUT 6 OUT 7 OUT 8 2 2 18 17 16 15 14 13 12 11 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 48 2 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 VCC 5 4 5 4 5 4 5 4 5 4 5 4 5 4 5 4 RLY8 RLY7 RLY6 RLY5 RLY4 RLY3 RLY2 RLY1 2 WIRE7 1 3 2 WIRE6 1 3 2 WIRE5 1 3 2 WIRE4 1 3 2 WIRE3 1 3 2 WIRE2 1 3 2 WIRE1 1 3 2 WIRE0 1 3 3 GEN 3 Date: File: Letter Size CENIDET 2 4 6 8 10 12 14 16 4 9-Aug-2004 Sheet of E:\israel\Escuela\Tesis\protel99se\tesis\TESIS09072004.ddb Drawn By: Number Autor: Ing. Israel Leyrana Ceballos Title SWITCH 1 2 3 4 5 6 7 8 J1 WIRE[7:0] JP1 WIRE0 1 WIRE1 3 WIRE2 5 WIRE3 7 WIRE4 9 WIRE5 11 WIRE6 13 WIRE7 15 4 Revision ADC 1.0 A B C D Capítulo 3 Diseño de Hardware Capítulo 3 Diseño de Hardware 3.2.4 Módulo auxiliar Este módulo no tiene electrónica asociada, sino solamente es un puente entre los alambres del cable UTP, sin embargo es necesario para llevar a cabo las mediciones de algunos parámetros como son el mapa de cableado y el NEXT. Lleva un conector de tipo AMP RJ45 para la conexión directa del cable una vez ensamblado. 3.3 Diseño del PCB La placa de circuito impreso (PCB), se diseño enteramente en el programa Protel 99SE, la cual utilizada en todo su potencial ofrece una herramienta excelente como organizador del proyecto, ya que a partir de los esquemáticos mostrados en el capitulo 3, se desarrolló la placa final, con los módulos integrados. Este programa genera el PCB a partir del diseño jerárquico del esquemático y a cada subsistema lo convierte en un bloque definido, llamada clase, en el documento PCB, esto da la facilidad para el acomodo de componentes de acuerdo a su conexión lógica y física. Una vez hecho el documento PCB, se establecen reglas para el diseño de la placa, las principales que se establecieron son: • Tamaño mínimo de pista a 8.6 imperial • Tamaño preferido de pista a 15 imperial • Distancia mínima entre componentes a 10 imperial • Distancia mínima al plano de tierra a 30 imperial • Plano de tierra enrejillado 49 Capítulo 3 Diseño de Hardware • Topología de enrutamiento daise-chain simple.2 • Enrutamiento manual de la alimentación • Entre otros. Figura 3.14 PCB final, imagen 3D generada por el Protel 99SE 2 Técnica de enrutado de placas de circuito impreso mediante la cual las pistas interconectan en serie cada uno de los dispositivos asociados a un mismo nodo. 50 Capítulo 3 Diseño de Hardware Como se puede ver, el diseño del PCB implica conocer algunos fundamentos básicos del comportamiento de las señales, ya que el hecho de no poner un buen plano de tierra en los pines cuyas señales manejan altas frecuencias, puede repercutir en un mal desempeño del microcontrolador. Cosas tan simples como el enrejillado del plano de tierra, puede causar problemas al momento de la manufactura del PCB, ya que los planos de tierra sólidos, tienden a formar burbujas de aire que al momento del calentamiento para proceder a soldar, termina en levantar la capa de cobre, con lo cual puede dañarse el prototipo. El diseño final del PCB, se muestra a continuación, en la Figura 3.14, esta es una imagen generada por el protel, la cual muestra el diseño final de la placa. El diseño completo se anexa como apéndice de este documento. 3.4 Conclusiones Cuando se manejan frecuencias arriba de los 20 Mhz, el manejo de señales se vuelve verdaderamente complicado. Debido a la limitante que presenta el no contar con herramientas adecuadas para la elaboración rápida de impresos es necesario trabajar con una placa para prototipos (protoboard) lo cual para aplicaciones de este tipo se vuelve sumamente ineficiente. Para las pruebas presentes fue necesario el desarrollo de PCB, ya que la capacitancia propia de las conexiones de la placa de prototipos deforma las señales y pulsos generados. La tecnología aplicada nos impide la medición de parámetros y fallas en cables menores a 10 metros, por lo cual es necesaria la exploración de tecnologías más rápidas, lo cual supone un costo superior. 51 Capítulo 3 Diseño de Hardware Una de las partes medulares en el desarrollo del presente trabajo es sin lugar a dudas el desarrollo del prototipo, ya que este implicó el conocimiento de tecnologías nuevas, las cuales, en el presente, están sirviendo de plataforma para desarrollos comerciales, muchos de ellos aplicando la técnica RDT. 52 Capítulo 4 Diseño de Software Capítulo 4 Diseño de Software 4.1 Introducción El principio del cual se basa la Reflectometría en Dominio del Tiempo, hasta hace unos años sólo podía usarse en dispositivos especializados y por ende caros. El advenimiento de los microcontroladores, nuevas tecnologías de integración en la fabricación de circuitos integrados, así como la mejora en el desempeño de estos, ha reducido considerablemente el costo del uso de estos dispositivos para aplicaciones que usen la RDT. Hoy en día el uso de microcontroladores no sólo supone el conocimiento de fundamentos de hardware, interfaces, buses de comunicación y manufactura de tarjetas de circuito impreso, sino que también el conocimiento de lenguajes de programación de alto nivel. 53 Capítulo 4 Diseño de Software En el prototipo propuesto se desarrolló todo el software mediante el uso del lenguaje “C” de alto nivel. Esto mediante el uso de la herramienta de desarrollo “CodeWarrior” de la compañía Metrowerks, subsidiaria de Motorola (hoy Freescale, en su división de microcontroladores). Debido al aumento en la complejidad no sólo del núcleo de los microcontroladores, sino de los programas de aplicación, se usa una metodología de programación modular mediante el uso de controladores para cada módulo del prototipo. Esto es una analogía con las computadoras personales, las cuales manejan sus periféricos mediante un controlador, de tal suerte que, una vez instalado el dispositivo, se instala un componente de software el cual lo inicializa y maneja (de ahí el nombre de controlador). Figura 4.1 Arquitectura del sistema RDT. La Figura 4.1 muestra la arquitectura del sistema propuesto, claramente podemos distinguir dos niveles de software: 1) el firmware y 2) el software, con sus funciones claramente definidas. 