reporte del sistema de enlace para un satelite tipo cansat

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Instituto Nacional de Astrofísica, Optica y Electrónica.

REPORTE TÉCNICO

No. 625

COORDINACIÓN DE ASTROFISICA

SISTEMA DE ENLACE PARA UN TRANSMISOR Y UN RECEPTOR PARA UN SATÉLITE TIPO CANSAT.

Retama Romero Silvio, Tecalero Zaldivar Antonio, Guadarrama Perez Jose Antonio, Palacios Fonseca Juan,

Sánchez Urrieta Susana , Mendoza Torres Eduardo.

©INAOE 2016 Derechos Reservados

El autor otorga al INAOE el permiso de reproducir y distribuir copias de este reporte técnico en su totalidad o en partes mencionando la fuente.

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Tabla de contenido 1. Introducción .................................................................................................................... 3

2. Descripción del sistema .................................................................................................. 4 3. Configuración del Kit ..................................................................................................... 5

3.1 Bancos .............................................................................................................................. 10 4. Envió y recepción de mensajes de texto entre radios. .................................................. 13 5. Caracterización ............................................................................................................. 14

5.1 Lugar de pruebas .............................................................................................................. 14 5.2 Caracterización de la relación distancia-potencia. ................................................................ 15 5.3 Caracterización del consumo de corriente. ............................................................................. 21

6. Conclusiones ................................................................................................................. 24 7. Referencias .................................................................................................................... 24

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1. Introducción

En este informe técnico se presenta la actividad que se realizó en el programa de

servicio social de los alumnos, Retama Romero Silvio, Tecalero Zaldivar Antonio y

Guadarrama Pérez José Antonio, en conjunto con la Dra. Sánchez Urrieta Susana de la

Facultad de Ciencias de la Electrónica (FCE) de la Benemérita Universidad Autónoma

de Puebla (BUAP); el estudiante de Doctorado Salvador Palacios Juan y el investigador

Dr. Mendoza Torres Eduardo ambos del Instituto Nacional de Astrofísica Óptica y

Electrónica (INAOE).

El objetivo general del servicio social fue caracterizar las capacidades de envió y

recepción de datos del enlace de microondas incluido en el kit DTN900 de Murata; y los

objetivos particulares fueron:

• Revisar la documentación del enlace.

• Identificar las características técnicas primordiales del enlace.

• Configurar el enlace.

• Realizar un reporte.

Con el sistema que se estuvo trabajando en este programa de servicio social fue un

enlace el cual cuenta con las siguientes partes y suplementos:

• 2 radios DNT900P instalados sobre una tarjeta DNT900.

• 2 antenas dipolo de 2dBi.

• 2 fuentes de alimentación de 9 volts con diferentes tipos de conectores a la

línea eléctrica de 120/220 VAC.

• Dos adaptadores de conexión RJ-45 a DB-9F hembra-macho.

• Un cable con conexión a RJ-11/DB-9F.

• Dos cables USB tipo A/B.

• Software y documentación en un CD.

El sistema necesita de una computadora con sistema operativo, Windows XP, Windows

Vista o Windows Seven, con puerto USB o puerto serial que opere a 9.6 kb/s.

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2. Descripción del sistema Con el enlace de microondas incluido en el kit DTN900 de Murata[1] se pueden implementar

los siguientes tipos de redes:

• Redes punto a punto.

• Redes punto-multipunto.

• Redes P2P.

Los elementos que componen el enlace son los siguientes:

DNT900P: Es un transceptor que opera en la banda de 902 a 928 MHz; puede

transmitir con cualquiera de las siguientes potencias de salida : 0 dBm (1mW), 10 dBm

(10mW), 18 dBm (63mW), 24 dBm (250mW), 27 dBm (500mW) y 30 dBm (1 W) y

puede configurarse con velocidades de transmisión escalables a las siguientes opciones:

38.4 kbps, 115.2 kbps, 200 kbps y 500 kbps.

Microcontrolador: Con arquitectura de 32 bits, cuenta con tres convertidores

ADC de 10 bits, dos salidas de PWM de 8 bits, 6 puertos de entrada y salida de propósito

general (GPIO0 a GPIO5), puertos para protocolo de comunicación SPI que pueden ser

configurados como maestros o esclavos.

Antena : Tipo dipolo con sensibilidad de -98 dBm.

Tarjeta : En ella se encuentran los transceptores, un termistor conectado al ADC0,

un resistor variable conectado al ADC1 y leds que indica el estatus de los transceptores.

