DISEÑO
DE UN MAGNETÓMETRO ASISTIDO POR ORDENADOR.
Capítulo 7.
El GPS Seleccionado.
7.1. El Módulo GPS
SiRF star III TM MTI-6 de Stars Nav.
El módulo GPS MTI-6 de Starsnav basa su funcionamiento en la tecnología de circuitos
integrados microcontrolados de alta sensibilidad que apoya la determinación de sistema GPS.
Esta tecnología recibe el nombre de
SiRF star III TM y es propietaria de SiRF Technology Holdings, Inc.
Este sistema GPS es diseñado especialmente bajo el modelo OEM
( 2 ), lo que permite que, de manera flexible, se implementen nuevos desarrollos integrados sobre esta tecnología.
El módulo GPS
MTI contiene LNA, un filtro SAW ( 3 ), Reset IC, RTC X-tal, TCXO y regulación. Además incorpora un led
para indicar posición o status del GPS. En la figura 7.1 se muestra una imagen del módulo GPS
MTI-6 de la compañía StarsNav [30].
Figura 7.1: Fotografía del módulo GPS
MTI-6.
( 2 ) OEM (abreviatura del inglés Original Equipment Manufacturer, en español sería Fabricante de Equipos Originales
[F.E.O.]). Empresas o personas que adquieren dispositivos al por mayor para ensamblar computadoras o equipos de
forma personalizada que presentan con su propio nombre.
( 3 ) El ltro SAW (Surface Acoustic Wave) es un tipo de
filtro que utiliza las ondas de la superficie de un elemento
piezoeléctrico para cortar las bandas laterales indeseables de la señal deseada a obtener.
7.2. Características y
Beneficios.
-Tasa máxima de muestreo de 1 Hz.
-Tipo de receptor: Frecuencia L1, Código C/A, 20 canales.
-Tiene una exactitud menor de 10 metros.
-Límite de operación: Altitud < 18,000m (60,000ft) velocidad < 515m/s (1,000 nudos).
-Tiempo de inicio: en frío 60s , en tibio 38s y en caliente 8s.
-Protocolo NMEA 0183 con cadenas de mensajes: GLL, GGA, RMC, VTG, GSV, GSA todos
con checksum SiRF Binario habilitado.
-Es un sistema completo autocontenido de reducido espacio y peso.
-Sus dimensiones son 70.15mm x 40.6mm x 14.1mm.
-Interfaces de datos serie a RS-232 (CMOS 3.3
Volts).
-Fuente de Alimentación no regulada de 3.8 a 6.5 voltios DC.
Está completamente blindado.
Utiliza completamente la tecnología
SiRF star III TN GPS.
-GSP3f (Máquina GPS con Flash y Procesador integrados).
-GRF3w ( GPS RF de alta integración.
-Amplificador de bajo ruido.
Tiene un filtro SAW.
-Posee un oscilador de cuarzo de temperatura controlada
(TCXO).
-Maneja un reloj de tiempo real de 32.768 KHz RTC X-tal.
-Rápido inicio.
7.3. Comunicación de los Datos.
El sistema GPS posee un canal de entrada serial RXA y otro de salida TXA para su
configuración y la salida de los datos procedentes del satélite.
De acuerdo al sistema de datos seleccionado, se
debe elegir la tasa de datos (Baud Rate) a usarse en el sistema. El módulo usa por defecto una
configuración de 9600 bps para una salida NMEA ( 4 ).
NMEA 0183, mejor conocida simplemente como
NMEA de forma abreviada, es una especificación combinada eléctrica y de datos entre aparatos
electrónicos marinos y receptores GPS.
Ha sido definido, y está controlado, por la organización
Estadounidense National Marine Electronics Association de la cual se derivan sus siglas.
Este trabajo usa el protocolo NMEA para todos sus efectos, por lo que se requiere una ampliación pertinente [30].
( 4
) http://www.nmea.org
Cuadro 7.1: Tasa máxima de baudios por protocolo.
7.3.1. Protocolo NMEA.
La salida NMEA es EIA-422A, pero para la mayoría de los propósitos puede considerarlo
RS-232 compatible. Todos los datos son trasmitidos a través de sentencias con
caracteres ASCII, cada
sentencia comienza con "$" y termina con <CR>
<LF> (CR: Carriage Retun, LF: Line Feed).
