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Instrumentación virtual aplicada al estudio de sistemas complejos Capítulo 3: Extractor de Datos de Radar

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CAPITULO 3 SISTEMA EXTRACTOR DE DATOS DE RADAR

3- Introducción La finalidad básica de un sistema de Radar es indicar la presencia o ausencia de determinados objetos llamados blancos, en un espacio determinado. El principio utilizado para dicha finalidad se basa en la reflexión en el blanco de energía, generalmente disponible en forma de pulsos radioeléctricos periódicamente transmitidos desde el propio equipo Radar, y la detección de dicha reflexión por el mismo equipo. La distancia al blanco queda inmediatamente determinada por su relación con el tiempo de propagación de ida y vuelta (retardo) del pulso y la velocidad de propagación en el aire c = 3 x 108 m/s, lo que representa 150 m/µs.

Figura 1. La señal enviada se refleja en un objeto y regresa el eco hacia el radar.

En los sistemas modernos de radar se utiliza tecnología digital y procesamiento digital de señales (DSP). En la parte transmisora se generan los pulsos de transmisión y se controla el patrón de la antena; en la parte receptora se determina la dirección de la antena, se remueve parte del ruido y se efectúa el procesamiento en el tiempo y en el espacio para poder tomar decisiones sobre todo el rango para saber si hay algún objeto o no. Las decisiones son muy comprometidas porque el ruido atmosférico entra al sistema a través de la antena y después, debido a que el ruido es aditivo, al circular por el circuito electrónico se le va añadiendo ruido que hace que la Relación Señal/Ruido (SNR) se vea reducida. Es posible obtener datos adicionales del blanco explorado (como su velocidad radial respecto a la posición del equipo Radar, basándose en el efecto Doppler, e incluso otros que requieren una mayor elaboración de los datos implícitos en las señales presentes en el sistema de Radar); pero la intención es tratar el problema concreto de la detección, o decisión entre las alternativas presencia/ausencia de blanco, mediante una simplificación sistemática de las características de funcionamiento de un Radar real. La detección Radar En un entorno ideal, podría decirse que habría de asignarse presencia de blanco a la dirección (azimut, en radares bidimensionales) en la que se obtuviese un retorno, y ausencia si no se presenta tal eco. Pero, como en todo proceso de obtención de información a partir de una magnitud física, las condiciones reales de funcionamiento implican un deterioro de la señal procesada. En primer lugar, hay que tener en cuenta la presencia permanente de ruido radioeléctrico (ruido de fondo más el ruido propio del equipo), que, dado su carácter intrínsecamente aleatorio: Puede simular una señal de retorno cuando no hay blanco, dando origen a una falsa alarma. Puede enmascarar un retorno procedente de un blanco real, produciendo una pérdida de blanco.


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El diseño de los sistemas Radar intenta minimizar las probabilidades de estos sucesos, Pfa y Ppb, Probabilidad de falsa alarma y Probabilidad de pérdida de blanco respectivamente. Para ello es esencial una buena elección del proceso de detección. Existe un compromiso entre la reducción de ambas probabilidades: a medida que el esquema de detección exija más condiciones para clasificar un eco como blanco presente (para reducir la Pfa), crece la probabilidad que el ruido oculte un blanco, y al contrario. En la práctica, se suelen manejar Pfa y el complemento a la unidad de Ppb, llamada probabilidad de detección Pd (suceso consistente en admitir que hay blanco cuando efectivamente está presente). Por otro lado, para la detección de un blanco y su identificación respecto de los que le rodean, es aconsejable concentrar la energía transmitida en un haz muy estrecho y transmitir un pulso muy corto, es decir, “empaquetar” la energía transmitida en un elemento puntual. Esto no es posible y en cambio, la energía se transmite en un paquete que tiene dimensiones angulares y duración impuestas por el sistema. Las dimensiones angulares y la duración determinan un parámetro que en el Radar se conoce como celda de resolución que resulta de la intersección de celdas de azimut y celdas de rango, Figura 2. Esta finitud de la celda de resolución, que en primera aproximación es el elemento determinante de la capacidad de resolver blancos próximos y que puede reducirse hasta ciertos límites, obliga a contemplar dos consideraciones. Por una parte, si la antena gira, puede captar dentro de su haz varios ecos del mismo blanco, con una amplitud que varía con su posición respecto del eje de la misma y que tiene como cosecuencia que, para determinados valores de Ppb y Pfa, la potencia (energía) a transmitir por pulso puede disminuirse, si se aprovechan (integrando o sumando pulsos) todos los pulsos incluidos dentro de un haz. Esto permite utilizar transmisores de menor potencia y es equivalente a una repetición de la <<experiencia aleatoria>> un mayor número de veces, con la consiguiente mejora en el conocimiento del proceso.

Figura 2 : Celda de Resolución

Detección de señales radar en ruido La capacidad del receptor de un radar para detectar el reflejo de una señal débil siempre esta limitado por el ruido superpuesto a la señal.


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La detección de una señal radar se basa en el establecimiento de un umbral a la salida del receptor. Si la salida del receptor es bastante grande como para exceder el umbral, se dice que un objetivo está presente. Si la salida del receptor no tiene la suficiente amplitud para cruzar el nivel de umbral, entonces solo hay ruido presente. Esto se conoce como detección por establecimiento de umbral (threshold detection). En la Figura 3 se muestra un ejemplo de la detección por establecimiento de un umbral, cuando una señal de amplitud grande reflejada por un objetivo está presente, como en A, puede reconocerse en base de su amplitud relativa al nivel de ruido rms. Si el nivel de umbral es establecido de forma apropiada, la salida del receptor no debería exceder el límite si solamente el ruido estuviera presente, en cambio la salida podría exceder el umbral si la amplitud de la señal reflejada es mayor que la del nivel de umbral aún con el ruido presente. Si el nivel de umbral fuera demasiado bajo, el ruido podría excederlo y causar falsas alarmas. Si el umbral fuera demasiado alto el ruido no lo podría sobrepasar para causar falsas alarmas pero las señales muy débiles reflejadas por el objetivo no sobrepasarían el límite y estos no podrían ser detectados, y cuando esto sucede se conoce como una detección falsa.

VT

Figura 3: Umbral de detección Si la señal es de amplitud grande como en A, no es difícil asegurar que un objetivo esta presente. El ruido que acompaña a la señal en B se supone de amplitud positiva y se agrega a la señal reflejada por el objetivo de manera que la combinación de la señal más el ruido cruza el nivel de umbral (VT) y se toma como un objetivo. En C el ruido se sustrae de la señal del objetivo de manera que el resultado de la señal y el ruido no cruza el nivel de umbral y no hay detección. Ruido en el receptor y la relación señal a ruido En las frecuencias de microondas, el ruido con el cual el blanco reenvía la señal compite con el generado por el propio receptor. Si el radar fuera a operar en un ambiente sin ruido de tal forma que ninguna fuente externa de ruido acompañara a la señal reflejada por el blanco, existirá ruido térmico propio del receptor. La potencia del ruido en los receptores es mayor que la del ruido térmico. La medida del ruido externo de un receptor real comparado con un receptor ideal, solamente con ruido térmico es llamado Figura de Ruido Fn y se define como:

Está ecuación muestra que la Figura de Ruido debe ser interpretada como una medida de degradación de la relación señal a ruido (S/N), debido a que la señal pasa a través del receptor.


