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REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS

GERMAN ANTONIO REINA GRANADOS

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA SANTA FE DE BOGOTÁ D.C.

2003


GERMAN ANTONIO REINA GRANADOS

Proyecto de grado para optar por el título de Ingeniero Electrónico

Director FREDY SEGURA

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA SANTA FE DE BOGOTÁ D.C.

2003

AGRADECIMIENTOS

A mi familia y especialmente a mis padres

Isabel Granados y Gerardo Reina por el apoyo brindado toda la vida

A nuestros profesores

por ofrecernos sus conocimientos

A nuestros seres más allegados por estar en los momentos

que más se necesitaban

I

CONTENIDO Pág.

INTRODUCCIÓN IV 1 PROCESO DE DISEÑO DE KRICK. 1.1 ¿Que es el proceso de diseño?. 1 1.2 Los procesos de diseño más comunes. 1 1.3 El proceso de diseño de Krick. 2 1.3.1 Fase I: Formulación del Problema. 3 1.3.2 Fase II: Análisis del Problema. 3 1.3.3 Fase III: Búsqueda de Soluciones. 5 1.3.4 Fase IV: Decisión. 6 1.3.5 Fase V: Especificación de la Solución. 7 1.3.6 Fase VI: Ciclo de Diseño. 8 1.3.7 Fase VII: Optimización de la Solución. 8 1.3.8 Resumen. 8 1.3.9 Consideraciones acerca de un proceso de diseño. 8 2 EL PROCESO DE DISEÑO DE KRICK APLICADO A LA CÁPSULA

DEL TIEMPO UNIANDES 50 AÑOS. 2.1 Fase I: Formulación del Problema. 10 2.2 Fase II: Análisis del Problema (Planteamiento Analítico del Problema). 11 2.3 Fase III: Búsqueda de soluciones. 12 2.3.1 La Solución Actual 13 2.3.2 La Solución con fácil reprogramación. 13 2.3.3 La Solución con un GPS (Sistema de posicionamiento global). 14 2.3.4 La Solución con la identificación de días. 14 2.4 Fase IV: Decisión. 15 2.5 Fase V: Especificación de la Solución. 17 2.6 Fase VI: Ciclo de Diseño. 18 2.7 Fase VII: Optimización de la Solución. 19 2.8 Comentarios Sobre la Aplicación del Proceso. 19 3 PANTALLAS DE CRISTAL LIQUIDO 3.1 ¿Como funciona una Pantalla de cristal liquido? 20 3.1.1 ¿Que es el Cristal Liquido?. 20 3.1.2 Propiedades del cristal líquido. 21 3.1.3 Estructura general de las pantallas de Cristal Líquido. 21 3.2 Manejo de una Pantalla no Multiplexada. 22 3.3 Pantalla Multiplexada UNIANDES 50 años. 25 3.4 Señales de control. 27 3.5 Modulo de control. 30 3.5.1 Pruebas Preliminares y Correcciones. 33

II

Pág. 4 EL SISTEMA GPS 4.1 Introducción. 36 4.2 Características del Sistema GPS. 37 4.3 Segmento Espacial. 39 4.4 Segmento de Control. 42 4.5 Segmento de Usuario. 43 4.6 Calculando la posición y el tiempo. 44 4.7 Señales Trasmitidas. 45 4.7.1 Sincronización del Receptor con las Señales Trasmitidas. 47 4.7.2 Calculo de la posición con pseudo Códigos (Pseudo Rangos). 50 4.7.3 Posición, velocidad y hora del Receptor. 51 4.8 Fuentes de error en el sistema GPS. 52 4.9 GPS Diferencial (DGPS). 54 4.9.1 Ejemplo de un sistema de corrección DGPS (WAAS). 55 4.10 Explicando el Principio de funcionamiento. 56 4.10.1 Triangulación desde los Satélites. 56 4.10.2 Cálculos de Distancia. 58 4.10.3 Calculo de Tiempo. 59 4.10.4 Calculo de Posición. 60 4.10.5 Corrección de errores. 61 4.10.5.1 Sobre la Atmósfera. 61 4.10.5.2 Sobre la Tierra. 61 4.10.5.3 En el Satélite. 62 4.10.5.4 Ángulos. 62 4.10.5.5 Disponibilidad Selectiva. 62 4.10.6 Resumen de cómo Funciona el Sistema GPS. 63 5 SOLUCION PLANTEADA 5.1 Introducción. 64 5.2 El estándar NMEA 0183 V3.0. 66 5.2.1 Requerimientos Eléctricos. 66 5.2.2 Formato del Mensaje. 67 5.2.3 Suma de Comprobación “Checksum”. 68 5.2.4 Consideraciones Prácticas. 68 5.3 Protocolo de Comunicación RS-232. 69 5.4 GPS Utilizado en la Cápsula de UNIANDES 50 Años. 71 5.4.1 Descripción Funcional. 72 5.4.2 Especificaciones Técnicas. 73 5.5 La Fuente de Alimentación. 77 5.6 Tarjeta de control. 79 5.7 Tarjeta que adaptada el GPS A12. 82

III

5.8 Propuesta de diseño 83 5.9 Resultados 84 6 CONCLUSIONES 85 BIBLIOGRAFIA. 86 TABLA DE FIGURAS. 88 TABLAS. 90

IV

INTRODUCCIÓN

Actualmente la Universidad de los Andes cuenta con una cápsula del tiempo que conmemorará los 100 años de fundación de la Universidad. Esta cápsula fue creada e inaugurada el 16 de noviembre de 1998, año en el cual la Universidad de los Andes cumplió 50 años de existencia. En esta se encuentran diferentes tipos de elementos y una serie de documentos que buscan mostrar nuestra cultura actual a generaciones futuras. Esta cápsula deberá ser abierta el 16 de noviembre del año 2048 cuando se conmemoren los 100 años de la creación de la universidad. El Centro de Microelectrónica de la Universidad de los Andes (CMUA), planteo la creación de un reloj digital que permitiera visualizar los días que faltan para la apertura de la cápsula. La solución actual esta diseñada con una fuente ininterrumpida de potencia, es decir que aunque se presenten fallas eléctricas causadas de manera fortuita y de manera impredecible durante 50 años, la energía al sistema no se corte jamás. El sistema no puede quedar sin energía durante ningún momento ya que se pierde el punto de referencia temporal, y así llegar a fallar el conteo de días. En la presente tesis se utiliza el método de Krick aplicado a un problema real, a través del cual de genera una posible solución al conteo regresivo del tiempo para una aplicación durante cincuenta años. Dicha solución tiene en cuenta posibles fallas de energía que producen errores de conteo y pérdida de datos. Se utilizó una metodología de diseño descendente (Top-down) es decir que se inicio con su descripción funcional, hasta llegar a su realización física. La solución aquí descrita y especificada no depende de una fuente ininterrumpida de potencia. Con esta solución se profundiza en los temas del manejo de pantallas de Cristal líquido, el Sistema de Posicionamiento Global (GPS), así como en las Celdas solares.

IEL2-I-2003-18 REDISEÑO DEL RELOJ Y FUENTE DE LA CAPSULA DEL TIEMPO DE UNIANDES 50 AÑOS

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Capítulo 1 1 PROCESO DE DISEÑO DE KRICK 1.1 ¿Que es un proceso de diseño? Un proceso de diseño es el conjunto de pautas que debe seguir un diseñador para desarrollar un producto o generar una solución a un problema. Este abarca todas las actividades que transcurren desde que se identifica el problema hasta que se implementan soluciones factibles y en cierta medida satisfactorias. 1.2 Los procesos de diseño más comunes. Una de las primeras personas que se detuvo a pensar sobre estas pautas fue Krick[1] el cual descubrió que algunas de estas pautas o pasos eran comunes a la hora de enfrentar un problema y se podían generalizar. Este autor no ha sido el único que se preocupe por los pasos a seguir en el momento de generar una solución, también se encuentran otros como Retchin el cual planteo el proceso llamado “La concepción y construcción de sistemas complejos o la arquitectura de Sistemas” o Ertas y Jones que plantearon “El proceso de diseño de Ertas Jones”. En la tabla 1.1 podemos observar estos tres procesos y sus diferentes fases. El diseñador debe seguir el orden propuesto por el autor para no pasar por alto algunas recomendaciones importantes y sesgar posibles soluciones. Los tres planteamientos se caracterizan por tener diferentes fases, cada una con un objetivo especifico. Todos los procesos de diseño se pueden caracterizar en tres partes.

• Etapa inicial: En esta se hace la conceptualización del problema, su análisis, la viabilidad de la solución, la identificación de los parámetros más importantes para optar por una solución u otra, así como las restricciones del problema.

• Etapa de diseño: En esta se genera la implementación de la solución, en algunos casos se realiza un anteproyecto, se realiza un ciclo de diseño en el cual se llegué a simulación de todos los elementos que conforman la solución.

• Etapa de producción: Se realiza la construcción de la solución, en esta etapa se plantea el proceso de producción, las estrategias para obtener las certificaciones, operaciones de diagnostico y evaluación del producto.


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TABLA 1.1: Algunos procesos de diseño que existen y sus relaciones entre si.

1.3 El proceso de diseño de Krick. Krick en su libro plantea algunas pautas y las analiza para que otras personas puedan aplicarlas, es así como logra ordenar de una manera lógica el proceso de diseño. En especial, el autor le da un enfoque muy puntual al proceso y lo plantea especialmente para resolver un problema de ingeniería. El procedimiento general que Krick [1] plantea es:

• “Formulación del problema: el problema de que se trate se define en forma amplia y sin detalles.

• Análisis del problema: en esta etapa se le define con todo detalle. • Búsqueda de soluciones: Las soluciones alternativas se reúnen

mediante indagación, invención, investigación, etc. • Decisión: todas las alternativas se evalúan, se comparan y se

seleccionan hasta que se obtiene la solución más adecuada. • Descripción detallada (Especificación): La solución elegida se expone

por escrito detalladamente”. A continuación describiremos cada fase del proceso y al final lo ejemplificamos con al problema actual y el motivo de este proyecto de grado.

La Concepción y Construcción de Sistemas Complejos o la Arquitectura de Sistemas. (Rechtin)

Proceso de Diseño (Krick) Proceso de Diseño (Ertas – Jones)

Fase 1: Determinación de necesidades y recursos

Fase 1: Formulación del Problema.

Fase 1: Reconocimiento de las Necesidades.

Fase 2: Construcción del Modelo.

Fase 2: Análisis del Problema.

Fase 2: Conceptualización

Fase 3: Búsqueda de soluciones

Conceptualización del sistema

Fase 4: Decisión

Fase 3: Análisis de Factibilidad.

Etapa inicial: Concepción

Definición de Interfaces. Fase 5: Especificación de la solución.

Fase 4: Establecimiento de los requisitos del diseño.

Fase 3: Ingeniería a Nivel Sistema

Fase 6: Ciclo de Diseño

Fase 5: Diseño preliminar , anteproyecto.. Síntesis y Análisis en el Proceso de Diseño Estructural y Organizacional

Etapa de Diseño: Implementación

Ingeniería a Nivel del Diseño detallado.

Fase 7: Optimización de la Solución

Fase 6: Diseño detallado.

Fase 4: Manufactura y Producción

Fase 7: Planeamiento del Proceso de Producción.

Fase 5: Prueba Certificación y aceptación.

Fase 8: Producción

Fase 6: Operación Diagnostico y Evaluación.

Etapa de Producción Construcción

Fase 7: Adaptación

Fase 9: Proceso de desarrollo de la producción.


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1.3.1 FASE I: Formulación del problema. En esta fase se invita al diseñador a conocer realmente el problema y si realmente tiene sentido intentar resolverlo. No es normal encontrar el problema de una manera directa, sino que el diseñador debe determinar en que consiste. También se invita a definirlo en términos muy generales debido a que en las demás etapas se pierde una visión global. Se tiene la tendencia de buscar soluciones inmediatamente lo cual es incorrecto porque puede llevar a errores desde un inicio porque el problema aun no ha sido definido, mas adelante existirá un momento plantear soluciones, por ahora se debe preocupar por plantear correctamente el problema. Poder plantear el problema de una manera muy amplia, hasta que las restricciones lo permitan, implica poder proponer soluciones más globales y mejores. 1.3.2 FASE II: Análisis del problema. Esta fase mejor conocida como la fase de planteamiento analítico del problema, es en la cual se deben evaluar las restricciones de las entradas, salidas, el entorno etc. Entendiendo como restricción “una característica de una solución que se fija previamente ya sea por una decisión, debido a: la Naturaleza, el medio ambiente, a requisitos legales o por cualquier otra disposición que tiene que cumplir el que resuelve el problema”. Estas restricciones pueden tener límites concretos o simplemente rangos. Algunas veces son de tipo tecnológico, debido a que no existen los recursos tecnológicos. En este fase para diseñar dispositivos es muy útil utilizar un diagrama de caja negra (Figura 1.1)porque en este se puede evidenciar las entradas de nuestro sistema y sus restricciones, así como las salidas que queremos. La ventaja de este método es que no se entra en detalles de cómo se va a resolver sino que se evidencia realmente el problema.

FIGURA 1.1 Típico diagrama de caja negra para el diseño de un dispositivo. El diseñador debe identificar todas las posibles restricciones que debe cumplir de una manera correcta y decidir cuales tienen más peso a la hora de

SALIDAS

CAJA NEGRA

Lo que tenemos Lo que queremos


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evaluar la solución. Por ejemplo se podría decir que la restricción de un corto presupuesto, tiene mayor peso que la restricción del tamaño del dispositivo. No se debe caer en el error de tomar algunas restricciones que realmente no existen porque se pueden desechar soluciones aptas para el problema. Este tipo de restricciones son difíciles de evidenciar porque el diseñador automáticamente las asume. En el siguiente ejemplo Krick las pone en evidencia de una manera muy sencilla “considere la Figura 1.2., Trate de unir estos nueve puntos con no mas de cuatro trazos rectos sin despegar la punta del lápiz”.

FIGURA 1.2. Ejemplo de restricciones ficticias. “Algunas personas no pueden resolver el problema y otras necesitan mucho tiempo porque de manera injustificada e inadvertidamente quizás descartan la posibilidad de prolongar las líneas del cuadrado mas haya del cuadrado formado por los puntos”. Es claro que las restricciones son ficticias por que el autor se las impone sin que se de cuenta que no existen. La figura 1.3. muestra la solución al ejemplo anterior. Para evitar las restricciones ficticias es recomendable no plantear los problemas como si las posibles soluciones actuales fueran la solución correcta. Otra parte importante en esta fase es identificar cuales elementos no tienen restricción alguna para luego intentar aprovechar esta libertad, además se deben plantear los criterios que se utilizaran para seleccionar el mejor diseño. En estos se puede considerar por ejemplo el costo de fabricación, la facilidad de mantenimiento, el tamaño etc. El análisis del problema debe contemplar la cantidad de uso del dispositivo es decir si muchas veces será usado o si es solo para ser usado una vez. En este sentido Krick se refiere por ejemplo a que uno puede construir una barca para cruzar un rió, pero si son miles de personas las que tienen que hacerlo es probable que un puente pueda ser más útil. Para plantear el problema y generar una mejor solución se debe tener en cuenta el uso esperado que tendrá el dispositivo. Otro factor importante es pensar en la cantidad de dispositivos a producir porque estos pueden hacer que el diseñador piense un poco más en la facilidad de fabricación como restricción o como criterio de evaluación. Es mejor conocer o suponer el volumen de producción antes de dar soluciones al problema.


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“El resultado de esta fase debe ser la definición del problema en detalle, lo que se espera maximice las probabilidades de obtener una solución adecuada”.

FIGURA 1.3. Solución al Ejemplo de restricciones ficticias 1.3.3 Fase III: Búsqueda de soluciones. También conocida como la fase de búsqueda de alternativas de solución, no hay reglas que puedan aplicarse. Cada problema puede tener miles de soluciones y dependen de la inventiva del diseñador, de una buena labor de investigación, así como de los conocimientos de cada diseñador. Es ideal que el diseñador tenga muchísimos conocimientos técnicos y especializados, pero que por esto no deje de ser creativo y espontáneo rechazando alternativas sin siquiera mencionarlas por que a primera vista le parezcan imposibles. Es cierto que la actitud influye muchísimo; por lo cual el diseñado no debe preocuparse por cuantas soluciones hayan ideado, el siempre debe suponer que a un existen muchas mas, las cuales no han sido descubiertas. Se debe procurar buscar soluciones muy diferentes a la actual, para así no caer en buscar solamente modificaciones al sistema actual. Se debe quitar el miedo de generar soluciones muy diferentes a las que llevan muchos años implantadas, porque estas fueron generadas en otros entornos y con otras tecnologías, lo cual puede hacer que algunos limitantes de algunas otras soluciones, que antes existían ya no existan. No es momento para descartar ninguna solución por descabellada que parezca, estamos pensando en general como podría ser la solución y no en si es posible o no. “No hay que enfocarse en los detalles antes de lo necesario.” Esta etapa solo se puede dar por terminado cuando el tiempo dispuesto para la búsqueda se haya acabado.


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1.3.4 Fase IV: Decisión. El proceso de diseño lleva hasta ahora un estado donde se ha planteado el problema de una manera amplia, se identificaron las restricciones y los criterios de evaluación; así como se generaron las posibles soluciones. Esta es la fase donde se toman todos estos elementos y se analizan, para dejar la solución que cumpla de mejor manera estos criterios. En la Figura 1.4 se puede observar como el conjunto de soluciones se expande en el proceso de búsqueda de soluciones y luego se comprime en la decisión.

FIGURA 1.4. Estado del Proceso de diseño de Krick hasta esta fase.

Aunque cada problema tiene sus características únicas, se logran identificar cuatro pasos para evaluar las soluciones y escoger la adecuada. El primer paso es clasificar los criterios en nivel de importancia, el segundo es predecir el comportamiento de cada solución según estos criterios, el tercer paso es comparar las alternativas sobre el supuesto funcionamiento de la solución y el cuarto y último paso es tomar la decisión. Es preferible tomar todas las soluciones de forma general. Según los criterios, se van descartando las alternativas que son obviamente menos adecuadas, pero a medida que se van teniendo menos soluciones se puede empezar a hacer una mayor caracterización de la solución. Con esto se busca tener un mejor proceso de depuración. Se debe estar conciente de que en algunos casos, no todas las restricciones podrán ser cumplidas completamente, ni tampoco estar en los niveles mínimos permitidos. El ingeniero puede estar en la libertad de escoger cuales se deben tener en cuenta; más que otros. Krick plantea algunas otras las cuales son muy importantes para un

Búsqueda Soluciones

Planteamiento del Problema

Análisis del Problema

Conjunto De

Soluciones

Decisión


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diseñador; como lo son: la relación costo a beneficio, la seguridad de los operarios, la operabilidad, la confiabilidad del sistema, la disponibilidad de la maquina y de los elementos que conforman el sistema, el numero de piezas móviles que pueden fallar. La confiabilidad se refiere a la posibilidad que nuestro diseño falle, durante un periodo especificado de tiempo; La operabilidad es la manera en que el diseño puede ser manejado e implementado, con lo cual se puede a llegar a tener unos costos muy altos por capacitación del operario, si el sistema de producción es muy complejo. La disponibilidad es la proporción de tiempo que la maquina esta en condiciones de ser utilizada; y no se encuentre fuera de servició por mantenimiento o falta de repuestos. Realmente Krick hace énfasis en: El sistema entre más sencillo sea su funcionamiento, puede llegar a ser una mejor solución. Esto evaluándola desde los criterios de operabilidad, confiabilidad, disponibilidad. Debemos tener en cuenta que no todos los criterios pueden ser cuantitativos; y a pesar de ser cualitativos o parecernos que no se influencien mucho la decisión, algunas soluciones pueden tener un mejor o peor desempeño, por lo que se deben tenerse en cuenta en la solución. En conclusión en esta etapa se debe seleccionar los criterios más importantes, luego pronosticar los funcionamientos, compararlos con las diferentes soluciones y por ultimo decidir. 1.3.5 Fase V: Especificación de la solución. Lo mas seguro es que en este momento la solución este en hojas sueltas y gran parte de ella en la cabeza del diseñador, probablemente el material que existe este desorganizado, por lo cual hace falta escribir este en una forma más organizada y detallada. Probablemente si lo presenta ante su cliente o ante sus jefes nadie lo entienda, por lo que es muy importante describir la solución en un lenguaje sencillo, buscando la comunicación exacta de nuestras ideas. Los resultados de esta fase son dibujos del proyecto, informes escritos, algún modelo físico o en 3D, que permita su visualización clara, también pueden ser simplemente dibujos detallados pero bien acotados “Planos”. En esta fase seria ideal que se especificaran los materiales de algunos elementos, métodos de unión y demás detalles. También puede especificar el tipo de entradas y salidas claramente, por ejemplo: su tipo, su unidad de medida, etc.