Los primeros dos caracteres después de $ son los que
identifican el equipo, y los siguientes tres caracteres son el
identificador del tipo de sentencia que se está enviando. Los tres tipos de sentencias
NMEA que existen son los de envío (Talker Sentences), Origen del equipo (Proprietary
Sentences)
y consulta (Query Sentences).
Los datos están delimitados por coma y deben incluirse todas las
comas, ya que actúan como marcas. Una suma de verificación adicional es agregada opcionalmente
(aunque para algunos tipos de instrumento es obligatoria).
Las señales que generalmente utilizan un protocolo NMEA son:
-GPS.
-Compás magnético.
-Radar o Radar ARPA.
-Ecosonda, profundidad.
-Sensores de velocidad, magnéticos, dopler o mecánicos.
-Instrumentos meteorológicos.
-Transductores.
-Reloj atómico, quarzo, cronómetro.
-Sistemas de navegación integrados.
Comunicaciones satelitales o de radio.
En la figura 7.2 se considera un ejemplo en el cual se explica el
significado de cada uno de los datos
entregados por el sistema GPS con el protocolo NMEA para la cadena GPGGA
[30][37].
Figura 7.2: Datos de protocolo NMEA con GPGGA.
7.4. Interfase Físico del Sistema y su Descripción.
El sistema GPS, en su modalidad OEM, puede integrase de manera relativamente simple a otros
equipos si se tienen en cuenta las observaciones que se describen en esta sección [30].
7.4.1. RESET.
Se puede reiniciar el sistema presionando de manera externa el
botón de RESET por al menos 1 µs. Si no se usa, se puede dejar desconectado ya que hay una resistencia pull-up de 10k.
El botón de RESET también se puede usar para despertar la unidad y solicitar una posición
fija.
El ancho del pulso mínimo es de 1 µs. En la
figura 7.3 se aprecian las vistas superior y lateral del sistema GPS.
Figura 7.3: Vista superior y lateral del sistema GPS OEM.
Las dimensiones se entregan en milímetros [30].
7.4.2. La Entrada RF.
La línea sobre la tarjeta impresa que viene desde la antena o su conector tiene que ser una línea
de impedancia controlada (Microconta de 50).
7.4.3. VBAT.
Esta es fuente de respaldo de la batería que proporciona energía a la SRAM y al RTC cuando el
sistema está apagado. Sin esta pila de respaldo, el sistema ejecutaría un inicio en frío cada vez que
se prende. Para lograr un encendido más rápido en caliente o tibio, se debe conectar la
batería en el circuito impreso. En la tabla del cuadro 7.2 se aprecia la descripción detallada del uso de cada
pin.
Cuadro 7.2: Disposición de pines de la interfase del GPS.
7.4.4. Conexión Serial de TTL a Serial PC.
El MAX232 es un circuito integrado que convierte los niveles de las líneas de un puerto
serie RS232 a niveles TTL y viceversa.
Este solamente necesita una alimentación de 5V, ya que
internamente genera las tensiones necesarias para el estándar RS232. Otros integrados que manejan
las líneas RS232 requieren dos voltajes, +12V y -12V. En la
figura 7.4, en su parte (a), se muestra la posible adaptación del módulo GPS al computador personal o, en este caso, al adaptador Serial
232 a Ethernet haciendo uso del circuito integrado MAX232. La
figura 7.4 en su parte (b) muestra los pines del GPS y en la parte (c) la disposición de pines del circuito integrado MAX232 [36].
El circuito integrado posee dos conversores de nivel TTL a RS232 y otros dos que, a la inversa,
convierten de RS232 a TTL.
Estos conversores son
suficientes para manejar las cuatro señales más utilizadas del puerto serie
del PC, que son TX, RX, RTS y CTS.
TX es la señal de transmisión de datos, RX es la de recepción, y RTS y CTS se utilizan para
establecer el protocolo para el envío y recepción de los datos [30][36] .
Figura 7.4: Sistema de Conversión TTL a Serial.