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Ordenando la señal de entrada tenemos:

Entonces mínima señal de entrada Sin detectable dependerá de la mínima relación S/N de salida permitida en la salida de FI, entonces

Finalmente la sensibilidad Smin en un receptor de radar se obtiene de la mínima relación señal a ruido detectable (S/N)min y puede expresarse en términos de probabilidad de detección y probabilidad de falsa alarma. Probabilidad de detección y alarmas falsas El ruido eléctrico es el resultado de la suma de los efectos de un gran número de electrones moviéndose en forma aleatoria, lo cual representa una tensión de esta forma, que se suma a la señal. Debido a que el ruido posee características aleatorias (es decir impredecible), la forma de estudiarlo es mediante métodos probabilisticos. De aquí que la amplitud del ruido se represente mediante una función densidad de probabilidad llamada distribución Gaussiana, cuya expresión es la siguiente:

22 2/

21)( σ

πσxexp −⋅=

En esta expresión σ representa el valor eficaz de tensión de la amplitud de ruio, cuya magnitud se expresa en volts [V] y se puede medir con instrumentos sencillos como voltímetros. El grafico de esta función Figura 4, ayuda a interpretar su aplicación en el cálculo de probabilidad sobre un rango de amplitudes determinado, normalizada al valor eficaz σ, es decir los valores en el eje x son relaciones de Vx / σ.

Figura 4: Distribución Gaussiana en función de Vx / σ

La probabilidad de que la amplitud del ruido gaussiano se encuentre entre dos valores V1 y V2, se calcula mediante la integral definida entre ambos valores:


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dxevP xV

V

⋅⋅= −∫22

2

1

2/

21)( σ

πσ

Por si sola, la probabilidad de falsa alarma, no indica si un radar será afectado por excesivas indicaciones de blancos falsos. Si el umbral es establecido ligeramente mayor que el requerido y se mantiene estable, hay una pequeña probabilidad de falsas alarmas debidas al ruido térmico. En la práctica, las alarmas falsas son mas probables que ocurran debido al eco, (clutter) de la tierra, mar, clima, aves, que entra al radar y son lo bastante grande como para cruzar el nivel de umbral. Sin embargo, en las especificaciones de falsa alarma, el ruido en el eco casi nunca se incluye, solo el ruido en el receptor. La probabilidad que el ruido cruce el nivel de umbral VT y se indique que un objetivo este presente cuando solo es ruido, se obtiene evaluando la expresión P(v) entre los limites V1= σ y V2 = VT. Por lo tanto la probabilidad de una falsa alarma, denotada Pfa, es:

Donde: VT es la amplitud del nivel de umbral Ψ0 es el valor cuadrático medio del voltaje de ruido Aunque el cruce del nivel de umbral por ruido es llamado una alarma falsa, no necesariamente se hace el reporte de blanco falso. La declaración de un blanco, generalmente, requiere más de una detección hechas en múltiples observaciones por el radar. La probabilidad de detección, Pd, puede ser expresada en términos de S/N y la relación umbral a ruido VT / σ. La probabilidad de falsa alarma es también una función de VT/ Ψ0. Las dos expresiones para Pd y Pfa pueden ser combinadas, eliminando la relación umbral a ruido que es común a cada una, para proporcionar una expresión única que relacione la probabilidad de detección Pd, la probabilidad de falsa alarma, Pfa, y la relación señal a ruido, S/N. El resultado se gráfica en la Figura 5.

Figura 5: Curvas de Probabilidad de detección en función de S/N

La probabilidad de detección y la probabilidad de falsa alarma son especificadas por los requerimientos del sistema y determinan la mínima relación señal a ruido S/N permitida.


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Integración de los pulsos radar El número de pulsos regresados desde un blanco explorado por un radar con una frecuencia de repetición de pulsos, fp, ancho del haz de la antena, θB, y una velocidad de exploración de θ grados por segundo, θ/s = 360° x RPS, donde RPS son Revoluciones por Segundo. Esto permite determinar el tiempo t

B

p que permanece un blanco dentro del haz de la antena, con un valor típico de θBB = 3°:

tp = θB / 360° x RPS = 3° / 360° x 0,1 = 83,33 ms Las RPS = 0,1 corresponde a una velocidad de 6 RPM, que representa a 6/60 = 0,1 RPS. De aquí teniendo en cuenta la frecuencia de los pulsos fp = 1000 p/s, se puede calcular la cantidad de ecos recibidos np, desde cada blanco como:

np = fp x tp = 1000 p/s x 83,33 ms = 83,33 ecos/blanco El proceso de sumar todos los reenvíos de un blanco se conoce como integración de pulsos, que permite usar técnicas de filtrado digital sobre la señal, basadas en procesos de autocorrelación entre las secuencias de ecos recibidos. En los radares digitales cada muestra de eco es digitalizada y codificada en una cadena de nb bits por muestra. Cuanto mayor sea el número de bits por muestra mayor será la resolución con que se miden las amplitudes de los ecos y la señal digital resultará en una reproducción más fiel de la original. Así, para nb bits se obtendrán 2nb niveles de digitalización. En el caso extremo donde nb = 1, corresponden dos niveles de digitalización, es decir que en principio se detecta la existencia de un blanco para todo nivel de señal que supere el umbral de detección, sin considerar la forma de onda del eco. Por otro lado, como la determinación de la amplitud de la señal depende de la combinación coherente de un gran número de ecos en cada posición angular (aproximadamente 80, para la aplicación de este trabajo), la disminución drástica de la cantidad de nb no es crítica, dado que se ve compensada por un proceso de autocorrelación de una gran número de muestras de cada blanco. Esta técnica, ofrece dos ventajas importantes que fueron aprovechadas en este desarrollo, la sencillez del circuito de detección y almacenamiento de ecos en memoria y la menor velocidad de digitalización que reduce considerablemente la velocidad de procesamiento requerida en el cálculo de autocorrelación. Tasa de error en la detección del sistema propuesto La presencia de ruido aleatorio en un sistema binario de detección como el sistema propuesto, especialmente en la entrada de los circuitos de decisión, es el mecanismo fundamental que contribuye a la generación de errores aleatorios en la detección. Por esto es importante conocer la relación existente entre la tasa de error Pe (expresada como probabilidad de error) y la relación señal a ruido S/N a la entrada del detector (salida del canal de FI del receptor de radar). Considerando una señal digital binaria simple, formada por una ráfaga de símbolos binarios con dos estados posibles, la detección puede efectuarse colocando un nivel de umbral (VT) y decidiendo si es un 1 (blanco detectado) para V>VT o 0 (sin blanco) para V<VT. Suponiendo que el ruido afecta la detección de ecos cuando tiene una amplitud igual o mayor al nivel de umbral +VT, desde 0V (sin señal) o -VT sumada a una señal de amplitud +V, dado que puede producir tanto la detección de ecos en ausencia de estos o anulación de ecos en presencia de estos, se


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debe evaluar entonces la probabilidad que la amplitud del ruido sea mayor o igual a VT / 2. La forma de considerar su efecto, es superponiendo su función distribución sobre el niveles de amplitud +V (máxima amplitud de la señal) y 0V (ausencia de señal), como se muestra en la siguiente figura.

