gli stabilizzatori di tensione: i regolatori a … · 2014. 2. 13. · idea elettronica 27 ital...

L A R I V I S TA D I E L E T T R O N I C A A P P L I C ATA , T E C N O L O G I E E P R O D OT T I

www.farelettronica.com

N° 234 - DICEMBRE 2004 - ANNO 20

EDIZIONI

€ 4,50 - Frs 9,00

TUTORIAL

HARDWARE

• GLI STABILIZZATORI DI TENSIONE:I REGOLATORI A COMMUTAZIONE CAPACITIVA

PRATICAMENTE

• I FLIP FLOP:COMANDARE DUE LUCI CON UN SOLO PULSANTE

FREQUENZIMETRO

DIGITALE BF 4,5 DIGIT LED

• VITAMINA C:IL COMPILATORE SDCC E L’8052

• ALLA SCOPERTA DELL’OPTOELETTRONICA:I FOTOACCOPPIATORI

MHZ

• INTRODUZIONE AI SISTEMI

WIRELESS DIGITALI:IL BLUETOOTH

ROBOMANIA

• EXPLORER:I ROBOT ESPLORATORI

• INTRODUZIONE ALLA ROBOTICA:LA MATEMATICA, L’ANTROPOMORFISMO E

LA PROGRAMMAZIONE

TECNOLOGIE SPERIMENTALI

• APPLICAZIONI EMBEDDED:IMPLEMENTAZIONE DEL PROTOCOLLO MODBUS ASCII

NOTEP

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SMARTCARD

APPLICAZIONI CON LE SIM

Post

e Ita

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TUTTO. . .MA PROPRIO TUTTO SUGLI

FEBOT

IL FIRMWARE DELLA

SCHEDA MADRE

ALIMENTATORISWITCHING

Tiziano [email protected]

Lo stesso giorno dell’acquisto di Fare Elettronica da parte della attuale casa editrice(Inware Edizioni) avvenuto nell’ottobre 2003, ci siamo riuniti per tenere il primo degliincontro mensili che oggi chiamiamo “evolution meeting”.Ci siamo ritrovati nella sala riunioni e, dopo una lunga serie di interventi, piani, decinedi fogli riempiti con idee e proposte, siamo stati tutti concordi nell’affermare che daquel giorno in poi il nostro motto sarebbe stato “evoluzione”.Mai fermarsi, mai riposarsi sugli allori, ma lavorare continuamente per arrivare ad unrisultato sempre migliore e subito dopo porsi un nuovo obiettivo, sempre più ambizioso,alla continua ricerca della “rivista perfetta”, della rivista che ognuno di noi ha in mentee che voi, cari lettori, state delineando con i vostri apprezzamenti e consigli.Una rivista moderna, ricca di contenuti innovativi, che tratti argomenti volti allaformazione dei lettori, non solo sterili progetti “realizza e getta”, una rivista che fossepiacevole da leggere ed approfondire, non soltanto da sfogliare distrattamente, dacollezionare non solo perché “tanto ho tutti i numeri” ma da conservare come unostrumento di laboratorio, sempre pronto ad aiutare nella soluzione di un problema,uno strumento che può tornare utile in qualsiasi momento.Ad oggi, stando ai vostri apprezzamenti, siamo sulla buona strada; gli obiettivi sonosempre nuovi e stimolanti, i risultati davvero incoraggianti. È un processo lungo e cherichiede molto impegno, ma abbiamo fatto molta strada ed altrettanta ne faremo.Questo si chiama evoluzione: “uno sviluppo lento e graduale; svolgimento da una forma aun'altra, generalmente più completa e perfetta” (fonte Garzanti).Lo avete vissuto in prima persona, tutte le iniziative che hanno accompagnato la rivistain questo ultimo anno, tutti i miglioramenti, il nuovo sito, la partecipazione dellaredazione alle fiere… tutti piccoli passi nel nostro percorso evolutivo.Non è stato facile e non lo sarà neanche quello che ci prefiggiamo per il prossimo anno,un progetto ancora più ambizioso, ma a noi piacciono le sfide ed amiamo il nostrolavoro, per questo vi consiglio di non perdervi il numero di Gennaio 2005 sarà unapietra miliare nella storia della nostra amata rivista.