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3. Configuración del Kit

La configuración para su uso viene dada en una serie de 11 bancos con registros

cada uno, con una función bien establecida. En este reporte sólo se presentarán algunos

de ellos. Si se desea saber más a fondo, será necesario leer la guía detallada que se

encuentra en el CD.

Antes de empezar la configuración del kit, será necesario que se cuente con los

programas DNTDemo y DNTWizard ejecutables disponibles en el CD (NOTA: Es

recomendable tener dichos programas guardados en el escritorio de la PC).

A continuación se muestra los pasos para iniciar la configuración.

1. Localizar los siguientes elementos:

§ 2 Baterías de 9 volts.

§ 2 radios.

§ 2 antenas.

§ 2 cables USB A-B tipo macho.

2. Identificar cada radio para lo cual es necesario revisar la leyenda (“base” o “remote”)

de la calcomanía que se encuentra en la parte de atrás de cada uno.

3. Una vez identificado cada radio, conectar el base con un cable USB a una

computadora; de no ser así no se establecerá el enlace.

4. Colocar la batería a cada uno de los radios.

5. Ejecutar el programa DNTWizard, el cual presenta una interfaz como la que se

muestra en la Figura 1.

Figura 1. Interfaz inicial de DTNWizard

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Al dar clic en el botón “Connect” aparecerá la ventana de la Figura 2, donde se ingresa

el puerto COM asignado al radio base. Para saber que puerto COM se está usando, se

hace desde Administrador de dispositivos de Windows. La forma de entrar a este

administrador puede variar dependiendo de la versión de Windows que se tenga, pero

independientemente de ésta, se debe ingresar a “Panel de control”, hacer clic en

“Hardware y sonido”, después dar clic en “Administrador de dispositivos” y se debe

mostrar una ventana como la de la Figura 3. En “Puertos” aparecen los puertos en

uso, si no se está seguro cual corresponde, basta con desconectar el radio y al conectar

de nuevo, el puerto COM que aparezca será el correspondiente.

Figura 2. Registro del puerto COM

Figura 3. Ventana de Administrador de dispositivos para verificar el puerto COM.

Si el radio se conectó correctamente con la PC, aparecerá una ventana con los datos

de configuración como se muestra en la Figura 4, los que se resaltaron con un

recuadro rojo.

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Figura 4. Interfaz DTNWizard con datos de configuración.

Si la conexión no fue exitosa, volverá a aparecer la ventana de la Figura 1, por lo que se debe

dar clic nuevamente en “Connect” hasta que aparezca la ventana mostrada en la Figura 4.

6. Una vez que el enlace esta conectado correctamente a la PC, podemos acceder a todos

los registros de cada uno de los bancos, para lo que en la interfaz del DNTWizard

debemos ir al menú “Tools” y elegir la opción “Packet Builder”, lo cual nos abrirá

una ventana como la que se muestra en la Figura 5.

Figura 5. Interfaz DNTWizard para escribir o leer registros.

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Esta ventana brinda la posibilidad de leer (“Get Register”) o escribir (“Write

Register”) un registro, por lo que a continuación se presenta un ejemplo de cómo

hacer este proceso:

§ Leer un registro ("Get Register”). Al seleccionar esta opción se mostrarán

tres campos: “Register”, “Bank” y “Spam”, campos que se pueden ver abajo

del recuadro rojo de la Figura 5. Para llenar estos espacios necesitamos contar

con una tabla como la que se muestra en la Figura 6, de donde podemos

obtener el numero (“Register”), el numero del banco (“Bank”) y el tamaño

(“Spam”) del registro que se desea leer. Si por ejemplo queremos leer el

registro que controla la potencia de transmisión del radio (“TxPower”), de la

Figura 6 podemos obtener que el banco es el 0x00 (subrayado con una línea

azul), que el registro es el 0x18 (subrayado con una línea roja) y el spam es

de 1 (señalado con una línea verde).

Figura 6. Ejemplo de lectura de un registro.

La Figura 7 muestra una ventana donde ya se ingresaron estos parámetros. Al

dar clic en el botón “Transmit”, en el recuadro rojo señalado en la Figura 7 se

mostrará la configuración que tiene éste registro. Para el caso de “TxPower”

podrá aparecer un número de 0 a 5, que son las opciones (“Range”) de

configuración que permite éste registro, lo cual esta señalado con una línea

amarilla en la Figura 6.

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Figura 7. Ingreso de parámetros para leer un registro.