7.5. Precauciones con el Sistema GPS.
El sistema no posee un método de protección contra sobre tensiones, por lo que se debe tener
en la cuenta los valores máximo a los cuales se puede someter el GPS. Si a este se le aplican valores
sobre los máximos permitidos, se puede causar un daño permanente en el sistema o producir una
pérdida importante en la confiabilidad de este.
En la figura 7.5 se muestran los valores extremos de
tolerancia [30].
Figura 7.5: Valores extremos máximos permitidos para el GPS.
Capítulo 8.
Sistema Integrado Inalámbrico Ethernet Wiport.
El sistema Servidor Wiport de Lantronix es una solución que brinda capacidades de red Ethernet
estándar basada en el protocolo IEEE 802.11b.
Wiport permite a los fabricantes de equipos originales
(OEM) agregar capacidades de conectividad inalámbrica a los productos
incorporando en los circuitos ya existentes una mínima ingeniería [31] .
Figura 8.1: Kit de Desarrollador de Wiport de Lantonix.
El Wiport funciona independiente del computador personal PC, brindando una solución integrada
que combina un procesador, memoria, un transceiver 802.11b y un par de puertos seriales de alta
velocidad en un único y compacto módulo. Este incluye una conexión inalámbrica (WEP), un sistema
operativo, un servidor web incrustado y la pila completa del protocolo TCP/IP. Además, el módulo
Wiport envía alertas de email y soporta muchos otros protocolos de comunicación dentro de los que
se destacan ARP, UDP, TCP, ICMP, Telnet, AutoIP, DHCP, HTTP y
SNMP.
El corazón del sistema de desarrollo está formado por el circuito integrado Wiport, el cual se
presenta en la figura 8.2 con la distribución de pines en la parte (a) y su etiqueta en (b) [31].
Figura 8.2: Distribución de pines del circuito integrado Wiport.
8.1. Características y Benecios del Circuito Integrado Wiport.
-Posee dos interfases seriales V24 de 3.3v con tolerancia de 5v.
-Puede transmitir hasta una tasa de 921600 baudios.
-Opera en un rango de frecuencia de 2.4012.495 GHz.
-Puede utilizar 14 canales.
-Tiene seguridad WEP
64/128,WPA,TKIP-
-El rmware del sistema es actualizable a través de TFTP.
-El sistema tiene un alcance de 100m en interiores.
-Consume entre 710 mW y 1280 mW.
-Es administrable vía Web, Telnet, SNMP y serial.
Tiene una masa de 29 g.
-Posee memoria ash de 16 0 32 Mbits con un módulo de memoria adicional opcional de 8
Mbits.
-Tiene un reloj de 88 MHz.
-Su interfase es 802.11b.
Cuenta con 11 pines
configurables.
-Maneja una interfase Ethernet 10/100.
-Opera y requiere una fuente de poder de 3.3v.
-Puede funcionar en un rango de temperatura entre-40oC hasta
70º C.
8.2. Comunicación de los Datos.
8.2.1. Entradas y Salidas Seriales.
El circuito integrado Wiport puede manejar dos puertos seriales compatibles con los estándares
seriales V24 a una tasa de hasta 921 Kbps.
Las señales de entrada y salida son niveles lógicos CMOS.
de 3.3V. Las señales seriales se conectan a un dispositivo interno tal como una UART. El kit de
evaluación y desarrollo, utilizado en este proyecto, tiene 2 puertos seriales [31].
8.2.2. Entrada y Salida Ethernet.
Las líneas de comunicación Ethernet se llevan a un conector externo RJ-45. Este conector se
utiliza para hacer la conexión Ethernet física sin recurrir a la inalámbrica. Para usarles se debe
seleccionar solo una de ellas; ambas no funcionan simultáneamente. El LED 1 de enlace Ethernet se
puede usar para controlar un LED externo que se enciende cuando hay un enlace activo. El LED 2
de actividad Ethernet parpadea cuando hay actividad. La tabla del cuadro 8.1 muestra los pines de
la interfase Ethernet del Wiport de acuerdo a la figura 8.2 donde se aprecia la distribución física de
los mismos sobre el integrado de 40 pines [31].
Cuadro 8.1: Distribución de pines de la interfase Ethernet.
8.3. Interfase del Circuito Integrado Wiport del Sistema y su
Descripción.