+V Umbral de Detección

VT

0 V

Entonces a causa de la naturaleza sin límite de la distribución gaussiana, habrá siempre una probabilidad finita que el ruido alcance y hasta exceda VT causando un error en la detección. Para evaluar esta probabilidad de error se debe aplicar la expresión entre los límites VT e infinito.

dxePe x

VT

⋅⋅= −∞

∫22 2/

21 σ

πσ

Como V es la amplitud de señal y σ la del ruido, podemos normalizar la expresión para evaluarla en función de la relación señal/ruido, es decir usando como variable x = V/2σ.

dxePe x

VT

⋅⋅= −∞

∫ 2/2

21

σπ

Esta expresión relaciona la probabilidad de error Pe a la relación señal/ruido S/N, para una señal binaria con ruido gaussiano aditivo. Una aproximación simplificada de esta expresión, resuelta en función de las relaciones de amplitud de señal Vs (amplitud del pulso) y el ruido σ (amplitud eficaz), expresada como K = Vs / σ es la siguiente:

2/27.012

1 KeKK

Pe −⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −⋅=

π

Es decir que esta expresión permite calcular la tasa de error Pe de un sistema binario, a partir de la relación señal a ruido S/N = Vs / σ, del mismo. La siguiente tabla presenta algunos valores calculados, y dan una mejor idea del uso de esta relación.

Vs / σ 1 2 3 4 5 6

Pe 0,1587 0,0227 0,00135 3,16x10-5 2,87x10-7 9,9x10-9


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Es común expresar la relación señal a ruido S/N de un sistema en dB, por lo que la tabla anterior se muestra como:

Vs / σ 0 dB 6 dB 9,5 dB 12 dB 14 dB 15,56 dB

Pe 0,1587 0,0227 0,00135 3,16x10-5 2,87x10-7 9,9x10-9

Una probabilidad de error de 10-6 significa que, en promedio, solamente uno de entre un millon de pulsos será detectado con error. Así, cuando la amplitud de señal Vs sea 5 veces mayor que el valor eficaz de ruido (S/N = 14 dB), la probabilidad de error es de 2,87x10-7, es decir que en promedio solamente un pulso de entre 3.484.320 será detectado con error. Existen curvas y tablas, que permiten obtener la tasa de error para una relación S/N expresada en S/N [dB] = 20 log (Vs/σ). Por último, si bien la amplitud de la señal de eco es variable, la mínima relación señal/ruido a la salida del canal de FI de un radar es de 12 dB, lo cual determina una tasa de error Pe ≤ 3x10-5 mas que aceptable, demostrando la eficiencia del método de detección y adquisición propuesto. 3.1.2 Breve descripción del sistema

En los radares digitales modernos, como es el Extractor de Datos de Radar (EDR) diseñado, se convierten las señales analógicas de los ecos recibidos (video) y señales de posición de la antena (sincro) a su versión digital, en una secuencia de números que representa la posición y distancia de cada blanco detectado. Un ordenador de alta velocidad (provisto por la CPU de una PC) se encarga de procesar esta secuencia y extraer información de gran utilidad relativa al objetivo.

La conexión entre la PC (procesador) y el radar se hace a través de dos interfases compuestas por dos placas compatibles con el BUS ISA que permiten la conversión de las señales analógicas suministradas por el radar en su equivalente representación digital.

Es decir que este sistema EDR permite el tratamiento de las señales típicas de Radar para su presentación con formato PPI en la pantalla (VGA) de una PC, permitiendo el análisis de diferentes características de la información generada por el mismo, así como su transmisión por cualquier medio (alámbrico ó por radio, satélite, etc) a distancia mediante el empleo del protocolo de comunicación digital TCP/IP. La información que deberá procesar este sistema está compuesta por las señales de Video y Trigger entregadas por el receptor del Radar a la Consola PPI del mismo y las generadas por el Sincro del sistema de rotación de antena. La siguiente Figura es un diagrama en bloques simplificado del Sistema Extractor, en el cual se puede distinguir que el mismo esta compuesto, en lo referente al hardware, por dos Placas Digitalizadoras compatibles con PC:

- Placa Digitalizadora de Video: cuya función es la de adquirir y procesar las señales de Video y Trigger y almacenarlas en memoria RAM hasta ser transferidas a la memoria de la PC, para su presentación en pantalla o su transmisión a otra unidad remota vía placa de red, modem (Internet) o puerta serie RS232. - Placa Digitalizadora de Sincro: convierte las tres fases R, S, T y referencias U,V entregadas por el sincro, en la información digital correspondiente al seno y coseno de la posición angular de antena, con una resolución de 12 bits .


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BUS DEL SISTEMA

Diagrama en bloques del sistema 3.3 Procesamiento de datos

El ordenador de alta velocidad (provisto por la CPU de la PC) se encarga de procesar esta secuencia (matriz de datos en memoria) y extraer información de gran utilidad relativa al objetivo, que mediante los procesos de tratamiento digital permiten aplicar diferentes técnicas tales como: preprocesamiento, sistema MTI, herramientas, transmisión de datos a distancia (entre radares: Extractor y puestos de comando: Receptor).

La utilización de ambientes gráficos compatibles con el sistema operativo Windows, hacen que los programas Extractor y Receptor de datos constituyan un entorno familiar para el operador del radar. Ambas aplicaciones poseen un conjunto de herramientas gráficas que permiten superponer información cartográfica y distintos objetos sobre la pantalla correspondientes a elementos de defensa (despliegue de unidades) o control de vuelo, obteniendo en forma rápida una completa información visual del cuadro de situación real.


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Como ejemplo de la gran versatilidad de las aplicaciones mencionadas, la siguiente imágen muestra una pantalla real (tomada en CITEFA, Bs.As.), copiada como documento Word en el emplazamiento de radar real

3.1.3 Descripción del Sistema Descripción del extractor Para la descripción del funcionamiento de este sistema, ya sea en lo referente al hardware o software, se usará la siguiente nomenclatura para hacer referencia a los procesos sobre las señales:

- Adquisición: abarca la digitalización de las señales de video, trigger y sincro, desde su acondicionamiento analógico hasta su almacenamiento digital en las memorias de las respectivas placas.

-Transferencia: se refiere al proceso de ingresar a la memoria de la PC los datos obtenidos por las placas digitalizadoras que corresponden la información de posición angular y distancia correspondiente a cada blanco.

Características principales • Adquisición automática:

La adquisición de las señales de Radar (Video+Trigger+Sincro) es totalmente automática y programable, con lo cual los datos obtenidos permanecen almacenados en la memoria de la Placa Digitalizadora hasta que son transferidos a la PC. Después de esto el sistema queda preparado para una nueva adquisición.

• Digitalización Vectorial:

Los datos adquiridos poseen un formato que permite una transferencia hacia la memoria de la PC muy rápida, lo que asegura disponibilidad de tiempo para procesarlos y aplicar distintas funciones de análisis (Ej.:MTI, cálculo de trayectoria, etc.). Se logra además compatibilidad con los protocolos de transmisión digital más comunes (RS232, RS485) o redes Ethernet (TCP/IP)


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• Consola Virtual: Los controles de operación y la pantalla PPI sobre el monitor de la PC son Virtuales, lo que asegura alta confiabilidad (no existen desgastes mecánicos) y versatilidad, ya que pueden ser modificados de acuerdo a los requerimientos de cada aplicación.

• Placas Digitalizadoras compatibles con PC: Las placas digitalizadoras son compatibles con el Bus ISA-16bits de la PC, asegurando su funcionamiento sobre cualquier plataforma de este tipo, independientemente del procesador y velocidad del clock instalado en la Motherboard.