§ Escribir un registro ("Write Register”). Para realizar esta función, se deberá

de elegir en la pestaña “Packet Type” la opción de “set register”, la que

presenta una interfaz parecida a la de “get register”, con la diferencia de que

ahora nos pide un cuarto parámetro (“Value”), el cual solo acepta valores que

estén dentro del rango permisible de cada registro (valores señalados con una

línea amarilla de la Figura 6). Continuando con nuestro ejemplo, si ahora se

desea modificar la potencia de transmisión del radio a 500 mW, se deberá

escribir en “Register” 0x018, en “Bank” 0x00, en “Spam” 1 y en “Value” 4;

con lo que al dar clic en “Transmit”, en el recuadro rojo dela Figura 7

aparecerá el valor de 4.

Para leer y escribir los registros del radio remoto, se hace el mismo procedimiento

con la única diferencia de que ahora se elige en la pestaña del “Packet type” la opción

de “Get register remote” o “Set register remote” según sea el caso.

0x018 0x00 1

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3.1 Bancos En esta sección se presentan algunos bancos con las configuraciones básicas de los radios,

cuyos parámetros se enlistan en tablas que contienen las siguientes columnas: “Bank” que

hace referencia al número de banco, “Loc’n ” referente al número de registro, “Size in Bytes”

que es igual al “Spam”, “Range” que indica el rango de valores aceptables de configuración

para cada registro, y “Default, Options” que explica la configuración corresponde a cada

valor de “Range”.

§ Banco 0. Con este banco se encuentra las configuraciones esenciales de los

radios, ya que podemos podemos elegir la función de cada uno de ellos (base,

remoto o router), la velocidad, así como modificar la potencia de transmisión

entre otras. Los registros que contiene este banco se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1. Banco 0

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§ Banco 1. Con este banco podemos, entre otras cosas, configurar el modo de

acceso de los radios. Los registros que contiene este banco se muestran en la

Tabla 2.

• Banco 2. Con este banco podemos configurar, entre otras cosas, los parámetros

de la red de los radios. Los registros que contiene este banco se muestran en la

Tabla 3.

Tabla 2. Banco 1

Tabla 3. Banco 2

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§ Banco 3. Con este banco se configura todo lo relacionado con el protocolo de

comunicación SPI. Los registros que contiene este banco se muestran en la

Tabla 4 Tabla 2. Banco 3

§ Banco 5. Con este banco se configura el registro en los puertos de entrada y

salida de propósito general, así como en los puertos ADC y PWM, de los

eventos que ocurren en tiempo real. Los registros que contiene este banco se

muestran en la Tabla 5.

NOTA: Para una descripción más detallada de todos los registros en cada banco, referirse a

la guía extendida que proporciona el fabricante [2].

Tabla 3. Banco 5

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4. Envió y recepción de mensajes de texto entre radios. Con el software DNTDemo nos permite ver el estado de los puertos de entrada y salida; que

también ofrece la oportunidad de transmitir mensajes de texto, es decir nos permite hacer un

chat entre radios, para lo cual es será necesario hacer los siguientes pasos.

1. Realizar los pasos del 1 al 4 de la configuración del kit.

2. Ejecutar el programa DNTDemo con lo que aparecerá la ventana mostrada en la

Figura 8. Al dar clic en el botón “Connect”, nos solicitara el puerto COM asignado al

radio. Cuando estén conectados ambos radios, en la ventana serán visibles algunos

datos por ejemplo la “Mac Address”.

Figura 8. Ventana inicial de DNTDemo.

3. Al dar clic en la pestaña “Transmit Tools” aparecerá la ventana mostrada en la Figura

9. Para enviar y recibir texto, hace falta indicar la dirección MAC del radio con el

cual queramos iniciar el chat, para lo cual es necesario verificar en la sección “Status

Window” la Mac Address del radio remoto con el cual se comunicará el base. Esta

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dirección debe coincidir con la que aparece en el espacio indicado en “MAC

Address”.

Figura 9. Ventana para envío y recepción de texto.

4. El texto que se desea transmitir, se debe escribir en el espacio “Data to Transmit” y

dar clic en el botón “Transmit”. Los mensajes recibidos se visualizarán en el espacio

de “ReceivedData” de la Figura 9.

5. Caracterización

5.1 Lugar de pruebas El lugar donde se hicieron las pruebas de transmisión y recepción de datos fue dentro de

Ciudad Universitaria de la BUAP. La Figura 10 muestra el mapa de ubicación, en donde el

punto A indica el sitio donde se colocó el radio base, el cual se mantuvo fijo; mientras que el

punto B indica el lugar del radio remoto, el cual se fue moviendo a lo largo de la flecha roja.

Es importante mencionar que las pruebas se realizaron con línea de vista entre los radios, en

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días soleados, el lugar tiene arboles, edificios a su alrededor y es transitado tanto por personas

como por autos.