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1.3.6 Fase VI: Ciclo de Diseño. En esta fase el diseñador podría delegar el trabajo y olvidarse de la fabricación, pero esto generalmente no sucede. El diseñador podría estar pendiente de la aceptación, desarrollo y producción de la solución, vigilando atentamente la producción de su solución. Krick no se expande mucho sobre como debe ser el ciclo de diseño porque es específico para cada problema. Invita al diseñador a no desanimarse si su proyecto no es aprobado, o si el sistema no es adoptado inmediatamente. Así como lo invita a no culpar a nadie por esto debido a que el único culpable de que no le aprueben el diseño, es el diseñador. El cual fallo, por no poder proponer un proyecto con una cuidosa planeación y reducir al mínimo la oposición al cambio. 1.3.7 Fase VII: Optimización de la Solución. Después de producido la solución actual, se pueden hacer mejoras y ajustes a la solución para cumplir de una mejor manera con la solución del problema. Sin embargo Krick llega a ser bastante estricto y dice: “Este proceso de diseño se completa, cuando después que una solución a un problema se ha ideado y utilizado por varios años, se da uno cuenta que seria provechoso un nuevo diseño y entonces se inicia otra vez el proceso de hallar una solución adecuada.” 1.3.8 Resumen. En la figura 1.5 se puede resumir el proceso de Krick. En este momento lo más importante para Krick fue la identificación y posterior planteamiento del problema, así como la correcta escogencia de los criterios, lo cual lleva a escoger una buena solución. Sin embargo todo queda limitado a la calidad de las soluciones que fueron planteadas y al criterio de diseñador de escoger las restricciones que influyeron para tomar esa decisión. El riesgo que este dispuesto a asumir, puede influir en su decisión y en las consideraciones que haga dependen de los conocimientos que tenga el diseñador y su experiencia.

1.3.9 Consideraciones acerca de un proceso de diseño.

“Desde el momento en que se comienza un diseño se pone a prueba la hipótesis de que se producirá una solución ventajosa.” Es así como se inicia con un nivel de incertidumbre en el cual no se sabe como será la solución final y mucho menos si verdaderamente se cumplirán las restricciones, junto a esto se suma el riesgo de tomar decisiones equivocadas que disminuye a


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medida que se avanza en el proyecto.

FIGURA 1.5 Las partes fundamentales del proceso de diseño de Krick.

Por otro lado se tiene a pensar equivocadamente que por seguir un proceso de diseño que a dado buenos resultados anteriormente quede garantizado que la solución actual será buena. Lo único que realmente ocurre es que se aumenta la probabilidad que la solución planteada cumpla la mayoría de restricciones y se presente como la solución optima.

Enunciado vago de lo que se quiere

Formulación del problema

Vista panorámica del problema

Planteamiento analítico del problema

Análisis de restricciones y evaluación

Búsqueda de soluciones

Decisión

Solucione escogida en borrador

Especificación de la Solución

Detalles de la solución Propuesta

Son los pilares del proceso.

Es donde mas tiempo se debe

invertir Donde más se requiere

inventiva e investigación


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Capítulo 2 2 El PROCESO DE DISEÑO DE KRICK APLICADO A LA CAPSULA

DEL TIEMPO UNIANDES 50 AÑOS. 2.1 Fase 1: Formulación del problema. Al inicio de este proyecto de grado el problema se podría plantear como: El Centro de Microelectrónica de la Universidad de los Andes (CMUA) desarrollo un reloj del tiempo, el cual ha presentado inconvenientes al enfrentar fallas eléctricas de alimentación. Dado esto la fuente debería ser ininterrumpida durante 50 años. Además se tiene interés en hacer mejoras al reloj de tiempo para que su visualización no sea por una pantalla de cristal líquido comercial, sino que se ponga a funcionamiento una pantalla diseñada en conjunto, con el grupo de investigación de la profesora Allaide Mammana en Campinas Brasil [2] Vemos que el problema en este caso solo es: “La fuente debería ser ininterrumpida sobre 50 años.” Con lo cual podríamos continuar con la siguiente fase. Lamentablemente este seria un planteamiento muy errado con respecto a lo que Krick quiere, no es un planteamiento general del problema, si éste fuera el planteamiento del problema, el diseñador no logro identificar el problema real. Aplicando entonces las sugerencias de Krick se puede identificar realmente el problema actual como: Se desea mostrar a través de algún dispositivo, el tiempo restante para que la cápsula del tiempo sea abierta dentro de 50 años. Es necesario que la fecha sea mantenida o se recupere desde un punto de referencia. Es evidente que se rompe la barrera de pensar solamente en como solucionar el problema a través de la solución actual; se trasciende a un problema mucho más general que permite plantear una mejor solución. No se piensa solo en hacer una fuente ininterrumpida, si no en hacer que el punto de referencia temporal se mantenga o si este se pierde, se pueda recuperar desde algún dispositivo. En este ejemplo es claro que el diseñador puede empezar a equivocarse desde un principio, solo el podría identificar el error con mayor facilidad si se guía en una plantilla de diseño, como la propuesta por Krick.


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2.2 Fase II: Análisis del Problema (Planteamiento Analítico del Problema): El asegurar que el sistema trabaje sin requerir mantenimiento con nuestra tecnología actual no es muy probable, por lo que se deben plantear estrategias de mantenimiento o reparación de los dispositivos sin suspender la energía del sistema, o si esto ocurriese crear elementos que logren reprogramar el dispositivo fácilmente. Mantener un sistema interrumpido de potencia implica grandes costos, porque este requiere un cambio de baterías, así como además de muchísimo mantenimiento. En promedio las baterías solo duran 2 años [4,5] es decir 25 cambios durante estos 50 años; con el riesgo que las especificaciones de estas ya no se consigan o simplemente sean descontinuadas. Estos grandes inconvenientes, implican el inicio de una búsqueda a otro tipo de solución, que no incluyera baterías o el uso de estas sea mínimo. Es claro que Krick nos invita a plantear restricciones las cuales en este problema podrían ser:

• Minimizar el uso de baterías • El sistema puede ser alimentado con corriente AC 110v • Puede ser alimentado con Energía Solar de 24V a 4A, pero esta no es

constante y puede variar de 0 a 24V. No se puede consumir más de 1A.

• Estará encerrado en un sótano, teniendo la posibilidad de comunicarse con el techo a unos 5 pisos de altura (10 metros).

• Es un sitio que por ser representativo para la universidad y por políticas de seguridad es de difícil acceso. Por lo que hay que minimizar el mantenimiento.

• El sistema no debería esperar comandos de usuario. • El costo debe ser mínimo. • A las 12:00 PM de todos los días se debe visualizar el número de días

que faltan para que la Cápsula sea abierta. En las anteriores restricciones hay cuantitativas y cualitativas. En las restricciones se procura contemplar aspectos como la dificultad de obtener los permisos para acceder al sitio. A pesar que esta restricción es cuantitativa; debe ser tenida en cuenta en la posible solución, es así como será cuantificada con palabras como alta media o baja. Los criterios de evaluación de las posibles soluciones son:

• Duración de los elementos que conforman la solución.


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• Mantenimiento requerido • Costo.

Básicamente el primer criterio y el segundo dependen de la tecnología que escojamos para la solución y puede ser medida en años. El segundo criterio es proporcional al costo de los elementos que conforman la solución, así como en este, se debe contemplar el posible cambio de partes a través de los años. Es medido en la moneda corriente (pesos). Otros elementos que tenemos que tener en cuenta es contar como mínimo con una resolución de días, es decir indicar cuantos días hacen falta para que sea abierta la cápsula del tiempo. El sistema y su diseño deben representar al CMUA, por lo que preferiblemente debe estar compuesta por elementos totalmente electrónicos. 2.3 Fase III: Búsqueda de soluciones En este proceso no debemos descartar ninguna posible solución por muy irreal que parezca, los elementos que tenemos a la mano para plantear posibles soluciones son nuestra creatividad, conocimiento y experiencia. No podemos plantear soluciones sin antes investigar el problema al cual nos estamos enfrentando, revisar si ha tenido soluciones anteriores y que problemas se han tenido con estas, es decir conocer el estado del arte del problema. Las soluciones que se presentaran a continuación son algunas de las que se plantearon, sin embargo debo decir que se plantearon otras como por ejemplo un reloj atómico, combinación de relojes mecánicos y electrónicos etc.


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2.3.1 La Solución Actual.

FIGURA 2.1 La solución actual con una fuente ininterrumpida de potencia.

En esta solución Figura 2.1 se utiliza el sistema actual sin ninguna modificación, tan solo se le agregara un sistema que permita que la alimentación sea ininterrumpida, a través de tres posibles fuentes de energía baterías, luz solar y red eléctrica, y se diseñaran estrategias de mantenimiento para el correcto funcionamiento del sistema, su respectivas fechas de cambio de baterías, así como el modo de hacerlo. 2.3.2 La Solución Actual con fácil reprogramación.

FIGURA 2.2 La solución actual con una fuente ininterrumpida de potencia mejorada.

En esta solución Figura 2.2 se contempla una pequeña modificación del sistema actual el cual implica el cambio de pantalla de visualización, así como agregar un mando por infrarrojo, el cual permita la reprogramación rápida del sistema.

Red Electrica

Luz solar

Baterías Fuente de energía ininterrumpida

Reloj tiempo real Visualización

Visualización con la

Pantalla hecha en Brasil

(MÁS GRANDE).

Receptor INF

Control INF

Red Electrica

Luz solar

Baterías Fuente de

energía ininterrumpida

Reloj tiempo real


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2.3.3 Solución con un GPS (Sistema de Posicionamiento Global)

FIGURA 2.3 Solución con un Sistema de Posicionamiento Global (GPS). En esta solución Figura 2.3 se utiliza una modificación al principio de funcionamiento porque el punto de referencia temporal se puede perder sin que el sistema se afecte, el punto de referencia temporal es recuperado por el sistema de posicionamiento global (GPS). Este evita la necesidad de operar con baterías, es decir el sistema no necesita un mantenimiento por la duración de sus elementos sino por la posible modificación del sistema GPS. Esta solución funcionaría solo con luz solar, el sistema se desactiva por la noche y se recupera tan pronto la energía solar sea suficiente. El sistema solo necesitaría mantenimiento preventivo. Esta solución fue propuesta después de investigar un poco sobre como se adquirir el UTC (Universal Coordinated time) para calcular la fecha y los días que faltan para abrir la cápsula. 2.3.4 Solución con la detección de días.

FIGURA 2.4 Solución que detecta la luz solar por unas horas le permite contar los días. En esta solución Figura 2.4 se utiliza una memoria EEPROM y la energía solar. Mientras la luz solar exista el dispositivo identifica si es un día y aumenta el contador, para luego recalcular la fecha, la precisión del dispositivo es solo por días, no por horas minutos y segundos, aunque no se requiere fuente externa ya que el sistema toma la alimentación de la celda

Control Luz solar

Contador Horas Identifica El Día.

MEMORIA EEPROM

Si Es Un Día Aumenta Contador

Visualización Pantalla hecha en Brasil

(MÁS GRANDE).

LUZ Solar Control

GPS

Pantalla


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solar. El dispositivo muestra la fecha durante el día, por la noche el dispositivo se apaga, se podría instalar un control para reprogramación, aunque no es necesario. 2.4 Fase IV: Decisión. En este momento se toman los criterios de evaluación de las posibles soluciones son:

• Duración de los elementos que conforman la solución. • Mantenimiento requerido • Costo.

Debemos además incluir las restricciones que son:

• Minimizar el uso de baterías • El sistema puede ser alimentado con corriente AC 110v • Puede ser alimentado con Energía Solar de 24V a 4A, pero esta no es

constante y puede variar de 0 a 24V.No se puede consumir mas de 1A.

• Estará encerrado en un sótano, teniendo la posibilidad de comunicarse con el techo a unos 5 pisos de altura (10 metros).

• Es un sitio que por ser representativo para la universidad y por políticas de seguridad es de difícil acceso. Por lo que hay que minimizar el mantenimiento.

• El sistema no debería esperar comandos de usuario. • El costo debe ser mínimo. • A las 12:00 PM de todos los días se debe visualizar el número de días

que faltan para que la Cápsula sea abierta.

Las soluciones anteriores, podrían ser implementadas en dispositivos como: Microcontroladores, FPGAS, Transistores, resistencias, condensadores que están especificados para un tiempo de funcionamiento determinado y al estar implementadas en todas las soluciones se puede deducir que todas tendrán el mismo tiempo de duración sin mantenimiento o posibles fallas. Los elementos de poca duración como relees, baterías, motores a escobillas y memorias IEEPROM con límites de lectura-escritura, serán los que definan el tiempo de mantenimiento de la solución. Si se quiere minimizar el mantenimiento, se debe tener en cuenta que la solución no incluya este tipo de elementos. También podemos contemplar el posible costo de dispositivos especiales como lo es el GPS y compararlo con las otras soluciones. Podemos hacer un cuadro comparativo de las soluciones que mas nos llamaron la tensión por cumplir con la mayoría de restricciones y criterios. En la Tabla 2.1 se puede


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identificar claramente los elementos con mejor puntaje en cada criterio.

Criterios

y R

estricciones

Elem

ento con

mínim

a D

uración

Mantenim

iento requerido M

ínimo

Costo

Uso de baterías

Alim

entación AC

110V

60Hz

Alim

entación con

energía S

olar

Espera

comandos

del usuario.

Duración

Aproxim

ada sin

Mantenim

iento

Solución actual

Baterías Cada 2 años aprox.

7.500.000 Si SI Si Si 2 años

Solución actual con reprogramación

Baterías Cada 2 Años aprox.

7.650.000 SI SI SI Si 2 años

Solución Con GPS

GPS Cuando el Estándar GPS Termine

1.200.000 NO NO SI No 25 años

Solución que detecta los días

EEPROM Daño en la Memoria EEPROM

500.000 NO NO SI No 30 años

TABLA 2.1 Cuadro comparativo de todas las soluciones. La solución con GPS es la segunda mas barata y su alto costo se debe al valor del sistema GPS, con un costo aproximado de 800.000 pesos. El precio de las soluciones que incluyen baterías, es el mas alto porque se contempla cambiar como mínimo cada batería a los 2 años de funcionamiento, es decir 25 cambios en 50 años, teniendo en cuenta solo el valor actual, sin el aumento del costo de vida y demás posibles costos incrementales; se tiene un valor de 280.000 pesos de cada batería con 12V 4Ah. Es por eso que solo en baterías el sistema tenga un costo de 7.000.000. El sistema con baterías necesita tener un sistema de reprogramación debido a que si la fuente ininterrumpida falla el sistema debe ser reprogramado por lo que el usuario deberá estar revisando el sistema, no solo por mantenimiento sino también, por posibles fallas eléctricas justo cuando ocurra el cambio de baterías o en casos especiales. El sistema no tiene un usuario como tal, por lo que la única entidad responsable del reloj de la cápsula del tiempo es el CMUA, la cual no puede estar cambiando partes de la cápsula cada 2 años y asumiendo los costos que implica tener un personal dedicado solo a vigilar el correcto funcionamiento del sistema. A pesar de que la solución que detecta los días presenta grandes ventajas en costo, y a nivel de mantenimiento, mi deseo de trabajar con el sistema GPS me llevo a desarrollar la solución con GPS.


17

2.5 Fase V: Especificación de la solución. Se volvieron a plantear los objetivos primarios para la solución, los cuales fueron.

• Visualizar el tiempo que falta para que la cápsula sea abierta. • Mantener el conteo a pesar de las fallas de alimentación. • Minimizar el mantenimiento. • Asegurar elementos que permitan la reprogramación del reloj

rápidamente. Se empezó por plantear el diagrama de caja negra (Figura 2.5) que especifique las entradas al sistema y las salidas (Tabla 2.2).

FIGURA 2.5 Diagrama de Caja Negra de la Solución.

TABLA 2.2 El Diagrama de Caja Negra de la Solución

SISTEMA

ENERGIA ELECTRICA

110V A/C

ENERGIA SOLAR

DATOS DE LOS SATELITES GPS

FECHA DE APERTURA DE LA

CAPSULA

Descripción entradas - salidas: Nombre Energía Electrica

Tipo: Entrada Análoga, seno, 110V AC, 60 Hz.

Función: Alimentar al sistema.

Restricciones: La energía eléctrica no es ininterrumpida es posible que esta se corte en cualquier momento, el único requerimiento es que este presente mínimo 2 horas diarias para presentar la fecha y la hora en que será abierta la cápsula. Aunque si esto no ocurre solo implica que ese día no se mostrara la fecha.

Nombre Energía Solar

Tipo Luz solar At/m^2

Función Mantener el sistema operando si la energía ecléctica falla a través de la celda fotovoltaica.

Restricciones: La energía solar solo esta presente en horas de la mañana y no siempre puede asegurar entregar una cantidad específica pues depende exclusivamente del clima y la luz solar

Nombre Dato de los satélites GPS

Tipo Microondas Frecuencia L1 (1575.42 MHz),L2 (1227,60)MHz

Función Ubicar la posición actual longitud, latitud de cómo mínimo 3 satélites así como su reloj interno. Para que el sistema pueda calcular la fecha y hora referida un punto especifico

Restricciones: Las señales deben provenir por lo menos de 3 satélites para hacer la triangulación de la posición. Nuestro receptor debe avistar el horizonte siempre.


18

La solución planteada se le incluyo la posibilidad de ser alimentada con energía de la red eléctrica, previendo que en un día nublado a la 12:00 PM no se podría visualizar la fecha, debido a que la energía solar no es suficiente. En las especificaciones se busca que el sistema no requiera mantenimiento por lo que el GPS permite que el usuario no deba intervenir nunca en el funcionamiento del dispositivo, porque este, adquiere el punto de referencia (entendido este como el tiempo actual) directamente de los satélites y no necesita ser reprogramado, debido a que el calculó del conteo lo hace el control por defecto. El sistema no recibe comandos de usuario esto se evidencia en la plantilla de diseño Figura 2.6 en la cual además se observa que la información será entregada a través de una pantalla de LCD.

FIGURA 2.6 Plantilla de diseño de la Solución. A simple vista esta solución parece muy básica lo cual permite pensar que el sistema estará compuesto por muy pocas partes, lo cual disminuye la probabilidad que el sistema en conjunto falle. En este momento la solución podría ser implementada por cualquier diseñador. Los demás detalles de la solución serán explicados en capítulos posteriores así como la propuesta de diseño. 2.6 Fase VI: Ciclo de Diseño. En el ciclo de diseño se planteo una caja negra, luego se hizo una segunda partición que permitió generar una serie de bloques cada vez mas pequeños continuando con este proceso hasta llegar a un grado de granularidad en el

Modulo de

Visualización Con


(MÁS GRANDE).

Control

GPS

Fuente de energía

Módulos de interfase de

entrada

Módulos de servicio

Modulo de interfase De Salida

Módulos de Control


19

cual es posible realizar y validar el bloque de una manera muy sencilla, sin preocuparse por la tecnología que se va utilizar. En este caso se implementa una fuente de 9V a 1 Amperio. Se le da prioridad a la energía solar que es entregada por la celda (24V, 4ª a 25ºC), la cual si disminuye de 8.76V conmuta a la red eléctrica, sin que el sistema se apagué. Además tiene elementos de protección para la celda solar y posibles cortos. Se realiza también un sistema microcontrolador que genera e interpreta comandos NMEA 2.1V (Nacional Marine Electronics Association) en protocolo RS 232, con 8 bits, sin paridad y un bit de parada, además de un código de detección de error. Siendo esto el formato por el cual se controla al GPS. El sistema incluye una tarjeta controladora de la pantalla de cristal líquido implementada en una MAX7000 y programada en VHDL. 2.7 Fase VII: Optimización de la Solución. En la etapa de implementación se evidenciaron algunos problemas al escoger la tecnología, ya que desafortunadamente no hay acceso a todos los dispositivos que se producen debido a que se presenta una gran limitación en el mercado Colombiano y en los altos costos a los que se incurren por la importación de estos dispositivos. Es así como el código generado en VHDL no pudo ser implementado totalmente en un solo Chip MAX7000 128LS84-15, lo cual elevó el costo para lograr implementar la pantalla de Cristal liquido desarrollada. Básicamente una mejora a la solución actual podría no contemplar la incorporación de esta pantalla hasta obtener un dispositivo más adecuado. 2.8 Comentarios Sobre la Aplicación del Proceso. El planteamiento más amplio del problema permitió presentar una solución muy diferente a la actual, a pesar de enfrentar el mismo problema. En este Ciclo de diseño se cometió un error al no incluir dentro de las restricciones una que incluyera la limitación de la tecnología disponible. Sin embargo la solución Implementada cumple con todas las restricciones que se propusieron desde un principio.


