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Progetto interfaccia IR
In questo capitolo verrà esposta la progettazione dell’interfaccia IR, dopo le dovute scelte progettuali si simulerà il sistema su software affinché si possa confrontare i valori teorici trovati con quelli simulati. Una volta avuto un confronto di tali dati si andrà a realizzare un prototipo, in un primo momento su breadboard successivamente su PCB (Printed Circuit Board).
4.1 Progetto stadio trasmettitore IR
Il componente elettronico principale del modulo trasmettitore è il LED IR, da cui dipenderanno i dimensionamenti che si attueranno per i restanti componenti del circuito in questione. Nel capitolo precedente si è esposto quali caratteristiche deve avere il LED IR in questo progetto, non resta che trovare in commercio quello più consono alle nostre esigenze progettuali. In figura 4.1 si può vedere lo schema circuitale del modulo, nel quale ha si possono vedere i componenti principali, che si andranno a illustrare in questo capitolo. BJT npn LED IR Rc TX 0 0 5V Rb
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Ora l’attenzione si focalizzerà sulle caratteristiche del LED IR e sulle origini che hanno portato alla preferenza del componente commerciale in questione. La scelta è ricaduta sul LED InfraRed TSKS5400S [D1] prodotto da Vishay Semiconductors con lunghezza d’onda di picco di 950 nm (GaAs). Risultato idoneo per l’utilizzo in questione in quanto lo spettro di emissione non è selettivo rispetto alla lunghezza d’onda come si può evincere dalla figura 4.2, in cui la sua massima potenza emissiva può essere sfruttata in un range di circa 30nm intorno al picco massimo. Inoltre tenendo conto del grafico si può utilizzare il componente con potenze radianti superiori alla metà della massima intensità spaziando in un range di lunghezze d’onda di circa 40nm normalizzato rispetto al picco. Questa pecularietà ci offre il vantaggio di poter lavorare a diverse lunghezze d’onda, di sfruttare una maggiore compatibilità con altri device e infine non lavora su una determinata lunghezza d’onda, non essendo selettivo.
Fig. 4.2: Potenza radiante relativa rispetto la lunghezza d’onda
Un altro aspetto importante è l’ampiezza del fascio emesso dal LED IR, ovvero l’intensità radiante rispetto l’angolo di visualizzazione, constatabile dalla figura 4.3. Questa è una caratteristica molto importante in questo progetto, poiché rivolgendosi ad un bacino di persone con problemi fisico-motori l’interfaccia IR implementata sul nostro dispositivo dovrà facilmente
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raggiungere l’obbiettivo (il device prescelto) senza troppi sforzi da parte dell’utente. Si intuisce dal grafico che il LED IR in questione ha un angolo di metà intensità: φ = ± 30 °, per un totale di un angolo di emissione uguale a 60°, valore più che sufficiente. Naturalmente l’angolo radiante del LED IR dipenderà dall’intensità radiante del componente, la quale avrà una dipendenza con la corrente di forward da dimensionare, che nel nostro circuito coinciderà con la corrente di collettore.
Fig. 4.3:Intensità radiante relativa rispetto l’angolo emesso
Nelle caratteristiche rappresentate in figura 4.4 possiamo notare la dipendenza tra la corrente di forward rispetto la potenza radiante e l’intensità emessa, questi grafici sono importanti per il dimensionamento della corrente di forward che scorre attraverso il LED IR, il valore della corrente dovrà soddisfare dei requisiti adatti al nostro progetto, per cui si opterà per un valore di corrente affinché l’intensità radiante copra una distanza dell’ordine del metro, inoltre tale valore non dovrà provocare un surriscaldamento del componente superiore a quello che il LED IR sia in grado di dissipare.
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Fig. 4.4: (a) Intensità radiante rispetto la corrente di forward, (b) Potenza emessa rispetto corrente di forward
Guardando la tabella 4.1 (dai datasheet), si possono estrapolare le informazioni che caratterizzano il componente in questione e successivamente poter creare un modello specifico per la simulazione in ambiente ORCAD PSpice, prima di esporre le simulazioni effettuate su l’intero circuito dello stadio trasmettitore, si introdurranno i restanti componenti e relativo dimensionamento.