A continuación se describirán algunos de los elementos más destacados del circuito integrado
Wiport y de la tarjeta de desarrollo del módulo del sistema inalámbrico
Wiport. En la figura 8.3 se muestra el diagrama de bloques del circuito integrado corazón del sistema de desarrollo [31].
Figura 8.3: Diagrama de bloques del sistema.
8.3.1. Leds Indicadores WLAN.
Los Leds indicadores de energía WLAN se usan para monitorear el estado de radio transmisor.
Cuando el LED de energía WLAN permanece prendido, quiere decir que el transmisor está
funcionando de manera normal; cuando este parpadea,
significa que el transmisor está en modo de economía de energía. El LED de actividad WLAN se usa para ver el estado del transmisor
inalámbrico. Cuando el LED está parpadeando, significa que este está recibiendo o transmitiendo
datos y cuando está apagado, quiere decir que no hay actividad en la transmisión.
La tabla que se encuentra en el cuadro 8.2 ilustra los pines usados para los LEDs WLAN de acuerdo a la distribución
de pines del la figura 8.2.
Cuadro 8.2: Distribución de pines de los LEDS WLAN.
8.3.2. El Suministro, la Tierra y el Reinicio.
El sistema se reinicia si se hace bajo el estado del pin RESET del circuito integrado con un pulso
de una duración mínima de 2ms con una corriente de entrada en bajo de -500
µA.
Cuadro 8.3: Distribución de pines de los pines de Suministro, Tierra y Reinicio.
8.3.3. Fuente de Poder de Módulo
Wiport.
El circuito integrado es alimentado con 3.3V. Este posee internamente un sistema de protección
y filtrado de la señal.
8.4. Precauciones con el Circuito Integrado Wiport.
El cuadro 8.4 muestra los valores máximos permitidos para la correcta operación del sistema. El
exceder dichos valores puede causar la incorrecta operación del equipo o su daño permanente. Estas
restricciones son igualmente válidas para el sistema completo de evaluación y desarrollo que hace
uso del circuito integrado.
Cuadro 8.4: Valores máximos del módulo Wiport.
8.5. El Sistema de Desarrollo y Evaluación Wiport.
El sistema de la tarjeta de evaluación y desarrollo Wiport es ideal para probar y desarrollar
prototipos con el circuito integrado servidor Wiport. Este se alimenta a 3.3V. La tarjeta de desarrollo
tiene acceso a los dos puertos seriales disponibles en el circuito integrado. Un complejo dispositivo
lógico programable (CPLD) controla los LEDs de estado del sistema y permite
configurar las conexiones externas.
En la figura 8.4 se presenta la tarjeta madre que da forma al sistema de desarrollo Wiport (tarjeta
madre+circuito integrado Wiport) con la distribución de pines y conectores del sistema completo
[31].
Figura 8.4: Distribución de pines del módulo Wiport.
El cuadro 8.5 presenta las señales
RS-232 y los pines que le corresponden a este. Se debe notar que
los datos del circuito Wiport y las señales de control de
flujo del hardware son realmente amplificadas por la tarjeta de evaluación que posee el
CPLD.
Cuadro 8.5: Pines de los puertos seriales de la tarjeta de desarrollo Wiport.
8.5.1. Banco de Jumpers de
Configuración.
En el cuadro 8.6 ilustra en detalle la utilidad de cada uno de los pines del sistema de evaluación
y desarrollo. Esta tabla se complementa con la figura 8.4 donde se aprecia un esquema general de
los pines y jumper.
Cuadro 8.6: Jumpers del sistema de evaluación y desarrollo Wiport.
8.5.2. Configuración del Sistema de Desarrollo Wiport.
8.5.2.1. Asignación de la Dirección IP.
La dirección IP del módulo Wiport es asignada por defecto desde fabrica por DHCP. La
dirección del hardware está sobre la etiqueta del circuito integrado. Se puede cambiar la dirección
de manera manual si así se requiere. Cuando se configura por primera vez el sistema, es necesario
accederlo vía puerto serial o a través de Telnet. El sistema posee un software propietario para
efectuar la configuración inicial, pero se hace más universal realizarlo por el puerto Serial o
Telnet.
Posteriormente, en este mismo documento, se describe la manera general de efectuar la
configuración del módulo para el desarrollo del proyecto
Colmagnet.