20

Capítulo 3 3 PANTALLAS DE CRISTAL LIQUIDO 3.1 ¿Cómo funcionan las pantallas de cristal liquido?. El principio de estas pantallas se basa en hacer que un segmento permita el paso de luz a través de un vidrio transparente, o que se impida el paso de luz, lo cual hace que ese segmento se oscurezca. Este estado de encendido y apagado es controlado por un campo eléctrico. Todo esto se logra gracias al cristal líquido. 3.1.1 ¿Qué es el cristal líquido? En los sólidos cristalinos las moléculas se ordenan en estructuras tridimensionales, sus átomos permanecen en estas estructuras, a pesar de pequeños movimientos a la azar, dados por aumento en la temperatura. En los líquidos en cambio, estas estructuras tridimensionales no existen porque las moléculas se mueven libremente, aunque se forman enlaces por periodos muy cortos de tiempo. Este tipo de cristal se obtiene a partir de un líquido que logra crear grandes moléculas, estas no están ordenadas rígidamente, como lo seria si este material fuera sólido, ni tampoco se mueven al azar, como si este material fuera un liquido. El cristal líquido tiene la capacidad de combinar las características de un sólido y un líquido a la vez. Hay quienes creen que es otro estado de la materia [6]. Básicamente el material utilizado en la mayoría de pantallas de cristal liquido es el llamado Twisted-Nematic cuyas moléculas tienen una forma rectangular de típicamente unos 20[A] de largo y unos 5[A] de diámetro; se ordenan típicamente de forma paralela unas con otras (Figura 3.1) formando un estado que se conoce como Nematico (Nematic).

FIGURA 3.1 Material Twisted-Nematic: partículas en forma rectangular en estado Nematico.

(paralelas unas con otras).


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Este material es utilizado en pantallas por sus características ópticas, las cuales son determinadas por el eje óptico que tenga el material, en el momento que incide la luz [7]. 3.1.2 Propiedades del cristal líquido “Las propiedades que permiten que este material sea aplicado en pantallas de cristal liquido son: 1. La orientación del eje óptico puede determinarse mediante fuerzas eléctricas muy débiles o mediante fuerzas ejercidas por superficies en contacto con el cristal líquido. 2. Si se hace incidir luz polarizada sobre un cristal líquido, ésta se comporta de diferentes maneras, dependiendo de cómo está orientada respecto del eje óptico en el estado nemático” [6]. 3.1.3 Estructura general de las pantallas de Cristal Líquido. La orientación del eje óptico se logra de dos diferentes formas:

• La primera forma de dar orientación es: colocando en contacto el cristal liquido con un material que tiene un ordenamiento definido.

• La Segunda forma de dar orientación es: con campos eléctricos muy débiles.

Para lograr la primera forma de orientación, se puede por ejemplo frotar un vidrio contra un filtro, esto forma en el vidrio unos pequeños surcos. Estos surcos guiaran las moléculas de cristal líquido cuando entren en contacto con este vidrio. Para formar la pantalla de cristal líquido se deben tomar dos vidrios previamente frotados con el filtro, orientandolod de una forma que los surcos queden perpendiculares. En la mitad de los dos vidrios se coloca el cristal líquido.

FIGURA 3.2 Construcción básica de una pantalla de cristal Liquido.

Primer Vidrio polarizado a 90º

Segundo Vidrio polarizado a 0ª

Moléculas de cristal líquido.


22

En la figura 3.2 se muestra la configuración básica de una pantalla de cristal liquido, auque el dibujo no este a escala, se puede observar como las partículas de cristal liquido en los extremos, están alineadas con la polarización del vidrio; a medida que vamos avanzando hacia el otro extremo las partículas van rotando, formando una especie de escalera en forma de caracol. Una vez echa esta configuración, la orientación del cristal liquido puede cambiarse sí se aplica un campo eléctrico entre las placas de vidrio. Para que se pueda generar el campo eléctrico entre las placas de vidrio, estas deben ser recubiertas con una capa metálica muy delgada, la cual no debe alterar la superficie transparente del vidrio. El campo eléctrico alinea las moléculas como se muestra en la figura 3.3 y cuando este desaparece las partículas vuelven a su estado anterior (escalera de caracol).

FIGURA 3.3 Construcción básica de una pantalla de cristal líquido cuando se aplica un campo Eléctrico. La configuración anterior, es la utilizada para producir el efecto de prendido o apagado en una pantalla de cristal liquido sobre un segmento. La luz puede pasar cuando las partículas forman la escalera en forma de caracol, (figura 3.4) entonces se ve transparente es decir apagado. Cuando se aplica el campo eléctrico el segmento se torna oscuro, esto porque la luz no atraviesa el segmento, es decir el este se vera prendido.

FIGURA 3.4 A la izquierda la luz atraviesa el segmento y a mano derecha la luz no logra atravesar el segmento que se vería oscuro.

Moléculas que se alinean con campo

Capa delgada de Metal


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Por ultimo, en la figura 3.5 podemos observar el diagrama de un segmento de una pantalla de cristal liquido, la cual esta construida con una placa de vidrio polarizada a 90º y una placa polarizada a 0º. Las dos placas están separadas por 6[µm], entre esta separación se encuentra el cristal liquido, en el fondo de la pantalla hay una superficie que refracta la luz. Esta configuración es típicamente utilizada en dispositivos con baterías, debido a su bajo consumo de potencia. Esto se debe a que este tipo de pantallas utiliza la luz externa para funcionar, además cada segmento se comporta como un condensador el cual consume alrededor de 1 pico Amperio.

FIGURA 3.5 Esquema final de un segmento de la pantalla de cristal líquido.

3.2 Manejo de una pantalla de Cristal Liquido no Multiplexada. La pantalla a controlar no es Multiplexada y posee una patilla común a todos los segmentos, en la figura 3.6 aparece el panel frontal y la cara posterior de la pantalla, aunque cada fabricante de pantallas define los pines a conveniencia el principio de funcionamiento es el mismo. Esta pantalla tiene 3 ½ dígitos. FIGURA 3.6 Pantalla de 3 ½ dígitos, no Multiplexada.


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Básicamente las pantallas de cristal liquidó o LCD, trabajan con una señal de corriente alterna a bajo voltaje (comúnmente de 3 a 15 Vrms) y baja frecuencia (25 a 60Hz); así como consumen muy poca corriente. El voltaje alterno se aplica entre el segmento que se desea encender y el plano posterior, el cual es común a todos los segmentos. El segmento y el plano posterior forman un condensador, que necesita muy poca corriente. Generalmente la señal AC no es inferior a los 25Hz, ya que si es más lento se produce un parpadeo visible al ojo humano. En la tabla 3.1 podemos ver las diferencias entre una pantalla de LCD y una basada en diodos emisores de luz (LED).

LCD LED, Display 7 segmentos ,etc Bajo consumo ideal para aparatos a batería

Gran consumo de corriente

AC (25 a 60 Hz) DC Necesita luz externa No necesita fuente externa de luz TABLA 3.1 Comparación entre Pantallas de LCD y Siete segmentos, LED.

El principio de funcionamiento es sencillo, el voltaje debe ser aplicado al segmento, de tal manera que tenga una frecuencia no inferior de 25Hz con una amplitud de 3 a 15 Vrms según lo especifica el fabricante. El diagrama de cada segmento se observa en la figura 3.7 así como los respectivos voltajes deseados.

FIGURA 3.7 Segmento de un LCD y la tabla con los voltajes requeridos.

En vez de generar un voltaje AC con fuentes negativas y positivas, es más práctico producir una onda cuadrada y desfasarla para que la sumatoria de voltajes sobre cada segmento sea positiva y negativa. Esto generalmente de implementa utilizando solo una fuente positiva y una compuerta XOR. El arreglo presentado en la figura 3.8 permite generar estos voltajes [8] deseados así como controlar el encendido y apagado de cada segmento de forma independiente a niveles de voltajes lógicos. Gracias a la compuerta

V1 V2 VOLTAJE SEGMENTO

0 0 0 5 0 5 0 5 -5

V1 (panel Superior)

V2 (panel Inferior, Común)


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XOR el voltaje se alterna entre 5 y –5 voltios, cuando control es igual a un uno lógico. Se utilizan dispositivos CMOS para manejar el LCD, porque requieren menos potencia, además el voltaje de salida en 0 lógico en la tecnología TTL es de casi 0.4V y no es exactamente 0V, como lo es en la tecnología CMOS. Esto produce un voltaje DC entre el plano y el segmento, lo cual reduce la vida útil del LCD.

FIGURA 3.8 Circuito de control de un segmento de un LCD .

Para general la onda, se debe utilizar una Reloj externo el cual se aplica al plano posterior y a una de las entradas de la compuerta XOR, la otra entrada de la compuerta es el Bit de control de encendido / apagado del segmento. En la tabla 3.2 se observa los diferentes valores lógicos así como los valores de voltaje sobre el segmento.

RELOJ CONTROL SALIDA XOR

VOLTAJE EN EL SEGMENTO

0 0 0 0 0 1 1 5 1 0 1 0 1 1 0 -5

TABLA 3.2 Voltajes del circuito de control de un segmento de un LCD .

3.3 Pantalla Multiplexada UNIANDES 50 Años. Esta pantalla fue desarrollada por el Centro de Microelectrónica de la Universidad de los Andes en conjunto con el grupo de investigación de la profesora Allaide Mammana en Campinas Brasil [4]. La pantalla tiene 40 segmentos, los cuales forman 5 dígitos así como se presentan 5 letreros especiales. Para manejar estos segmentos se necesitarían 41 pines como mínimo; con lo cual se elevaba mucho el costo de fabricación, así que se


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decidió fabricar una pantalla multiplexada. El nivel de multiplexación es de 3:1, con lo cual se logro manejar todo el sistema con 3 pines comunes y 15 pines los que corresponden a cada fila del sistema, es decir un total de 18 pines para manejar toda la pantalla. La figura 3.9 la parte superior e inferior de la pantalla de cristal liquido de matriz pasiva, de cristal Twisted-Nematic.

FIGURA 3.9 Diagrama de la Cara superior e inferior de la Pantalla UNIANDES 50 años.


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Las especificaciones de la pantalla de Cristal Liquido se observan de la tabla 3.3 TABLA 3.3 Especificaciones Técnicas de la Pantalla UNIANDES 50 años.

3.4 Señales de Control. El manejo de una pantalla Multiplexada es un poco diferente a lo que se tenia anteriormente, debido a que se requieren señales ortogonales entre si, esto para no generar diferencias de potenciales entre los segmentos que se quiere que permanezcan apagados. Cada segmento sigue siendo un condensador, solo que este tiene otros conectados al mismo Bit de control, aunque tienen diferentes comunes. La figura 3.10 muestra el diagrama de conexiones de una fila de la pantalla UNIANDES 50 años.

FIGURA 3.10 Resultado de la multiplexación 3:1 de la Pantalla UNIANDES 50 años.

Común 1

Común 2

Común 3

Fila 1

Dos conectores de 9 pines Conector

3:1 Accionamiento Multiplexado

30:1 Razón de contraste

-50 a 108 C° Temperatura de operación del cristal liquido

90° Dirección preferencial de Visualización

2.4 mm Espesor

66 x 112 mm Dimensiones Externas

42 x 108 mm Área de visualización

DATOS TECNICOS GENERALES

5 uA --Consumo de corriente total.

100 -45Frecuencia de operación. (Hz)

9 63Tensión de operación (V)

Max TipicoMin


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Las señales de control [2] se crean con la idea de lograr un barrido de tal forma, que primero se prendan los condensadores superiores, luego solo los intermedios y por ultimo únicamente los inferiores de la fila, esto inyectando las mismas tres secuencias de los comunes y lo único que cambia es la señal inyectada por la fila. Cada señal debe tener como mínimo tres niveles de voltaje diferentes, para lograr que las señales sean ortogonales entre si. Las señales se muestran en la figura 3.11.

FIGURA 3.11 Señales de Control y encendido de la pantalla de UNIANDES 50 Años.

La señal on1 prende el segmento superior, la señal on2 prende el segmento intermedio, la señal on3 prende el segmento inferior y por ultimo la señal OFF (figura 3.12) evita que se prenda cualquier segmento.

0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20

1 2 3 4 5 6

COM2

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20

1 2 3 4 5 6

COM3

COM 1

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20

1 2 3 4 5 6

COM1

0,00

0,200,40

0,600,80

1,001,20

1 2 3 4 5 6

ON1

0,000,200,400,600,801,001,20

1 2 3 4 5 6

ON2

0,00

0,200,40

0,600,80

1,001,20

1 2 3 4 5 6

ON3

COM 2

COM 3

ON 1

ON 2

ON 3


29

OFF

0 , 0 0 0 0

0 , 10 0 0

0 , 2 0 0 0

0 , 3 0 0 0

0 , 4 0 0 0

0 , 5 0 0 0

0 , 6 0 0 0

0 , 7 0 0 0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

OFF

FIGURA 3.12 Señal que inyectada por la fila apaga la pantalla de UNIANDES 50 Años.

La diferencia de potencial que existe en el primer segmento es la producida por Com1-Fila1, la diferencia de potencial sobre el segundo segmento es Com2 -Fila1 y por ultimo la diferencia de potencial sobre el último segmento es Com3-Fila1.

FIGURA 3.13 Posibles voltajes sobre cada Segmento superior, intermedio e inferior con cada señal on1, on2, on3 y off.

-1 ,5 0

-1 ,0 0

-0 ,5 0

0 ,0 0

0 ,5 0

1 ,0 0

1 ,5 0

1 2 3 4 5 6

C O M 1 -O N 1C O M 2 -O N 1C O M 3 -O N 1C O M 1 -O F F

-1 ,5 0

-1 ,0 0

-0 ,5 0

0 ,0 0

0 ,5 0

1 ,0 0

1 ,5 0

1 2 3 4 5 6

C O M 1 -O N 2C O M 2 -O N 2

C O M 3 -O N 2

C O M 2 -O F F

-1 ,5 0

-1 ,0 0

-0 ,5 0

0 ,0 0

0 ,5 0

1 ,0 0

1 ,5 0

1 2 3 4 5 6

C O M 1 -O N 3

C O M 2 -O N 3

C O M 3 -O N 3

C O M 3 -O F F


30

En conclusión las señales a utilizar, tienen tres diferentes niveles de voltaje, además son secuencias de señales de seis diferentes etapas cada una. El barrido se hace en tres partes, (superior, media, inferior) el cual debe tener una frecuencia mínima de 60 Hz para el correcto funcionamiento de la pantalla. El valor del Voltaje efectivo sobre cada segmento, debe ser superior a 3V en encendido. Estos requerimientos se logran con las señales anteriormente presentadas y gracias a la sumatoria de las señales sobre cada segmento. 3.5 Modulo de Control. El primer problema por resolver fue el generar los diferentes valores de voltaje, de manera que se pudiera implementar un control rápidamente en un dispositivo digital. Siguiendo los trabajos realizados anteriormente [2] se aplico un arreglo de resistencias para producir los voltajes a partir de un dispositivo digital figura 3.14 Esto se puede hacer debido a que la corriente que circula por el segmento es muy pequeña.

FIGURA 3.14 Arreglo para generar voltajes análogos a partir de una palabra digital.

El modulo de control debía recibir el dato, la dirección, el reloj y un bit que controle el flujo en el bus de datos y direcciones. Además el modulo de control debe generar las respectivas señales para los 3 comunes y las 15 filas. Visualizando el numero deseado en cada digito teniendo la posibilidad de decidir que letrero o letreros prender. El primer diagrama de caja negra se muestra en la figura 3.15

FIGURA 3.15 Controlador de la pantalla granularidad 1.

D1 D2 D3 Razón Voltaje [V]

0 0 0 0 0 0 0 1 1/3 1.6 0 1 1 2/3 3.3 1 1 1 1 5

Datos [BCD] Dirección DatoVal

Controlador Pantalla 9 Sup 9 In

4 3

Clock 4MHZ

1 1


31

En la tabla 3.4 se define la función de cada una de las entradas.

Nombre de la Entrada

Tipo # de Bits

Valores

Datos en BCD Digital 4

Si es un Digito: 0000=0,0001=1,0010=2 0011=3,0100=4,0101=5 0110=6,0111=7,1000=8 1001=9,1010=G,1011=H 1100=A,1101= :,1110=. 1111= Apagado Si es Letrero: 0000=CMUA,0001=BIEN 0010=BAJAS,0011=SOLAR 0100=MAGNETICA,0101=C,BI 0110=C,BA,0111=C,S 1000=C,MA,1001= BI,BA 1010= BI,S,1011= BI,MA 1100=BA,S,1101= BA,MA 1110=S,MA., 1111= Apagado

Dirección Digital 3

Se accede a: 000= Digito1 001= Digito2 010= Digito3 011= Digito4 100= Digito5 101= Letrero

DatoVal Digital 1

Por flanco de bajada captura los datos del puerto de direcciones y datos

ClocK Digital 1 Depende de la Tecnología a Implementar

TABLA 3.4 Definición de las entras al sistema.

Las salidas son todas del tipo digital compuestas de 3 bits cada una, en total son 15 filas, más tres comunes, es decir 54 pines de salida. Esto limita un poco la tecnología a implementar y a pesar de querer implementar la solución en cualquier tecnología, por facilidad en este momento se decide trabajar en una FPGA programada en lenguaje VHDL. En este momento la universidad dispone de un chip MAX 7000 de referencia 12884-15 lo que quiere decir que disponemos de 128 macro celdas con 84 pines y retardo de 15ns, la actual tarjeta de desarrollo trabaja a 4MHz. Por lo cual se define esta frecuencia como el reloj a implementar. El siguiente paso es seguir partición ando este gran bloque en unos más pequeños, hasta llegar a unos que sean fácilmente implementables. Como se conoce lo que se desea hacer; se empieza a pensar a nivel hardware en los


32

elementos necesarios para que el dispositivo cumpla la función deseada. Un gran problema que se tiene al haber programado en un lenguaje como C o Visual C, es que se confunde al programador en la manera de generar código sintetizable. Si se programa en estos lenguajes, se asume que el hardware ya existe y solo es decir como utilizar los recursos (memoria, puertos, pilas etc..) de manera que cumplan una función. A diferencia de lo que es programar en lenguajes como VHDL el cual esta diseñado no para administrar recursos, si no para implementar hardware e interconectarlo para que cumpla una función. Es decir no existen variables como tal sino señales y registros que tienen que ser creados previamente antes de poder ser utilizados por otros bloques más complejos. Para continuar con nuestro diseño, se realiza una segunda partición (figura 3.16) en la cual se busca una mayor simplificación de cada bloque. En esta partición se evidencia la necesidad de almacenar la información de cada digito, es decir se nesecitan 5 registros, además de agregar un sexto registro para almacenar la información dirigida hacia los letreros. También se implemento una maquina de control que decodificaba la dirección y habilitaba el respectivo registro. Asimismo tiene la función de validar la información por flanco descendente del bit DatoVal.

FIGURA 3.16 Controlador de la pantalla granularidad 2.

El Bloque “Deco” recibe el dato en BCD capturado en los registros, así como

Dato Dirección Clock datoval

MUX

Control

Dig2

Dig5

Letrero

Dig1

Dig4

Dig3

Deco1

Deco2

Deco5

DecoLet

Deco3

Deco4

4

4

1

1

3

Divide Clock

Dig1

R

R

R

Dig2

R

R

R

Dig3

R

R

R

Dig4

R

R

R

Dig5

R

R

R

R

R

R

Com 1

Com 2

Com 3

3

3

1

4

3

TIMER

CLOCK 1 1


33

un bit más para prender o apagar el letrero. Luego lo codifica de manera que se convierta en 3 columnas, cada una de tres bits, cada una corresponde a los segmentos de un digito en la pantalla. La figura 3.17 muestra el valor a la salida del decodificador cuando el BDC = 0 y el letrero esta apagado. En el caso que se desee prender el letrero se hace COL1(2)=COL3(2)=1 porque en algunos dígitos el letrero se maneja con COL1(2) y en otros con COL(3).

FIGURA 3.17 Salida del Decodificador cuando BCD = 0.