Prima di introdurre il numero che state per leggere lasciate che vi presenti il nostronuovo Direttore Responsabile: Antonio Cirella.Molti lettori hanno già avuto la possibilità di conoscerlo personalmente via email otramite qualche articolo scritto in passato. Nel prossimo anno avrà un suo spazio inquesto editoriale, parlando di argomenti di attualità, mentre io continuerò a parlarvi deicontenuti della rivista.Noi tutti ringraziamo Giancarmelo Moroni per il preziosissimo contributo fin qui datoalla rivista ed auguriamo un futuro ricco di successi al nuovo Direttore.

Non mi rimane molto spazio per descrivere il bellissimo numero che state per leggere,ma voglio segnalarvi la prima parte del nuovo corso sugli alimentatori switching. Questoè un argomento sul quale Fare Elettronica è all’avanguardia, come nostro solito non cisiamo limitati a un semplice articolo o progetto, ma siamo andati oltre con un corsocompleto che vi accompagnerà per tutto il 2005, tanta teoria spiegata in parole semplicima anche tanta pratica, tanti progetti completi di alimentatori switching di diversatipologia. Se a questo tutorial aggiungete il nuovo corso di elettronica Elettronicandoche partirà con il numero di Gennaio 2005, avrete soltanto una minima idea dellenovità che vi aspettano il prossimo anno.

Bene, concludo questo mio intervento augurandovi, da parte mia e di tutta laredazione, un felice Natale ed un ricchissimo anno nuovo.Vi rinnovo l’appuntamento in edicola a Gennaio 2005 per un nuovo ed entusiasmantenumero di Fare Elettronica.

EVOLUZIONE

3

edito

riale

DIRETTORE RESPONSABILE:

Antonio Cirella ([email protected])

DIRETTORE DI REDAZIONE:

Tiziano Galizia ([email protected])

PROGETTO GRAFICO E IMPAGINAZIONE:

Graficonsult - Milano ([email protected])

HANNO COLLABORATO:

Maurizio Del Corso, Romano Bernarducci, Umberto Fabris,

Massimiliano Bracci, Andrea Perilli, Sandro Romagnoli, Raffaello Bonghi,

Gianroberto Negri, Antonio Di Stefano, Nico Grilloni, Giuseppe Modugno,

DIREZIONE - REDAZIONE - PUBBLICITÁ

INWARE srl

Via Cadorna, 27/31 - 20032 Cormano (MI)

Tel. 02.66504794 - 02.66504755 - Fax 02.66508225

[email protected] - www.inwaredizioni.it

STAMPA:

ROTO 2000

Via Leonardo da Vinci, 18/20 - 20080 Casarile (MI)

DISTRIBUZIONE:

Parrini & C. S.p.a.

Viale Forlanini, 23 - 20134 Milano.

Il periodico Fare Elettronica è in attesa del numero di iscrizione al ROC

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Autorizzazione alla pubblicazione del Tribunale di Milano n. 647 del 17/11/2003 INWARE srl.

© Tutti i diritti di riproduzione o di traduzione degli articoli pubblicati sono riser-

vati. Manoscritti, disegni e fotografie sono di proprietà di INWARE srl.

Diritti d’autore: La protezione del diritto d’autore è estesa non solamente al con-

tenuto redazionale di Fare Elettronica ma anche alle illustrazioni e ai circuiti

stampati. Conformemente alla legge sui Brevetti n.1127 del 29-6-39, i circuiti e gli

schemi pubblicati su Fare Elettronica possono essere realizzati solo ed esclusiva-

mente per scopi privati o scientifici e comunque non commerciali. L'utilizzazione

degli schemi non comporta alcuna responsabilità da parte della Società editrice.