• Funcionamiento independiente del Radar:

La conexión de este sistema no altera el funcionamiento normal del Radar, pudiendo incluso actuar como un sustituto de la consola del mismo, ya que los puntos de donde se extraen las señales no son afectados por los controles de ajuste del Radar.

• Escalas de rango:

Programables desde la PC, para ajustar distintos alcances en el monitor independientemente de los ajustes que posea el Radar.

• Escalas de sensibilidad: Para adaptar el rechazo al ruido del receptor y adaptar la información adquirida a cualquier condición de ajuste del Radar, se puede setear la sensibilidad del conformador Analógico/Digital para abarcar los distintos estados posibles.

• Autoprueba del sistema: Generación de señales de Video y Trigger por la Placa Digitalizadora de Video a fín de comprobar el correcto funcionamiento y estado de calibración del sistema completo.

Principio de Funcionamiento

Para explicar el funcionamiento de la Placa Digitalizadora de Video se recurre a un diagrama de tiempos típico de una señal de Radar, como el mostrado a continuación. Consiste principalmente en medir los tiempos transcurridos entre la emisión del pulso de potencia (en sincronismo con el Trigger) y el arribo de los ecos que aparecen en la señal de Video entregada por el receptor.

D4 D3

Video

Pulsos de clock

Distancia Blanco 1

D1 D2

Distancia Blanco 2

Trigger


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Conociendo la velocidad de propagación de la energía electromagnética en el vacío, puede

determinarse una relación entre la distancia al blanco y el tiempo transcurrido. Haciendo los cálculos se encuentra la constante 0,15 km/µs, por lo que es suficiente con medir el tiempo para conocer la distancia. Para efectuar esta medición se emplea una base de tiempo programable para generar los pulsos de clock a contar y que permite fijar diferentes escalas de alcance. Almacenamiento de datos

Los blancos detectados por el sistema se almacenan en la memoria en forma vectorial, ocupando solo espacio los ecos que tiene información. La organización de la memoria es de la forma:

Indice de cada vector “Grado” Vectores “Grado” 0 1 2 3 4 Max.

0 N1 D1 D2 D3 D4 ,,, ... DN1 0 ... 0 2 N2 D1 D2 D3 D4 ... DN2 0 0 ... 0 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ... 0 6 N3 D1 D2 D3 D4 D5 ... ... DN3 ... 0 8 4 D1 D2 D3 D4 0 0 0 0 ... 0

10 3 D1 D2 D3 0 0 0 0 0 ... 0 12 1 D1 0 0 0 0 0 0 0 ... 0 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 0 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 0

358 Nx D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 ... DNx 0 donde Di es la distancia al blanco i para un vector “Grado” particular.

El número almacenado en el índice 0 de cada vector determina la cantidad de blancos detectados para esa posición angular.

El máximo número que permite almacenar el sistema para cada valor angular es de 255. Debido a las limitaciones de memoria impuestas por el sistema operativo DOS, este máximo se fija en un valor de 200 (compatible además con la resolución gráfica de la PPI Virtual), siendo mas que suficiente para cualquier aplicación real. El almacenamiento vectorial de los blancos se pensó para facilitar la comunicación con otro sistema al que se le transmitirán los datos adquiridos. De acuerdo a este esquema, solo habrá que transmitir los vectores cuyo primer elemento sea distinto de 0, siendo el valor de este elemento la cantidad de ecos que deben considerarse. Entonces, para esa posición angular particular, se transmitirán N valores de distancia, correspondientes al alcance de cada uno de los blancos detectados. De esta manera, se envían sólo los datos realmente necesarios, minimizando el tiempo de transmisión.


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Presentación en pantalla En la siguiente Figura se muestra la pantalla de presentación del Sistema Adquisidor. Básicamente

es una reproducción Virtual de la consola PPI del radar, con todas las mejoras que permite la digitalización de los blancos.

La posición angular instantánea de la antena se marca por puntos de color y una línea central que

van avanzando. El color de los puntos y la línea va alternando con cada vuelta para facilitar la rápida identificación visual de la posición. Además para una lectura mas exacta se incluye un indicador donde se muestra el valor digital angular adquirido a partir de las señales que provienen del sincro. El trabajar con estas señales permite que esta presentación este sincronizada en todo momento con la pantalla del radar.

El trabajar con un sistema digital permite incorporarle al radar muchas ventajas desde el punto de

vista operativo. Simplemente moviendo el mouse a través de los controles proporcionados, el operador puede cambiar el alcance de la pantalla y el nivel de sensibilidad de la adquisición (pudiendo eliminar ruido). Habilitando el cursor, cambia la forma del mouse a la de una mira y tiene una indicación exacta de la distancia y azimut del punto donde ubique ese cursor. Pueden almacenarse las coordenadas de hasta cuatro puntos. Las marcas tambien son opcionales, pudiendo eliminarse, en caso que el operador lo considere necesario. 3.2 - PLACA DIGITALIZADORA DE VIDEO Diagrama en Bloques


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Instrumentación virtual aplicada al estudio de sistemas complejos Capítulo 3: Extractor de Datos de Radar Descripción del diagrama en bloques De acuerdo a lo descripto en principio de funcionamiento, se conforman las señales analógicas de entrada a un nivel digital. Luego se cuentan los pulsos de la base de tiempo que transcurrieron entre el pulso de trigger y la aparición del pulso de eco. Esta cuenta la realiza el contador de distancia y se almacena en la dirección de memoria provista por el contador de blanco que mantiene la cuenta del número de eco recibido. Multiplexor de entrada: Consiste en una llave cuadruple de dos canales, que permite seleccionar entre dos pares de canales analógicos de entrada que transportan señales de Video y Trigger provenientes del RADAR (para una adquisición de blancos) o del contador programable TEST (para simulación o autoprueba del sistema). Conformadores: Consisten en dos comparadores rápidos (COMP. TRIGGER Y COMP. BLANCO) a los cuales ingresan las señales de trigger y video analógico seleccionadas por el MULTIPLEXOR. En sus salidas se obtienen pulsos compatibles con la lógica TTL. La tensión de comparación de nivel de Trigger es fija, mientras que la de comparación de Blancos puede programarse a través del bloque CONVERSOR D/A, permitiendo ajustar la sensibilidad de la adquisición. Contador de Blanco: Posee una entrada de cuenta ascendente (CPU) que está conectada al pulso de eco conformado (salida del COMP. BLANCO) lo que provoca que cada eco detectado incremente en 1 la dirección de memoria sobre la cual se almacena la distancia respectiva. Así el estado de este contador representa la cantidada de blancos que se detectaron en la última adquisición. La Transferencia de los datos a la PC se realiza por encuesta actuando sobre la línea de cuenta descedente (CPD), que provoca una disminución en la cuenta cada vez que se solicita un dato (distancia al blanco) de la memoria. El fin de la transferencia es indicado por un valor nulo en el contador. Contador de distancia: Es un contador de 8 bits, que cuenta los pulsos de clock provenientes del CONTADOR PROGRAMABLE. La frecuencia del mismo setea la resolución en distancia (alcance) en el cual trabaja el digitalizador. Con cada pulso de Trigger el CONTADOR DE DISTANCIA se resetea quedando preparado para iniciar una nueva secuencia de adquisición. Contador programable: Este bloque consiste en un CI que consta de 3 contadores de 16 bits cada uno, que reciben 5 MHz como clock de entrada. Esto permite lograr tres frecuencias programables totalmente independientes. Una se utiliza como Base de Tiempo (BT) para el CONTADOR DE DISTANCIA y los otras dos para generar señales de video y trigger test. Teniendo en cuenta la velocidad de propagación de 0,15 km/s y la capacidad del CONTADOR DE DISTANCIA DE 8 bits (hasta 255), se pueden programar los alcances de acuerdo con la expresión:

