Control de Comunicación Inalámbrica por

Ultrasonido

Dominguez, Franco., Guerrero, Daniel

Cátedra: Aplicaciones Industriales del Ultrasonido, Departamento de Electrónica y

Automática, Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de San Juan, Capital San Juan,

Av. Libertador Gral. San Martin 1109, J5400ARL San Juan francodominguez17@gmail.com - guerreroaledaniel@gmail.com

Resumen

Se presenta el estudio, desarrollo e implementación de un sistema en tiempo real por

ultrasonidos, para transmisión de datos entre dos transductores usando modulación en

amplitud. El trabajo está orientado a la comunicación entre robots submarinos. Los valores

de ganancias, alimentación y amplificación se calcularon a partir de ensayos con los

transductores para determinar las características de éstos ya que el fabricante de los mismos

no brindaba mucha información.

Se desarrolla un sistema de comunicación ultrasónica entre dos puntos compuesto por dos

transductores de ultrasonido (ambos transmisor-receptor), una fuente de tensión continua de

5Volt, dos generadores de señales; uno usado para generar la señal de excitación del

transductor y otro para ingresar la señal anterior y modularla, un amplificador y un filtro

pasa-banda. En función de las modulaciones realizadas de la señal de excitación a la salida

del sistema se pudo observar una señal modulada en amplitud (AM) que cumplía con los

objetivos del trabajo.

1. Introducción La motivación de este trabajo surge de la necesidad de contar con un sistema de

transmisión de datos entre robots submarinos y de estos con una boya de superficie como se

observa en la figura 1. En ambos casos la transmisión de la información debe ser

bidireccional.

Figura 1. Concepto del trabajo

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Como no se disponía de los medios y entorno necesario, esto es, un laboratorio con una

pileta para agua de dimensiones adecuadas y transductores acústicos de baja frecuencia (5 a

30 KHz) que además estuvieran preparados para operar bajo el agua, se optó por trabajar en

el aire y con ultrasonido. Con otras palabras, se aprovecharon las propiedades físicas de los

modelos, ya que acústicamente, al aumentar la frecuencia se reducen los espacios, de esta

forma se pudo acotar el sistema al espacio de trabajo disponible en el laboratorio. Como se

disponía de transductores de ultrasonido que trabajaban a 220 KHz se utilizó esa frecuencia

como frecuencia de trabajo.

Un factor muy importante a tener en cuenta es la reducida atenuación de la energía acústica

con la distancia. En medios acuosos, la atenuación de la energía acústica de baja frecuencia

es del orden +- 1dB/km. Con respecto a los métodos ópticos, estos presentan gran

atenuación por ser el medio opaco mientras que usando métodos como transmisiones vía

WI FI o radio frecuencia, la atenuación está en el orden de 1dB/m.

La idea de este trabajo fue la de continuar con la línea de investigación de un trabajo previo

[1] en el cual se describieron las propiedades intrínsecas del medio subacuático del punto

de vista de la acústica. El campo de la transmisión y recepción de datos bajo el agua es algo

que existe aunque comercialmente no esté muy difundido en nuestro país ya que, existen

fabricantes de transpondedores [2] y de módems subacuáticos que permiten comunicación

digital Full Duplex [3].

Para el desarrollo del trabajo se partió de los datos provistos por Los ensayos que se

realizaron teniendo en cuenta los parámetros especificados por el fabricante [4] de los

traductores de ultrasonido.

2. Desarrollo 2.1 Comunicación mediante ultrasonido.

El control de la comunicación entre dispositivos sumergidos bajo el mar es algo crítico para

aplicaciones tanto militares como civiles.

La comunicación va a depender del tipo de transductor que elijamos ya que a partir de este

estará dada la frecuencia con la cual este está diseñado para trabajar y por ende nuestra

frecuencia de trabajo. En el presente trabajo se optó por hacer trabajar al transductor emisor

como un cristal para luego interrumpir estas oscilaciones y así transmitir información. Hay

varias formas de hacer trabajar el transductor como un cristal se evaluó la utilización de

dos circuitos el primero de ellos el Colpits (ver figura 2). El oscilador de la figura 2 es un

oscilador Colpits en configuración seguidor de emisor, donde se ha reemplazado el inductor

por el circuito equivalente serie del transductor de ultrasonido (L1, C1 y R3). La frecuencia

de oscilación es de 220 KHz. El control de las oscilaciones se lleva a cabo con el transistor

Q2 que trabaja como llave ON-OFF controlado por el modulador que envía a la base de Q2

un pulso de 200us de periodo y 100us de ancho. En la figura 3 se observa la simulación de

la modulación en ambiente TLSPICE [5].

Posteriormente se analizó la respuesta de un modulador compuesto de un oscilador Bi-

estable controlado por cristal y una llave de corte, como se observa en la Figura 4. El

oscilador propiamente dicho está formado por Q1 y Q2, y la llave de modulación por Q3.