El bloque Mux se encarga de recibir el reloj las columnas como entrada y a la salida genera el barrido, así como genera las señales para conmutarlas, dependiendo si se quiere prender y apagar la fila. 3.5.1 Pruebas Preliminares y Correciones Al trabajar a 4MHz el Mux genera un el barrido a la frecuencia de 1KHz, el ciclo útil de las señales no es lo suficientemente grande a pesar de dividir el reloj que entra al Mux en un factor de 8 es decir un barrido a 125Hz el dispositivo no alcanza a prender los segmentos. Se decide como primera medida modificar el Mux para que genere señales con un ciclo útil mucho más grande, ampliando solo la señal en la parte donde tienen mayor o menor voltaje como se ve en la figura 3.18. En esta figura se muestra un ejemplo de las señales modificadas para generar un ciclo útil cuatro veces mayor. Al final se decide utilizar señales con un ciclo útil catorce veces mayor, es decir en vez de generar señales de 6 pasos se generan señales de 32 pasos de los cuales permanecen 14 en el valor máximo, 14 en el valor mínimo y solo 4 en valores intermedios. El hacer esta modificación implico que los comunes no eran los mismos para cada señal de on1, on2, on3, sino que dependiendo del segmento (superior, medio, inferior) se debían generar los comunes modificados para cada ciclo.

COLUMNA Valor Col1(0) 1 Col1(1) 1 Col1(2) 0 Col2(0) 1 Col2(1) 0 Col2(2) 1 Col3(0) 1 Col3(1) 1 Col3(2) 0


34

FIGURA 3.18 Ejemplo de las señales modificada 4 veces.

El modulo Mux modificado se aprecia en la figura 3.19. Este se diferencia del modulo inicialmente implementado porque las señales tienen 32 pasos así como los comunes son diferentes para cada barrido. Dependiendo de el valor del contador, del ciclo en que se encuentre y si del segmento que debe prender o no; el sistema decide que señal debe colocar en la salida de cada fila y los comunes. A pesar de haber echo estos cambios, el sistema prendía los segmentos pero la velocidad de barrido era inferior a 25Hz con lo cual el barrido era visible al ojo Humano, para corregirlo se debía aumentar el reloj del Mux, lo cual implico disminuir el ciclo útil. Es decir se llego a un compromiso, donde si se

-1,5000 -1,0000 -0,5000 0,0000

0,5000

1,0000

1,5000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

COM1-ON1 COM2-ON1 COM3-ON1

-1,5000 -1,0000 -0,5000 0,0000 0,5000 1,0000 1,5000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12


-1,5000

-1,0000

-0,5000

0,0000 0,5000 1,0000 1,5000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12



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aumentaba la velocidad, el ciclo útil disminuía.

FIGURA 3.19 Mux que genera señales con un ciclo util 14 veces mayor.

Para lograr aumentar el Voltaje efectivo sin modificar la duración del ciclo útil se hizo una modificación al hardware inicial. Se incluyo un amplificador operacional en configuración no inversor, a la salida del arreglo de resistencias para aumentar el voltaje pico del sistema con lo cual el voltaje efectivo también aumento. Esta modificación hizo que la pantalla funcionara correctamente, pero con la limitación de solo poder implementar tres dígitos debido a que el código ocupaba el 97% del dispositivo y si se deseaba implementar los cinco dígitos se necesitarían 260 macro celdas según la simulación. El código para tres dígitos se incluye en el anexo 1 y el código para los cinco dígitos se incluye en el anexo 2

CONTADOR

on1

Com1on1

Com2on1

Com3on1

on3

Com1on3

Com2on3

Com3on3

on2

Com1on2

Com2on2

Com3on2

MUX

MAQUINA

CLK

TIMER

CICLO

5

3

2

RST HAB

3

3


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Capítulo 4 4 El SISTEMA GPS 4.1 Introducción. Desde tiempos antiguos los humanos tenían la necesidad de saber en que lugar se encontraban y que camino tenían que tomar para regresar a casa, en ese entonces lo importante era reconocer lugares característicos o simplemente marcar los senderos y llegar a salvo. Mas adelante con el desarrollo de la navegación fluvial los primeros marineros debían estar cerca de la costa para asegurarse de no perderse. Cuando los marineros empezaron a internarse mar adentro descubrieron que las estrellas podrían guiarlos pero lamentablemente estas solo se ven en las noches claras. En posteriores épocas este sistema fue complementado con la brújula y el sextante, la brújula es un dispositivo que apunta siempre hacia el norte y el sextante es un dispositivo que basado en espejos ajustables permite medir el Angulo exacto de las estrellas, la luna y el sol en el horizonte. Lamentablemente este método solo permite medir la latitud, es decir la distancia en grados minutos y segundos medida desde el ecuador hasta norte o el sur. Mas adelante con el desarrollo del reloj y los cronómetros [9] se pudo determinar la longitud que es medida desde el meridiano de Greenwich hasta el este o el oeste, aunque no es un sistema muy exacto permitía de acuerdo a los cálculos del navegante una muy buena aproximación. A principios del siglo XX se utilizaron las radio ayudas las cuales fueron desarrolladas especialmente para la segunda guerra mundial. Este sistema permitía posicionar bases en tierra que enviaban señales informando la proximidad del navegante a la radio base cuya posición era conocida. Este sistema esta en uso hoy en día. El principal inconveniente radica en que el usuario debe escoger en utilizar sistema de alta frecuencia que le permiten conocer la posición con gran exactitud pero en un área muy pequeña o sistemas que trabajan a baja frecuencia que dan la posición con muy poca resolución pero que cubre un área mucho mayor. Todos los esfuerzos se concentraron en buscar la forma de trasmitir señales


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codificadas a los navegantes y que estuvieran en todas partes del mundo, las cuales no fueran afectadas por las condiciones geográficas ni meteorológicas. La mejor manera de lograr esto fue colocando estaciones base en el espacio, este es el principio del sistema de navegación GPS. La precisión de la posición que actualmente se obtiene es de algunos metros permite que la navegación por satélite este siendo utilizada en aplicaciones relacionadas con el transporte rodado, ferrocarril, marítimo y aéreo etc. Por este motivo estas aplicaciones de navegación por satélite han impulsado la industria de receptores capaces de recibir y procesar las señales que provienen de los satélites. En la actualidad se encuentran operativos dos sistemas de navegación basados en satélite: el Sistema de Posicionamiento Global de EE.UU. (GPS) y el Sistema de Navegación Global por Satélite de Rusia (GLONASS). Ambas son redes militares, cada una de las cuales dispone de una constelación de 24 satélites sin embargo las aplicaciones civiles han ido creciendo de modo espectacular,[10 ] de modo que nueve de cada diez receptores de navegación por satélite vendidos en el mercado mundial se utilizan con fines civiles y comerciales. 4.2 Características del Sistema GPS.

FIGURA 4.1 Constelación de 24 satélites que forman el sistema GPS [10].

El sistema NAVSTAR GPS (NAVigation System with Time and Ranging Global Positioning System) mostrado en la figura 4.1 es un sistema de radio navegación basado en satélites que provee información precisa acerca de la posición en tercera dimensión, el tiempo e información acerca de la ruta o trayectoria seguida por cada usuario dependiendo del tipo de receptor. Esta información esta disponible al rededor de todo el mundo y es medianamente independiente de las condiciones meteorológicas .


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Este sistema fue desarrollado por los Estados Unidos en 1973 como un sistema completamente Militar, limitado para usuarios civiles. Este sistema ha sido usado como la solución a muchos problemas geodésicos desde 1983, esta aplicación fue completamente habilitada desde 1993. Este sistema consiste de 21 satélites mas tres de repuesto colocados en orbitas a una altura de 20.200 Km a la superficie terrestre. Este arreglo de satélites esta planeado para que siempre estén como mínimo cuatro satélites visibles en el Horizonte, en cualquier parte de la tierra las 24 horas del día. Las principales características de este sistema se resumen en la tabla 4.1

Características GPS Altura de las orbitas 20.200 Km.

Periodo 12 h

Frecuencia 1575 MHz, 1228 MHz

Datos de Navegación 4D: X, Y, Z, t Velocidad.

Disponibilidad Constantemente

Ocurrencia 15m , 0.1 Knot

Constelación de satélites 21 –24 Geometría Repetitiva

Relojes Satelitales Rubidio , Cesio TABLA 4.1 Características Generales del Sistema GPS.

La mejor manera de explicar el sistema GPS es dividiéndolo en tres grandes partes (figura 4.2) las dos primeros de responsabilidad militar [11]:

1. Segmento espacial: formado por 24 satélites GPS con una órbita. 2. Segmento de control: que consta de cinco estaciones monitoras

encargadas de mantener en órbita los satélites y supervisar su correcto funcionamiento, tres antenas terrestres que envían a los satélites las señales que deben transmitir y una estación experta de supervisión de todas las operaciones.

3. Segmento usuario: formado por las antenas y los receptores pasivos situados en tierra. Los receptores que a partir de los mensajes que provienen de cada satélite visible, calculan distancias y proporcionan una estimación de posición y tiempo.


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TABLA 4.2 El sistema GPS dividido en tres grandes segmentos.

4.3 Segmento espacial. Este segmento que fue completamente implementado en 1993 consiste en 21 satélites mas tres de repuesto es decir un total de 24 satélites, estos están colocados en cinco planos orbitales con una inclinación de 55 grados cada uno. La orbita tiene una altura de 22.200 Km a 26.600 Km sobre el semieje mayor. El periodo orbital es de exactamente 12 h. Los satélites están divididos en tres grandes Bloques.

• Bloque I: Corresponde a los satélites de desarrollo. • Bloque II: A los satélites de producción. • Bloque IIR: Los satélites de reemplazo o repuesto.

Los once satélites del Bloque I (figura 4.3), NAVSTAR 1 to 11, fueron lanzados desde 1978 hasta 1985 en dos planos orbitales con 63º de inclinación. El diseño de estos satélites prototipo estimaba un tiempo máximo de vida de 5 años solamente, aunque ha sido excedido en muchos casos, por ejemplo el satélite SVN 06 (PRN 09) fue desechado hasta Marzo de 1991 después de once años de operación exitosa. Cuatro satélites del Bloque I fueron sacados de operación en 1993 al encontrar un daño en las señales de navegación de estos satélites.


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FIGURA 4.3 Satélite perteneciente al bloque I. Lanzados desde 1978 fueron desarrollados como satélites prototipo. El primer Satélite de producción del Bloque II fue lanzado en Febrero de 1989. Un total de 28 Satélites Bloque II están planeados para ser lanzados como soporte del sistema. Empezando en 1989 unas simples versiones de estas unidades modificadas llamadas Bloque IIa que llevaban sistemas redundantes empezaron a ser usados. El vehículo de lanzamiento de estos satélites es el Mc Douglas Delta Booster. El diseño de estos satélites les permite tener una vida útil de 7.5 años. El desarrollo de una futura generación de satélites con mayor vida útil fue lanzada desde 1995, conocida como Bloque IIR remplazara poco a poco los satélites tipo IIa, este diseño permite medir distancias entre satélites y calcular la efemérides automáticamente. Dos celdas solares de 7.2 m^2 le proveen la energía al satélite también le ayudan a dar estabilidad. Una batería de respaldo le permite funcionar en ausencia de luz solar debido a su movimiento alrededor de la tierra. Esto satélites pesan aproximadamente 845Kg (figura 4.4) y tiene un sistema de propulsión para lograr una estabilidad de su posición y mantener su orbita. Como la fuente de abastecimiento es limitada los cambios en las orbitas suelen ocurrir solo después de semanas o meses de detectada la desviación y se hace evidente el error.

FIGURA 4.4 Satélite perteneciente al bloque II. Estos satélites llevan unos relojes de alta precisión los cuales tienen dos


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frecuencias estándar para los relojes de cesio y dos frecuencias estándar para los relojes de rubidio. Las dos frecuencias portadoras de la señal L1 y L2 son múltiplos de estos relojes, la base es 10.23Mhz. la figura 4.5 ejemplo de un generador GPS. L1: 154 * 10.23 MHz = 1575.42 Mhz = (19.05 cm) L2: 120 * 10.23 MHz = 1227.60 Mhz = (24.45 cm)

FIGURA 4.5 Esquema de un trasmisor GPS.

Oscilador Fo = 10.23 MHz

L1 Portadora F1= 154 * Fo

L2 Portadora F1= 154 * Fo

C/A – code 0.1 * Fo

Señal de datos 50bps

P- Code Fo

A1sin (w1t )

∆Ф =90º

Σ

+

+

+

Ac D(t) C(t) cos (w1t )

A3 D(t)P(t) sin(w1t )

Radio 20.000 Km.

D(t)

P(t)

A2 sin (w2t ) Bp P(t) D(t) sin (w2t)

D(t) C(t)

D(t) P(t)

Modulación

Σ

Σ Combinación + Adicción modulo 2


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Estos satélites trasmiten ambas frecuencias, la L1 trasmite los datos de navegación y los L2 trasmite el mensaje. Los satélites GPS son identificados por dos diferentes números, el SVN (Space Vehicle Number) o el numero NAVSTAR que esta basado en la secuencia de lanzamiento y el PRN (pseudo random noise) o SVID (space vehicule identification) relacionado con el arreglo orbital y el PRN relacionado particularmente con el segmento donde se encuentra localizado. Usualmente el numero PRN es adquirido y mostrado por el receptor GPS. 4.4 Segmento de Control. Las funciones de este segmento son:

• Monitorear y controlar la constelación de satélites continuamente. • Determinar el tiempo del sistema GPS. • Predecir las efemérides1 y revisar el comportamiento de los relojes de

cada satélite. • Adquirir periódicamente el mensaje de navegación de un satélite en

particular. El segmento de control en tierra consiste en una estación maestra de Control MCS (Master Contro Station), Estaciones de Monitoreo MS (Monitor Station) y antenas terrestres GA (Ground Antennas) para enviar datos a los satelites. La MCS esta ubicada en la Base Schriever (Falcon) de la fuerza Área Norte Americana en Colorado Spring, las MS estan localizadas alrededor del mundo en Hawaii y Kwajalein en el Océano Pacifico; Diego Garcia al frente de India; Isla Ascensión en el océano atlántico y Colorado Springs. Las GS estan ubicadas en Kwajalein, Isla Ascensión, Diego Garcia.

Las estaciones de Monitoreo MS reciben las señales de todos los satélites. De esta manera ellos determinan los seudo rangos de todos los satélites visibles y trasmiten estos rangos de datos incluyendo la información meteorológica local a la estación maestra de control MCS. De esta forma la estación calcula la efemérides y los relojes de los diferentes satélites y genera los datos de navegación. Este mensaje es trasmitido a través de las antenas terrestres y enviado a los satélites en vista, la distribución global de las antenas permite hacer tres veces este proceso por día a cada satélite.

1 Las efemérides son las predicciones de la posición actual de los satélites que se transmite al usuario en el mensaje de datos. Almanaque de la posición de los satélites.


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4.5 Segmento de Usuario. Formado por las antenas y los receptores pasivos situados en tierra. Los receptores, a partir de los mensajes que provienen de cada satélite visible, calculan la distancia y proporcionan una estimación de posición y tiempo. Los principales elementos que componen un receptor GPS son Figura 4.6 y figura 4.7 :

• Antena con preamplificador. • Sección de RF con identificación de señales y procesamiento de

señales. • Microprocesador que se encarga de control de recepción de datos,

muestreo y procesamiento de datos. • Oscilador de precisión. • Fuente de poder. • Interfaz de usuario, comandos y panel de control. • Memoria para el almacenamiento de datos.

FIGURA 4.6 Esquema de un Receptor GPS [17] (Peter H Dana 29/07/95)


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FIGURA 4.7 Detalle del bloque de Demodulación y control del Código C/A. [17] (Peter H Dana 29/07/95) La antena detecta las ondas electromagnéticas que llegan de los satélites, convirtiendo la energía de estas ondas en corriente Electrica, amplificadores de señal potencian y entregan estas señales a los receptores electrónicos. Los receptores GPS requieren que las antenas esten polarizadas circularmente. Las antenas tienen que ser muy sensibles porque las señales de los satélites son muy débiles y la ganancia esta diseñada para que la ceñal se recibida desde cualquier altura y azimut. Los tipos de antenas más comunes en estos dispositivos son:

• Monopolo o dipolo • Cuadrifilar • Con microchip llamada “pach” • Anillo acelerador (Choke Ring)

Las antenas están diseñadas para recibir las señales L1 y L2, estas señales recibidas son convertidas a baja frecuencia (RF) y procesadas en uno o mas canales. El canal de recepción es considerado como el principal elemento en un receptor GPS, este debe tener mínimo 4 canales de recepción para determinar las coordenadas y el tiempo preciso. Un microprocesador es necesario para controlar la operación de recepción de la señal incluyendo la adquisición de la señal y decodificación del mensaje. El Oscilador de presicion se usa para generar las señales que permiten remodular el mensaje asi como calcular el UTC (UTC Universal Coordinated Time).


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4.6 Calculando la posición y el tiempo. El sistema GPS tiene por objetivo calcular la posición (entendida esta como la latitud, longitud, altura al mar y el UTC) de un punto cualquiera alrededor del mundo, esto se hace calculando las distancias del punto a un mínimo de tres satélites cuya localización es conocida. La distancia entre el receptor GPS y un satélite se mide multiplicando el tiempo de vuelo de la señal por la velocidad de propagación de la señal emitida por el Satélite que es constante.

Distancia = Velocidad * Tiempo. El tiempo de vuelo es el segmento de tiempo que tarda la señal que ha sido emitida por el satélite en llegar al receptor debido a su velocidad de propagación. Para medir el tiempo de vuelo de la señal de radio es necesario que los relojes de los satélites y de los receptores estén sincronizados, porque deben generar simultáneamente el mismo código. Ahora bien, mientras los relojes de los satélites son muy precisos los de los receptores son osciladores de cuarzo de bajo costo y por tanto muy imprecisos. Las distancias con errores debidos al sincronismo se denominan pseudodistancias. La desviación en los relojes de los receptores añade una incógnita más que hace necesario un mínimo de cuatro satélites para estimar correctamente las posiciones. En el cálculo de las pseudodistancias hay que tener en cuenta que las señales GPS son muy débiles y se hallan expuestas al ruido producido por el medio en que se desplazan. Este ruido natural está formado por una serie de pulsos aleatorios, lo que motiva la generación de un código pseudo-aleatorio artificial por los receptores GPS como patrón de cambios y fluctuaciones. En cada instante un satélite transmite una señal con el mismo patrón que la serie pseudo-aleatoria generada por el receptor. En base a esta sincronización, el receptor calcula la distancia realizando un desplazamiento temporal de su código pseudo-aleatorio hasta lograr la coincidencia con el código recibido; este desplazamiento corresponde al tiempo de vuelo de la señal (Fig. 4.8). Este proceso se realiza de forma automática, continua e instantánea en cada receptor. La utilización de estos códigos pseudo-aleatorios permite el control de acceso al sistema de satélites, de forma que en situaciones conflictivas se podría cambiar el código, obligando a todos los satélites a utilizar una banda de frecuencia única sin interferencias porque cada satélite posee un código GPS propio.


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FIGURA 4.8 Cálculo del tiempo de vuelo y distancia a cada satélite.

Aunque la velocidad de los satélites es elevada (4 Km./s), la posición instantánea de cada uno puede estimarse con un error inferior a varios metros basándose en una predicción sobre las posiciones anteriores en un período de 24 a 48 horas. Las estaciones terrestres revisan periódicamente los relojes atómicos de los satélites, dos de cesio y dos de rubidio, enviando las efemérides y las correspondientes señales de corrección de los relojes. Ya que de la precisión de los relojes y la estabilidad de las trayectorias de los satélites depende el error con que se calcula la posición con el sistema GPS. 4.7 Señales Trasmitidas. El código pseudo-aleatorio transmitido se compone de tres tipos de cadenas:

• El código C/A (Coarse/Acquisition), con frecuencia 1.023 MHz., utilizado por los usuarios civiles.

• El código P (Precision Code), de uso militar, con una frecuencia 10 veces superior al código C/A.

• El código Y, que se envía encriptado en lugar del código P esto ocurre cuando está activo el modo de operación antiengaños2.

Los satélites transmiten la información en dos frecuencias:

• Frecuencia portadora L1, a 1575.42 MHz., transmite los códigos C/A y P.

• Frecuencia portadora L2, a 1227.60 MHz., transmite información militar modulada en código P.

El satélite transmite además una señal de 50 Hz. en ambas portadoras L1 y L2, que incluye las efemérides y las correcciones por desviación de sus relojes. El sistema GPS proporciona dos niveles diferentes de servicio que separan el uso civil del militar:


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• Servicio de Posicionamiento Estándar (SPS, Standard Positioning Service). Precisión normal deposicionamiento civil obtenida con la utilización del código C/A de frecuencia simple.

• Servicio de Posicionamiento Preciso (PPS, Precise Positioning Service). Este posicionamiento dinámico es el de mayor precisión, basado en el código P de frecuencia dual, y solo está accesible para los usuarios autorizados.