Alcance[km] = 255*BT*0,15 km/s:

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Base de tiempo (BT) Alcance:

0,5 µs 19,12 km 1 µs 38,25 km 2 µs 76,50 km 4 µs 153,00 km 8 µs 306,00 km

Conversor D/A : Mediante este conversor se puede programar la sensibilidad de la adquisición, obteniendose los siguientes pasos: 0,5 V - 0,75 V - 1 V - 1,5 V - 2 V Separadores: La función de estos CI que consisten en buffers con tercer estado, es la de permitir separar y programar los procesos de Adquisición de la placa y Transferencia hacia la PC. Memoria RAM: La memoria RAM cumple la función de almacenar las distancias a los blancos detectados, en direcciones consecutivas que representan el número de blanco adquirido. De esta forma el proceso seguido por la lógica de la placa es el de decrementar la dirección de memoria cada vez que se efectúa una lectura sobre la misma, a fin de ingresar en forma sucesiva el número de blanco desde el CONTADOR DE BLANCO y la distancia a los blancos desde la memoria. Decodificador de direcciones: Este circuito lógico permite direccionar los distintos registros que posee la placa, con la posibilidad de configurar la dirección base. Para el caso de setearla para un valor 300h, en esta dirección tenemos la lectura de los datos almacenados en memoria, para realizar la operación de transferencia. En 301h se encuentra el reseteo del CONTADOR DE BLANCO para ponerlo a cero antes de una adquisción. Finalmente en 302h se encuentran la selección de los canales analógicos de entrada y el ajuste del nivel de comparación (sensibilidad) del adquisidor.


Diagrama circuital

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VCC VCC

VCCVCC

VCC

D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7D0

BUS DE DATOS ISA

D14D13

D8 D9 D10D11D12

D15

BUS DE DATOS ISA

IC1974LS193

A15

B1

C10

D9

UP

5

DN

4

LOA

D11

CLR

14

QA

3Q

B2

QC

6Q

D7

CO

12B

O13

IC1874LS193

A15

B1

C10

D9

UP

5

DN

4

LOA

D11

CLR

14

QA

3Q

B2

QC

6Q

D7

CO

12B

O13

IC11A

74LS02

2

31

IC1774193

A15

B1

C10

D9

UP

5D

N4

LOAD

11C

LR14

QA

3Q

B2

QC

6Q

D7

CO

12B

O13

IC2174LS244

1A1

21A

24

1A3

61A

48

2A1

112A

213

2A3

152A

417

1G1

2G19

1Y1

181Y

216

1Y3

141Y

412

2Y1

92Y

27

2Y3

52Y

43

IC11B

74LS02 5

64

IC2074LS244

1A12

1A24

1A36

1A48

2A111

2A213

2A315

2A417

1G1

2G19

1Y1

181Y

216

1Y3

141Y

412

2Y1

92Y

27

2Y3

52Y

43

IC11D74LS02

11 1213

IC14A74LS74

D2

CLK3

Q5

Q6

PR

4C

L1

IC136264

A0

10A

19

A2

8A

37

A4

6A

55

A6

4A

73

A8

25A

924

A10

21A

1123

A12

2

CS

120

CS

226

WE

27O

E22

D0

11D

112

D2

13D

315

D4

16D

517

D6

18D

719

IC1674193

A15

B1

C10

D9

UP

5D

N4

LOAD

11C

LR14

QA

3Q

B2

QC

6Q

D7

CO

12B

O13

IC974LS244

1A12

1A24

1A36

1A48

2A111

2A213

2A315

2A417

1G1

2G19

1Y1

181Y

216

1Y3

141Y

412

2Y1

92Y

27

2Y3

52Y

43

IC12B74LS00

4 56

IC11C

74LS02 8

910IC12C

74LS00

9 108

0x300IOR

TRIGGER

CLOCK2

0X301

BLANCO

IOW

Extractor de datos


3 - 18

Selector de Canales Comparadores de Entrada

6,2K

IC25IC25

IC6

IC22

COMPARADORES DE ENTRADAS

SELECTOR DE CANALES

VCC

BLANCO

TRIGGER

IOW

0x302

TRIGGER

BLANCO

LM733

+

-

14

2

35

411

1012

8

7

IC23ALM324

+

-

3

21

4

11

IC23CLM324

+

-

10

98

4

11

4052

X012

X114

X215

X311

Y0

1

Y1

5

Y2

2

Y3

4

INH

6

A10

B9

X13

Y3

R?R-PACK

116

215

314

413

512

611

710

89

RS

4.7K

RS

4.7K

RS

4.7K

LM733

+

-

14

2

35

411

1012

8

7

RD4,7K

RU

1K CF110µF

+

1

74LS373

D0

3D

14

D2

7D

38

D4

13D

514

D6

17D

718

OC

1G

11

Q0

2Q

15

Q2

6Q

39

Q4

12Q

515

Q6

16Q

719

10 K

10 K Cable bifilar blindado

2IC3A

74LS023


3 - 19

Decodificador de direcciones

+5V

+VCC

+5V

+5V

AE

NA

0A

1 A

2

A3

A4

A5

A6

A7

A8

A9

D4

D3

D7

D2

D1

D6

D5

IOW

IOR

BUS ISA - 16 BITS

DIRECCION

10MHz

I/OCS

16

D0

CIRCUITO EXTRACTOR4x4K7

+5V

CLOCK2

0x300

0x301

IC3A74LS02

2 31

IC3B74LS02

5 64

R50.56K

R6

0.56K

C

68pF

IC7A74LS74

D2

CLK3

Q5

Q6

PR

4C

L1

IC5 8254

D0

8D

17

D2

6D

35

D4

4D

53

D6

2D

71

RD

22W

R23

A0

19A

120

CS

21

CLK

09

G0

11O

UT0

10C

LK1

15G

114

OU

T113

CLK

218

G2

16O

UT2

17

IC1 74LS688

P0

2P

14

P2

6P

38

P4

11P

513

P6

15P

717

Q0

3Q

15

Q2

7Q

39

Q4

12Q

514

Q6

16Q

718

G1

P=Q

19

BASE 300H

1234

8765

IC16 74LS244

1A12

1A24

1A36

1A48

2A111

2A213

2A315

2A417

1G1

2G19

1Y1

181Y

216

1Y3

141Y

412

2Y1

92Y

27

2Y3

52Y

43

9

IC4A

74LS13

12

45

6

IC4B74LS13

10

8

1213

IC274LS138

A1

B2

C3

G1

6G

2A4

G2B

5

Y0

15Y

114

Y2

13Y

312

Y4

11Y

510

Y6

9Y

77

Instrumentación virtual aplicada al estudio de sistemas complejos Capítulo 3: Extractor de Datos de Radar 3.2.2 Descripción del funcionamiento

En el diagrama circuital se distinguen tres circuitos: Selector de Canales, Extractor de datos y Decodificador de direcciones que se describen a continuación. Selector de canales

En el Selector de canales, la llave analógica/digital IC22 selecciona los canales de

entrada, programados mediante el latch IC6, permitiendo ingresar un par de señales que en operación normal son las de video y trigger del radar u otro par que pueden provenir del mismo radar o generadas por un proceso de simulación. Las salidas de la llave IC22 (pines 3 y 13) ingresan a los comparadores IC25 que, mediante la comparación con un valor fijo de tensión en el caso del trigger y valor programable mediante el conversor digital analógico (DAC: compuesto por los operacionales IC23A e IC23C y el latch IC6) para la señal de video, se puede filtrar y conformar ambas señales antes de ingresar al circuito Extractor.