9 Firmware: 54 Capítulo 4 Diseño de Software o Ejecución del programa principal. o Subrutinas de acuerdo a los eventos generados por el usuario. o Controladores de dispositivos (PWM, SCI, etc.). o Controladores de periféricos (RS-232, A/D, etc.). 9 Software: o Recuperación de historial. o Programación de pruebas. o Diagnostico del módulo RDT. La filosofía de funcionamiento modular es doblemente útil con el manejo de microcontroladores como el utilizado para este prototipo, el A128, ya que su construcción modular propicia el uso de controladores de software, así mismo, está optimizado para el manejo de lenguaje “C” mediante instrucciones especializados para el manejo de índices, los cuales, en términos de programación, facilitan el uso de apuntadores. Todo esto optimiza el uso de la memoria RAM del microcontrolador. Un punto importante por mencionar es acerca del compilador de “C”, el cual genera código en ensamblador que difícilmente podría ser igualado haciéndolo manualmente, dada la complejidad para la configuración de registros e inicialización del microcontrolador. 4.2 Programa principal Un reto para un programador de firmware es el uso de interrupciones y la tolerancia a fallas de su sistema. Esto no siempre es fácil conseguirlo, sin embargo una de las formas más eficaces de hacerlo es mediante el empleo de temporizadores para monitorear los procesos del programa y de esta manera después de cierto tiempo en el cual no se cumpla una condición determinada, o bien, no se establezca un registro o bandera, automáticamente se da por terminado el proceso. 55 Capítulo 4 Diseño de Software Esto hace que el programa sea robusto y no se quede ciclado en alguna rutina iterativa (“loop”). En la programación del RDT, se recurre a esta filosofía de programación. Todo el programa gira en torno al programa principal y la función MAIN (), como se aprecia en la Figura 4.3, cualquier evento saca al programa del ciclo principal, y lo lleva al evento en cuestión, sin embargo el programa regresa a la función principal. Mediante el adecuado uso de banderas se determina cual controlador es el que se llama (ver Figura 4.5). Es importante mencionar que los controladores descritos en los apartados siguientes son llamados en la función principal, sin embargo cada controlador contiene funciones estáticas, las cuales no son vistas por la función principal. 4.3 Diseño de controladores Figura 4.2 Módulos de software. 56 Capítulo 4 Diseño de Software La modularidad en el diseño de software queda expresada en la Figura 4.2, donde claramente se puede ver que la parte medular es la función MAIN(), aquí es donde se hacen las llamadas a las funciones que controlarán a los demás periféricos. Esto es extremadamente útil cuando se diseñan sistemas complejos, ya que permite la modificación de software sin necesidad de alterar el programa principal, así como una verdadera modularidad en el diseño. Del programa principal de desprenden 3 bloques los cuales son: 1. Librerías para inicialización y macros para ejecutarse en tiempo de compilación. 2. Librerías para control de los controladores de software en donde se encuentran las funciones de usuario. 3. Archivo de llamada a eventos. Figura 4.3 Diagrama de flujo. 57 Capítulo 4 Diseño de Software El programa está propuesto para trabajar mediante eventos, los cuales reducen la carga de trabajo del microcontrolador (overhead). Así, la tarea en ejecución depende del evento que se llevo a acabo, como es una interrupción, la presión de una tecla por el usuario, el desbordamiento de un timer, etc. En los apartados siguientes se explican los diferentes bloques del módulo RDT. En la Figura 4.3 se describen los módulos explicados de acuerdo al flujo general del programa. 4.3.1 Inicialización de programa La herramienta de desarrollo “CodeWarrior” para la programación de microcontroladores aquí usada, ofrece la posibilidad de crear los programas mediante plantillas prediseñadas o “stationary”, las cuales ya contienen la inicialización del microcontrolador, como es la configuración inicial del micro, el modo que está siendo usado, la ubicación en memoria de la RAM, EEPROM y FLASH, así como el mapeado de los vectores de interrupción, ya que este microcontrolador tienen la particularidad de poder mover, de forma limitada, algunos segmentos de memoria. Este “stationary” tiene los archivos incluidos en el programa principal que a continuación se describen: 1. CPU.H: En este archivo se inicializa el microcontrolador, así como el PLL, en el caso de usar el “overclocking”, también se configuran los registros de mapeo de memoria. También se definen el vector de reset, ya que en este microcontrolador el punto de inicio inmediatamente después del RESET es el Start_up, es precisamente en esta función en donde se llama a la función MAIN(). 2. PE_TYPES.H, PE_ERROR.H, PE_CONST.H: Como su nombre lo indica estos archivos no son más que macros para definir archivos de forma convencional, por ejemplo, se define el tipo unsigned char como byte, lo cual es muy conveniente al 58 Capítulo 4 Diseño de Software momento de programar. De igual manera en los demás archivos se definen valores para los errores, y algunas constantes muy usadas en el programa. 