4.7.1 Sincronización del receptor con las Señales Trasmitidas. El receptor de GPS produce replicas de los códigos C/A y/o P. Cada código de ruido pseudo aleatorio (PRN) tiene la apariencia de simple ruido pero como se ha visto anteriormente representa una serie única de bits. El receptor tienen un generador que produce una secuencia C/A para un satélite específico con un generador interno de código C/A, los receptores modernos almacenan en memoria un conjunto completo de secuencias C/A precalculadas aunque también distintos se puede utilizar un sistema hardware de registros de desplazamiento (figura 4.9).

FIGURA 4.9 Generador de codigo C/A con registros de corrimiento.

El generador de código produce una secuencia de 1023 “chips” diferentes para cada selección de muestreo de fase (Phase Taps Setting). En una implementación por registros de desplazamientos los chips de código se generan cada impulso del reloj que controla los registros de desplazamiento. En un modelo mantenido en memoria los chips son recuperados


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directamente de esta. El generador de código C/A repite la misma secuencia de 1023 chips de código pseudo aleatorio cada milisegundo. Se han definido códigos pseudo aleatorios para 32 números de identificación de satélite. Ver Tabla 4.1 [11]

TABLA 4.1 Definición de los códigos pseudo aleatorios para 32 números de identificación de los satélites.

Partiendo de una misma combinación inicial con G1y G2 todo a unos. Cambiar la selección de muestreo de fase (Phase Tags) que produce la secuencia pseudo aleatoria C/A en la salida, al pasar por las puertas XOR y los registros de desplazamiento.

El receptor va desplazando una copia de código hasta que hay correlación con el código del satélite. Si el receptor aplica un código PRN distinto del de un satélite no habrá correlación Figura 4.10.


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Figura 4.10 No hay correlación porque el receptor tiene diferente código PRN.

Cuando el receptor utiliza el mismo código que el del satélite el código empieza a correlacionarse Figura 4.11 y se comienza detectar algo de nivel de señal.

Figura 4.11 Hay correlación parcial. A medida que los códigos del satélite y del receptor comienzan a alinearse completamente, la señal portadora de espectro expandido comienza a “des expandirse” y se detecta la señal a plena potencia. Esto solo ocurre si el PRN es correcto.

Figura 4.12 Hay Completa correlación entre la señal del receptor y del Satélite.

El receptor de GPS utiliza la potencia detectada en la señal correlacionada para alinear el código C/A del receptor con el del satélite. A menudo son comparadas dos versiones de código C/A para asegurarse de mantener el


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sincronismo [11].

Para demodular el mensaje de 50 Hz de navegación de la señal GPS se utiliza un bloque que permita controlar medio ciclo tanto positivo como negativo (biPLL). El mismo bloque (PLL) puede ser usado para medir y sincronizar la frecuencia portadora (el desplazamiento por efecto Doppler) y monitorizando los cambios del oscilador controlado numéricamente, la fase y frecuencia de la portadora pueden ser sincronizadas y medidas [17].

El comienzo del código PRN en el receptor justo en el momento de completar la correlación coincide con el instante de llegada (TOA Time Of Arrival) de la señal PRN del satélite al receptor. Este instante de llegada es una medida de la desviación del reloj del receptor respecto del reloj del satélite, a esta medida se le denomina pseudo-rango [17].

4.7.2 Calculo de posición con Pseudo-Rangos La posición del receptor es la intersección de los pseudo-rangos de un conjunto de satélites. La posición es determinada mediante la medida de múltiples pseu-rangos en un instante determinado. Las medidas de pseudo-rango se utilizan conjuntamente con la posición estimada de los satélites basándose en los datos de corrección orbital (efemérides) que cada satélite envía. Estos datos orbítales permiten al receptor calcular la posición del satélite en tres dimensiones en el instante en que cada satélite envía sus respectivas señales. Se utilizan cuatro satélites para determinar una posición en tres dimensiones y tiempo (modo de navegación normal). Las posiciones son calculadas en el receptor con origen en el centro de la tierra, este sistema de coordenadas se conoce como coordenadas ECEF XYZ (Earth-Centered, Earth Fixed XYZ)[11].Mediante el uso de los datos de tiempo, se puede corregir el ajuste del reloj del receptor, permitiendo a los fabricantes el uso de relojes económicos. La posición de cada satélite es calculada a partir de los pseudo-rangos, la corrección de reloj y los datos de efemérides. La posición del receptor es calculada a partir de la posición de los satélites, la medida de los pseudo-rangos (corregidos con los ajustes de reloj, retrasos ionosféricos, y efectos relativistas) y la posición estimada del receptor (normalmente la última calculada). También pueden usarse tres satélites para determinar una posición de tres dimensiones mediante un receptor con un reloj altamente preciso. En la práctica esto es raramente posible y se utilizan tres satélites para el cálculo de posiciones en dos dimensiones, los cálculos horizontales (en latitud/longitud) parten de una altura asumida. Esto es a menudo posible a nivel del mar o mediante el uso de altímetros.


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Con cinco o más satélites se pueden calcular posición y tiempo redundantes. De esta manera se pueden obtener estimaciones de posición con mayor certeza y se pueden detectar señales con mucha tolerancia bajo ciertas circunstancias.

4.7.3 Posición, velocidad y hora del receptor. La posición en formato ECEF XYZ es convertida en latitud, longitud y altura geodésicas en el receptor. La Latitud y Longitud son generalmente calculadas basándose en el Datum geodésico WGS84 [11] en que el GPS se basa. Los receptores también pueden ser configurados para calcular la posición mediante un Datum requerido por el usuario. Si se utiliza un Datum erróneo pueden producirse errores de unos cientos de metros. La velocidad es calculada a partir de cambios de posición en el tiempo, el efecto Doppler de las señales de los satélites o ambos. Los tiempos calculados son de los satélites, del receptor y UTM. El tiempo de satélite es mantenido en cada satélite, cada unos de ellos incorpora cuatro relojes atómicos (dos de cesio y dos de rubidio). Los relojes de los satélites son monitorizados por las estaciones de tierra que en ocasiones los reajusta para mantener el error de cada reloj de los satélites dentro de 1 milisegundo del tiempo de GPS. Los bits de datos de corrección de reloj representan el desfase de los relojes de cada satélite respecto del tiempo de GPS. El tiempo de satélite es obtenido de la señal de GPS en los receptores. Las tramas de datos llegan cada 6 segundos y contienen información para calcular el tiempo semanal en los siguientes 6 segundos. La secuencia de datos de 50 Hz se alinea con las transiciones de código C/A de forma que el momento de llegada de un flanco de un bit de datos (en un intervalo de 20 milisegundos) resuelve el pseudo-rango al milisegundo más cercano. La distancia aproximada al satélite soluciona la ambigüedad de 20 milisegundos y la medida del código C/A representa el tiempo en fracciones de 20 milisegundos. Con varios satélites y una solución de navegación (o una posición conocida para un receptor de tiempo) se puede conseguir ajustar la hora del satélite con una precisión limitada por el error de posición y el error de pseudo-rango para cada satélite. Finalmente el tiempo de satélite es convertido a tiempo de GPS en el receptor. EL tiempo de GPS un cálculo sobre el papel del reloj de la estación de control maestra y de los relojes de los satélites. El tiempo de GPS es medido


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en semanas y segundos partiendo de las 24:00:00 horas del 5 de enero de 1980 y es mantenido dentro de un microsegundo de UTC. EL tiempo de GPS no tiene saltos y va adelanto algunos segundos respecto al UTC. La hora en coordenada universal (UTC Universal coordinated time) es calculado a partir del tiempo de GPS usando las correcciones UTC que se envían como parte de los datos del mensaje de navegación. En la transición de la 23:59:59 del 31 de diciembre de 1998 a las 00:00:00 del 1 de enero de 1999 (UTC) el tiempo UTC se retrasó un segundo respecto del de GPS, de forma que el tiempo de GPS quedó adelantado13 segundos respecto al de UTC. 4.8 Fuentes de Error en el sistema GPS.

• Perturbación ionosférica. La ionosfera está formada por una capa de partículas cargadas eléctricamente que modifican la velocidad de las señales de radio que la atraviesan.

• Fenómenos meteorológicos. En la troposfera, cuna de los fenómenos meteorológicos, el vapor de agua afecta a las señales electromagnéticas disminuyendo su velocidad. Los errores generados son similares en magnitud a los causados por la ionosfera, pero su corrección es prácticamente imposible.

• Imprecisión en los relojes. Los relojes atómicos de los satélites presentan ligeras desviaciones a pesar de su cuidadoso ajuste y control; lo mismo sucede con los relojes de los receptores.

• Interferencias eléctricas imprevistas. Las interferencias eléctricas pueden ocasionar correlaciones erróneas de los códigos pseudo-aleatorios o un redondeo inadecuado en el cálculo de una órbita. Si el error es grande resulta fácil detectarlo, pero no sucede lo mismo cuando las desviaciones son pequeñas y causan errores de hasta un metro.

• Error por múltiples caminos. Las señales transmitidas desde los satélites pueden sufrir reflexiones antes de alcanzar el receptor. Los receptores modernos emplean técnicas avanzadas de proceso de señal y antenas de diseño especial para minimizar este error, que resulta muy difícil de modelar al ser dependiente del entorno donde se ubique la antena GPS.

• Topología receptor-satélite. Los receptores deben considerar la geometría receptor-satélites visibles utilizada en el cálculo de distancias, ya que una determinada configuración espacial puede aumentar o disminuir la precisión de las medidas. Los receptores más avanzados utilizan un factor multiplicativo que modifica el error de medición de la distancia (dilución de la precisión geométrica).

• Interferencia "Disponibilidad Selectiva S/A". Constituye la mayor fuente de error y es introducida deliberadamente por el estamento militar. El 2 de Mayo los Estados Unidos dejaron de aplicar la degradación intencional al uso civil. Esto producía un error en la


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posición del GPS que fluctuaba al azar y podía llegar a los 100 metros, se aplicaba con fines de defensa y existía desde el año 1980 cuando se habilito el sistema para uso civil. La figura 4.8.1 compara la precisión del sistema con y sin SA con un diferencia de 6.5 horas de duración tomados en una de las estaciones de operación de la guardia costera de Hartsville, Tennessee. [15] En el dibujo izquierdo, con S/A, el 95% de los puntos caen dentro de un radio de 44.2 metros, en el de la derecha, sin S/A, el 95% de los mismos caen en un radio de 4.1 metros. Este error puede ser incluido cuando el Departamento de defensa de los Estados Unidos lo considere conveniente.

FIGURA 4.13 Datos del sistema GPS a la izquierda con S/A, en el de la derecha sin S/A. Debido a las múltiples fuentes de error anteriormente comentadas, los receptores GPS posicionan con un cierto grado de incertidumbre la posición en 3D y e tiempo. Este sistema ofrece una estimación de la posición, la cual es el valor medio a lo largo de un intervalo de tiempo con una determinada dispersión. De forma estándar se puede caracterizar esta dispersión mediante el error cuadrático medio (ECM) definido como la raíz cuadrada de la media de los errores al cuadrado, pudiendo referirse a una, dos o tres dimensiones. En receptores GPS/GLONASS y DGPS los errores de posicionamiento, en un intervalo de horas se ajustan a una distribución normal, no ocurriendo así con el GPS en modo absoluto debido al error S/A. En los dos primeros casos, el error en las medidas sigue una distribución de probabilidad normal en cada eje, por lo que se pueden deducir las probabilidades asociadas a los mismos. Para análisis unidimensional, el valor de una medida se encuentra en el intervalo [valor medio +/- 2σ=] en el 95% de los casos. En el caso bidimensional (ejes norte y este), el porcentaje de dispersión que está dentro de un círculo de radio ECM depende de la distribución, siendo del 98% en el caso circular. Para las medidas GPS y GPS/GLONASS la distribución es elíptica, por lo que se aproxima a una distribución unidimensional, con probabilidad asociada del 95% [13]. Siendo σ la desviación típica de la distribución.


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Los fabricantes de GPS definen la precisión de las medidas de posición obtenidas con sus receptores mediante el Error Circular Probable (CEP), que se define como el radio del círculo en el que se encuentra la estimación más probable de la posición en un porcentaje del 95% o CEP 95%, en asociación con el ECM y del 50% o CEP 50%. 4.9 GPS diferencial (DGPS) En aplicaciones que no requieren gran precisión se puede utilizar un receptor con un único canal y de bajo costo, que calcula la distancia a cuatro satélites en un intervalo de 2 a 30 segundos. Ahora bien, la precisión de las medidas se ve afectada por el movimiento del satélite durante el cálculo de los datos y por el tiempo que se tarda en obtener las posiciones. Si se requiere una localización mas precisa y en tiempo real, se han desarrollado de receptores GPS con un mayor número de canales (8-12) capaces de disminuir al máximo el error de localización utilizando los métodos de posicionamiento diferencial.

El posicionamiento diferencial consiste en un receptor GPS ubicado en una posición conocida de la Tierra que calcula su distancia a un conjunto de satélites; la diferencia entre la posición calculada y la localización exacta del receptor constituye el error en la medida De este modo un receptor cuya posición es conocida puede estimar los errores del sistema y transmitirlos de alguna manera a los usuarios para que estos corrijan sus respectivas lecturas. Esta técnica elimina prácticamente los errores S/A siempre que el receptor diferencial esté cerca a la base que emite la corrección, además gran parte de estos errores también varían muy lentamente de tal forma que pueden ser corregidos facilmente.

Este error estimado por la estación terrestre se transmite en un código predefinido (RTCM RadioTechnical Commision Maritime) y cualquier usuario-receptor con capacidad de corrección diferencial puede acceder a él para corregir su posición. Las correcciones también pueden enviarse desde una estación base propiedad de los usuarios, desde una estación base virtual (por ejemplo el servicio Omnistar) y vía estaciones de radio comerciales ( por ejemplo Rasant). En todos estos casos el modo de operación del DGPS se denomina de área global (WADGPS) ya que el error debido a cada satélite se procesa de modo individual.

Se han hecho numerosas propuestas para transmitir las correcciones DGPS. En algun tiempo se piensa en el uso de RADIOFAROS MARÍTIMOS en la banda de frecuencias medias (MF), como el sistema más indicado en la


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actualidad para radionavegación marítima. Su principal desventaja es que la red de radiofaros no está pensada para el funcionamiento en tierra. Otra propuesta exitosa es el uso de PSEUDOLITES. Estas estaciones de referencias especiales transmiten una señal idéntica a la de los satélites GPS y, por tanto, se puede utilizar el mismo receptor para recibir la señal corregida. El principal inconveniente que presentan son las características de propagación de la banda L utilizada con sus limitaciones en la cobertura.

Existen otros proyectos para la transmisión de las correcciones diferenciales, como incluir SUBPORTADORAS en las emisoras comerciales de FM, o la utilización de las redes de los sistemas celulares existentes (GSM).

4.9.1 Ejemplo de un sistema de corrección DGPS (WAAS). Estados Unidos de Norte América posee un centro de computo para calcular las distancias de todos los satélites visibles y las correcciones de propagación y ionosfera para trasmitirlas a los receptores. Este sistema se llama Wide Area Augmentation system (WAAS) Figura 4.14. Este método mejora la localización de un dispositivo de 100 metros (que es lo que da el GPS clásico) a 7 metros. WAAS se basa en 25 estaciones de referencia en Estados Unidos. Las cuales calculan constantemente:

• Una lista de todos los satélites que están visibles en ese momento • Una corrección exacta del rango o distancia de cada satélite. • Una referencia de tiempo de cada corrección.

FIGURA 4.14 Sistema WAAS.

Estos cálculos son entonces transmitidos a la central de WAAS, quien los analiza y los compara unos con otros para determinar su validez e integridad. La central WAAS entonces manda a un satélite geoestacionario esta


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información que es propagada a todos los receptores del área de servicio del satélite geoestacionario. Con esta corrección ya calculada, los receptores de GPS la pueden usar para mejorar su localización.

4.10 Explicando el Principio de Funcionamiento. El sistema de GPS aunque tiene un nivel de sofisticación bastante grande, se basa en el una formula física básica V = E / T y en cinco etapas básicas.

• Triangulación desde los Satélites. • Calculo de Distancia. • Calculo de Tiempo. • Calculo de Posición. • Corrección de errores.

Cada uno de esto se explica a continuación.

4.10.1 Triangulación desde los satélites. Aunque suene raro el principio básico del sistema GPS es utilizar los satélites en el espacio como puntos de referencia para ubicar nuestra posición. Nuestra posición aquí en la tierra se calcula al medir la distancia que hay desde nuestra actual ubicación hasta tres satélites “Triangulacion”. Para entender un poco mas fácil como funciona el sistema GPS olvidemos por un momento como se calcula la distancia y simplemente pensemos como con tres distancias se puede conocer nuestra posición. La idea es supongamos que medimos la distancia de nosotros al primer satélite y nos da 20.000 Km. (Figura 4.15), conociendo este dato sabemos que nuestra posición no esta en cualquier punto del universo sino que ahora solo podemos estar en la superficie de una esfera que tiene como centro el satélite y cuyo radio es 20.000 Km.

FIGURA 4.15. Determinando mi posición con un satélite. A continuación medimos nuestra distancia desde un segundo satélite por ejemplo puede ser 21.000 Km. Esto nos da como resultado que estamos

Mi posición puede estar sobre la superficie de la esfera


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sobre la esfera a 20.000Km del primer satélite y sobre la segunda esfera a 21.000 Km. del segundo satélite Figura 4.16. En otras palabras estamos en algún lugar sobre el área que resulta de la intersección de las dos esferas.

FIGURA 4.16 Determinando mi posición con dos satélites

Para continuar con el proceso se debe tomar otra medida desde un tercer satélite por ejemplo 20.500 Km. Esta última medición limita nuestra posible posición a solo dos puntos del área que fue obtenida anteriormente con la intersección de las dos esferas. Es decir que con tres satélites nuestra posición queda limitada a solo dos puntos.

FIGURA 4.17 Determinando mi posición con tres satélites

Radio 20.000 Km.

Radio 21.000 Km.

Dos puntos posibles para mi posición

Radio 20.000 Km.

Mi posición puede ser en cualquier punto de este círculo.


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Para decidir cual de estos dos puntos es nuestra verdadera posición podemos esperar la señal de un cuarto satélite, aunque generalmente uno de los puntos resulta muy improbable por su ubicación lejana a la superficie terrestre y puede ser descartada sin mediciones posteriores. La solución más conveniente es esperar la señal de un cuarto satélite por razones que explicare mas adelante.

4.10.2 Calculo de las Distancias. Nuestra posición se calcula entonces mínimo con tres satélites. Esta medición es algo complicada porque estos puntos de referencia están flotando en algún lugar del espacio. La solución para medir la distancia a los satélites es calculando el tiempo que tarda una señal emitida por el satélite en llegar a nuestro receptor GPS [18]. Todo esto se basa en los problemas de velocidad uniforme que se resolvían en física I, Recordemos con un ejemplo este concepto. “Si un Transmilenio viaja a 60 Kilómetros por hora durante 3 horas, ¿Que distancia recorrió?”. Velocidad (60Km/h) X Tiempo (3 horas) = Distancia (180 Km). Para referirnos al caso del sistema GPS la diferencia es que estamos midiendo la velocidad de una señal de radio, esta viaja a cerca de la velocidad de la Luz alrededor de 300.000 Km. por segundo. El problema radica en saber el tiempo de vuelo de la señal que es algo complicado puesto que los tiempos son muy cortos. Si el satelite estuviera justo sobre nosotros a unos 20.000 Km la señal tardaría en llegar a nosotros algo así como 0.06 segundos por lo que se debe usar relojes muy precisos.

Suponiendo que nuestros relojes realmente fueran muy presisos, ¿Cómo mediriamos el tiempo de vuelo de la señal? y ¿Como sincronizados nuestros relojes a 20.000 Km?

Si suponemos que el GPS y el satélite generan una señal auditiva al mismo tiempo pero en lados opuestos y además que una persona se encuentre ubicada al lado del receptor GPS y puede escuchar las señales (las señales no se pueden escuchar debido a que el sonido no se propaga en el vacío), la persona podría captar dos versiones de la señal; la generada por el GPS se escucharía de inmediato y la del satélite con cierto retrazo debido a que tiene que recorrer aproximadamente 20.000 km para llegar hasta el sujeto, por lo que se podría pensar que las señales no están sincronizadas.