Así tenemos el latch IC6 en la dirección 302h, que mediante escrituras efectuadas con instrucciones outportb(0x302,xx), podemos programar: con los bits Q0 y Q1 selección de canal de entrada y en los bits Q2 a Q7 el ajuste de sensibilidad de la señal de video. Extractor de datos

En este circuito se distinguen cinco señales de control que manejan su funcionamiento,

permitiendo los dos procesos de operación que esta posee. Adquisición

Este proceso es automático y se lleva a cabo con las señales suministradas por el Radar

resultando en un registro en memoria del número de blancos detectados en esta posición y sus respectivas distancias. Las señales que intervienen en este proceso son las de TRIGGER y BLANCO, provenientes de los comparadores de nivel de entrada.

TRIGGER: esta señal proviene del trigger del radar y actúa activando el flip-flop IC14A que habilita el ingreso de pulsos de clock (CLOCK2), a los contadores de distancia (IC18 y IC19), que mide el tiempo transcurrido desde la emisión del pulso de Radar. Esta cuenta representa la distancia al blanco. Cuando la cuenta supera el módulo del contador de distancia (255), la señal de carry del mismo resetea el flip-flop, inhabilitando la cuenta hasta el próximo trigger. BLANCO: en este punto se reciben los pulsos de eco que realizan tres funciones sobre el circuito: a) ingresan a los contadores de blanco (IC16 e IC17) que mantienen la cuenta de los blancos recibidos y direccionan la memoria RAM, b) habilitan el buffer (IC9) que conecta las salidas de los contadores de distancia con la entrada de datos de la memoria RAM (IC13) y c) habilitan la escritura sobre esta memoria. Mediante este proceso se efectúa el registro automático de los blancos.

Transferencia Así se especifica al proceso de ingreso de los datos desde la memoria de la placa a la memoria de la PC. El mismo consiste en la ejecución de dos líneas de programa que iniciarán una adquisición mediante la salida outportb(0x301,xx) y posteriormente leyendo sucesivamente dato[n]=inportb(0x300), se transferieren a la PC los blancos almacenados en la placa.

3 - 20

Instrumentación virtual aplicada al estudio de sistemas complejos Capítulo 3: Extractor de Datos de Radar IOW-0X301: estas señales se habilitan con la ejecución de la instrucción de escritura outportb(0x301,xx), y la función que cumplen es la de resetear el contenido de los contadores de blanco, preparando a la placa para una nueva adquisición. IOR-0X300: la instrucción de dato[n]=lectura inportb(0x300) activa estas señales produciendo los siguientes efectos: cuenta descendente de los contadores de blanco, habilitación de los buffers (IC9 e IC 20) que comunican el bus de la placa con el bus del ISA y habilitación como lectura de la memoria RAM. De esta forma cada vez que se efectúa esta operación se transfiere sobre el vector dato[n] en el byte bajo de la palabra la distancia al blanco n y en la parte alta el número de blanco. Cada vez que se realiza esta operación disminuye automáticamente la dirección de memoria leída con el número de blanco, bajando el contenido de la memoria hasta que la parte alta llegue a cero con lo cual comprobamos el vaciado de la memoria.


Esta parte del circuito permite el direccionameinto de la placa y esta compuesto por los

circuitos integrados: IC1 que es un comparador de 8 bits que decodifica los bits A3 a A9 del bus de direcciones. De esta forma cuando estos bits coinciden con los de la placa habilita al demultiplexor IC2 que completa la decodificación de los tres bits de dirección restantes A2 a A0 y la señal de habilitación del bus AEN. Este proceso permite disponer de 8 direcciones, de las cuales se utilizan como señales de control sobre el circuito Extractor de Datos, en especial el proceso de Transferencia descripto con anterioridad, la 300h para la lectura del vector de datos adquiridos y la 301h para el inicio de una adquisición.

Luego en las direcciones superiores 304h a 307h, están los registros de programación del timer programable IC5, que permiten generar distintos valores de tiempo en el CLOCK2 aplicado a los contadores de distancia para setear el rango de la PPI. Los pasos a seguir en este caso consisten en escribir en el Registro de Control el valor 0xB4 que configura al Contador2 utilizado, como divisor/generador de onda cuadrada. Posteriormente la frecuencia de clock se obtiene, de la frecuencia de entrada de 5MHz dividida por el número que se almacene en el registro en la dirección 306H del contador 2.

Dirección Operación Función

300H Lectura Lectura del vector de distancia 301H Escritura Comienzo de una adquisición 304H Escritura Contador 0 305H Escritura Contador 1 306H Escritura Contador 2 307H Escritura Registro de Control

3.2.3 - Software de control y transferencia

Los siguientes son los pasos de programa necesarios para realizar la transferencia de datos desde la placa digitalizadora de video al vector dato[ ]: void genera(int retardo); /* Genera un tiempo de valor retardo expresado en microsegundos */ int memory(void); /* Devuelve como argumento la cantidad de blancos adquiridos por la placa digitalizadora de video y en el vector dato[ ] en forma secuencial las distancias a los

3 - 21

Instrumentación virtual aplicada al estudio de sistemas complejos Capítulo 3: Extractor de Datos de Radar blancos adquiridos */ unsigned dato[250]; int memory(void) { unsigned cnt=0,data; outportb(0x301,0); /* Habilita una Adquisición */ genera(40000l); /* Espera el tiempo que la antena esta posicionada en un angulo dentro de 1° de resolución, aproximadamente 40 ms */ cnt=0; /* Resetea el contador de blancos */ do /* Comienzo del lazo de lectura de blancos */ { data=inport(0x300); /* Ingresa dirección y contenido de la memoria */ dato[cnt++]=data&0xFF; /* Extrae la información de distancia de la palabra transferida desde la placa y almacena en el vector dato[cnt ] */ }while((data>>8)&&(cnt<240)); /* Para finalizar el lazo de lectura de blancos comprueba la existencia de blancos pendientes de transferencia, verificando si el contador de blanco ha llegado a cero y no exceder la capacidad máxima del mismo */ return(cnt); /* Devuelve la cantidad de blancos transferidos */ } void genera(int retardo) { int control=0x43,canal2=0x42,latch2=0x80,seteo=0xb4; int alto,bajo,salida=1; unsigned tiempo; outportb(control,seteo); outportb(canal2,0xff); outportb(canal2,0xff); outportb(0x61,1); outportb(control,latch2); while(salida) { bajo=inportb(canal2); alto=inportb(canal2); tiempo=alto*256+bajo; tiempo=(unsigned int)((0xffff-tiempo)*0.838+10.0); if(tiempo>(unsigned)retardo) salida=0; } }

3 - 22


3 - 23

Ejemplo de aplicación en el main( ) para el manejo de la placa extractora numero_eco=memory(); /* Transfiere el contenido de la memoria en placa al vector dato[] y la cantidad de blancos adquiridos sobre la variable numero_eco */ for(blanco=numero_eco;blanco>0;blanco--) /* Lazo de posicionamiento y graficación en pantalla de cada blanco */ { posx=dato[blanco]*sin(cnt*PI/180.0)*0.75; posy=dato[blanco]*cos(cnt*PI/180.0)*0.75; circle(centrox+posx,centroy-posy,1); }