3. IO_MAP.H: Este archivo es sumamente importante ya que es el mapeo de los puertos del microcontrolador, es dependiente del microcontrolador utilizado al igual que el archivo CPU.H. 4.3.2 Controladores de periféricos El diseño del RDT propuesto esta enfocado a hacer del sistema un dispositivo flexible a las necesidades del usuario y por supuesto a la aplicación de sistemas de cableado, por lo que el diseño de programación está basado en el uso de controladores para los distintos dispositivos y periféricos del sistema, como se muestra en la Figura 4.2. 4.3.2.1 SWITCH.H Este controlador como se puede ver en la Figura 4.5 esta condicionado al evento de usuario que solicita alguna prueba, a través del teclado (mapa de cableado, longitud, corto, abierto, etc.). El puerto AN00 hasta AN07, es controlado por medio de este controlador. Debido a que estás líneas están compartidas con el DAC para el manejo del contraste del LCD, se utiliza un LATCH para el multiplexeo de la señal. 4.3.2.2 GENERADOR.H Este controlador inicializa el PWM del microcontrolador A128, el cual se encuentra en el puerto P, solamente se esta usando el bit 0 de este puerto en el cual se genera una señal de 60 Khz, con un ciclo de trabajo del 50%. La función de inicialización es la función Init_PWM(). La función que deshabilita al generador es Disabled_PWM(). 59 Capítulo 4 Diseño de Software Este controlador trabaja en conjunción con el controlador de multiplexeo de señal, dependiendo de la prueba que se requiera. 4.3.2.3 DETECTOR.H Este es el controlador más complejo del sistema, ya que es el que maneja la técnica de Reflectometría en Dominio del Tiempo. Este controlador es el encargado de generar un retardo de tiempo (delay) el cual mide el intervalo de tiempo transcurrido entre la transmisión del pulso y el retorno de este. Este retardo es generado por un timer y enviado a la circuitería mediante el pin PT4, el cual es una de las salidas del puerto T del A128, optimizado para el manejo del ECT. Estas salidas pueden ser configuradas como Input Capture o Output compare. Cuando la señal se recibe en el pin de entrada este genera una interrupción, la cual detiene la ejecución del timer, de esta manera se puede saber la distancia a la falla. Los pines PT5 y PT6 dan la información de la polaridad del pulso, lo cual ayuda a determinar si la reflexión es debido a un corto circuito o a un circuito abierto. Toda la información es procesada por el micro y desplegada en la pantalla de LCD, como se describe en el apartado 4.3.2.5, así mismo es guardada en memoria RAM volátil para ser enviada a una PC mediante la interfaz serial, mediante el uso del controlador del mismo nombre. Las funciones de este controlador son: Detect_Pulse(), la cual junto con el controlador del generador prepara al sistema para la detección del pulso. Bool Detect_Polarity(), donde TRUE es positivo y FALSE es negativo. Detect_Cal(), el cual 60 Capítulo 4 Diseño de Software sirve para calibrar al detector. Detect_Init(), esta función es la que inicializa el puerto del micro así como el timer a usar. 4.3.2.4 SERIAL.H Este controlador maneja el canal serial de comunicación del microcontrolador (SCI), el cual esta ubicado en el puerto S del C.I. El pin S0 maneja la señal RX y el pin S1 la señal TX. La comunicación serial está basada en formato estándar NRZ a 9600 bps, sin paridad y 8 bits de datos. La función principal de este controlador es el control de la comunicación con la PC, lo cual es posible mediante el empleo de un transceiver RS-232, para el manejo correcto de las señales. Las funciones que maneja esta interfaz serial son: byte AS1_RecvChar(word *Chr), la cual es de ayuda al momento de recibir un bloque de datos; byte AS1_SendChar(word Chr), esta función, de forma similar a la anterior, es útil cuando se envía un bloque de datos; byte AS1_RecvBlock(word *Ptr,word Size,word *Rcv), función necesaria para la recepción de un buffer de datos; byte AS1_SendBlock(word *Ptr,word Size,word *Snd), función para el envío de un buffer de datos; byte AS1_ClearRxBuf(void), limpia el buffer de recepción y prepara al microcontrolador para la siguiente recepción; byte AS1_ClearTxBuf(void), limpia el buffer de transmisión y prepara al microcontrolador para el envío del siguiente dato. El controlador serial utiliza un buffer de datos, configurable por programador de hasta 256 lo cual permite el envío de bloques de memoria a la PC. Es importante mencionar que el microcontrolador no es interrumpido hasta que el dato completo es recibido en el buffer de entrada o bien hasta que el buffer de salida esta 61 Capítulo 4 Diseño de Software listo para enviar, de esta manera se reduce considerablemente el overhead de procesamiento. 4.3.2.5 INTERFAZ.H Este controlador es el encargado de la comunicación con la interfaz de usuario, esto es, con el LCD y el teclado. El menú del LCD presenta varios niveles de profundidad dependiendo de la opción que el usuario elija desde el teclado. Sólo hay dos teclas OK y MODE, donde el uso de la primera es similar a la tecla enter, para confirmación de la opción y la segunda tecla para la selección de opciones. Figura 4.4 Distintos niveles del menú de usuario 62 Capítulo 4 Diseño de Software En la Figura 4.4 se muestran los distintos tipos de fallas a detectar, como se puede apreciar en la figura la confirmación de las opciones sólo pueden hacerse mediante dos botones ubicados al lado izquierdo superior para la tecla OK, y del lado derecho superior para el caso de la tecla MODE, la cual también sirve como tecla de retorno al menú principal. El LCD está manejado por el puerto P del microcontrolador, el nibble más significativo