Indice
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Indice
Indice ____________________________________________ i Indice delle Figure ________________________________ iii Premessa _________________________________________ 1 Capitolo 1: Gli ultrasuoni ____________________________ 2 1.1 Natura del suono _____________________________________ 2 1.2 Meccanismi di propagazione degli ultrasuoni _____________ 4 Capitolo 2: Sistemi di posizionamento e di puntamento ad ultrasuoni ________________________________________ 8
2.1 Sistemi di posizionamento ad ultrasuoni _________________ 8 2.2 Sistemi di puntamento ad ultrasuoni ___________________ 11
2.2.1 Introduzione ______________________________________________ 11 2.2.2 Esempi realizzativi_________________________________________ 12
Capitolo 3: Sperimentazione tramite prototipo __________ 15 3.1 Specifiche __________________________________________ 15 3.2 Mezzo Trasmissivo __________________________________ 16 3.3 I trasduttori piezoelettrici ____________________________ 19 3.4 Descrizione del sistema di Test ________________________ 20
3.4.1 I Trasduttori Ultrasonici_____________________________________ 21 3.4.2 Il sistema di gestione dei dati_________________________________ 26 3.4.3 Amplificatore d’uscita ______________________________________ 28 3.4.4 Applicativo Labview _______________________________________ 31
3.5 Scelta del segnale di invio _____________________________ 39 3.6 Risultati ___________________________________________ 43
3.6.1 La trasmissione via aria _____________________________________ 43 3.6.2 La trasmissione in Medium __________________________________ 45 3.6.3 Caratterizzazione del mezzo trasmissivo ________________________ 49 3.6.4 La multiutenza ____________________________________________ 64
3.7 Conclusioni ________________________________________ 66
Capitolo 4: Panoramica del progetto finale _____________ 68
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4.1 Elementi costitutivi __________________________________ 68 4.2 Cenni sugli algoritmi di triangolazione__________________ 70
4.2.1 Configurazione a due ricevitori ______________________________ 70 4.2.2 Configurazione a tre ricevitori ________________________________ 72 4.2.3 Configurazione a quattro o più ricevitori________________________ 75 4.2.4 Scelta di progetto __________________________________________ 76
4.3 Algoritmo di calibratura _____________________________ 77
4.3.1 Calcolo della velocità_______________________________________ 78 4.3.2 Definizione dell’area attiva __________________________________ 79
Capitolo 5: Software del trasmettitore _________________ 80 5.1 Protocollo radio_____________________________________ 82 5.2 Programmazione del microcontrollore __________________ 96
5.2.1 Il micro-controllore ________________________________________ 97 5.2.2 Il collegamento SPI _______________________________________ 100 5.2.3 La generazione del segnale _________________________________ 105
Capitolo 6: Software del ricevitore ___________________ 113
6.1 Il DSP utilizzato ___________________________________ 116
6.2 Descrizione e programmazione del convertitore A-D _____ 121
6.3 Calcolo della correlazione ___________________________ 129
Capitolo 7: Conclusioni ___________________________ 144
Bibliografia _____________________________________ 148
Ringraziamenti __________________________________ 150
Indice delle figure
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Indice delle Figure
Figura 1.1: Meccanismi di propagazione dell’onda ______________________________________ 2 Figura 1.2: Lunghezza d’onda_______________________________________________________ 3 Figura 1.3:Range frequenziali e relativi campi di applicazione _____________________________ 4 Figura 1.4: Riflessione e rifrazione ___________________________________________________ 5 Figura 1.5: Andamento dell’attenuazione in un materiale _________________________________ 7 Figura 2.1:Tecnica della triangolazione ______________________________________________ 10 Figura 2.2: Elementi costitutivi del dispositivo MIMIO __________________________________ 13 Figura 2.3: Elementi costitutivi del sistema AirTransNote ________________________________ 14 Figura 2.4: Aspetto del software di gestione del sistema AirTransNote ______________________ 14 Figura 3.1: Adattamento di impedenza acustica ________________________________________ 18 Figura 3.2: Effetto piezoelettrico____________________________________________________ 19 Figura 3.3: Trasduttore Piezoceramico ______________________________________________ 20 Figura 3.4: PVDF _______________________________________________________________ 20 Figura 3.5: Sistema di Test ________________________________________________________ 21 Figura 3.6: 250ST160/250SR160 (estrema destra) e famiglia di trasduttori ultrasonici ceramici Midas _________________________________________________________________________ 22 Figura 3.7: Impedenza dei trasmettitori (blu)/ricevitori (rosso): modulo (tratteggio) e fase (continuo) ______________________________________________________________________________ 23 Figura 3.8: Dimensioni