Instrumentación virtual aplicada al estudio de sistemas complejos Capítulo 3: Extractor de Datos de Radar 3.2.4 - Distribución topológica de componentes

3 - 24

Instrumentación virtual aplicada al estudio de sistemas complejos Capítulo 3: Extractor de Datos de Radar Distribución topológica de componentes

1 - BLANCO

3 -BLANCO SIMULADO

5 - TRIGGER

7 - TRIGGER SIMULADO

11 - PULSOSTRIGGER

13 - PULSOSBLANCO

3 - 25

Instrumentación virtual aplicada al estudio de sistemas complejos Capítulo 3: Extractor de Datos de Radar Diseño del impreso: Lado Componentes

3 - 26

Instrumentación virtual aplicada al estudio de sistemas complejos Capítulo 3: Extractor de Datos de Radar Diseño del impreso: Lado Soldadura

3 - 27

U LINEA V

rumentación virtual aplicada al estudio de sistemas complejos Capítulo 3: Extractor de Datos de Radar

3 - 28

SELECCION DE

CANAL

RESOLUTOR

seno coseno

CONVERSOR

A/D

INTERFASE

DE E/S DECODIFICADOR

DE DIRECCIONES

BUS PC- ISA16 BITS

BASE DE TIEMPO

R FASES S SINCRO T

3.3 - PLACA DIGITALIZADORA DE SINCRO

4MHz

Diagrama en Bloques

SELECCION DE

REGISTROS

Inst

Instrumentación virtual aplicada al estudio de sistemas complejos Capítulo 3: Extractor de Datos de Radar Descripción del diagrama en bloques El funcionamiento de esta placa consiste en obtener los valores digitales del seno y coseno del angulo que mide el sincro y permitir ingresarlos a la PC en sus valores digitales expresados con una resolución de 12bits. A partir de estos valores, el programa que calcula el ángulo de la antena lo hace, aplicando la función arco tangente del seno/coseno (arctg=seno/coseno).

El diagrama en bloques de esta placa consiste de dos partes: Adquisición y Control formada por los bloques: Base de Tiempo, Conversor A/D, Interfase de E/S (Entrada/Salida), Decodificador de direcciones y el Resolutor. La siguiente es una breve descripción de su funcionamiento Base de Tiempo

Genera el clock maestro que alimenta al conversor A/D (Analógico/Digital) de aproximaciones sucesivas y consiste en un oscilador controlado por cristal (4MHz) para asegurar estabilidad la velocidad de conversión de 300Ksamples/s.

Conversor A/D

El conversor A/D es el MAX 120 cuya finalidad es convertir la señal analógica que representa al seno o coseno del ángulo medido a su correspondiente valor digital. Este conversor posee una resolución de 12 bits y una velocidad máxima de 500 Ksamples/s (500Kmuestras/segundo). Tiene un rango dinámico de 72 dB, compatible con el Bus ISA de 16 bits.

Interfase de E/S

Este bloque cumple dos funciones: latchear (retener) en el CI 73LS373 la palabra (byte) de control que programa el canal de entrada que será convertido (seno o coseno) y aislar el bus de datos de la placa del BUS ISA de la PC.


Este bloque cumple la función de asignarle la dirección a la placa dentro del mapa de dispositivos de Entrada/Salida de la PC y controlar la comunicación entre los diferentes bloques de la placa y el Bus de datos de la PC. Selección de canal Consiste en una llave analógica de cuatro canales de entrada y uno de salida que, mediante una palabra digital que se almacena en el registro de 8 bits (74LS373), permite seleccionar con 0 el canal 0 donde se ingresa el seno y el valor 1 para el coseno, con lo cual puede seleccionarse la magnitud analógica proveniente del resolutor, que se quiere convertir. Los otros dos canales (2 y 3) se utilizan para autoprueba. Resolutor La forma de onda de las tres fases entregadas por el sincro, corresponden a una señal modulada en amplitud, cuya modulante esta relacionada con el ángulo de giro como se muestra en la siguiente figura:

3 - 29


0 500 1000 1500

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

El bloque Resolutor convierte el juego de señales entregadas por el sincro de antena compuesto por las tres fases: R, S y T y la referencia de línea U y V, en los correspondientes valores de seno y coseno del ángulo. Partiendo del hecho que las tres fases son magnitudes vectoriales desfasadas 120° entre si, el procedimiento seguido para realizar esta conversión, consiste en restar dos fases S-T para obtener la información de señal modulante seno y la fase R con una corrección de amplitud como coseno.

Hasta aqui la información que se obtiene está en la modulante de una señal cuya portadora es provista por la frecuencia de línea del radar, por lo tanto es necesario un bloque DEMODULADOR que a partir de una detección sincrónica extraiga la información de señales seno y coseno necesarias. El diagrama en bloques de este procedimiento es el siguiente:

T

R

S

RESOLUTOR

+

-S -T

R A DEMODULADOR

DEMODULADOR

U V REFERENCIA

↔ coseno ↔ seno

El procedimiento matemático que implica este proceso se puede representa vectorialmente como:

3 - 30


3 - 31

En este diagrama vectorial S-T representa el coseno y R el seno. Como se observa en la figura los vectores R y S-T tienen distinto módulo, por lo que habrá que corregir la amplitud de una de las señales (amplificar R), hasta que igualar ambas. Las formas de onda de salida del resolutor y su relación con el ángulo de giro de la antena se muestran en la siguiente figura:

En este diagrama vectorial S-T representa el coseno y R el seno. Como se observa en la figura los vectores R y S-T tienen distinto módulo, por lo que habrá que corregir la amplitud de una de las señales (amplificar R), hasta que igualar ambas. Las formas de onda de salida del resolutor y su relación con el ángulo de giro de la antena se muestran en la siguiente figura:

POSICION ANGULAR DE LA ANTENA

T

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0° 90° 180° 270° 360°

0.2

0.4

0.6

0.8

-1

R = seno

0

1

S

0

-T

S-T= coseno

50 100 150 200 250 300 350

Seno

Coseno

SALIDAS DEL RESOLUTOR

R


3 - 32

Diagrama Circuital Resolutor

CIRCUITO RESOLUTO

FASES DEL SINCRO

REFERENCIA

COSENO

R1

R2

SENO

R

S

T

VCC

C2

0,68µF

C3

0,68µF

C1

0,68µF

P1

50K

R518K

R1

18K

IC2A 4066

1 2

13

R2

18K

R9

5,6K

C5

0,1µF

R3 18K

D11N4148

R4 18K

C4

0,1µF

IC1BLM324

+

-5

67

4

11

IC1ALM324

+

-3

21

4

11IC2B 4066

11 10

12

P210K

IC34N23

R84,7K

2,2µFC6

2,2µFC7

R13 39K

R12 39K

R11 39K

R12 39K

IC1D

LM324

+

-

12

1314

4

11

IC1C

LM324

+

-

10

98

4

11

R1539K

R1439K

R6 39K

R7

39K


3 - 33

Resolutor: descripción del funcionamiento En el diagrama en bloques del resolutor un sumador hace la operación de resta

entre las fases S-T entregadas por el sincro. Esta operación anlógica la realiza el operacional IC1A a cuya entrada negada (- pin 2), ingresa la fase S con ajuste de amplitud en el potenciometro P1, mientras que a la entrada directa (+ pin3), se inyecta la fase T. Ambas fases están acopladas mediante los capacitores C1 y C2, que eliminan cualquier componente de contínua que contenga la señal. La salida de IC1A es una señal modulada en amplitud, cuya portadora es la frecuencia de línea y la modulante es la diferencia entre S-T . El operacional IC1B actúa como amplificador, como se observa en el diagrama en bloques, para adaptar la amplitud de la fase R al mismo valor que la salida de IC1A (S-T).