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Tab. 4.1: Caratteristiche del LED IR
4.2 Dimensionamento interfaccia IR
Per quanto riguarda il transistore si è scelto un BJT (Bipolar Junction Transistor) [D3] npn con massima corrente di collettore di 200mA e massima
Capitolo 4 69 LED_green Rb 3.6k Rdg 33 TX 3.3Vdc 0 0 5Vdc 0 6V,TSKS5400S,LED 0 Rc 50 BJT_NPN BC107A
tensione Vce0 con valore di 45V, inoltre il circuito lavorando a frequenze nell’intorno di 38KHz il transistore non ha problemi nella commutazione in quanto può lavorare fino a circa 5MHz. Il circuito opera in una situazione in cui il BJT si alterna a lavorare in zona di saturazione ed interdizione. Per cui le resistenze saranno dimensionate in modo da garantire il corretto funzionamento del transistore. Facendo dei calcoli preliminari per il corretto funzionamento modulo trasmettitore, rispettando le giuste polarizzazioni e condizioni affinché il transistore lavori nella regione di saturazione. Scegliendo come corrente di collettore pari a 65mA (corrente che scorre nel LED IR), valore dovuto alle scelte progettuali esposte prima, si ha una Rc≃53Ω (valore commerciale scelto 50Ω), si deve avere una Rb<4.4KΩ (valore commerciale scelto 3.6KΩ) affinché il BJT lavori in saturazione. Si è implementato un LED verde (opportunamente dimensionato) per avere un feedback visivo quando si invia il segnale, in figura 4.5 si può vedere il circuito dimensionato dove il generatore di tensione TX da 3.3V simula la tensione che si ha in uscita dal pin della GPIO del Raspberry.
Fig. 4.5: Circuito dimensionato dello stadio trasmettitore
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Il modello del LED IR è stato creato in ambiente PSpice con le caratteristiche viste prima dal datasheet, quindi in figura 4.6 si può vedere il modello utilizzato.
Fig. 4.6: Creazione del modello del LED IR
4.2.1 Dimensionamento modulo ricevitore
Il funzionamento del modulo ricevitore è stato ampliamente esposto nel capitolo 3, in questo paragrafo ci limetermo al dimensionamento di alcuni componenti esterni raccomandati dal costruttore, inoltre si è implementato un LED rosso di notifica quando si riceve un pacchetto di dati. In figura 4.7 possiamo osservare a sinistra lo schema circuitale che si trova sul datasheet del produttore, invece a destra della figura si vede lo schematic circuitale dell’intero modulo ricevitore, ricordando che il TSOP34838 [D2] è attivo basso si osserva la polarizzazione del LED e il dimensionamento di R1 e C1. Questo modulo è stato implementato insieme al modulo trasmettitore nell’interfaccia IR.
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Fig.4.7: A sinistra figura del datasheet, a destra schema circuitale implementato nell’interfaccia IR
4.3 Simulazioni in ambiente Cadence Orcad PSpice
Ora è possibile procedere in ambiente Pspice effettuare una simulazione per trovare il punto di riposo, dove i valori delle correnti e della potenza da dissipare sono visibili in figura 4.8. È possibile constatare che i valori trovati tramite simulazione sono congrui a quelli calcolati per il dimensionamento. Dopo aver simulato il circuito in condizioni stazionarie, si va a simulare lo schema circuitale in condizioni simili alle quali verrà sottoposto nella situazione reale. Nel caso reale in ingresso il modulo trasmettitore riceverà dal Raspberry un segnale ad onda quadra con tensione picco-picco 3.3V e frequenza portante che varia a seconda del protocollo di invio dati scelto, quest’ultimo dipenderà dal device da controllare. Come protocollo da testare si è scelto quello della NEC, in quanto è quello maggiormente utilizzato in ambito consumer, la portante della frequenza è di 38KHz, per cui nella simulazione si utilizzerà un generatore ad onda quadra per osservare il comportamento del circuito nel tempo.