dei trasduttori 250ST160/250SR160 ______________________________ 24 Figura 3.9: Trasduttori PVDF 400FS080 _____________________________________________ 24 Figura 3.10: Dimensioni dei trasduttori400FS080 ______________________________________ 25 Figura 3.11: Scheda PCI NI-6251___________________________________________________ 26 Figura 3.12: Descrizione Pin NI-6251 _______________________________________________ 27 Figura 3.13:Rete a doppio T pontato ________________________________________________ 29 Figura 3.14: Equivalente π________________________________________________________ 29 Figura 3.15: Circuito equivalente ___________________________________________________ 30 Figura 3.16: Grafico della tensione d’uscita in funzione della frequenza normalizzata _________ 30 Figura 3.17: Stimolo Trasmesso e Segnale Ricevuto ____________________________________ 31 Figura 3.18: Block Diagram _______________________________________________________ 32 Figura 3.19: Controllo Enum ______________________________________________________ 33 Figura 3.20: Acquisizione Segnale di Stimolo__________________________________________ 33 Figura 3.21: DAQ Assistant _______________________________________________________ 33 Figura 3.22: Acquisizione Segnale Ricevuto ___________________________________________ 33 Figura 3.23: Front Panel__________________________________________________________ 35 Figura 3.24: Filtro di Hilbert ______________________________________________________ 37 Figura 3.25: Modulo e Fase della H(f) _______________________________________________ 37 Figura 3.26: Inviluppo di un segnale ricavato con la trasformata di Hilbert__________________ 38 Figura 3.27: Filtro a correlazione___________________________________________________ 39 Figura 3.28: Andamento Onda Quadra_______________________________________________ 40 Figura 3.29: Andamento Onda Gaussiana ____________________________________________ 41 Figura 3.30: Andamento Onda Coseno Rialzato________________________________________ 41 Figura 3.31: Trasduttore " appuntito" _______________________________________________ 44 Figura 3.32: Ricevitore fissato sul tavolo _____________________________________________ 45 Figura 3.33: Trasduttore 250ST160 adattato all'applicazione _____________________________ 46 Figura 3.34: Trasduttore 250SR160 adattato all’applicazione ____________________________ 46 Figura 3.34: Campioni del segnale trasmesso elaborati con Matlab ________________________ 47 Figura 3.35: Campioni del segnale ricevuto elaborati con Matlab _________________________ 47 Figura 3.36: Segnale Trasmesso e Ricevuto visualizzati tramite oscilloscopio ________________ 50 Figura 3.37: Segnale Trasmesso e Ricevuto visualizzati mediante l'oscilloscopio ______________ 50 Figura 3.38: Onda superficiale _____________________________________________________ 51
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Figura 3.39: Onda longitudinale e onda trasversale ____________________________________ 52 Tabella 3.1: Andamento dell'ampiezza massima al variare della distanza tra Trasmettitore e
Ricevitore ______________________________________________________________________ 53 Figura 3.40: Andamento dell'attenuazione nel materiale _________________________________ 54 Figura 3.41: Segnale Trasmesso, durata 0.4ms ________________________________________ 55 Figura 3.42: Segnale ricevuto, durata 3ms ____________________________________________ 55 Figura 3.43: Interferenza Costruttiva ________________________________________________ 56 Figura 3.44:Interferenza Distruttiva _________________________________________________ 57 Tabella 3.2: Precisione a 10cm _____________________________________________________ 57 Figura 3.45: Precisione a 10cm ____________________________________________________ 58 Tabella 3.3: Precisione a 20cm _____________________________________________________ 58 Figura 3.46: Precisione a 20cm ____________________________________________________ 59 Tabella 3.4: Precisione a 30cm _____________________________________________________ 59 Figura 3.47: Precisione a 30cm ____________________________________________________ 60 Tabella 3.5: Precisione a 40cm _____________________________________________________ 60 Figura 3.48: Precisione a 40cm ____________________________________________________ 61 Tabella 3.6: Precisione a 50cm _____________________________________________________ 61 Figura 3.49: Precisione a 50cm ____________________________________________________ 62 Tabella 3.7: Precisione a 60cm _____________________________________________________ 62 Figura 3.50: Precisione a 60cm ____________________________________________________ 63 Tabella 3.8: Stima errori commessi durante la misura del tempo di volo_____________________ 64 Figura 4.1:Rappresentazione dell’ elemento trasmettitore-penna __________________________ 69 Figura 4.2: configurazione a due ricevitori ___________________________________________ 70 Figura 4.3: configurazione a tre ricevitori ____________________________________________ 72 Figura 4.4: configurazione dei ricevitori nel progetto ___________________________________ 76 Figura 4.5: configurazione nella fase di setup _________________________________________ 77 Figura 5.1: Schema a blocchi del trasmettitore ________________________________________ 80 Figura 5.2: Trasmettitore, circuito di elaborazione _____________________________________ 81 Figura 5.3: Trasmettitore, circuito di alimentazione ____________________________________ 82 Figura 5.4: Chip radio JN5121-MO00; si noti l’antenna integrata _________________________ 83 Figura 5.5: Schema a blocchi del modulo JN5121-MO00 ________________________________ 83 Figura 5.6: livelli ISO-OSI del protocollo_____________________________________________ 84 Figura 5.7: Collegamento a stella della PAN __________________________________________ 86 Figura 5.8: Tipi di collegamento supportati ___________________________________________ 87 Figura 5.9: Bande di frequenza e datarate ____________________________________________ 87 Figura 5.10: Canali associati a ciascuna banda di frequenza _____________________________ 88 Figura 5.11: Struttura di un pacchetto dati a livello fisico ________________________________ 89 Figura 5.12: Struttura del superframe________________________________________________ 90 Figura 5.13: CSMA-CA di tipo slotted _______________________________________________ 92 Figura 5.14: CSMA-CA di tipo unslotted _____________________________________________ 92 Figura 5.15: Struttura Frame MAC__________________________________________________ 93 Figura 5.16: Comunicazione al coordinatore in una rete beacon disabilitata _________________ 94 Figura 5.17: Comunicazione al coordinatore in una rete beacon abilitata ___________________ 94 Figura 5.18:Comunicazione dal coordinatore in una rete beacon abilitata___________________ 95 Figura 5.19: Comunicazione al coordinatore in una rete beacon disabilitata _________________ 95 Figura 5.20: Chip ATmega162 (TQFP) ______________________________________________ 97 Figura 5.21: Architettura ATmega162 _______________________________________________ 99 Figura 5.22:Funzionalità Pin slave Select (SS)________________________________________ 101 Figura 5.23: Sistema multislave ___________________________________________________ 102 Figura 5.24: Interazione tra un dispositivo Master e un dispositivo Slave___________________ 102 Figura 5.25:Esempio di Inizializzazione e Trasmissione della porta SPI in modalità interrupt – lato Master _______________________________________________________________________ 104 Figura 5.26: Esempio di Inizializzazione e Trasmissione della porta SPI in modalità interrupt – lato Slave_________________________________________________________________________ 105 Figura 5.27: Tecnica di indirizzamento di una costante _________________________________ 106 Figura 5.28: Temporizzazione Convertitore D/A - modalità di funzionamento asincrona _______ 107 Figura 5.29: Diagramma a blocchi convertitore D/A, AD7801 ___________________________ 107 Figura 6.1: Schema a blocchi del ricevitore __________________________________________ 113
Indice delle figure
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Figura 6.2: Ricevitore, circuito di alimentazione ______________________________________ 114 Figura 6.3: Ricevitore, circuito di amplificazione______________________________________ 115 Figura 6.4: Ricevitore, circuito di elaborazione _______________________________________ 115 Figura 6.5: DSP TMS320F28044 __________________________________________________ 117 Figura 6.6: caratteristiche Hardware _______________________________________________ 118 Figura 6.7: Diagramma a blocchi DSP tms320f28044 __________________________________ 119 Figura 6.8: Mappa di memoria ____________________________________________________ 120 Figura 6.9: Diagramma a blocchi del modulo A-D ____________________________________ 121 Figura 6.10: Modalità di conversione analogica-digitale _______________________________ 122 Figura 6.11: Modalità di campionamento sequenziale __________________________________ 123 Figura 6.12: Modalità di campionamento simultaneo __________________________________ 123 Figura 6.13: ADC core clock ed S/H clock ___________________________________________ 124 Figura 6.14: Diagramma di flusso del filtro FIR ______________________________________ 131 Figura 6.15: diagramma esemplificativo che mostra la computazione a prese _______________ 131 Figura 6.16: Esempio di funzionamento filtro FIR _____________________________________ 132 Figura 6.17: Esempio di un filtraggio FIR ___________________________________________ 133 Figura 6.18: Funzionamento istruzione DMAC _______________________________________ 134 Figura 6.19: Filtro a correlazione__________________________________________________ 134 Figura 6.20: Struttura dell' oggetto filtro ____________________________________________ 134 Figura 6.21: Variabili di Input e Output dell’oggetto FIR16 _____________________________ 135 Figura 6.22: Metodi dell'oggetto FIR16 _____________________________________________ 135 Figura 6.23: Confronto tra inviluppi del segnale ricevuto _______________________________ 142 Figura 6.24: Confronto tra i due picchi di correlazione _________________________________ 142