Figura 10. Mapa de Ubicación

5.2 Caracterización de la relación distancia-potencia.

Para realizar las pruebas de distancia contra potencia, primero se establece la potencia de

transmisión en el radio remoto (0 – 30 dBm), con ayuda del software DNTDemo se obtuvo

la lectura de la potencia recibida en el radio base al variar la distancia entre radios. Otro

parámetro con el que se trabajó fue la velocidad de transmisión (data rate de 38.4 a 500 kbps),

el cual se establece en el radio remoto y en el DNTDemo se registra el porcentaje de bits

correctos recibidos en el radio base.

Una vez definida la distancia de prueba, se verificó que existiera enlace entre los radios para

lo que se usó el potenciómetro con el que se cuenta. Lo que se hizo fue modificar la posición

del potenciómetro en la tarjeta donde se encuentra el radio remoto, lo que provoca un cambio

del dato a transmitir, esto se ve reflejado en el DNTDemo del lado del radio base. Si existe

el enlace cambia el dato recibido y registramos la potencia con la que se recibió; en caso de

que no se registre ningún cambio en el dato recibido, significa que se perdió conexión entre

los radios.

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Antes de presentar los resultados obtenidos de las pruebas realizadas, cabe resaltar algunas

situaciones que pudimos observar durante las mediciones:

• No se puede verificar la potencia de transmisión mientras el enlace esta activo, ya

que solamente permite configurarla pero no da la lectura de ésta en tiempo real.

• En algunas mediciones la potencia recibida cambia abruptamente a pesar de que

la distancia no variaba, incluso había ocasiones en que se perdía el enlace.

• Cuando se perdía el enlace, era necesario acortar la distancia entre los radios

debido a que en el punto de perdida no se lograba restablecer.

• El porcentaje de carga de la pila afecta el funcionamiento del enlace, ya que

cuando esta tenía poca carga, la perdida del enlace se hacia frecuente.

• El porcentaje de bits correctos oscilaba entre 99 y 100%, independientemente de

la potencia y velocidad de transmisión, e incluso de la distancia entre los radios.

De las pruebas realizadas se presentan los siguientes casos:

Prueba 1: Mínimas velocidad y potencia de transmisión.

Velocidad de transmisión: 38.4 kbps.

Potencia de transmisión: 0 dBm.

Grafica 1. Prueba 1, Data Rate: 38.4 kbps y Potencia Tx: 0 dBm.

Prueba 2: Mínima velocidad y máxima potencia de transmisión.

Velocidad de transmisión: 38.4 kbps.


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Grafica 2. Prueba 2, Data Rate: 38.4 kbps y Potencia Tx: 30 dBm.

Observaciones: De las graficas 1 y 2 se nota que:

• En los primeros metros el enlace no tiene un comportamiento esperado ya que al

aumentar la distancia aumenta la potencia.

• A partir de cierta distancia (3.5 m para 0 dBm y 10.8 m para 30 dBm) la potencia

tienen un comportamiento esperado ya que disminuye conforme aumenta la distancia.

• A mayor potencia de transmisión se logra mayor alcance (88 m y 173 m para 0 y 30

dBm respectivamente).

Prueba 3: Máxima velocidad y mínima potencia de transmisión.

Velocidad de transmisión: 500 kbps.


Grafica 3. Prueba 3, Data Rate: 500 kbps y Potencia Tx: 0 dBm.

Prueba 4: Máximas velocidad y potencia de transmisión.



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Observaciones: De las graficas 3 y 4 se nota que:

• La máxima velocidad de transmisión solo permite configurar como máxima potencia

27 y no 30 dBm que es lo máximo que ofrece el enlace.

• Estas graficas presentan el mismo comportamiento de las pruebas 1 y 2.

• El alcance obtenido a 0 dBm fue prácticamente el mismo que en la prueba 1.

• En la prueba 4, el alcance fue mayor que con la de mínima velocidad (prueba 2) a

pesar de que la potencia máxima fue de 27 dBm.

Prueba 5:




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Prueba 6:




Prueba 7:




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Prueba 8:




Observaciones: De las graficas 5 a 8 se nota que:

• Las pruebas a 200 kbps se reportaron debido a que con esta velocidad se logro el

mayor alcance.

• La oscilación en la potencia recibida fue menor que en la máxima y mínima velocidad

de transmisión.

• Durante estas pruebas, la medición de la potencia recibida tuvo un comportamiento

mas estable comparado con las otras velocidades, donde a una distancia determinada

la potencia cambia drásticamente provocando la perdida del enlace.

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5.3 Caracterización del consumo de corriente.