La referencia de línea que ingresa en los puntos R1 y R2, se acopla en forma

óptica a través de IC3, para aislar de línea al circuito y permitir además obtener una señal conformada para aplicar como portadora al demodulador sincrónico.

Las señales moduladas S-T y R resultantes, ingresan a los demoduladores, las

llaves analógicas IC2B e IC2A, que permiten obtener la información seno y coseno, que son filtradas por IC1D e IC1C respectivamente.

rumentación virtual aplicada al estudio de sistemas complejos Capítulo 3: Extractor de Datos de Radar

3 - 34

+VCC

+VCC

+5V

+5V

+5V

-12V

111517

CLK

10

VD

D

MO

DE

CS

D7

CO

NV

D5D10

9 1214198

D1

AIN

D0

D4

16

GN

D

D6

AG

ND

VR

EF

D2

D9

1318

D8

VS

S

IC9

D3

RD D11

7

MAX 120

A6

A5

A1

A9

A4

A3

AE

N

A8

A0

A7

A2

D9

D6

D1

D10

D5

D11

D2

D7

D3

D4

D0

IOW

IOR

IOW

BUS ISA - 16 BITS

DIRECCION

10MHz

I/OCS

16

D8

D6

D4

D7

D3

D5

D0

D2

D1

Sim

RESOLU

SEN

ulado

TOR

O

COSENO

Seno

Coseno

IC1 74LS688

P0

2P

14

P2

6P

38

P4

11P

513

P6

15P

717

Q0

3Q

15

Q2

7Q

39

Q4

12Q

514

Q6

16Q

718

G1

P=Q

19

IC274LS138

A1

B2

C3

G1

6G

2A4

G2B

5

Y0

15Y

114

Y2

13Y

312

Y4

11Y

510

Y6

9Y

77

BASE 310H

1234

8765

IC8

4051

X013

X1 14

X215

X3 12

X41

X5 5

X62

X74

INH6

C 11

B10

A 9

X3

IC674LS373

D0

3D

14

D2

7D

38

D4

13D

514

D6

17D

718

OC

1G

Diagrama Circuital Adquisición y Control

11

Q0

2Q

15

Q2

6Q

39

Q4

12Q

515

Q6

16Q

719

IC11A

74LS02

2

31

IC3B74LS02

5 64

C

68pF

R50.56K

R6

0.56KIC3A74LS02

2 31

C100.47µF

C11470µF

IC7A74LS74

D2

CLK3

Q5

Q6

PR

4C

L1

IC16 74LS244

1A12

1A24

1A36

1A48

2A111

2A213

2A315

2A417

1G1

2G19

1Y1

18

1Y2

16

1Y3

14

1Y4

12

2Y1

9

2Y2

7

2Y3

5

2Y4

3

Inst

Instrumentación virtual aplicada al estudio de sistemas complejos Capítulo 3: Extractor de Datos de Radar Adquisición y Control: descripción del funcionamiento

Esta parte del circuito permite el direccionamiento de la placa, la selección del canal

y el proceso de conversión A/D analógica/digital de los valores seno y coseno entregados por el resolutor.

El decodificador de direcciones que permite el direccionamiento de la placa está compuesto por los circuitos integrados: IC1 que es un comparador de 8 bits que decodifica los bits A3 a A9 del bus de direcciones. De esta forma cuando estos bits coinciden con los de la placa habilita al demultiplexor IC2 que completa la decodificación de los tres bits de dirección restantes A2 a A0 y la señal de habilitación del bus AEN. Este proceso permite disponer de 8 direcciones, de las cuales se utilizan la 310h para el conversor A/D IC9 y la 311h para el latch de selección de canales IC6. Esto permite la selección de las siguientes funciones con sus correspondientes direcciones y operaciones expresadas en la siguiente tabla:

Dirección Operación Función

310H Escritura Comienzo conversión 310H Lectura Lectura conversión 311H Escritura = dato (0) Selección de canal 0 = Seno (RESOLUTOR)

311H Escritura = dato (1) Selección de canal 1 = Coseno (RESOLUTOR) 311H Escritura = dato (2) Selección de canal 2 = Seno (Simulado) 311H Escritura = dato (3) Selección de canal 3 = Coseno (Simulado)

3.3.2 - Software de control y adquisición

Los programas de control y adquisición del ángulo de antena están divididos en dos

funciones: adquisicion() y angulo(). La función adquisición() permite seleccionar y leer los valores de seno y coseno de la posición angular de la antena, mientras que angulo() calcula a partir de estos valores y mediante la función de librería del lenguaje C atan(), el ángulo resultante devolviendo este valor en número flotante.

Los listados de estas funciones y sus respectivos comentarios de líneas de programa, se muestran a continuación: float angulo(void) { double angle,x,y; x=-adquiere(0)+0.0001; /* lectura del seno */ y=adquiere(1)+0.0001; /* lectura del coseno */ angle=fabs(atan(y/x)); /* calculo del ángulo */ if((x<0)&&(y<0)) /* determinación del cuadrante */ angle+=PI; if((x<0)&&(y>0)) angle=PI-angle;

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Instrumentación virtual aplicada al estudio de sistemas complejos Capítulo 3: Extractor de Datos de Radar if((x>0)&&(y<0)) angle=2*PI-angle; return(angle); /* devolución del ángulo */

} int adquiere(int canal)

{ float suma=0; int n,d,datos; outportb(0x311,canal); /*selección del canal:0 =seno y 1=coseno*/ for(n=0;n<100;n++) /* lazo para filtrado del ruido */ { outportb(0x310,0); /* comienzo de la conversión */ for(d=0;d<15;d++) /* generación de un retardo de conversión */ ; datos=(inport(0x310)&0xFFF); /* lectura del valor digital*/ if(datos>=2048) datos=-((~datos+1)&0x0FFF); suma=datos+suma; } datos=suma/100; /* promediación de la adquisición */ return(datos); /* devuelve el valor de seno o coseno */

}

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Instrumentación virtual aplicada al estudio de sistemas complejos Capítulo 3: Extractor de Datos de Radar 3.3.3 - Distribución topológica de componentes

La siguiente figura muestra en escala 1:1, la distribución de componentes. La línea divisoria

separa el circuito del resolutor del de adquisición. La identificación de componentes es la correspondiente a los diagramas circuitales vistos.

DB9

1-R 2-S 3-T 6-U 7-V 8-GND 9-GND

RESOLUTOR ADQUISICION Y CONTROL

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Instrumentación virtual aplicada al estudio de sistemas complejos Capítulo 3: Extractor de Datos de Radar Diseño del impreso Diseño del impreso: Lado Soldadura

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Diseño del impreso: Lado Componentes

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CAPITULO 3 SISTEMA EXTRACTOR DE DATOS DE …hildalarrondo.net/wp-content/uploads/2010/11/Capítulo-4-Extractor... · efectúa el procesamiento en el tiempo y en el espacio para poder