Capítulo 9.
El Tratamiento de los Datos.
9.1. Promedio de los Datos.
El sistema magnetométrico toma muestras de los ejes X, Y y Z relativos del magnetómetro a
razón de 20 muestras por segundo. La totalidad de estas no pueden ser almacenadas, ya que esta en
cuestión de pocas horas llenaría cualquier base de datos y presentaría información que puede resultar
irrelevante o redundante. Como criterio general para este tipo de sistemas, Colmagnet publica datos
de las muestras solo cada minuto, pero sin descartar las tomadas durante todo el período; para ello
se efectúa el promedio de todas las muestras N tomadas durante el intervalo
definido, el cual suele ser de un minuto.
La ecuación 9.1 ilustra el procedimiento básico del promedio calculado para el eje Z medido por
el campo magnético terrestre. Los otros ejes se calculan sus promedios de manera similar.
(9.1)
La gura 9.1 muestra el código parcial desarrollado para calcular el promedio de los datos en
ASP 3.0 ( 1 ).
Esta función forma parte del archivo
funciones.asp.
Figura 9.1: Código ASP para el cálculo del promedio de los datos.
( 1 ) Lenguage script de programación Active Server Pages de Microsoft.
Los cálculos del promedio generados por el aplicativo cada intervalo de tiempo, el cual es
usualmente de un minuto, se grafican a través de la página web diseñada por el equipo de
Colmanget.
En la figura 9.2 se muestran los datos del promedio de la magnitud por minuto para un día cualquiera
[14].
Figura 9.2: Gráfica del promedio por minuto de la magnitud del campo magnético terrestre.
9.2. Desviación Estándar.
la desviación estándar es una medida de variabilidad que también toma en cuenta la dispersión
de los valores de los datos respecto a su media. Sin embargo, su
significado es más valioso que el de la varianza, pues su resultado se encuentra expresado en las mismas unidades de la variable que
se examina y no en valores elevados al cuadrado como lo hace la varianza. La desviación estándar
se representa mediante la letra griega para el caso de una población, o por S en el caso de una
muestra. Se obtiene sacando la raíz cuadrada al resultado de la varianza, no importa si ésta se trata
de una varianza para datos no agrupados o para datos agrupados, o provenientes de una muestra o
de una población. Al proporcionar sus resultados en unidades no cuadradas, la desviación estándar
es muy fácil de interpretar y su resultado tiene mayor
significado en el análisis de un fenómeno [14].
(9.2)
En la figura 9.3 se presenta la función de ASP que calcula la desviación estándar. Esta función
fue desarrollada por el grupo de trabajo de Colmagnet para la versión web del proyecto. Esta función
se encuentra en la librería funciones.asp.
Figura 9.4: Análisis estadístico básico de los datos del campo magnético por fecha.
9.4. Derivada de los Datos.
La derivada de una función permite apreciar más fácilmente los cambios en esta. Al encontrarse
este problema inmerso en una representación discreta de los datos, se debe recurrir a este tipo de
implementación. Existen varias alternativas para su
definición, pero el equipo de Colmagnet ha optado por la presentada en la ecuación 9.4, donde N es el número total de muestras y t es el
intervalo de tiempo entre las muestras que, para el caso de Colmagnet, es 1 minuto.
La derivada se define como la tasa de cambio del campo magnético con respecto al tiempo. Para
efectos del cálculo discreto, se tiene que considerar que el muestreo es periódico.
(9.4)
En la figura 9.5 se presenta la función de ASP que calcula la derivada discreta de los datos. Esta
función fue desarrollada por el grupo de trabajo de Colmagnet para la versión web del proyecto. La
función Derivada se encuentra en la librería
funciones.asp.
Figura 9.5: Código ASP para el cálculo de la derivada.
La figura 9.6 ilustra la deriva de los datos de la magnitud promedio por minuto para un día. Esta
permite, de manera más simple, evaluar los cambios en el campo magnético a simple inspección [21].
Figura 9.6: Gráfica de la deriva de los datos promedio.