es el que maneja los datos enviados al LCD por el microcontrolador, es de notar que el bit 6 del puerto no está presente en el encapsulado de 80 pines, usado en esta aplicación, por lo cual es necesario hacer un corrimiento de los bits menos significativos del nibble alto. A continuación se enlista las distintas funciones que contiene el controlador: • Init_LCD, inicializa el dispositivo, así como los retardos necesarios para el despliegue correcto de la información. • Clear_LCD, Borra pantalla, borra la pantalla del LCD. • ClearBuffer_LCD, Borra buffer de datos. • WriteMessage_LCD, Despliega un mensaje (sin buffer). • WriteMessageLineBuffer_LCD, Envía una línea de mensaje al buffer. • WriteMessageBuffer_LCD, Escribe un mensaje (al buffer). • DisplayBuffer_LCD, Despliega buffer en el LCD. • IntToAsciiBuffer_LCD, Envía un entero como ASCII (al buffer). • FloatToAsciiBuffer_LCD, Envía un real como ASCII (al buffer). • Get_Choice, lee el teclado para determinar la opción elegida. 4.3.2.6 ADQUISICION.H El convertidor de A/D está ubicado en el puerto A y B del microcontrolador, y sus pines de control en el puerto M y en el puerto T, en los pines 3 y 4. 63 Capítulo 4 Diseño de Software El controlador que controla este dispositivo tiene la función de seleccionar el convertidor, inicializarlo para prepararse para tomar la muestra de la señal, así como obtener el resultado. El resultado es obtenido de forma paralela, con una extensión de 12 bits. Para el manejo de este controlador se está utilizando el microcontrolador con el PLL (phase locked loop) integrado para aumentar su velocidad hasta 25 Mhz, que es lo máximo soportado para un cristal de 16 Mhz. La configuración del PLL se lleva a cabo en el archivo CPU.H de inicialización, la configuración de los puertos para el manejo del A/D, se lleva a cabo por la función Ini_ADC(), la cual establece cuales pines serán de entrada y cuales de salida. Esta misma función inicializa el controlador para su uso por el programa principal. La función Read_ADQ(), lee el valor de la medición tomada por A/D una vez que este a terminado la adquisición. Es importante hacer notar, que los valores obtenidos son puestos en un buffer el cual es leído por las funciones del controlador de interfaz, para luego ser procesadas y/o desplegadas en el LCD, o bien, enviadas por el puerto serie. De esta manera el manejo de los datos es más sencillo, y estos no quedan ligados a un controlador en particular, sino que están a disposición de otras partes del programa, lo cual mejora el uso de los datos. 4.4.3 Controlador de eventos de usuario El manejo del programa basado en eventos de usuario es por mucho útil en el manejo de programas complejos. Esta filosofía es muy similar al método por interrupciones, de hecho, los eventos son manejados por las interrupciones. Esto es que, cuando algún dispositivo genera una interrupción (presión del teclado, adquisición finalizada, pulso detectado, etc.), en la misma función de interrupción se encuentra una 64 Capítulo 4 Diseño de Software bandera que dispara el evento. Es en el evento, en donde el usuario programa la acción a tomar. La particularidad de este método consiste en que el evento puede ser temporizado o condicionado a cierto numero de condiciones, las cuales si no se dan, el evento no se lleva a cabo, esto sugiere la posibilidad de que varias interrupciones pueden generar el mismo evento y este sólo se ejecutará siempre y cuando se de en cierto orden, o bien cuando todas las banderas de las condiciones requeridas se hayan llevado a cabo. Los eventos que manejamos en la programación del RDT se pueden ver en la Figura 4.3, como se muestra en esta figura, el archivo EVENTS.H es quien establece la condición afirmativa para que el programa principal llame a los distintos controladores, de esta manera, el control lo tiene el usuario. Si el usuario presiona una tecla, se genera la interrupción la cual espera a que escoja la opción, ya que como se ve en la Figura 4.4, el menú continúa interactuando, a la espera de una opción de prueba. Dependiendo de la opción seleccionada es el controlador que llama. Esto se muestra en la Figura 4.5. 4.4 Conclusiones El manejo de controladores para el diseño de software en el módulo basado en la RDT proporciona portabilidad al firmware, lo cual permite el uso de estos para diversas aplicaciones, dándole con ello flexibilidad al programa. Esto es especialmente cierto cuando los programas se vuelven complejos y extensos. Este mismo esquema también le concede confiabilidad al software, ya que se puede actualizar el controlador sin la necesidad de modificar el flujo del programa principal, lo cual hace que en aplicaciones donde el tiempo de diseño es critico vuelva invaluable esta metodología de programación. 65 Capítulo 4 Diseño de Software La tolerancia a fallas de los sistemas es una de las características más buscadas en la actualidad en donde el empleo de microcontroladores monitorean y controlan procesos casa vez más críticos, esta característica se implementa en el diseño con el uso de temporizadores y candados para evitar que el programa se quede ciclado en alguna rutina o proceso. El módulo basado en la RDT aquí desarrollado al implementar una metodología de programación basado en eventos de usuario, uso de controladores y un lenguaje de alto nivel cumple con las necesidad de tener instrumentos confiables, flexibles ante los cambios de tecnología y al mismo tiempo tolerante a fallas. Esto en cuanto al firmware. Aunque no se busca subestimar el desarrollo de software para uso en una PC, el presente desarrollo sólo esta enfocado al desarrollo de la programación embebida. Figura 4.5 Flujo de llamada a los controladores por los eventos 66 Capítulo 5 Pruebas y Resultados Capítulo 5 Pruebas y Resultados 5.1 Introducción Para determinar el comportamiento de la técnica de RDT se recurrió a la implementación de distintos tipos de diseños electrónicos y analizar su comportamiento con distintos tipos de tecnologías de compuertas electrónicas. En la Figura 5.1 se muestra el circuito del generador, base de las pruebas de caracterización. 