Para medir la corriente consumida cuando el enlace esta activo, la tarjeta de desarrollo cuenta

con el jumper J14 mostrado en la Figura 11, el cual se debe retirar y en su lugar colocar un

amperímetro.

Figura 11. Jumper para la medición de corriente

Las mediciones registradas al variar la potencia de transmisión se muestran en las Tablas 1 a

4 para 500, 200, 115.2 y 38.4 kbps respectivamente, que son las velocidades que permite

configurar el kit.

Tabla 1. Consumo de corriente a 500 kbps Tabla 2. Consumo de corriente a 200 kbps

Tabla 3. Consumo de corriente a 115.2 kbps Tabla 4. Consumo de corriente a 38.4 kbps velocidad 115.2 kbps potencia corriente (mA) 30 dBm 141 27 dBm 133 24 dBm 129 18 dBm 117 10 dBm 114 0 dBm 109

velocidad 500 kbps potencia corriente (mA) 30 dBm -‐-‐-‐-‐ 27 dBm 112 24 dBm 112 18 dBm 111 10 dBm 111 0 dBm 109

velocidad 200 kbps potencia corriente (mA) 30 dBm 130 27 dBm 123 24 dBm 120 18 dBm 114 10 dBm 112 0 dBm 109

velocidad 38.4 kbps potencia corriente (mA) 30 dBm 143 27 dBm 132 24 dBm 128 18 dBm 117 10 dBm 113 0 dBm 109

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Observaciones: De las Tablas 1 a 4 se nota que:

• El consumo de corriente y la potencia de trasmisión guardan una relación directa,

independientemente de la velocidad de transmisión.

• Con la mínima potencia de transmisión (0 dBm), todas las velocidades tuvieron el

mismo consumo de corriente (109 mA).

• Con las potencias máximas se nota una disminución en el consumo de corriente al

aumentar la velocidad de transmisión.

• El rango en la corriente consumida fue menor a mayor velocidad de transmisión.

Debido a las dimensiones de las tarjetas de este enlace y los requerimientos de la aplicación

en un satélite tipo CANSAT, este kit no cubriría los requerimientos por lo que se presenta la

siguiente propuesta:

Modulo XBEE PRO 900HP

El modulo Xbee Pro 900HP[3], con dimensiones de 32.99 mm por 22.00 mm provee de una

conectividad en radiofrecuencia de 902 a 928 MHz, con un alcance máximo de conexión de

6.5 km y una tasa de transmisión de datos de hasta 200 Kbps, lo que permitiría enviar datos

desde un lugar a otro para su procesamiento en tiempo real. Requiere del software libre

XCTU para su conexión a una PC, el cual posee una herramienta para seleccionar un solo

canal de transmisión a fin de evitar interferencias.

En la Tabla 5 se muestran las características técnicas[3] del modulo:

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Tabla 5. Especificaciones Xbee-‐PRO 900HP

Figura 12. Dimensiones de modulo XBEE PRO 900HP

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6. Conclusiones

Al finalizar este trabajo de servicio social se tienen las siguientes conclusiones:

• La potencia recibida tienen una relación inversa con la distancia, ya que ésta

disminuye conforme aumenta la distancia.

• El alcance tiene una relación directa con la potencia de transmisión, ya que se logra

mayor alcance al aumentar la potencia.

• Con la máxima velocidad de transmisión (500 kbps), el alcance obtenido con la

mínima potencia (0 dBm) fue prácticamente el mismo que con la mínima (38.4 kbps).

Además, con la máxima potencia el alcance fue mayor que con la de mínima

velocidad a pesar de que la potencia máxima fue de 27 dBm.

• El máximo alcance se logro con la velocidad de 200 kbps.

• El consumo de corriente y la potencia de trasmisión guardan una relación directa,

independientemente de la velocidad de transmisión.

• Con la mínima potencia de transmisión (0 dBm), todas las velocidades tuvieron el

mismo consumo de corriente (109 mA).

• Con las potencias máximas se nota una disminución en el consumo de corriente al

aumentar la velocidad de transmisión.

• El rango en la corriente consumida fue menor a mayor velocidad de transmisión.

• Debido a las dimensiones del kit DNT900 se propuso un modulo XBEE PRO900.

7. Referencias

• [1]Wireless Murata Manufacturing [online]. USA: Murata, 2015 Disponible en:

http://www.mouser.mx/ProductDetail/Murata-

Electronics/DNT900DK/?qs=xvTjQbhLFHJbpXkICxzJQg%3D%3D

• [2] Murata Manufacturing, DNT900 Series Integration Guide, Murata, 2009.

• [3]MCI Electronics [online] Chile, Xbee, disponible en: http://xbee.cl

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