9.5. Análisis en Frecuencia.
Para eludir las limitaciones del análisis de la forma de onda en el tiempo, es común llevar a cabo
un análisis de frecuencias, también denominado análisis de espectro de la señal. La gráfica en el
dominio del tiempo se llama la forma de onda, y la gráfica en el dominio de la frecuencia se llama el
espectro. El análisis del espectro es equivalente al transformar la información de la señal del dominio
de tiempo en el dominio de la frecuencia. Este procedimiento
permite encontrar las frecuencias que componen la señal estudiada.
Análogo a la serie, la transformada de Fourier descompone la señal en senos y cosenos de
diferentes frecuencias y amplitudes. Es de destacar que el uso de esta transformada implica la solución de
integrales que hacen el análisis contínuo para todo tiempo. En la práctica, no siempre es posible por
el consumo de tiempo o el desconocimiento de la función original, puesto que solo se poseen datos
discretos resultantes de una captura. En las aplicaciones de ingeniería y tratamiento de señales,
resulta más útil considerar el proceso de manera discreta y no contínua, ya que los sistemas de
adquisición de datos no pueden obtener ni analizar la totalidad de la información capturada.
La transformada de Fourier discreta, designada usualmente con la abreviatura
DFT ( 2 ), es la transformada de Fourier ampliamente empleada en tratamiento de señales y en campos
afines para analizar las frecuencias presentes en una señal muestreada. La transformada de Fourier discreta puede
calcularse de modo muy eficiente mediante el algoritmo de la transformada rápida de
FourierFFT ( 3 ).
La ecuación 9.5 presenta el procedimiento para el cálculo de la DFT,
donde N es el número total de muestras, n es la enésima muestra original, j es la unidad imaginaria para el cálculo de Euler y k es
el K-ésimo término a calcular de la DFT [21].
( 2 ) Discrete Fourier Transform.
( 3 ) Fast Fourier Transform.
(9.5)
La implementación de la DFT en ASP ha requerido la creación de otras funciones básicas tales
como euler_R, euler_I y logx ya que estas son recurrentemente
utilizadas. Aunque no se implementó el algoritmo rápido de la DFT, a la función creada se le ha asignado el nombre FFT puesto que
realiza los mismos cálculos pero de manera más lenta.
En la figura 9.5 se presenta parte del código
ASP que se ha utilizado para la implementación de la función
fftmag, la cual calcula la magnitud de la DFT. De igual forma que las anteriores, esta función está incluida en el archivo que forma la
librería funciones.asp.
Figura 9.7: Código ASP para el cálculo de la DFT.
La gráfica de la magnitud de la DFT requiere que a esta se
grafique de forma logarítmica. La figura 9.8 presenta la DFT de los datos generados para un día por el magnetómetro. Un excelente
análisis requiere mejorar el muestreo o aplicar un procedimiento como el de la Entalpía Máxima y
un análisis Wavelet que se encuentran fuera del alcance de este trabajo.
Figura 9.8: Gráfica de la DFT de los datos de un día.
9.6. El Histograma.
Cuando se trata de analizar la dispersión que presentan unos datos, la representación gráfica
más adecuada es el histograma. Para realizar un histograma se marcan una serie de intervalos sobre
un eje horizontal, y sobre cada intervalo se coloca un rectángulo de altura proporcional al número
de observaciones que caen dentro de dicho intervalo las cuales se denominan frecuencias. De esta
manera, el histograma de frecuencias resulta muy útil para representar gráficamente la distribución
de frecuencias. Si se pretende comparar varios histogramas construidos con distinto número de datos,
es preferible que las alturas de los rectángulos sean proporcionales al porcentaje de observaciones en
cada intervalo [21].
Figura 9.9: Código ASP que permite calcular los valores de las frecuencias del Histograma.
En la gráfica 9.9 se muestra el código ASP que permite generar las frecuencias para los
intervalos definidos. Esta función se debe complementar con otras más, para así generar el archivo
histograma.txt que se grafica a través de la página web de Colmagnet
con la ayuda del componente Flash de AmCharts ( 5
).
En la figura 9.10 se entrega la captura de la imagen del histograma de los datos para un día.
Esta gráfica es totalmente dinámica y se puede
recalcular periódicamente seleccionando el intervalo deseado.
( 5 ) http://www.amcharts.com/
Figura 9.10: Gráfica del histograma para los datos de un día de la magnitud del campo magnético
terrestre