La Società editrice è in diritto di tradurre e/o fare tradurre un articolo e di utiliz-

zarlo per le sue diverse edizioni e attività, dietro compenso conforme alle tariffe

in uso presso la società stessa.

Alcuni circuiti, dispositivi, componenti ecc. descritti in questa rivista possono be-

neficiare dei diritti propri ai brevetti: la Società editrice non assume alcuna re-

sponsabilità per il fatto che ciò possa non essere menzionato.

Elenco inserzionisti

Richieste di assistenza

Alterlogix 59Artek 47-67Blu Nautilus 41Elettroshop 103Futura 11-63-93G.P.E. kit 85Grifo II copIdea Elettronica 27Ital Electronics 51Parsic 33-55Pianeta Elettronica 19-83Scuola RadioElettra IV cop

Collaborare con Fare ElettronicaLa redazione di Fare Elettronica è alla ricerca dicollaboratori per la stesura di articoli, progetti,tutorials, rubriche e libri.Le richieste di collaborazione vanno indirizzate aTiziano Galizia ([email protected]) eaccompagnate, se possibile, da una brevedescrizione delle vostre competenze tecniche e/oeditoriali, oltre che da un elenco degli argomentie/o progetti che desiderate proporre.

Per richiedere assistenza o chiarimenti sugli articolipubblicati, vi preghiamo di contattare l’autore, ilcui nome ed indirizzo email è sempre riportatosotto il titolo dell’articolo stesso.Nel caso ciò non fosse possibile potete scrivere [email protected], ricordandovi dispecificare il numero della rivista ed il titolodell’articolo per il quale chiedete chiarimenti,oltre al vostro nome, cognome ed indirizzo email.Tutte le richieste con informazioni insufficienti oanonime non saranno prese in considerazione.

Come contattarciIndirizzo email della Redazione:

[email protected] email dell’Ufficio Abbonamenti:

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Telefono 02.66504794 Fax 02.66508225Il nostro indirizzo postale:

INWARE EdizioniVia Cadorna, 27/3120032 Cormano (MI)


SOMMARIO

tutorialGli alimentatori Switching (prima parte): 24Introduzionedi Romano Bernarducci

Vitamina C (quattordicesima parte): 44Il compilatore SDCC e l’8052di Antonio Di Stefano

Smartcard (settima parte): 52Applicazioni con le simdi Giuseppe Modugno

Alla scoperta dell’optoelettronica 64(sesta parte): I fotoaccoppiatoridi Andrea Perilli

tecnologie sperimentaliApplicazioni Embedded (quarta parte): 14Implementazione del protocolloMODBUS ASCIIdi Gianroberto Negri

praticamenteI Flip Flop: 74Comandare due luci con un solo pulsantedi Maurizio Del Corso

hardwareFrequenzimetro digitale BF 4,5 digit led 36di Umberto Fabris

Gli stabilizzatori di tensione (settima parte):I regolatori a commutazione capacitiva 80di Nico Grilloni

rubricheMailbox 6

News 8

Notepad 12

Le fiere e mostre mercato 72di Dicembre 2004

In Vetrina:

Cadlogix: Un potente ambiente integrato 112per la progettazione elettronica

robomaniaExplorer: I robot esploratori 94di Raffaello Bonghi

Febot (quarta parte): 98Il firmware della scheda madredi Maurizio Del Corso e Tiziano Galizia

Introduzione alla robotica (quinta parte): 104La matematica, l’antropomorfismo ela programmazionedi Massimiliano Bracci

MhzIntroduzione ai sistemi 86Wireless digitali (terza parte): Il bluetoothdi Sandro Romagnoli

ALIMENTATORESpett. Redazione, vorrei realizzare un alimentatore

che fornisca in uscita 24V-8A. Volevo sapere se po-

tevo usare i circuiti descritti dal signor Grilloni op-

pure delle varianti.