5.2 Caracterización de la señal RDT Debido a que se necesita una señal de frecuencia estable pero de ciclo de trabajo variable para obtener un pulso de 40 ns, se incluyó esta etapa con el fin de contar con dicho pulso, pero con la suficiente anchura como para obtener una resolución menor a 10 metros. Esto se logró de forma parcial, ya que la medición resultó un poco ambigua para 67 Capítulo 5 Pruebas y Resultados longitudes de cable de 10 metros y menores a esta longitud de cable. En esta etapa se usó el IC 74LS123, debido a que es de bajo costo y tiene buenas prestaciones, dicho integrado proporciona anchos de pulso de hasta 40 ns, y un voltaje de nivel TTL. Este IC cuenta con pines para la programación del ancho de pulso, el cual es dependiente de los valores de Rext y Cext. Ya que Cext<1000 pF, el ancho de pulso está dado por: t W = 6 + 0.05C ext (pF) + 0.45R ext (KΩ)C ext + 11.6R ext (1) Tenemos que Rext fue seleccionado por medio de un potenciómetro, donde Rext< 5KΩ. Usando la relación (1), tenemos un ancho de pulso de ≈ 40 ns. El diagrama eléctrico y la configuración de pines, la tenemos en la Figura 5.1. Figura 5.1 Diagrama del generador. 68 Capítulo 5 Pruebas y Resultados 5.3 Pruebas de caracterización de señal RDT 5.3.1 Condiciones de prueba Las pruebas de caracterización en laboratorio se realizaron bajo las siguientes condiciones: • Cable en terminación abierta. • Cable en terminación en corto. • Interferencia mutua. • Derivaciones. Estas condiciones se tomaron debido al hecho de que son las fallas más comunes en los cables de comunicación, y las que el dispositivo RDT pretende detectar y medir. Ver Figura 5.2. Figura 5.2 Prueba de fallas más comunes. 69 Capítulo 5 Pruebas y Resultados La configuración general de la prueba se muestra en la Figura 5.3 Figura 5.3 Configuración general de prueba. Estas pruebas se realizaron en cables de longitudes de 5, 7, 10 y 25 metros. Básicamente se midió el tiempo entre el flanco de salida del pulso y el flanco de llegada de la señal reflejada, a este valor le restamos el retardo debido a la capacitancia distribuida del cable. Debido a que la señal que se puede observar en el osciloscopio corresponde al tiempo de ida y regreso de la onda, el tiempo obtenido es necesario dividirlo entre dos. Mediante el empleo del factor nominal de propagación y una simple relación de velocidad, se obtiene la distancia hasta el cambio en la impedancia del cable. La siguiente relación nos muestra esto: 70 Capítulo 5 d= Pruebas y Resultados v(0.7) t r − retardo 2 (2) Donde, d= distancia hasta la discontinuidad v= velocidad de la luz tr=tiempo transcurrido entre la onda incidente y la reflejada Para el caso del cable UTP nivel 5 marca Belden que fue utilizado se tiene un factor nominal de propagación de 0.7 y un retardo de 32.5 ns por cada 100 metros de cable. 5.3.2 Resultados de la caracterización 5.3.2.1 Cable de 5 metros Para el cable de 5 metros se obtuvo un tiempo de recorrido de la señal (tr) de 54.55 ns, utilizando la fórmula para distancia tenemos: d= v(0.7)t r − retardo 2.1x10 8 * (54.55ns − 1.625ns ) = = 5 .5 m 2 2 El retardo de propagación (retardo) se obtiene mediante una simple regla de tres y de forma similar se determina los retardos para cada una de las longitudes de cable. La Figura 5.4 nos muestra las mediciones respectivas de a) cable abierto y b) cable en corto para 5 metros así como c) Interferencia mutua (crosstalk) para esta longitud. Las mediciones se hicieron a 2v/div y 50 ns/div. 71 Capítulo 5 Pruebas y Resultados a) b) Figura 5.4 Señales para cable de 5m; 2 V/div, 50 ns/div. 5.3.2.2 Cable de 7 metros Para una longitud de 7 metros, tenemos un tr de 65.1ns, aplicando la relación (1), tenemos una distancia de 6.59 metros. Las formas de onda respectivas para a) cable abierto b) en corto y c) crosstalk, se muestra en la Figura 5.5. Se tiene 1 v/div y 200 ns/div. 72 Capítulo 5 Pruebas y Resultados a) b) Figura 5.5 Señales para cable de 7m; a) y b) 1 V/div, 200 ns/div; c) 2 V/div, 100 ns/div. 5.3.2.3 Cable de 10 metros Para una longitud de 10 metros tenemos un tiempo tr=91.33ns, lo cual nos da una distancia medida de 9.24 metros. La Figura 5.6 nos muestra las formas de onda. En esta figura se tiene 1 V/div y 100 ns/div 73 Capítulo 5 Pruebas y Resultados a) b) Figura 5.6 Señales para cable de 10m; a) y b) 1 V/div, 100 ns/div; c) 2 V/div, 100 ns/div. 5.3.2.4 Cable de 25 metros Para 25 tenemos un tr de 234.09 ns, lo cual nos da una distancia medida de 23.72 metros. Las formas de onda las tenemos en la Figura 5.7. Tenemos 1 v/div y 100 ns/div 74 Capítulo 5 Pruebas y Resultados a) b) Figura 5.7 Señales para cable de 25m; a) y b) 1 V/div, 100 ns/div; c) 2 V/div, 100 ns/div. 5.3.2.5 Pruebas con derivación Por ultimo se hicieron cuatro pruebas más en donde se conectó una derivación al cable a 7 metros de distancia del conector, la longitud del cable es de10 metros. Las pruebas con sus respectivas formas de onda que se obtuvieron son las siguientes: • Terminación abierta y derivación abierta (Figura 5.8 a). 