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Para conocer el retrazo de la señal proveniente del satélite se tendría que retardar la emisión de la señal del GPS hasta obtener una perfecta sincronización con la señal del satélite; por lo tanto este tiempo de retardo es igual al tiempo de viaje de la señal proveniente del satélite. Si suponemos que este tiempo es de 0.06 segundos, ya se podría aplicar la ecuación debido a que el sistema ya tendría solución. Velocidad de la Luz (300.000 km/seg) x Tiempo de Retardo (0.06Seg) =Dist.(18.000Km) Así es como básicamente, funciona un GPS. La señal emitida tanto por el satélite como por el GPS recibe el nombre de código Pseudo Aleatorio (Pseudo Random Code), su nombre se debe a que la señal parece un ruido eléctrico generado por el azar; este código físicamente trata de una secuencia o código digital muy complicado, es decir que tiene una sucesión de pulsos “on” y “off” (Figura 4.18). FIGURA 4.18 Ejemplo de un pseudo código. La complejidad del código asegura que el GPS no se sintonice accidentalmente con otra señal, ya que es improbable que una señal tenga la misma frecuencia. Cada satélite tiene su propio y único código Pseudo Aleatorio, lo que permite que todos los satélites transmitan a la misma frecuencia sin interferirse mutuamente, además le permite al Departamento de Defensa de EEUU ejercer un control de acceso sobre el sistema GPS. El código también permite amplificar las señales de GPS, razón por la cual las señales débiles emitidas por lo satélite son captadas por los receptores GPS sin utilizar grandes antenas. 4.10.3 Calculo del Tiempo. Los relojes a emplear deben ser bastante exactos para que la posición encontrada sea verdadera. En los satélites el timing casi es perfecto debido a que lleva a bordo relojes atómicos de muy buena precisión, estos relojes son de muy alto costo razón por la cual los receptores GPS no los tienen; pero para obtener un excelente timing basta con efectuar una medición satelital adicional. Lo anterior expresa que si tres mediciones perfectas posicionan un punto en el espacio, cuatro mediciones imperfectas también lo hacen. Si los relojes de los GPS fueran perfectos, las distancias a los satélites se interceptarían en un punto único (es decir, la posición buscada), pero como


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los relojes de los receptores no son atómicos, una cuarta medición efectuada como control cruzado, no interceptaría con los tres primeros. De esta manera el GPS podría detectar la discrepancia y atribuiría la diferencia a una sincronización imperfecta con la hora universal, esta discrepancia afecta las cuatro mediciones, razón por la cual el receptor busca un factor de correlación único que cuando se aplica a las mediciones de tiempo hace que los rangos coincidan en un solo punto. Dicha corrección hace que el reloj del receptor se ajuste de nuevo a la hora universal. El pseudo código aleatorio trabaja como un pulso confiable que asegura la medición correcta del tiempo de vuelo de la señal y la coordinación con la hora universal, con lo cual tenemos todo lo necesario para medir la distancia a un satélite en el espacio. 4.10.4 Calculo de la Posición.

Es necesario conocer la posición del satélite para poder usarlos como puntos de referencia. Según el plan maestro de GPS la Fuerza Aérea de los EEUU coloco cada satélite de GPS en una orbita, más o menos a unos 20.000 km de altura en el espacio lo que es muy apropiado para la exactitud del sistema debido a que algo que este a esta altura esta muy despejado de la atmósfera, lo que significa orbita de una manera regular y predecible usando ecuaciones matemáticas sencillas. Los receptores GPS tienen un almanaque programado en sus computadoras, este proporciona información de donde esta ubicado cada satélite en el espacio (Figura 4.19). Las orbitas básicas son muy exactas y para mantenerlas así, el Departamento de Defensa las monitorea continuamente por medio de radares que controlan la altura exacta, posición y velocidad de cada satélite.

FIGURA 4.19 El departamento de defensa monitorea la trayectoria y el reloj de cada satélite. Los errores que se controlan son los errores de efemérides o evolución orbital de los satélites; estos errores son generados por la atracción gravitacional del sol y la luna, y por la presión de la radiación solar sobre los satélites.


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Luego de que el Dpto de Defensa tiene la nueva posición exacta del satélite, envía dicha información al satélite el cual incluye su posición corregida en la información que transmite a través de sus señales a los GPS (Figura 4.20); por lo tanto el GPS recibe información del código Pseudo Aleatorio con fines de timing y un mensaje de navegación con información sobre la orbita exacta del satélite.

FIGURA 4.20 El departamento de defensa manda la información de la corrección la trayectoria y el reloj al satélite 4.10.5 . Corrección de Errores. 4.10.5.1 Sobre la Atmósfera. Una señal GPS pasa a través de partículas cargadas en su paso por la ionosfera y luego al pasar por vapor de agua en la troposfera pierde algo de velocidad, generando el mismo efecto que un error de precisión en los relojes. Este tipo de error se puede minimizar de la siguiente manera: Se podría predecir cual seria el error tipo en un día promedio, lo que recibe el nombre de modelación, pero se presenta el inconveniente de que rara vez las condiciones atmosféricas se ajustan a un promedio previsto. Otra manera de manejar los errores inducidos por la atmósfera es compara la velocidad relativa de dos señales diferentes. Esta medición de doble frecuencia es muy sofisticada y solo es posible en receptores GPS de reciente tecnología. 4.10.5.2 Sobre la Tierra. La señal GPS puede rebotar varias veces después de llegar a la tierra, debido a obstrucciones locales antes ser captada por el receptor. El error causado es parecido al de las señales fantasma que se pueden observar en la recepción de televisión. Buenos receptores utilizan sistemas de rechazo para minimizar este problema.


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4.10.5.3 En el Satélite. En ocasiones los relojes pueden presentar discrepancias que se pueden convertir en errores de medición del tiempo de viaje de las señales. Aunque los satélites se controlen continuamente, puede que ocurran variaciones pequeñas de posición o de efemérides entre los tiempos de monitoreo. 4.10.5.4 Angulos. La geometría básica puede agrandar los errores mencionados mediante el principio de Dilución Geométrica de la Precisión. Cuando el GPS toma los datos puede que haya mas satélites visibles de los que el receptor necesita, por lo tanto el receptor toma algunos e ignora los demás. Cuando el receptor toma satélites que están muy juntos en el cielo, las circunferencias de intersección que definen la posición se pueden cruzar a ángulos con poca diferencia entre si, lo que incrementa el margen de error de una posición. Cuando el receptor toma satélites que están ampliamente separados, las circunferencias interceptan a ángulos prácticamente rectos, lo que minimiza el margen de error. Algunos receptores son capaces de determinar cuales son los satélites que dan el menor error de Dilución Geométrica de la Precisión. 4.10.5.5 Disponibilidad Selectiva. El gobierno degrada intencionalmente la exactitud del sistema, esta política recibe el nombre de Disponibilidad Selectiva y su objetivo es el de asegurar que ningún grupo terrorista utilice el GPS para fabricar armas certeras. Este error intencional funciona mediante un ruido que se introduce en los datos del reloj satelital, lo que proporciona errores en los cálculos de posición. Los receptores de uso militar utilizan una clave encriptada para eliminar la Disponibilidad Selectiva y por ello son más exactos. Debido a que estos errores no constituyen un error muy grande, existe una forma de GPS, llamada GPS diferencial que reduce estos inconvenientes.


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4.10.6 Resumen de cómo funciona el sistema GPS.

1. Nuestra posición se calcula con base a la medición de nuestra distancia a los satélites.

2. Para medir la posición exacta es necesario tener las mediciones de cuatro satélites.

3. En la práctica se puede tomar la medición con solo tres satélites, descartando uno de los puntos por improbable o simplemente no necesitamos mucha precisión y podemos hacer ajustes.

4. Es necesario una cuarta medición para un ajuste de los relojes mucho mas preciso.

5. La distancia al satélite, es calculada por medio del tiempo que tarda una señal de radio emitida por el satélite en viajar hasta el receptor GPS.

6. Esta medición se realiza asumiendo que el receptor GPS y el satélite generan el mismo código Pseudo Aleatorio, en el mismo instante de tiempo.

7. El tiempo que tarda la señal del satélite en llegar hasta el receptor se calcula comparando el retardo entre la llegada del código Pseudo Aleatorio proveniente del satélite y la generación del código en el receptor GPS.

8. Al multiplicar el tiempo de viaje por la velocidad de la luz, se obtiene la distancia al satélite.

9. Un timing preciso es clave para medir la distancia a los satélites. 10. La precisión de los satélites se debe a que llevan un reloj atómico. 11. Los relojes de los receptores GPS no tienen que ser tan exactos ya

que la medición de una distancia a un satélite adicional permite corregir los errores de medición.

12. Al conocer la posición de los satélites, estos se pueden usar como puntos de referencia.

13. Los satélites de GPS se ubican a una altura tal que sus orbitas son predecibles.

14. El Departamento de Defensa de los EEUU controla las orbitas de los satélites.

15. Las nuevas posiciones de los satélites son enviadas a estos, para que retransmitan su posición corregida junto con sus señales de timing.

16. La ionosfera y la troposfera generan errores en la posición debido a que causan demoras en la señal de GPS.

17. Algunos errores se corrigen utilizando modelación y correcciones matemáticas.

18. Como se encuentren ubicados los satélites en el cielo se puede generar más error.

19. El GPS diferencial puede eliminar casi todos los errores.


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Capítulo 5

5 LA SOLUCION PLANTEADA E IMPLEMENTADA. 5.1 Introducción. La solución implementada se divide es tres grandes etapas (Figura 5.1):

FIGURA 5.1. División de la solución.

• La fuente: Es aquella que brinda los diferentes voltajes y corrientes

regulados a las tensiones que necesita el sistema, recibe la red eléctrica a 110v AC y la Celda Solar.

• Control: Se encarga de generar el código para la tarjeta sistema GPS en formato NMEA, así como envía los datos a ser mostrados al usuario al modulo de visualización. Coordina la comunicación con el sistema GPS adquiere la fecha actual y calcula la fecha cuando será abierta la cápsula.

• Modulo de visualización: Toma los datos del control y los muestra al usuario.

Para esta solución en específico y después de contemplar los recursos económicos y logísticos, se decidió no implementar la pantalla UNIANDES 50 años. En cambio se decidió colocar una pantalla de dos líneas y 16 caracteres comercial. Sin embargo las baquelitas y el sistema quedan

Modulo de

Visualización Con


(MÁS GRANDE).

Control

GPS

Fuente de energía

Módulos de interfase de

entrada


Modulo de interfase De Salida

Módulos de Control


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abiertos para que se pueda implementar en futuras mejoras la pantalla UNIANDES 50 años.

FIGURA 5.2. Implementación final del sistema.

La solución planteada se diseño para ser instalada bajo el esquema presentado en la figura 5.2. La fuente esta colocada en la azotea del edificio junto a la celda solar, en esta misma etapa se coloco el GPS. Esta configuración se hace debido a que el sistema GPS necesita que la antena este en un lugar alto y con vista directa al horizonte además el cable no puede tener mas de 5 metros de longitud. Es más fácil enviar los comandos NMEA 0183 al GPS a través de un protocolo como RS-232 que permite mayor longitud, aproximadamente 15m a 115.000 Bps. El sistema de control se coloco junto a la pantalla en el sótano del edificio. Para trasmitir la potencia a la pantalla y al control a mas de 15m se decidió que el voltaje que enviaría la fuente seria mucho mayor (12VDC) y seria regulada en el sitio de recepción es decir el cable que trasmite los comandos también trasmite la fuente, una ventaja de esta configuración es que si se de alargar mas el cable se pueden colocar etapas repetidoras que pueden tomar la alimentación directamente del cable. Los diagramas esquemáticos y los layout de la tarjeta están como anexos a este documento así como se almacenan en el CD-ROM que acompaña este documento.

GPS Fuente 12 V

CONTROL

Pantalla

Fuente 5V

Fuente 5V

15m


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Se debe conocer un poco mas sobre el protocolo RS-232 y el NMEA 0183 antes de entender como funcionan en detalle las demás etapas. 5.2 EL Estándar NMEA 0183 V3.0 National Marine Electronics Association desarrollo este estándar para la comunicación entre instrumentos de navegación en 1983. Este define las señales eléctricas, el protocolo de los datos de transmisión, la sincronización de los datos, así como el formato de datos y su comando [19]. Los dispositivos que se comunican por protocolo NMEA 0183 emplean una interfase asincrónica para comunicación serial con los siguientes parámetros:

Velocidad en Baudios 4800Bit de datos 8 (d7 = 0)Paridad NoBit de parada. Uno o más.

Se han diseñado dispositivos emisores “talker” o receptores“listener” y algunos dispositivos son una combinación de los dos. Un dispositivo emisor envía datos a otro dispositivo NMEA 0183, un receptor es cualquier dispositivo que recibe datos de otro dispositivo NMEA 0183. Los instrumentos que son tanto como emisores y receptores tienen que separar las conexiones para cada función. Todos los datos transmitidos o recibidos son interpretados como caracteres de 8 bits ASCII (d7=0). 5.2.1 Requerimientos Eléctricos. Emisor (Talker): Bajo las ultimas versiones del emisor NMEA 0183 estándar se supuso un manejo diferencial compatible con EIA RS-422. Las señales con manejo diferencial no tienen referencia con la superficie y son más inmunes al ruido. Las primeras versiones de NMEA 0183 estándar solo manejaron el circuito emisor (por ejemplo, 0 a +15VDC); mas adelante esos instrumentos no implementaban ese amplificador a la salida; pero un solo emisor puede manejar múltiples receptores que posean funciones comunes.

Receptor (Listener): Los receptores NMEA 0183 tienen una entrada aislada puesta a tierra, esta entrada esta aislada óptimamente, y es generalmente usada para conocer los requerimientos de la impedancia de entrada; las especificaciones mínimas para la resistencia de entrada del receptor es de 500 ohms y para la mayoría de dispositivos es un poco más grande que este valor.


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5.2.2 Formato del Mensaje. El formato general del mensaje de NMEA 0183 se muestra a continuación:

$aaaaa,df1,df2,....[CR][LF]

Todo mensaje de NMEA 0183 comienza con el símbolo"$" y termina con [Carriage Return][Line Feed] o fin de linea [enter]. Los cinco caracteres después del "$" son la dirección del campo, la interpretación de esta dirección se basa en el tipo de comandos ( “talker”, “query” o “propietary” ). Los datos de los múltiples campos dependen de cada comando y se delimitan por comas.

Hay tres estructuras básicas de comandos definidas por el estándar que son;

Comando de Emisor: El formato general para el mensaje emisor “talker” es:

$ttsss,df1,df2,....[CR][LF].

La dirección del campo para el comando emisor”talker” contiene cinco caracteres en serie ubicados inmediatamente después del signo "$". Los primeros dos caracteres son los identificadores del emisor (“talker”), y los últimos tres son los identificadores del comando; el identificador del comando define los datos que permanecen en los campos. Con el NMEA 0183 estándar los datos del campo se definen únicamente por cada tipo de comando. Un ejemplo del comando emisor “talker” puede ser: $HCHDM,238,E[CR][LF]. El "HC" especifica que se empieza a hablar con una brújula magnética, el "HDM" especifica que es el encabezado de mensaje, el "238" es el valor de la Brújula y "E" designa el valor donde apunta la cabeza magnética.

Comando de requerimiento: Un comando de requerimiento significa para un receptor una petición a un comando en particular del emisor; por ejemplo un mensaje de solicitud probablemente sea enviado a un receptor GPS para solicitar la posición a lo largo de un camino, esta información deberá ser transmitida y en respuesta, el GPS comenzara a enviar el comando solicitado hasta que le sea enviado algún otro comando. El formato general de un comando de solicitud o requerimiento es:

$ttllQ,sss,[CR][LF]

Los primeros dos caracteres de la dirección del campo son los identificadores de la solicitud que hizo el emisor, los siguientes dos caracteres son los


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identificadores del dispositivo que recibió la solicitud, el quinto carácter siempre es una "Q" definiendo el mensaje como una solicitud. El siguiente campo (sss) contiene las tres letras mnemotécnicas del comando solicitado. Un ejemplo del comando de solicitud es: $CCGPQ,GGA[CR][LF]. El dispositivo "CC" (computador), solicita al dispositivo "GP" (GPS) el comando "GGA", entonces el GPS transmitirá este comando una vez por segundo hasta que haya una solicitud diferente.

Comando para propiedades: Un comando para propiedades son comandos que modifican las configuraciones del receptor; por ejemplo un mensaje de para propiedades puede configurar la hora local del sistema GPS. El formato general de un comando de solicitud o requerimiento es:

$ttllR,,sss,[CR][LF]

Los primeros dos caracteres de la dirección del campo son los identificadores de el emisor, los siguientes dos caracteres son los identificadores del dispositivo que recibió el comando, el quinto carácter siempre es una "R" definiendo el mensaje como una orden. El siguiente campo (sss) contiene las tres letras mnemotécnicas del comando solicitado.

5.2.3 Suma de Comprobación de Datos “Checksum”

El NMEA 0183 estándar hace una suma de comprobación opcional, esta suma esta precedida por un asterisco (*), el cual bebe estar ubicado después del ultimo campo de datos, este es un campo de dos caracteres equivalente al valor obtenido luego de realizar una operación XOR a todos los campos de la línea exceptuando el asterisco (*) y el carácter de inicio

5.2.4 Consideraciones Prácticas

La mayoría de instrumentos de navegación comúnmente encontrados (compás, brújula, etc.) envían uno o más comandos por segundo, los instrumentos más sofisticados como el GPS o el Radar aceptan datos de otros instrumentos.

Un solo emisor es generalmente capaz de manejar múltiples receptores con los limites que posea el circuito. Si es necesario manejar muchas salidas o si se solicita el aislamiento entre receptores, se vuelve necesario el uso de un amplificador.

Si es necesario combinar múltiples emisores con un solo receptor se hace necesario un multiplexador (también llamado "concentrador"). Muchos emisores pueden ser conectados de esta forma, pero el NMEA 0183 esta restringido a 4800 baudios y los limites totales para recibir desde cualquier


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receptor son alrededor de 450 caracteres por segundo; un solo comando puede contener más de 72 caracteres y algunos instrumentos transmiten comandos por más de 10 veces por segundo. Cuando se combinan múltiples emisores se debe tener en cuenta que no excedan los limites.

5.3 Protocolo de Comunicación RS-232. En 1969 la EIA (Asociación de Industrias Electrónicas), conjuntamente con los Laboratorios Bell y los fabricantes de equipos de comunicaciones, formularon el EIA RS-232-C. El propósito inicial fue la conexión entre un Equipo Terminal de Datos (DTE, Data Terminal Equipment) y un Equipo de Comunicación de Datos (DCE, Data Communications Equipment), empleando un intercambio de datos binarios en serie [19]. Actualmente, la conexión RS-232-C es el medio principal mediante el cual se pueden conectar equipos auxiliares a los computadores, a pesar de que este modelo fue proyectado para resolver únicamente el problema de conexión entre módems (DCE) y ordenadores (DTE). El documento [19 ] que establecía el estándar constaba de cuatro secciones:

• Características de la señal eléctrica. Definición de los voltajes que representan los ceros y unos lógicos.

• Características mecánicas de la conexión. Establece que el DTE dispondrá de un conector macho y el DCE un conector hembra. También se especifican la asignación de números a las patillas. El tipo y las medidas del conector son establecidas por la organización internacional de estándares (ISO). Los más utilizados son los de 9 pines (DB-9) y los de 25 (DB-25).

• Descripción funcional de los circuitos de intercambio. En esta sección del documento se define y da nombre a las señales que se utilizarán.

• Interfaces para configuraciones seleccionadas de sistemas de comunicación. Son ejemplos de tipos comunes de conexión entre ordenador y módem.

Los tres circuitos principales utilizados para la comunicación son los siguientes:

• Línea 2 (TXD). Salida de datos del DTE. • Línea 3 (RXD). Entrada de datos al DTE. • Línea 7 (común). Circuito común, referencia para determinar la

polaridad y voltaje de las otras líneas. El término salida se refiere a la transferencia de datos desde un PC a un


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dispositivo externo. Recíprocamente, la transferencia de datos desde un dispositivo externo al PC se conoce como entrada. Estos procesos reciben el nombre genérico de entrada/salida (E/S). Hay que considerar el sentido físico correspondiente a los conceptos de entrada y salida. La salida de datos se realiza cambiando la diferencia de potencial entre la línea 2 y la 7. Si disponemos de dos cables conectados respectivamente a las patillas 2 y 7 del conector, esta diferencia de potencial se transmitirá a largo de ellos, ya que se trata de materiales conductores. La entrada de datos corresponde al proceso inverso, generación por una fuente externa de una serie de diferencias de potencial y detección de dichas diferencias entre las patillas 3 y 7 del conector. Los voltajes correspondientes a los niveles lógicos existentes en la conexión RS232 se esquematizan en la figura 5.3.