El cristal ha sido reemplazado por el modelo eléctrico del transductor de ultrasonido (L1,

C3 C4 y R5),

En este caso se simula a un transductor que opera en 36,8 KHz [6] modulándolo con un tren

de pulsos de periodo de 500us y ancho de 250us.

3

Como se observa, el modulador basado en el oscilador Colpits presento mejores

características en los instantes de tiempo en que la llave se cortaba.

Figura 2. Esquemático del oscilador Colpits en configuración seguidor de emisor y llave

para el control de las oscilaciones

Figura 3. Respuesta del modulador basado en el oscilador Colpits y una llave ON-OFF.

Como se observa, el modulador basado en el oscilador Colpits presento mejores

características en los instantes de tiempo en que la llave se corta. Esto es debido a las

constantes de tiempo RC en el biestable. Por cuestiones constructivas y disponibilidad de

componentes nosotros optamos por el empleo del oscilador tradicional. Sin embargo para

independizarse de la puesta a punto de los circuitos, en el laboratorio se utilizó un

generador de señales para excitar al transductor como si fuera un oscilador que oscila a

(220 KHz). La llave para modular, se implementó con un generador de señales ingresamos

en otro generador de señales con la capacidad de modular la señal de 220 KHz.

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Figura 4. Oscilador basado en un biestable y llave ON OFF.

Figura 5. Respuesta del modulador basado en el oscilador biestable y una llave ON-OFF.

2.2 Determinación de las características del sistema

El diagrama en bloques general del sistema (ver figura 6 [7]) está constituido por un

generador de señales el cual se configuro para obtener la frecuencia de trabajo nominal de

del transductor (220KHz). Dicha señal creada se ingresa en otro generador de señales, el

cual nos permitirá modular en amplitud ésta señal, para posteriormente excitar nuestro

transductor en el medio aire, en este caso. Por dicho medio se propaga la onda de

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ultrasonido y es recibida por el segundo transductor, el cual funcionará como receptor. A

continuación existe una etapa de filtrado y amplificación que nos permitirá visualizar

correctamente la señal recibida en un osciloscopio digital.

Figura 6. Diagrama en bloque general del sistema

Datos del transductor:

• Marca y modelo: Massa E-188/220

• Frecuencia nominal 220KHz

• SPL = 120dB

• Vext = 10Vrms

• Sensibilidad del receptor -77dB (Srx)

(SPL significa “Nivel de Presión Sonora” [7])

1) Disminución de SPL por distancia:

SPLd = 20 ∗ log 3040 = −2.498

2) Ganancia por tensión de excitación:

SPLvext = 20 ∗ log 14 !10 ! = 2.92

3) Disminución de SPL por absorción del medio:

ABS = −0.6 ∗ 0.4 = −0.24

4) SPL total:

%&' = 120 − 2.498 + 2.92 − 0.24 = 120.182

5) Conversión a µbar:

6

%&')* = 120.182 = 20 ∗ log +,-./0.0,1-0231,2 ∗ 1045231,10

106789.7:8;<89 = ∗ 2 ∗ 1045231, = +,-./0.0,1 = 204.23231, = &

&: Presión sonora entre el canal y el receptor.

6) Calculo de la tensión de salida:

.1 = & ∗ 10>?@89 = 204.23μ31, ∗ 10BCC;<

89 = 28.84

7) Calculo de ganancia:

D = 20 ∗ log 528.84 = 44.78 ≅ 45 = 178H--.

Esta ganancia será distribuida entre el filtro pasa banda y el amplificador, llevando

la mayor parte de la ganancia el amplificador. Ahora se calcula el producto ganancia

ancho de banda:

I = 178 ∗ 220JℎL = 21.36MℎL

Se elige como componente óptimo para nuestro proyecto el amplificador

operacional LM318 cuyo producto ganancia ancho de banda es 16Mhz por lo tanto

se calculó la ganancia máxima que se pudo utilizar con este componente:

D = 16MNL220JNL = 72.72 = 37.23

Por lo tanto se distribuyó la ganancia de la siguiente manera y se calculó los

componentes de cada circuito.

2.3 Calculo de componentes de los circuitos

• Amplificador inversor con ganancia 25dB

La configuración utilizada (ver figura 7) se presenta con la siguiente ganancia:

D = O2O1 = 18 ≅ 25

Entonces se adoptó para la impedancia de entrada del circuito una R1 = 1KΩ por

consiguiente R2 = 18KΩ para cumplir con las especificaciones de ganancia.

7

Figura 7.Amplificador inversor

• Filtro pasa banda con frecuencia central en 220KHz y ganancia 20dB:

Como se trabajó a una frecuencia alta, se aprovechó el comportamiento pasa bajo del

operacional y optamos por realizar un filtro (ver figura 8) pasa altos que conjunto con el

pasa bajo interno del operacional se obtuvo un filtro pasa banda de las características

deseadas. Para el cálculo de los componentes, Primero se calculó la frecuencia central

como:

Wc = 1R1 ∗ C = 2 ∗ π ∗ 220KHz

Por lo tanto si C = 1nF entonces R1 = 723Ω como valor comercial se eligió 820Ω. Luego

se procedió a calcular la ganancia como:

G = R2R1 = 10 = 20dB

Por lo tanto si R1 = 820Ω entonces R2 = 8.2KΩ.