75 Capítulo 5 Pruebas y Resultados • Terminación cerrada y derivación abierta (Figura 5.8 b). • Terminación cerrada y derivación cerrada (Figura 5.9). • Terminación abierta y derivación cerrada (Figura 5.9). a) b) Figura 5.8 a) Terminación abierta y derivación abierta, b) Terminación cerrada y derivación abierta; 1 V/div, 50 ns/div. Figura 5.9 Terminación cerrada y derivación abierta, 1 V/div, 50 ns/div. 76 Capítulo 5 Pruebas y Resultados Figura 5.10 Terminación abierta y derivación cerrada, 1 V/div, 50 ns/div. 5.4 Conclusiones Como se puede ver en las distintas pruebas que se llevaron a cabo, la técnica de la RDT, es una forma muy precisa para la determinación de los cambios en la impedancia de un cable. En el desarrollo de las pruebas descritas en este capítulo se puede ver que para cables de longitudes iguales o mayores de 10 metros (figuras 6 y 7) la determinación de la fallas se puede determinar de una forma más clara. Para longitudes menores (figuras 4 y 5) se tienden a traslapar el pulso de envío con el pulso reflejado. Esto es a causa del ancho de pulso utilizado para esta aplicación, 40 ns. Ancho de pulso menores, no se pudieron obtener con la electrónica utilizada. En el caso de las pruebas con derivaciones se puede ver que dependiendo de la distancia a la cual se presenta la derivación es la precisión con la que se puede determinar el cambio de impedancia. En el caso de esta prueba se utilizó un cable de longitud de 10 metros ya que es el límite de nuestro desarrollo. En esta prueba se puede determinar la naturaleza de la derivación con claridad, lo cual resulta útil en el caso de aplicaciones contra la detección de ilícitos en el caso específico de líneas de distribución o bien para determinar el tipo de derivación presente en el cable. 77 Capítulo 5 Pruebas y Resultados En el diseño propuesto no se incluyen las señales determinadas por el RDT, sino que a partir de éstas se determina el tipo de falla. Las distintas señales que producen cada una de las fallas que se analizaron: cable en corto circuito, cable abierto y derivaciones; están identificadas y actualmente existen en el mercado dispositivos especializados en el análisis de estas señales. Uno de estos dispositivos son los llamados analizador de redes el cual esta cuesta arriba de los 5000 dólares y su uso esta limitado casi exclusivamente a la certificación de estas redes y no al de la determinación de fallas en campo. 78 Capítulo 6 Conclusiones Capítulo 6 Conclusiones 6.1 Importancia de la Reflectometría en el Dominio del Tiempo La técnica de Reflectometría en el Dominio del Tiempo representa un campo de estudio muy amplio para las aplicaciones en donde se necesite detectar fallas y medir parámetros en cables. En el ámbito de las comunicaciones es de suma importancia su conocimiento debido a que los sistemas de cableado estructurado son sensiblemente afectados por fallas en la estructura de cableado, las cuales representan el 70% de las causas de paro, y a esto hemos de agregar el aumento en los costos de mantenimiento que esto representa. Así mismo hay una tendencia a continuar con la utilización de las redes alambradas todavía por algunos años, esto será hasta que nuevas tecnologías, especialmente las inalámbricas sean competitivas en cuanto a costo y efectividad, así como la normalización de sus estándares. 79 Capítulo 6 Conclusiones Así mismo es importante contar con desarrollos orientados a la RDT, para explorar nuevos campos de aplicación, especialmente enfocados a la detección en cables de diferentes tipos, que transporten señales no sólo digitales como es el caso de las comunicaciones, sino cables de distribución de electricidad, fibra óptica, etc. Aunque en la actualidad existe mucha investigación en cada una de las áreas mencionadas, en nuestro país no hay datos concretos de centros de desarrollo en cuanto a la técnica de RDT, por lo cual todas o casi todas las aplicaciones tienen que ser importadas. Este desarrollo debe de ser fundamentado con la teoría ya conocida de líneas de transmisión, y complementada, como en el caso del presente estudio, con las nuevas metodologías de programación y tecnologías de desarrollo electrónico. En el presente trabajo, se propone una metodología de programación estructurada y orientada a eventos, lo cual representó un esfuerzo en cuanto a conocimientos de programación de lenguajes de alto nivel. Asimismo, se exploraron nuevas tecnologías, esto con el fin de ofrecer una herramienta con un grado de disponibilidad amplio, y no caer en el diseño con componentes ya obsoletos. El diseño con el MC9S12A128 de motorola esta considerada como una tecnología “madura”. Sin embargo, con el esquema propuesto de diseño modular se obtiene una migración rápida a tecnologías nuevas. 6.2 Hardware El presente trabajo concluyó siendo el diseño de un RDT basado en un microcontrolador, lo cual está de acuerdo al objetivo inicial del proyecto, sin embargo el diseño final pasó por distintas fases de análisis de componentes. Entre las características más importantes de hardware que se tiene, se pueden mencionar las siguientes: ¾ Electrónica de uso corriente y bajo costo 80 Capítulo 6 Conclusiones ¾ Nivel de comercialización en el mercado del microcontrolador disponible ¾ Circuitos comparadores rápidos ¾ Diseño de PCB de acuerdo a las frecuencias manejadas ¾ Fácil migración a tecnologías nuevas Es importante mencionar que la necesidad de detección de fallas en cables de comunicación, implica el uso de tecnologías rápidas, así como de electrónica especializada. En este tenor se decidió por el uso de un convertidor A/D para la adquisición del pulso de retorno para el caso del parámetro de interferencia mutua (NEXT). Éste cuenta con 6 canales de adquisición y, aunque no es muy rápido, el uso de sus canales en cascada sugería un paliativo para esta dificultad. Sin embargo esta dificultad no pudo ser subsanada, por lo cual, en un futuro se necesitará del uso de un convertidor rápido, aunque esto implica un costo mayor. 