FIGURA 5.3 Voltajes lógicos para el protocolo RS232. Los datos son trasmitidos uno después de otro. En el extremo del receptor se invierte el proceso y se reconstruye el octeto original. De este modo los datos pueden transmitirse simplemente con dos cables. Este esquema es conocido como transmisión en serie. Los bit que comprenden un carácter son: un Bit de inicio, Bits de datos (7/8 bits) el Bit de paridad y el bit de paro. El bit de paridad se utiliza para comprobar si los bits de datos han sido bien

Región de Transición

15v

-15v

5 V

-5 V


15v

-15v

3 V

-3 V

0 lógico 0 lógico

1 lógico 1 lógico

Definiciones lógicas en las Salidas

Definiciones lógicas en las entradas


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recibidos. Existen estas variantes como por ejemplo: Paridad par que significa Si la suma de los bits de datos es par, el bit de paridad es 1, si es impar, el bit de paridad es 0. Paridad impar. Si la suma de los bits de datos es impar, el bit de paridad es 1, si es par, el bit de paridad es 0. Sin paridad no se utiliza el bit de paridad. Como puede observarse en la figura 5.4 será necesario enviar un mínimo de 10 bits por cada byte. Esto provocará una disminución de velocidad respecto a la transmisión en paralelo, pero es aceptable para los dispositivos externos usualmente utilizados. La menor velocidad es compensada por el incremento de seguridad y alcance de la señal.

FIGURA 5.4. Ejemplo de transmisión en RS-232. A medida que el cable se hace más largo, sus propiedades de resistencia, capacidad e inductancia limitan la rapidez con que un bit puede cambiar de uno a cero, con lo que es posible la degradación de la señal o pérdida de datos. Esta norma asegura la transmisión de los datos a 15m de distancia a 115.000 bps. 5.4 GPS utilizado en la Cápsula UNIANDES 50 años. La solución planteada implementa un GPS el cual fue escogido por los siguientes criterios:

• Bajo Costo. • Que tuviera pocos comandos de configuración o se auto configurara,

así como presentara fácil comunicación y acceso a datos • No usara baterías. • Bajo consumo de potencia.

9.5 V

-9.5 V

0 V

Bit inicio 1 0 0 0 1 1 0 0

Bit parada

marca

Espaci

0x30 = 0011 0001 Recibiendo


72

En esta búsqueda los sistemas de alta precisión no pudieron ser contemplados debido a su gran costo (alrededor de $1000 a $9000 dólares). Los sistemas de bajo costo presentaba en su mayoría desventajas debido a que necesitaban una pila de respaldo, la solución con menos costo y que no implementaba baterías era un KIT que consistía en una tarjeta OEM GPS y una antena activa tipo “Pach” producido por THALES NAVIGATION. Este dispositivo fue importado exclusivamente para este proyecto. 5.4.1 Descripción Funcional. La Tarjeta A12 OEM figura 5.4 se caracteriza por su bajo costo, se desempeña como un sensor GPS alto desempeño, es usado para calcular la posición en ambientes difíciles especialmente como la navegación de vehículos, trasporte de carga y uso en dispositivos de seguimiento.

FIGURA 5.4. Tarjeta A12 OEM Este sistema ofrece la tecnología GPS y DGPS con bajo consumo de potencia y un pequeño tamaño además de un protocolo de comunicaciones estándar (como lo es el NMEA). Utiliza un sistema de potencia de 3.3V o 5V DC y soporta comunicación serial con niveles de voltaje TTL. La Tarjeta A12 OEM procesa las señales provenientes de la constelación de satélites GPS y el sistema SBAS (Satellite-Based Augmention System) para entregar la posición en tiempo real, la velocidad y medición del tiempo. El sistema usa diez canales paralelos para la adquisición de C/A (Coarse/Acquisition), pseudo-rango sobre la banda L1 (1575.42 MHz)y dos canales para recibir la señales de los satélites SBAS. La tarjeta A12 puede ser configurado para recibir información por los doce canales solamente del sistema GPS. La tarjeta recibe las señales del satélite por la banda L mediante una antena activa de muy bajo ruido [16].


73

5.4.2 Especificaciones Técnicas. En la tabla 5.1 resume las principales Características generales del sistema GPS. Ítem Especificación. General. 12 canales que reciben continuamente los

datos. Parámetros GPS. Frecuencia L1, código C/A (SPS). Datos disponibles. 1 Hz Interfaz de comunicaciones.

NMEA 0183 V3.0 usando el estándar de comunicación aumentado también de Astesh

Tipos de mensajes. RTCM V2.2 mensajes tipo 1,3,9 Puertos Seriales Uno TTL Full Duplex puerto primario I/O.

Un puerto half duplex for RTCM.

Rata de Baudios Seleccionable por software desde 1.200 bps hasta 115.200 bps. El máximo numero de caracteres por segundo es de 400

Tamaño Con carcasa metálica 1.58 x 2.41x 0.52 in (40 x 61 x 13)

Peso 1.6 oz. (45.4 gr) I/O Interfase. TTL Compatible Voltaje de entrada / Consumo de Corriente

3.3 a 5VDC/ 55 a 70 mA Típicamente.

Sistema de arranque rápido

Batería 2.7 a 3.6 VDC (6 micro Amperios), No es necesaria.

Ruido máximo < 7dB típicos sin antena TABLA 5.1 Especificaciones generales del Dispositivo. Es importante resaltar que el sistema no necesita tener la batería de arranque rápido conectado, la única diferencia es que el sistema tendrá que recalcular la efemérides de todos los satélites es decir un retrazo de máximo 4 minutos al reconectar la fuente y solicitar datos al receptor. La figura 5.5 muestra la tarjeta A12 sin la carcasa de protección así como las medidas de la tarjeta. Lo que caracteriza a la tarjeta A12 OEM es la facilidad con que se puede generar aplicaciones debido a que utiliza voltajes compatibles TTL (Tabla 5.2) si el sistema es alimentado a 5V DC además de ofrecer la posibilidad de utilizar una fuente de 3.3V para alimentar el sistema, esto es muy común cuando se usan de baterías. Es decir que el sistema dependiendo del rango de voltaje con que se alimente depende los niveles


74

para comunicarse de forma serial.

FIGURA 5.5 Tarjeta A12 sin Carcasa..

TABLA 5.2 Rangos de voltaje para comunicación serial. ( Vcc puede ser de 5V o de 3.3V.)

La forma de conectar el sistema a cualquier dispositivo (figura 5.6) es a través de un conector por donde se alimenta y se trasmite información. “Siempre antes de conectar o desconectar el sistema se debe estar seguro que la fuente de potencia esta apagada.” El sistema solo recibe la información a través de dos puertos seriales Puerto A y Puerto B. La diferencia radica en que los comandos que se reciben por el puerto B no reciben respuesta. El protocolo de comunicación estándar es el NMEA el cual especifica la comunicación serial (Tabla 5.4.2.3) así como los comandos (Tabla 5.5.a envió y Tabla 5.5.b recepción).


75

FIGURA 5.6 Conector del sistema GPS.

TABLA 5.3 Comunicación serial por NMEA.

El diagrama de pines del conector se muestra en la Tabla 5.4, el pin 1 el que queda al lado del conector de la entena [16].

TABLA 5.4 Pines de la Tarjeta A12. OEM.


76

TABLA 5.5.a Comandos que recibe la Tarjeta A12.

TABLA 5.5.b Comandos de respuesta de la Tarjeta A12 a los comandos enviados en formato NMEA.


77

5.5 La Fuente de alimentación. Se diseño una fuente que mantuviera un voltaje constante y permitiera conmutar entre la red eléctrica y la Energía Solar. Esta fuente puede entregar un rango de voltaje entre 10V a 15V regulados. El sistema se basa en dos reguladores de voltaje LM317 [20] que permiten regular el voltaje de 1.2 a 30v. Uno de ellos regula la potencia entregada por la celda solar y tiene prioridad sobre el otro. Es decir que si la celda envía mínimo 8.6 V, esta etapa pone en modo de bajo consumo a la etapa que regula la red Electrica.

Figura 5.7 Simulación de la Fuente de Potencia del sistema. Rojo comportamiento de la celda fotovoltaica, Amarillo comportamiento de la energia electrica, Azul Voltaje a la entrada de los reguladores de 5V.

Esto se hace enviando a tierra la patilla de ajuste del regulador LM317 a través de un transistor polarizado por la etapa que regula la fuente solar. En el caso que no exista suficiente voltaje en la celda solar el transistor no es polarizado y no corta a la etapa que regula la red Electrica. Es claro como a medida que la celda solar aumenta de voltaje hasta llegar a 8.6V , la red ecléctica entra en estado de bajo consumo. En el caso que el sistema se quede energía solar y sin red Electrica el sistema se apaga.

V_V2

0V 4V 8V 12V 16V 20V 24VV(R1:2) V(D8:K) V(U3:OUT)

0V

10V

20V


78

El diagrama esquemático de la fuente (ANEXO 3) se muestra en la figura 5.7

FIGURA 5.8 Diagrama esquemático de la fuente (ANEXO 3).

El sistema que regula la Red Electrica puede ser alimentada con una fuente de voltaje alterno entre 13 a 18 VAC a 1 Amperio o con una fuente de corriente directa entre 13 a 30 VDC a 1A. El diagrama de la baquelita a una sola cara es mostrado en la figura 5.8. (ANEXO 4), el sistema cuenta con dos fusibles de protección F1 para la red Electrica y F2 para la celda solar esta además esta protegida con un diodo de 8 A para evitar que circule corriente con polaridad invertida a través de ella. La fuente tiene dos potenciómetros de precisión para regular el voltaje de cada etapa por separado, posee la posibilidad de instalar LEDS pilotos, que indican el estado de la fuente. Aunque los reguladores disipan menos de 6W se les instalo un chasis para disipar aproximadamente 10W.


79

FIGURA 5.9 Diagrama de la baquelita de la fuente. 5.6 Tarjeta de Control. Esta tarjeta es la encargada de administrar al sistema GPS y la pantalla de Cristal liquido, esta basada en un microcontrolador 16F877-10Mhz de Microchip. Se comunica con el sistema GPS a través del comandos NMEA 0183 V3, para lograr trasmitir a una distancia mediana 15m se adiciono un circuito MAX232 que permite manejar señales compatibles con el protocolo RS-232. Esta tarjeta incluye un circuito que regula un voltaje mínimo de 7V a un voltaje de a 5V. Esta tiene un conector de pines 16 pines en el cual trasmite la información para la pantalla de LCD. Así como posee un conector de 12 pines para la futura expansión de la Pantalla Uniandes 50 años. Posee la capacidad de tres LED pilotos por los cuales se informa el estado del GPS.

LED 1 (AZUL) Capturando datos LED 2 (Blanco) Recibiendo datos LED 3 (Rojo) Pide Retransmisión

Además el sistema cuenta con un conector de 8 pines por donde recibe la fuente y tiene acceso a los dos puertos seriales del sistema GPS. La figura 5.9 muestra un Zoom del Diagrama esquemático (ANEXO 5), la figura 5.10 Muestra la baquelita doble cara y la figura 5.11 Muestra el algoritmo de control.

Fuente AC

Fuente DC 1+

Celda solar 1+

Salida Fuente


80

FIGURA 5.10 Zoom del Diagrama esquemático de la tarjeta de control.

FIGURA 5.11 tarjeta de control.


81

FIGURA 5.12 Algoritmo de control, b Detalle del sistema utilizado para no Bloquearse.

CONFIGURA PUERTOS

CONFIGURA PANTALLA

RST GPS

RST = ?

ADQUIRE FECHA

IMPRIME COMANDO

ADQUIRE POS

IMPRIME COMANDO

CALCULA DIAS

INPRIME DIAS

VERIFICA PANTALLA

INICIO

CONTADOR = 0

ENVIA COMANDO

RETARDO 500 ms

COMANDO = ?

CONTADOR = 5 ?

CONTADOR ++

CALCULA SUMA VALIDA

SUMA VALIDA = ?

IDENTIFICA COMANDO

RST GPS

COMANDO = 0 (INVALIDO)

SI

SI

SI

SI

NO

NO

NO

NO


82

5.7 Tarjeta que adapta el GPS A12. Esta tarjeta tiene la capacidad de recibir datos tanto de la tarjeta de control como desde el computador con un cable 1 a 1 al puerto serial. Tiene un control general de encendido y apagado, este además posee una fuente que regula un voltaje de cómo mínimo 7V a un voltaje de 5V. Incluye un MAX – 232 para comunicación con niveles de voltaje compatibles con RS-232. El diagrama esquemático se observa en la figura 5.12 así como la baquelita de doble cara Figura 5.13 (Anexo 6).

FIGURA 5.13 Diagrama esquemático de la tarjeta que adapta el GPS.

FIGURA 5.14 Diagrama la baquelita de la tarjeta que adapta el GPS.


83

5.8 Propuesta de diseño. Ver ANEXO 7


84

5.9 Resultados.

• La implementación de la solución con un dispositivo con GPS, que permite adquirir la fecha, altitud, Longitud y latitud, menos de tres minutos después de que la energía sea restablecida.

• Baja demanda de energía (200mA) lo que le permite al sistema funcionar con la celda solar por mas de 8 horas en un día normal (con al menos de 15º (500W/m ^2) a 2580 metros sobre el nivel del mar).

• Es indispensable que la antena del GPS tenga vista directa al Horizonte.


85

CONCLUSIONES.

El proceso de diseño por si solo no asegura resultados efectivos pero permite ampliar el horizonte de soluciones propuestas, así como desarrolla una estructura sólida a la solución de un problema para que esta pueda ser fácilmente implementada y permita cumplir con la mayoría de restricciones propuestas. Las soluciones son limitadas a los conocimientos y diferentes tecnologías que el diseñador maneje lo que limita las soluciones propuestas. Es claro que una buena preparación del diseñador puede eliminar algunas barreras, así como permite adquirir estrategias con las cuales pueda implementar tecnologías que sean nuevas para el. Lamentablemente en el proceso de diseño TOP-Down se olvida un poco de la tecnología que se tiene, y esto puede acarrear algunos inconvenientes a la hora de implementar el dispositivo final, porque se pueden requerir elementos que en el mercado local no existen. En el proceso de diseño se replanteo la solución para evitar el uso de baterías debido a su alto costo de mantenimiento y poca duración (aproximadamente 2 años) a lo largo 50 años. Este mismo proceso generó una solución más adecuada que fue la que se implementó.


86

Bibliografía

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87

[15] http://www7.nationalacademies.org/spanishbeyonddiscovery/tec_007518.html. [16] Thales Navigation Professional Products. “A12 and B12 Reference Manual”.Revisión B. Enero 2003. [17] Setter H. Dana. “Jatienza´s Home page”. 29 de Julio. 1995. [18] Pedro Gutovnik. “Como funciona el sistema GPS en cinco pasos logicos.” 1996. [19] Luis A Rodríguez V,Luis Enrique Avendaño, Edison Duque C. “Comunicacin Serial con Verificación de Errores”. Electronica y Computadores No 71, Febrero 2001. [20] Nacional Semiconductor. “LM117/LM317A/LM317 3-Terminal Adjustable Regulator”.Mayo 2003


88

TABLA DE FIGURAS Pag.

FIGURA 1.1. Típico diagrama de caja negra para el diseño de un dispositivo. 3 FIGURA 1.2. Ejemplo de restricciones ficticias. 4 FIGURA 1.3. Solución al Ejemplo de restricciones ficticias. 5 FIGURA 1.4. Estado del Proceso de diseño de Krick hasta esta fase. 6 FIGURA 1.5 Las partes fundamentales del proceso de diseño de Krick. 9 FIGURA 2.1 La solución actual con una fuente ininterrumpida de potencia. 13 FIGURA 2.2 La solución actual con una fuente ininterrumpida

de potencia mejorada. 13 FIGURA 2.3 Solución con un Sistema de Posicionamiento Global (GPS). 14 FIGURA 2.4 Solución que detecta la luz solar por unas horas

le permite contar los días. 14 FIGURA 2.5 Diagrama de Caja Negra de la Solución. 17 FIGURA 2.6 Plantilla de diseño de la Solución. 18 FIGURA 3.1 Material Twisted-Nematic: partículas en forma

rectangular en estado Nematico. (paralelas unas con otras). 20 FIGURA 3.2 Construcción básica de una pantalla de cristal Liquido. 21 FIGURA 3.3 Construcción básica de una pantalla de cristal líquido

cuando se aplica un campo Eléctrico. 22 FIGURA 3.4 A la izquierda la luz atraviesa el segmento y a mano

derecha la luz no logra atravesar el segmento que se vería oscuro. º 22

FIGURA 3.5 Esquema final de un segmento de la pantalla de cristal líquido. 23

FIGURA 3.6 Pantalla de 3 ½ dígitos, no Multiplexado. 23 FIGURA 3.7 Segmento de un LCD y la tabla con los voltajes requeridos. 24 FIGURA 3.8 Circuito de control de un segmento de un LCD. 25 FIGURA 3.9 Diagrama de la Cara superior e inferior

de la Pantalla UNIANDES 50 años. 26 FIGURA 3.10 Resultado de la multiplexación 3:1 de

la Pantalla UNIANDES 50 años. 27 FIGURA 3.11 Señales de Control y encendido de la pantalla

de UNIANDES 50 Años. 28 FIGURA 3.12 Señal que inyectada por la fila apaga la pantalla

de UNIANDES 50 Años. 29 FIGURA 3.13 Posibles voltajes sobre cada Segmento

superior, intermedio e inferior con cada señal on1, on2, on3 y off. 29

FIGURA 3.14 Arreglo para generar voltajes análogos a partir de una palabra digital 30

FIGURA 3.15 Controlador de la pantalla granularidad 1. 30 FIGURA 3.16 Controlador de la pantalla granularidad 2. 32 FIGURA 3.17 Salida del Decodificador cuando BCD = 0. 33


89

FIGURA 3.18 Ejemplo de las señales modificada 4 veces. 34 FIGURA 3.19 Mux que genera señales con un ciclo util 14 veces mayor. 35 FIGURA 4.1 Constelación de 24 satélites que forman el sistema GPS [10]. 37 FIGURA 4.3 Satélite perteneciente al bloque I. Lanzados

desde 1978 fueron desarrollados como satélites prototipo. 40 FIGURA 4.4 Satélite perteneciente al bloque II. 40 FIGURA 4.5 Esquema de un trasmisor GPS. 41 FIGURA 4.6 Esquema de un Receptor GPS [17] (Peter H Dana 29/07/95) 43 FIGURA 4.7 Detalle del bloque de Demodulación y control del

Código C/A. [17] (Peter H Dana 29/07/95). 44 FIGURA 4.8 Cálculo del tiempo de vuelo y distancia a cada satélite. 46 FIGURA 4.9 Generador de codigo C/A con registros de corrimiento. identificación de los satélites. 48 FIGURA 4.10 No hay correlación porque el receptor tiene

diferente código PRN. 49 FIGURA 4.11 Hay correlación parcial. 49 FIGURA 4.12 Hay Completa correlación entre la señal

del receptor y del Satélite. 49 FIGURA 4.13 Datos del sistema GPS a la izquierda con S/A,

en el de la derecha sin S/A. 53 FIGURA 4.14 Sistema WAAS. 55 FIGURA 4.15. Determinando mi posición con un satélite. 56 FIGURA 4.16 Determinando mi posición con dos satélites. 57 FIGURA 4.17 Determinando mi posición con tres satélites. 57 FIGURA 4.18 Ejemplo de un pseudo código. 59 FIGURA 4.19 El departamento de defensa monitorea la trayectoria

y el reloj de cada satélite. 60 FIGURA 4.20 El departamento de defensa manda la información

de la corrección la trayectoria y el reloj al satélite. 61 FIGURA 5.1. División de la solución.. 64 FIGURA 5.2. Implementación final del sistema. 65 FIGURA 5.3 Voltajes lógicos para el protocolo RS232. 70 FIGURA 5.4. Ejemplo de transmisión en RS-232. 71 FIGURA 5.4. Tarjeta A12 OEM. 72 FIGURA 5.5 Tarjeta A12 sin Carcasa. 74 FIGURA 5.6 Conector del sistema GPS. 75 FIGURA 5.7 Simulación de la Fuente de Potencia del sistema. 77 FIGURA 5.8 Diagrama esquemático de la fuente (ANEXO 3). 78 FIGURA 5.9 Diagrama de la baquelita de la fuente. 79 FIGURA 5.10 Zoom del Diagrama esquemático de la tarjeta de control. 80 FIGURA 5.11 tarjeta de control. 80 FIGURA 5.12 Algoritmo de control, b Detalle del sistema utilizado

para no Bloquearse. 81 FIGURA 5.13 Diagrama esquemático de la tarjeta que adapta el GPS. 82


90

TABLAS TABLA 2.1 Cuadro comparativo de todas las soluciones. 16 TABLA 1.1 Algunos procesos de diseño que existen y sus relaciones entre si. 2 TABLA 2.2 El Diagrama de Caja Negra de la Solución. 17 TABLA 3.1 Comparación entre Pantallas de LCD y Siete segmentos, LED. 24 TABLA 3.2 Voltajes del circuito de control de un segmento de un LCD . 25 TABLA 3.3 Especificaciones Técnicas de la Pantalla UNIANDES 50 años. 27 TABLA 3.4 Definición de las entras al sistema. 31 TABLA 4.1 Características Generales del Sistema GPS. 38 TABLA 4.2 El sistema GPS dividido en tres grandes segmentos. 39 TABLA 4.1 Definición de los códigos pseudo aleatorios para 32

números de identificación de los satélites. 48 TABLA 5.1 Especificaciones generales del Dispositivo. 73 TABLA 5.2 Rangos de voltaje para comunicación serial.