Figura 8.Filtro Pasa Altos

8

La respuesta en frecuencia (ver figura 9) de la etapa de filtrado cumplió con las

especificaciones dejando que pasara la frecuencia de interés que es 220KHz.

Figura 9. Respuesta del filtro pasa-banda

Finalmente queda definida la etapa post receptor (ver figura 10)

Figura 10. Etapa de Filtrado y Amplificación

2.4 Faz experimental:

Para llevar a cabo la faz experimental, se utilizaron los siguientes instrumentos:

• Generador de señal: se utilizó un generador de señal [8] (ver figura 11) con

el que se generó una señal senoidal de 220KHz.

9

Figura 11. Generador de señales

• Generador de señal con modulación: Posteriormente se utilizó un

generador de señales que modula una señal que es ingresada por su

respectivo canal de entrada [9] (ver figura 12). En este caso la señal que se

ingresó para modularla proviene del primer generador. Dicha modulación se

efectuó mediante una señal de tipo pulsante cuyo tiempo en alto fue

calculado para que entren al menos 10 ciclos de la señal senoidal de

220KHz. Para ello lo que se hizo fue:

En primer lugar calcular el periodo:

) = 1Y = 1

220JNL = 4.542.-Z

Por lo tanto el tiempo en alto tiene que ser de al menos 452.-Z. De éste

modo el pulso dejará pasar al menos 10 ciclos aproximadamente de la señal

senoidal, en nuestro caso redondeamos a 502.-Z para evitar errores en la

señal de excitación.

Figura 12. Generador de señal con modulación

• Osciloscopio Digital: Se empleó un osciloscopio digital [10] (ver figura 13)

doble trazo de 80 MS/s y capacidad de almacenamiento de las señales.

10

Figura 13. Osciloscopio digital

Finalmente se muestra el sistema en conjunto con todos los instrumentos mencionados

anteriormente (ver figura 14).

Figura 14. Sistema completo real

2.4.1 Resultados obtenidos en la faz experimental

Puede observarse (ver figura 15) la entrada (Amarilla) y la salida (Azul) del sistema lo que

se consiguió fue variar los anchos (modular) de los paquetes de señales enviadas (amarilla)

estas variaciones en la señal de entrada, producían variaciones en la amplitud de la señal

que llegaban al receptor, lo que puede verse en la figura 15. Es decir la señal de salida del

sistema (Azul) es una señal modulada en amplitud (AM).

11

Figura 15. Entrada y Salida del Sistema

2.4.1.1 Ensayo de interrupción con un obstáculo en la comunicación:

Al interrumpir la comunicación entre los dos transductores colocando un obstáculo entre

ambos (figura 16 derecha), la señal de salida (Azul) se vio reducida a una línea continua ya

que no hay recepción de la señal enviada (Amarilla), con lo que se demostró que el sistema

estaba emitiendo y recibiendo.

Figura 16. Interrupción en la comunicación

2.5 Conclusiones

Se pudo concluir que la comunicación inalámbrica entre dos transductores de ultrasonido es

viable, esto pudo comprobarse en el laboratorio gracias a los resultados obtenidos

verificando así los cálculos teóricos siguiendo las especificaciones brindadas por el

fabricante en la hoja de datos. Para este caso particular el fabricante no otorga datos muy

relevantes para nuestro estudio. No obstante los mismos debieron recabarse en el

laboratorio mediante un barrido frecuencial, excitando los transductores para obtener sus

frecuencias de resonancia la cual nos permite realizar los cálculos para dimensionar de

forma adecuada nuestro sistema (ganancia, filtro, tensión de alimentación, etc.). Queda

abierto el campo de modulación de la señal de excitación para quien desee continuar esta

12

línea de investigación, ya que en este caso se efectuó dicha tarea mediante un generador de

señales con modulación de amplitud.

Referencias

[1]- Agost Gonzalez, C. A. ‘Transmisión de Datos Mediante una Conexión por

Ultrasonidos en un Medio Sub-acuatico.’

[2]- Edgetech ‘Acustic Release Trasponder.’

[3]- Evo Logics ‘Underwater Acustic Modems.’

[4]- MassaE-188/220. www.massa.com

[5]- Pspice. www.linear.com/designtools/software/

[6]- van Randeraat, Setterington, E. Piezoelectric ceramics. Philips, 1974

[7]- Veca, A., Accolti, E. Ultrasonido para Ingenieros y Estudiantes de Ingeniería. Primera

Edición, 2016. http://dea.unsj.edu.ar/ultrasonido

[8]- GW SWEEP FUNCTION GENERATOR. Mod: GFG - 8017G

[9]-Fluke ARBYTRARY WAVEFORM GENERATOR. Mod: 281 40Ms/s

[10]- Tektronix DIGITAL STORAGE OSCILLOSCOPE. Mod: TDS2002C 70MHz 1Gs/s