6.3 Software La parte medular del RDT es el diseño de software, para esto se necesitó del conocimiento de programación estructurada de alto nivel, lo cual se llevó a cabo mediante el lenguaje C, usando el compilador de motorola “CodeWarrior” para desarrollo electrónico. El desempeño del microcontrolador usando una metodología orientada a eventos se optimiza, ya que no se carga el micro con tareas de sondeo, las cuales la mayor parte del tiempo no se ejecutan, pero se tienen que sensar. Con esta metodología el microcontrolador puede permanecer en un estado básico y sólo salir de este estado al momento de llevarse a cabo un evento de usuario, como puede ser la presión de una tecla, etc. La confiabilidad del software se obtiene del uso de lazos de control temporizados, los cuales evitan que el sistema se mantenga en una subrutina por más tiempo que el 81 Capítulo 6 Conclusiones programado, de esta manera se garantiza que el sistema siempre “saldrá” de una subrutina, y que en caso de una llamada a ésta y no terminarse el evento, éste es abortado. 6.4 Pruebas y resultados Las pruebas de caracterización mostraron la efectividad de la técnica RDT para la detección de fallas en cables de red. Para distancias mayores de 10 metros el grado de error estaba entre el 3% y 5%, lo cual es una marca aceptable para un prototipo de prueba. Sin embargo a distancias menores, el reto viene a ser tecnológico, ya que implica el uso de electrónica más rápida, así como de un diseño enfocado a altas frecuencias. Todo esto implica un mayor cuidado en el diseño del PCB, interferencias externas (ruido eléctrico, EMI, etc.) y, por supuesto, de la electrónica a usar. Entre las limitantes principales encontramos el uso de convertidores analógicodigitales rápidos, los cuales, como se menciona en el capitulo 3 son costosos. El microcontrolador MC9S12A128 utilizado cuenta con canales de conversión A/D, sin embargo tienen tiempos de muestreo demasiados lentos para esta aplicación. Esto lleva a la conclusión que para el desarrollo de un equipo a bajo costo es necesario la utilización de la técnica para la detección y no para la captura completa de la forma de onda, ya que eso implicaría otro tipo de instrumento, como puede ser un analizador de redes. 6.5 Aportación del trabajo Este trabajo resuelve parte de la problemática de detección de fallas en redes de comunicación en el nivel de cableado y contribuye a caracterizar sus parámetros más importantes coadyuvando con ello a mejorar la confiabilidad y la productividad de la actividad, especialmente en aplicaciones en campo. 82 Capítulo 6 Conclusiones Es importante la investigación y asimilación de tecnologías, como es el caso de la RDT, para explorar nuevas aplicaciones y mejorar la ya existente en donde la reflectometría encuentra aplicación. El presente trabajo mediante este estudio propone beneficiar al Cenidet con el desarrollo de tecnología aplicada, relacionada con la transmisión de señales a través de cables y con la caracterización de sus parámetros más relevantes, obteniendo con ello infraestructura de pruebas para caracterización y diagnóstico de fallas en redes de comunicaciones. El presente trabajo aporta una valiosa ayuda al desarrollo de investigación en el área de Sistemas Digitales, ya que el presente trabajo aborda el uso y desarrollo de software en lenguajes de alto nivel para sistemas embebidos. Hoy por hoy estos sistemas están difundidos por su capacidad de producir sistemas complejos mediante la reutilización de software, así como su alto grado de tolerancia a fallas mediante el uso de una programación orientada a eventos. Es importante hacer notar que la programación en lenguaje ensamblador para microcontroladores de la gama utilizada es en lo práctico imposible. Además los fabricantes incluyen códigos de programa que reconocen comandos propios de los lenguajes de alto nivel como el C. 6.6 Trabajos futuros Se propone como mejoras al presente trabajo: ¾ Incluir en el diseño del RDT la técnica de un cuarto de longitud de onda, mostrada en el apartado 1.4, como complementaria en la detección de fallas, ya que su uso no está difundido, y su estudio es relativamente nuevo. ¾ El desarrollo del RDT con otras tecnologías como son los FPGA, DSP, etc. ¾ Realización de pruebas exhaustivas del módulo desarrollado y su implementación en un ambiente de trabajo real. 83 Capítulo 6 Conclusiones ¾ El desarrollo de una interfaz hombre-máquina en un ambiente visual. ¾ Incursionar en otros campos de aplicación de la RDT, especialmente en aquellos de capital importancia para el país, como es la industria del petróleo. En este caso la RDT puede ser utilizada para la determinación de averías, fugar, etc., en un ducto. Así mismo en la industria eléctrica para la detección de ilícitos como es una derivación en un cable de electricidad. Todo eso actualmente esta siendo desarrollado por distintos sectores del país, sin embargo es un campo sumamente amplio y con grandes posibilidades. 