Capitolo 4 72 74.25mW LED_green 34.18mA -34.18mA Rb 3.6k 1.773mW 701.7uA Rdg 33 38.56mW 34.18mA TX 3.3Vdc -115.1mW 34.89mA 0 0 5Vdc -332.9mW 66.59mA 0 6V,TSKS5400S,LED 97.12mW 66.59mA -66.59mA 0 Rc 50 221.7mW 66.59mA BJT_NPN BC107A 14.67mW 701.7uA 66.59mA -67.29mA
Fig.4.8: Valori delle correnti e potenze in condizioni stazionarie
In figura 4.9 è possibile vedere il circuito su cui si è effettuata la simulazione in funzione del tempo, il generatore TX ha un duty cycle di 50% con frequenza di 38KHz, inoltre ha un comportamento periodico. Nella figura 4.10 possiamo confrontare i comportamenti e i valori che assumono in funzione del tempo i seguenti parametri del circuito:
• Generatore onda quadra (caratteristiche ideali, con fronti di discesa e salita ripidi)
• Corrente di collettore che scorre nel LED IR
Capitolo 4 73 LED_green Rb 3.6k Rdg 33 V 0 0 5Vdc 0 6V,TSKS5400S,LED V 0 I TX TD = 0 TF = 0.01u PW = 13.178u PER = 26.356us V1 = 0 TR = 0.01u V2 = 3.3 Rc 50 BJT_NPN BC107A
Fig.4.9: Circuito simulato in ambiente PSpice
Fig.4.10: Simulazione del circuito(LEGENDA: Verde=onda quadra, blu=corrente che scorre nel LED IR e Rosso=tensione al catodo)
Nella figura 4.11 semplicemente si osserva nel dettaglio il comportamento della corrente di collettore in funzione del generatore, in questo caso specifico si nota l’andamento durante il fronte di discesa.
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Fig.4.11: Dettaglio della corrente di collettore(LEGENDA: Verde=onda quadra, blu=corrente che scorre nel LED IR)
4.3.1 Verifica sperimentale dell’interfaccia
In questo paragrafo si valuteranno i valori acquisisiti sperimentalmente per
vedere se i volori trovati saranno congrui a quelli visti nelle simulazioni in ambiente PSpice. Dopo una prima fase in cui si è implementata l’interfaccia su breadboard, in seguito fatti i dovuti i test con esiti coerenti alle scelte progettuali e al dimensionamento effettuato, si è progettata e ordinata una PCB su cui sono stati saldati i componenti. La progettazione della PCB verrà esposta nel paragrafo seguente, in questo paragrafo ho preferito riportare i test effettuati su PCB per verificare la bontà dell’interfaccia completa, evitando di utilizzare la breadboard meno immune a rumore. La prima condizione da controllare è quella stazionaria, prima di procedere al controllo dei valori stazionari ho misurato la tensione effettiva che si ha nel pin 2 della GPIO indicato con 5v power del Raspberry Pi, ho misurato la tensione in uscita del single-board computer (SBC) in due condizioni: 1) Alimentando con un trasformatore (utilizzabile un semplice caricatore per cellulare con connettore mini-USB) il dispositivo, 2) Alimentando il device con cavo USB attraverso un computer portatile, questa modalità è più pratica in quanto non necessita di ulteriori prese. Utlizzando semplicemente un multimetro si misura nel primo caso una tensione di valore 4.94V, valore
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vicino a quello considerato per la simulazione, nel secondo caso avremo sul pin 2 una tensione di circa 4.4V, ne consegue una diminuizione della corrente di collettore avendo una minore intensità luminosa dovuta dal LED IR, nella tabella(Tab. 4.1) seguente vengono sintetizzati le misurazioni dei valori stazionari del circuito. Come si può notare nella tabella 4.1 nella prima condizione il valore della corrente di collettote coincide con quello simulato.
Condizione Vcc TX VCatodo VRc VCEsat IColl.
1) 4.94V 3.3V 3.56V 3.3V 0.26V 66mA
2) 4.4V 3.3V 3.08V 2.82V 0.26V 56mA
Tab. 4.2:Valori delle misure effettuate in condizioni stazionarie.