(Vcc puede ser de 5V o de 3.3V.) 74 TABLA 5.3 Comunicación serial por NMEA. 75 TABLA 5.4 Pines de la Tarjeta A12. OEM. 75 TABLA 5.5.a Comandos que recibe la Tarjeta A12. 76 TABLA 5.5.b Comandos de respuesta de la Tarjeta A12 a

los comandos enviados en formato NMEA. 76

UNIVERSIDAD DE LOS ANDESFACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICAPROYECTO DE GRADO

Semestre 2003-1

Fecha 15 de Julio de 2003

Proyecto o tesis de grado para optar por el titulo de:

Ingeniero Electrónico.

Estudiante German A Reina G

Código 199813353

Entrega FINAL

Asesor Ing. Fredy Segura

TITULO DE LA TESIS O PROYECTO DE GRADO:


Actualmente la Universidad de los Andes cuenta con una cápsula del tiempo que conmemorará los 100 años de fundación de la Universidad. En esta se encuentra almacenada diferentes tipos de elementos y una serie de documentos los cuales buscan mostrar nuestra cultura actual a generaciones futuras, esta cápsula deberá ser abierta el 16 de noviembre 2048.

El Centro de Microelectrónica de la Universidad de los Andes (CMUA), planteo la creación de un reloj digital que permitiera visualizar los días que faltan para que la cápsula sea abierta. La solución actual demanda una fuente ininterrumpida de potencia.

Introducción

Objetivo1. Rediseñar el circuito de la cápsula del tiempo de la

Universidad de los Andes para que pueda operar durante 50 años con el menor requerimiento de mantenimiento.

2. Además se pretende aplicar los conocimientos adquiridos, las estrategias de diseño a lo largo de la carrera.

MetodologíaSe utiliza una metodología de

diseño sugerida por Krick [1]

• Este método consta de siete fases (Tabla 1) cada una con un objetivo específico.

• Este método busca llegar a soluciones mas globales y cumpliendo las restricciones mas importantes para el diseñador.

Optimización de la solución

Fase 7

Ciclo de diseñoFase 6

Especificación de la solución

Fase 5

DecisiónFase 4

Búsqueda de solucionesFase 3

Análisis del ProblemaFase 2

Formulación del problemaFase 1

• Proceso de diseño estructurado, descendente (top-down) partiendo de su descripción funcional hasta llegar a su realización física.

Proceso de Diseño

Diagrama de caja negra

Entradas Salidas

Especificó:

El Centro de Microelectrónica de la Universidad de los Andes desarrollo un reloj del tiempo, el cual ha presentado inconvenientes al enfrentar fallas eléctricas de alimentación. Dado esto la fuente debería ser ininterrumpida durante 50 años.

Poner en funcionamiento una pantalla diseñada en conjunto con el grupo de investigación de la profesora Allaide Mammana en Campinas Brasil [4]

FASE I

Definición del Problema:

Global:

Mostrar a través de algún dispositivo, el tiempo restante paraque la cápsula del tiempo sea abierta dentro de 50 años. Esnecesario que la fecha sea mantenida o se recupere desde unpunto de referencia.

FASE I

Definición del Problema:

FASE II

Análisis del problema:

•El asegurar que el sistema trabaje sin requerir mantenimiento noes muy probable, por las posibles fallas de los elementos en 50 años.

•Contemplar los grandes costos y recursos que implica mantener un sistema ininterumpido de potencia, las baterías promedió solo duran 2 años [2,3], es decir 25 cambios durante estos 50 años.

Ejemplo:Batería 12v 5Amp/hora 150.000* 25 años = 3’750.000

FASE II

Análisis del problema:

Básicamente nuestras restricciones son:

-Duración de los elementos que conforman la solución.- Mantenimiento requerido- Costo.

En esta parte Krick nos invita es decir conocer el estado del arte del problema

SOLUCION ACTUAL 1 SINMOD

En esta solución se utiliza el sistema actual sin ninguna modificación tan solo se agregara la fuente ininterumpida, que tomara tres elementos baterías, luz solar y red eléctrica, y se diseñaran estrategias de mantenimiento para el correcto funcionamiento del sistema, su respectivas fechas de cambio de baterías y el correcto modo de hacerlo.

FASE III

Búsqueda de Soluciones:

Red electrica

Luz solar

BateriasFuente de energíaininterrumpida Reloj tiempo real

Visualización

SOLUCION ACTUAL 2 CONMOD

La actual solución contempla la modificación del sistema actual solo para el cambio de pantalla, así como agregar un mando por infrarrojo el cual permita la reprogramación rápida.

Red electrica

Luz solar

BateriasFuente de energía ininterrumpida Reloj tiempo real

VisualizaciónPantalla hecha en Brasil(MAS GRANDE).

Receptor INF

Control INF

Red electrica

VisualizaciónPantalla hechaen Brasil(MAS GRANDE).

Control

GPS

Luz solar

SOLUCION ACTUAL 3 SOLGPS

En esta solución se utiliza una modificación en el principio de funcionamiento pues el punto de referencia se puede perder y es recuperado por el sistema de posicionamiento global (GPS), se evita la necesidad de operar con baterías, es decir el sistema no necesita un mantenimiento por la duración de sus elementos sino por la posible modificación del sistema GPS. Funcionaria solo con luz solar el sistema se desactiva por la noche y se recupera tan pronto la energía solar vuelva

Se diseñaran estrategias de mantenimiento para el correcto funcionamiento del sistema, aunque pueden ser solamente preventivas debido a que el sistema no lo necesita

Esta solución contempla la completa modificación total del sistema actual.

Control

Luz solar

Contador horas identifica el día. MEMORIA

EEPROM

SI ES UN DIA AUMENTA CONTADOR

VisualizaciónPantalla hecha en Brasil

(MAS GRANDE).

En esta solución se utiliza una memoria EEPROM y la energía solar únicamente, mientras la luz solar exista el dispositivo identifica si es un día y aumenta el contador, para luego recalcular la fecha, la precisión del dispositivo es solo por días no por horas minutos y segundos, aunque no requiere fuente externa ya que el sistema toma la alimentación de la celda solar.

El dispositivo muestra la fecha durante el día, por la noches el dispositivo se apaga, se podría instalar un control para reprogramación, aun que no es necesario.

SOLUCION ACTUAL 4 SOLDIA

Tomando nuestras restricciones

1. Duración de los elementos que conforman la solución.2. Mantenimiento requerido.3. Costo.

En otro sentido el CMUA quiere aplicar soluciones totalmente electrónicas, además se quería mostrar la fecha al menos una vez al día preferiblemente al medio día.

FASE IV:

Decisión.

FASE IV:

Decisión.

VisualizaciónPantalla hecha en

Brasil(MAS GRANDE).Control

GPS

Red electrica

Luz solar

Fuente de energía

3 GPS

FASE V:

Especificación de la Solución:

Objetivos Primarios:

1. Visualizar el tiempo que falta para que la cápsula sea abierta.2. Mantener el conteo a pesar de las fallas de alimentación.3. Minimizar el mantenimiento.4. Asegurar elementos que permitan la reprogramación del reloj

rápidamente.

NOTA:

Cabe aclarar que a pesar de que se quiere que el sistema no falle durante los 50 años de operación, todo queda limitado a nuestro elementos tecnológicos, pues es claro que los fabricantes aseguran el funcionamiento por cierto tiempo, nosotros confiamos en esas cifras y supondremos que estos datos son verdaderos.

SISTEMA

ENERGIA ELECTRICA110v A/C

ENERGIASOLAR

DATOS DE LOS SATELITES GPS

FECHA DE APERTURA DE LA CAPSULA

Diagrama de Caja Negra:

Descripción entradas - salidas:

NombreEnergíaeléctrica

TipoEntrada Análoga, seno, 110V AC, 60 Hz.

FunciónAlimentar al sistema en el caso que la fotocelda no pueda hacerlo.

Restricciones: La energía eléctrica no es ininterrumpida es posible que esta se corte en cualquier momento.

NombreEnergía Solar

TipoLuz solarKW/m^2

FunciónMantener el sistema operando a través de la celda solar.

Restricciones: La energía solar solo esta presente en horas de la mañana y no siempre puede asegurar entregar unacantidad especifica pues depende exclusivamente del clima y la luz solar

NombreDato de los satélitesGPS

TipoMicroondas Frecuencia L1 (1575.42 MHz),L2 (1227,60)MHz

FunciónUbicar la posición actual longitud, latitud de cómomínimo 3 satélites así como su reloj interno. para queel sistema pueda calcular la fecha y hora referida un punto especifico

Restricciones: Las señales deben provenir por lo menos de 3 satélites para hacer la triangulación de la posición, solo dos para dar la fecha. Nuestro receptor debe avistar el horizonte siempre.

Modulo de Visualización

conPantalla hecha en Brasil

(MAS GRANDE).

Control

GPS

Fuente de energía

Módulos de interface de

entrada


Modulo de interfacede

Salida

Módulos de Control

Plantilla de Diseño

MODULO DE VISUALIZACION

DATOS GENERALES DE LA PANTALLA UNIANDES 50 AÑOS Pantalla de cristal Liquido de matriz pasiva, multiplexada de cristal

Twisted-Nematic

CMUA Bien Bajas Solar Magnética

FASE V:

Especificación de la Solución:

Dos conectores de 9 pines cada unoConector

3:1Accionamiento Multiplexado

30:1Razón de contraste

-50 a 108 C°Temperatura de operación del cristalliquido

90°Dirección preferencial de visualización

2.4 mmEspesor

66 x 112 mm Dimensiones Externas

42 x 108 mmÁrea de visualización

DATOS TECNICOS GENERALES

5 uA--Consumo de corriente total.

100-45Frecuencia de operación. (Hz)

963Tensión de operación (V)

MaxTipicoMin

Diagrama de la Cara Superior

Diagrama de la Cara Inferior

ON1,ON2, ON2

Com1

Com2

Com3

V1

V2

Vc = V1-V2

Diagrama de cada digito y sobre cada segmento:

IN 1 IN 2 IN 3

Salida

IN 1 IN 2 IN 3 Salida

1 1 1 5V 3 3

0 1 1 3.3V 2 3

0 0 1 1.6V 1 3

0 0 0 0V 0

Forma de generar los voltajes a partir de señales digitalesC

COM2

0,000,200,400,600,801,001,20

1 2 3 4 5 6

COM2

COM3

0,000,200,400,600,801,001,20

1 2 3 4 5 6

COM3

COM1

0,000,200,400,600,801,001,20

1 2 3 4 5 6

COM1

ON1

0,000,200,400,600,801,001,20

1 2 3 4 5 6

ON1

ON2

0,000,200,400,600,801,001,20

1 2 3 4 5 6

ON2

ON3

0,000,200,400,600,801,001,20

1 2 3 4 5 6

ON3

Señales de Trabajo

-1,50

-1,00

-0,50

0,00

0,50

1,00

1,50

1 2 3 4 5 6

COM1-ON1COM2-ON1COM3-ON1COM1-OFF

-1,50

-1,00

-0,50

0,00

0,50

1,00

1,50

1 2 3 4 5 6

COM1-ON2

COM2-ON2

COM3-ON2COM2-OFF

-1,50

-1,00

-0,50

0,00

0,50

1,00

1,50

1 2 3 4 5 6

COM1-ON3

COM2-ON3

COM3-ON3

COM3-OFF

Cada señal y su posibles combinaciones

Datos

[BCD]

Dirección

DatoVal

4MHZ

Controlador Pantalla9 Sup

9In

4

3

Clock

Control pantalla (Granularidad 1)

1

1

MUX

Control

Dig2

Dig5

Letrero

Dig1

Dig4

Dig3

Deco1

Deco2

Deco5

DecoLet

Deco3

Deco4

4

DatoDirección Clockdatoval

Controlador Pantalla (Granularidad 2)

4

1

1

3

Divide Clock

Dig1

R

R

R

Dig2

R

R

R

Dig3

R

R

R

Dig4

R

R

R

Dig5

R

R

R

R

R

R

Com 1

Com 2

Com 3

3

3

1

4

3

TIMER

CLOCK1 1

Diagrama del Mux

CONTADOR

on1

Com1on1

Com2on1

Com3on1

on3

Com1on3

Com2on3

Com3on3

on2

Com1on2

Com2on2

Com3on2

MUX

MAQUINA

CLK

TIMER

CICLO

5

3

2

RST HAB

3

3

Corrección a la Solución

-1,5000

-1,0000

-0,5000

0,0000

0,5000

1,0000

1,5000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

COM1-ON1

COM2-ON1

COM3-ON1

-1,5000

-1,0000

-0,5000

0,0000

0,5000

1,0000

1,5000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

COM1-ON2

COM2-ON2

COM3-ON2

-1,5000

-1,0000

-0,5000

0,0000

0,5000

1,0000

1,5000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

COM1-ON3

COM2-ON3

COM3-ON3

Segmento Espacial

• 24 Satelites• 6 Planos Orbitales con una

inclinacion de 55º• 4 o 5 Satelites por Plano• Orbita Aproximada de 11,000

Millas Nauticas sobre la Tierra• Cada satelite recorre una orbita• Cada 12 horas• Informacion de posición y tiempo en

2 frecuencias

Segmento de Control

(5) Estaciones de Monitoreo

• Corrección de orbita y errores de tiempo• Crear un nuevo mensaje de navegación

• Observar la efemerides y el reloj

Upload StationFalcon AFBMCS

Segmento de Usuario

Distancia = Velocidad x Tiempo

Velocidad = 186,000 millas por segundo (Velocidad de la luz)

Tiempo = Tiempo que tarda la señal en viajar desde Satelite al receptor GPS

Los receptores son utilizados para navegación, posicionamiento, estimaciones temporales y otras investigaciones. Desde 1985 se usa un sistema dual, uno para uso militar y otro civilPara establecer posiciones se requiere de la distancia la cual es calculada por medio de:

TriangulaciónLOS SATELITES NUESTRO ESTAN EN HORALA MISMA VELOCIDADCAMINOS RECTOS

1ms = 200 MILLAS

Triangulación

Satellite 1 Satellite 2

Satellite 3 Satellite 4

Funcionamiento GPS

Segmento Espacial 24 Satelites

GPS Estaciónde Control en Colorado

La efemerides es transmitida al usuario Estaciones de

Monitoreo• Diego Garcia• Ascension Island• Kwajalein• Hawaii• Colorado Springs

Usuario Final

Protocolo RS-232Niveles de voltaje del protocolo RS 232


15v

-15v

5 V

-5 V


15v

-15v

3 V

-3 V

0 lógico 0 lógico

1 lógico 1 lógico

Definiciones lógicas en las Salidas

Definiciones lógicas en las entradas

• Distancia máxima 15m a 115.000bps

9.5 V

-9.5 V

0 V

Bitinicio 1 0 0 0 1 1 0 0

Bitparada

marca

Espacio

0x30 = 0011 0001Recibiendo

mínimo de 10 bits por cada byte

[5] En 1969 la EIA (Asociación de Industrias Electrónicas), conjuntamente con los Laboratorios Bell y los fabricantes de equipos de comunicaciones, formularon el EIA RS-232-C

•Línea 2. (RX). Entrada de datos

•Línea 3 (TX). Salida de datos.

•Línea 7 (común). Circuito común, referencia para determinar la polaridad y voltaje de las otras líneas

4800bps => tiempo de bit 208.33 us

NMEA 0183 (VERSION 3.0)National Marine Electronics Association desarrollo este estándar para la comunicación entre

instrumentos de navegación de 1983.Cadenas de caracteres ASCII comienzan con $ y terminan con <ENTER> o <CR><LF>.Separadas por comas ‘,’ .

$PASHQ => Solicitar información

$PASHS => Configurar Parámetros

Baud Rate=>4800Data Bits=>8Parity=None

Stop Bits=One

ESTADOSAT

POSICIONPOS

TIEMPO Y FECHAZDA

CURSO Y VELOCIDAD SOBRE EL SUELOVTG

SATELISTES GPS EN VISTAGSV

SATELITES ACTIVOS GPS Y ESTACIONES

GSA

LATITUD Y LONGITUD GEOGRAFICAGGL

POSICIONGGA

ALMANAQUE GPSALM

USOCOMANDO

EJEMPLO:

ENVIO: $PASHQ,ZDA,A

RESPUESTA: $GPGGA,132123.00,15,07,2003,-05,00*SA

TARJETA GPS

Fuente Del SistemaEsta fuente se encarga de enviar 12V a todo el sistema. Conmuta a 8.62V

Tarjeta Fuente

V_V2

0V 4V 8V 12V 16V 20V 24VV(R1:2) V(D8:K) V(U3:OUT)

0V

10V

20V

Rojo: Comportamiento de la Celda fotovoltaica

Amarillo: comportamiento de la energia electrica

Azul: fuente en los reguladores de 5V

Tarjeta de Control

Algoritmo ControlCONFIGURA PUERTOS

CONFIGURA PANTALLA

RST GPS

RST = ?

ADQUIRE FECHA

IMPRIME COMANDO

ADQUIRE POS

IMPRIME COMANDO

CALCULA DIAS

INPRIME DIAS

VERIFICA PANTALLA

INICIO

CONTADOR = 0

ENVIA COMANDO

RETARDO 500 ms

COMANDO = ?

CONTADOR = 5 ?

CONTADOR ++

CALCULA SUMA VALIDA

SUMA VALIDA = ?

IDENTIFICA COMANDO

RST GPS

COMANDO = 0 (INVALIDO)

SI

SI

SI

SI

NO

NO

NO

NO

Diagrama Montaje Colocación Final

CELDA SOLAR ANTENA

RED ELECTRICA

FUENTE

TARJETA GPS

GPS

TARJETA CONTROL

PANTALLA

Propuesta Diseño

El código generado en VHDL no pudo ser implementado totalmente en un solo Chip MAX7000 128LS84-15, lo cual elevó el costo para lograr implementar la pantalla de Cristal liquido desarrollada.Básicamente una mejora a la solución actual podría no contemplar la incorporación de esta pantalla hasta obtener un dispositivo mas adecuado.

FASE VII:

OPTIMIZACION DE LA SOLUCION:

Resultados

La implementación de la solución con un dispositivo con GPS, que permite adquirir la fecha, altitud, Longitud y latitud, menos de tres minutos después de que la energía sea restablecida.Baja demanda de energía (200mA) lo que le permite al sistema funcionar con la celda solar por mas de 8 horas en un día normal (con al menos de 15º (500W/m ^2) a 2580 metros sobre el nivel del mar).Es indispensable que la antena del GPS tenga vista directa al Horizonte.

ConclusionesEl proceso de diseño por si solo no asegura resultados efectivos pero permite ampliar el horizonte de soluciones propuestas, así como estructura la solución de un problema .

Las soluciones son limitadas a los conocimientos y diferentes tecnologías que el diseñador maneje, lo que limita las soluciones propuestas.

En el proceso de diseño TOP-Down se olvida un poco de la tecnología que se tiene.

En el proceso de diseño genero una solución que mejora las restricciones la cual se implementó.

Bibliografía

[1] E.V. Krick. ”Introduction to Engineering and to Engineering Desing”. Capitulos 8 al 12. pags. 121-178.[2] Carlos Orjuela Víctor Hugo. “Diseño de una UPS simple”. Tesis de grado 1979, Universidad de los Andes, Bogota Colombia.Pag 1- 20[3] Peralta Nieves y Amador Enrique. ” Sistema Ininterrumpido dePotencia (UPS) por modulación de ancho de pulso (PWM) con Control por Microprocesador”. Tesis de Grado 1991.Universidad de los Andes, Bogota Colombia. Pag 10 – 30.[4] Carlos Eduardo Sanchez Dias. “Análisis y control de LCD´S de tecnología Brasilera”.Tesis de Grado 1999.Universidad de los Andes. Bogota Colombia.

german antonio reina granados - …

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