84 Apéndice A Apéndice A Simbología y Abreviaciones α β γ λ C EM f G L LT Mbps R RDT TDR TEM TIA/EIA UTP Vf Vp VPN Zo Coeficiente de atenuación Coeficiente de desfase Constante de propagación Longitud onda Capacitancia Ondas electromagnéticas Frecuencia Conductancia Inductancia Línea de transmisión Megabits por segundo Resistencia Reflectometría en el Dominio del Tiempo, también usado como Reflectómetro en el Dominio del Tiempo Siglas en inglés de Time Domain Reflectometry Ondas electromagnéticas transversales Siglas en inglés de Telecommunications Industry Association/Electronic Industries Alliance Siglas en inglés de Unshielded Twisted Pair Factor de velocidad Velocidad real de propagación Siglas en inglés de Velocity Propagation nominal Impedancia característica 85 Apéndice B Apéndice B Bibliografía general [1] Alastair Clunie. “Propagation Velocity Factor (PVF)”, Technical Bulletin by Bicotest. September 1997. [2] Andrew S. Tanenbaum. Redes de computadoras. David Morales Peake. (3a. ed.; México. Prentice Hall Hispanoamericana,1997) pp. 1-5 [3] Fei-Chiu Huang and Charles H. Dowding, “Telemetric and Multiplexing Enhancement of Time Domain Reflectometry Measurements” [4] Gunnar Englund. “Build your own cable radar”.(EN: Electronic Design, October 1 de 1998) pp. 97-98 [5] Henrick H. Nissen and Per Moldrup. “Theoretical Background for the TDR Methodology”, Symposium: Time Domain Reflectometry Applications in Soil Science held at the Research Centre Foulum. September 1994. [6] James M. Atkinson, “TDR Tutorial-Introduction to Time Domain Reflectometry”, Granite Island Group, 1998. [7] James M. Atkinson. “TDR Tutorial and Riser Bond TDR Product Review”, Granite Island Group, 1998. [8] James R. Adrews. “Time Domain Reflectometry”, Symposium and Workshop on Time Domain Reflectometry in Environmental, Infrastructure, and Mining Applications held at Northwestern University, Evanston, Illinois. September 1994. [9] Joseph R. Kinsley. “Why testing Cat. 5 cable in the home makes sense”.(EN: CEE news, 52 (11), october 2000) pp. 30-32 86 Apéndice B [10] Kenneth M. True, “Long transmission Lines and Data Signal Quality”, National Semiconductor, Application Note 805. March 1992. [11] Kenneth M. True, “Reflections: Computations and Waveforms”, National Semiconductor, Application Note 807. March 1992. [12] Kenneth M. True. “Data Transmission Lines and Their Characteristics”, National Semiconductor, Application Note 806. April 1992. [13] Mark Johnston. “New Networking Applications and Their Impact on Data Cabling”, Microtest. August 2000. [14] Paul Rosenberg. “Residential Networking”.(EN: CEE news, 53 (1), January 2001) pp. 34-36 [15] Roman D.J. 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[21] Angel Treviño Santoyo, “Reflectometría por Correlación Complementaria en Sistemas de Comunicación por Fibra Óptica”, Cenidet, 1995. 87 Apéndice C Apéndice C Vistas preliminares del PCB C.1 Top layer 88 Apéndice C C.2 Bottom layer 89 Apéndice C C.3 Top Overlay 90 Apéndice C C.4 Drill Guide 91 Apéndice C C.5 Top paste mask 92 Apéndice C C.6 Bottom paste mask Nota: La escala no es 1:1, aproximadamente 1: 0.8 93 Apéndice D Apéndice D Lista de Materiales Used 4 0.1u 6 0.1uF 6 0.01uF 2 0.1uF 2 0.33uF 5 0.047u 9 1N4001 5 1k 1 1 1 1 1 5 1u 1uF 2.2uF 2N2905A 2k 3.3k 1 1 1 1 2 7 4.7k 4.7u 4k 5.6p 10K 10u 7 10u 2 1 1 2 1 1 15k 16Mhz 20k 22pF 47K 1 74AC74 1 74LS373 2 1 100k 1 220k 2 Part Type Designator C7 C39 C40 C41 C27 C28 C29 C30 C31 C32 C33 C34 C35 C36 C37 C38 C43 C47 C42 C46 C2 C3 C4 C5 C6 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 R4 R5 R6 R7 R23 C24 C45 C44 Q1 R25 R14 R15 R16 R17 R18 R21 C25 R28 C1 R13 R26 C17 C18 C19 C20 C21 C22 C23 C8 C9 C10 C11 C12 C13 C14 R9 R10 Y1 R27 C15 C16 47 R2 R22 Footprint CAPX7R Capacitor CAPX7R Capacitor CAPX7R Capacitor TANTALUM TANTALUM CAPX7R DIODO AXIAL0.3 CAPELE TANTALUM TANTALUM TO39 AXIAL0.3 AXIAL0.3 AXIAL0.3 CAPX7R AXIAL0.3 CAPX7R AXIAL0.3 CAPELE IC1 Default Diode Resistor Capacitor Bi-Polar Capacitor Bi-Polar Capacitor PNP Bipolar Transistor Capacitor Capacitor Capacitor Capacitor AXIAL0.3 XTAL1 AXIAL0.3 CAPX7R AXIAL0.3 AXIAL0.3 Resistor Crystal DIP20 AXIAL0.3 AXIAL0.3 AXIAL0.3 AXIAL0.3 94 Bi-Polar Capacitor Bi-Polar Capacitor Capacitor CAPX7R DIP14 IC6 100 R3 R24 R12 R11 470 R8 R19 Description Capacitor Resistor DUAL D-TYPE POSITIVE EDHETRIGGERED FLIP-FLOP OCTAL TRANSPARENT LATCH 3Z OUTPUT;D FLIP-FLOP WITH CLEAR Resistor Resistor Resistor Apéndice D 1 1 1 1 1 4 470p ADS7864 BDM CLOCK_E CON2 CON2 1 1 1 1 1 1 2 CON3 HEADER 8X2 ICL8069DCZR LCD CONTRASTE LCD_M1632 LED LM78L05 C26 U11 J7 W4 J14 J8 J9 J10 J11 J2 JP1 IC5 J6 J5 DS1 U5 U12 CAPX7R SOCKETADS7864TQFP HDR2X3 HDR1X3 CONECTOR.2 HDR1X2 Capacitor HDR1X3 HDR2X8 TO92 HDR1X3 TM162AD2 LED TO220V Connector Connector Connector Connector Connector 3-terminal positive regulator fixed 5 volts 1 MAX479 IC3 DIP14 QUAD, SINGLE SUPPLY PRECISION OPAMPS 1 MAX913 IC2 DIP8 SINGLE, ULTRA FAST LOX POWER PRECISION TTL COMPARATOR 1 MAX7528 1 MC9S12A128_QFP80 1 MC74F04 IC4 U6 U9 DIP20 A128 DIP14 1 1 1 1 1 1 1 1 1 8 1 RJ45 1 RPOT1 U2 IC7 W1 W2 W5 R20 S3 U3 U4 RLY1 RLY2 RLY3 RLY4 RLY5 RLY6 RLY7 RLY8 J1 R1 1 1 1 1 1 2 1 1 U7 J12 J4 J13 U10 S1 S2 U8 J3 DIP16 HDR2X4 HDR1X3 DB9/F DIP16 PUSH DIP14 HDR1X3 1 ULN2803A(18) 1 VREGEN 1 XCLKS U1 W6 W3 DIP18 HDR1X3 HDR1X3 1 XO-523BE XTAL1 MC74HC123A MC7912 MODA MODB MODC POT1 PUSH-B REG1117-3.3 REG1117-5 RELAY RS232 RS232_EN RX SEL SERIAL PORT SN74HC76N SW-PB TL074J TX SEL DIP16 TO220V HDR1X3 HDR1X3 HDR1X3 POTT93YA PUSH REG1117 REG1117 RAS1210 CONECTOR_RJ45 POTT93YA DIP8 95 CMOS DUAL 8-BIT BUFFERED MULTIPLIYING DACS Hex Inverters RETRIGGERABLE MONOSTABLE MULTIVIBRATOR REGULADOR DE VOLTAJE NEGATIVO Connector Connector Connector Potentiometer REGULADOR DE VOLTAGE DE 3.3V REGULADOR DE VOLTAGE DE 3.3V SPDT Relay Connector Potentiometer +5V POWERED, MU TICHANNEL RS-232 DRIVERS/RECEIVERS Connector Dual J-K Flip-Flop with Clear and Preset Low-Noise JFET-Input Operational Amplifier Connector HIGH-VOLTAGE,HIGH-CURRENT DARLINTON ARRAYS Connector Connector CLOCK OSCILLATOR 3.3 VOLT 16M Apéndice E Apéndice E Especificaciones del microcontrolador MC9S12A128 96 Apéndice E 97