A questo punto effettuare le misure in funzione del tempo per capire se il circuito si comporta come deriderato. Come in simulazione si utilizzerà un generatore di forme d’onda settato come in simulazione, ovvero con: frequenza 38KHz, tensione picco-picco 3.3V, offset 1.65V e con duty cycle 50% (il segnale in uscita al generatore è visibile in figura 4.12). Il generatore di forma d’onda sarà collegato tramite cavetti al pin 15 della PCB per testare l’intero circuito, in modo particolare si andrà a misurare la tensione che si ha al nodo del catodo del LED IR per confrontare il comportamento in funzione del tempo e capire se le prestazioni siano congrue a quelle viste nelle simulazioni. Come si evince dalla figura 4.13 vedendo la posizione del cursore del canale 3, si nota che il valore della tensione al nodo del catodo del LED IR in condizione di saturazione del BJT è circa 3.5V, inoltre è visibile l’ampiezza della tensione in funzione del tempo.
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Fig. 4.12: Segnale in uscita dal generatore di forme d’onda visualizzato su oscilloscopio
Di conseguenza è facile ricavare la corrente di collettore quando il transistore è in saturazione, si avrà un valore di circa 65mA, misura simile a quella che si ha nelle simulazioni. In figura 4.14 si è evidenziato con i cursori verticali (colore giallo) il periodo della forma d’onda corrispondente a circa 26.4µs (38KHz), inoltre nelle precedenti figure si constata che l’ampiezza del segnale del generatore di forme d’onda avrà un’ampiezza diversa dopo che viene collegato al circuito.
Fig.4.13:Segnale del generatore di tensione (GIALLO), tensione di nodo al catodo del LED IR (VIOLA)
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Fig.4.14: Utilizzando i cursori verticali si evidenza la misura del periodo della forma d’onda
Questo è dovuto perché in questo caso il generatore di tensione è reale e non ideale, come nelle simulazioni, tale conseguenza è dovuta all’effetto caricante.
4.4 Progettazione della PCB
In questo paragrafo verrà presentato il layout del circuito stampato e sintetitazzati i relativi passagi fino alla costruzione fisica della scheda dell’interfaccia IR. La progettazione è stata effettuata in ambiente KiCad, software open source. La prima fase è quella di disegnare lo schematic del circuito, come è possibile vedere in figura 4.15, si nota chiaramente come viene implementata l’intera interfaccia, inoltre si nota come vengono collegati i due moduli trasmettitore e ricevitore al connettore connesso alla GPIO. Dalla figura 4.15 si nota un BJT diverso da quello scelto, in questo caso non è importante poiché non ci interessano le caratteriche elettriche per un’eventuale simulazione, ma il BJT scelto dala libreria messa a disposizione del software ha le carateristiche fisiche simili al transistore scelto in precedenza, per cui non si avrà problemi per il montaggio del componente.
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Da notare nel modulo ricevitore IR si è inserito il modulo TSOP343xx in quanto ha le stesse caratteristiche fisiche al modulo scelto da montare.
Fig. 4.15: Schematic dell’interfaccia IR in ambiente KiCad
La fase successiva consiste nel generare una netlist e successivamente associare le impronte a ogni componente, in questa fase verranno scelti i componenti reali che sarranno implementati sulla board, in questa fase è stata scelta la tipologia delle resistenze e le distanze della piedinatura dei componenti. La fase successiva consiste nel disegnare il layout nell’ editor del circuito stampato, in cui si potrà disporre i componenti a proprio piacimento sulla scheda avente dimensioni circa 32.6mm x 34,4mm, rispettando naturalmente alcuni vincoli, il principale rispettare le dimensioni affinchè si possa collegare al connettore del display touchscreen. Nelle figure successive (figura 4.16 e 4.17) è possibile vedere il layout della scheda, invece, in figura 4.18 è possibile vedere in anteprima con lìausilio di un visualizzatore 3D come si dovrà apparire il circuito stampato ultimato con i suoi componenti.
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Figure 4.16 e 4.17: Layout del circuito stampato
Fig. 4.18: Layout della PCB in 3D con i componenti che verranno montati su di essa.
L’ultima fase nella progettazione di una PCB è la creazione di file Gerber da inviare al produttore di circuiti stampati, dopo la fabbricazione della scheda finalmente è possibile montare i componenti. Alla fine avremo realizzato fisicamente l’interfaccia IR come si può vedere in figura 4.19, invece in figura 4.20 è possibile ammirare l’interfaccia connessa al Raspberry.
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Fig. 4.19: Interfaccia IR Fig. 4.20: Interfaccia IR connessa al Raspberry