Daniele Rondi

Il circuito richiesto è riportato in figura 1. SiR

D tratta di un alimentatore in grado di fornire inuscita una tensione variabile da circa 5 V a oltre 25V per una corrente di carico di 10 A. L'integratoutilizzato è un LM350 che, derivato dal più notoLM117, è in grado di erogare oltre 3 A.Qui ne sono stati messi in parallelo tre compen-sando, con le tre resistenze da 0,1 Ω messe inserie a ciascuna uscita, eventuali differenze fral'uno e l'altro.Si suggerisce di utilizzare gli LM350 in involucroTO-3 (e non TO-220) e di disporli su opportunoradiatore.

POTENZE AUDIOSpettabile Redazione di Fare Elettronica, vorrei co-

noscere il significato della potenza RMS, potenza

musicale e potenza picco-picco di un amplificatore

audio.

Giorgio Mariani

La potenza RMS (PRMS) è la potenza massi-ma che l’amplificatore è in grado di erogare sulcarico (l'altoparlante). Questa viene calcolatasupponendo di trasmettere un segnale sinusoida-le di ampiezza pari alla tensione di alimentazione.È ovvio che è una potenza "fittizia" in quanto, inqueste condizioni, la distorsione del segnale assu-merebbe valori inammissibili. La potenza musica-le (Pmus) e quella picco-picco (Ppp) sono legate alla

R

D

Dubbi, perplessità,malfunzionamenti, opinioni,commenti o richieste? Inviateli a: [email protected]

Oppure scriveta a:Mailbox - Redazione di Fare ElettronicaInware srlVia Cadorna, 27/31 - 20032 Cormano (MI)

Le lettere più interessanti saranno pubblicate in queste pagine.

Per quanto possibile, inoltre, cercheremo di dare una risposta privata a

chiunque ci scriverà via email.

mai

lbox

MAILBOX6

Figura 1: Alimentatore 5-25V 10 A

PRMS dalla relazione:

Ppp=2*Pmus=4*PRMS

La potenza musicale viene calcolata supponendo ditrasmettere un'onda quadra della stessa ampiezzadella sinusoide impiegata per il calcolo della PRMS.Se si confrontano diversi amplificatori è necessariocomparare lo stesso tipo di potenze.Nella scelta di un amplificatore audio, la potenzanon è il solo parametro importante. Esistono infattialtre grandezze fondamentali che identificano laqualità di un amplificatore, come ad esempio il THD(Total Harmonic Distorsion) e la banda a -3dB. Labanda a -3dB è il campo di frequenze in cui il segna-le viene attenuato di un fattore inferiore a 2 rispettoal punto di massimo guadagno. La banda a -3dBdovrebbe comprendere tutta la soglia dell'udibile(20Hz-20KHz).Il THD è invece un indice di quanto il segnale audioviene distorto dall'amplificatore. Tanto più è basso ilTHD tanto migliore è l'amplificatore. Valori accetta-bili devono essere inferiori all'1% per una datapotenza. Se ad esempio si legge che un amplifica-tore ha una potenza di 120W RMS e THD pari allo0,5% a 40W, significa che l'amplificatore può ero-gare una potenza massima di 120W, ma che lamigliore resa sonora si ha nell'intorno dei 40W.

TRASFORMATORIMi sto appassionando all'elettronica grazie anche

alla vostra rivista.

Potreste dedicare, se già non lo avete fatto, qual-

che articolo sul funzionamento dei trasformatori, ri-

portando magari qualche esempio con gli anda-

menti dei segnali al primario ed al secondario.

Sul numero di Luglio/Agosto 2004, nella rubrica

NOTEPAD, avete presentato un inverter 40W dove

è presente un trasformatore dove ai morsetti del

primario sono connessi due transistors. Potreste

spiegarmi il funzionamento?

Fabio Giardina

Dedicheremo la puntata della rubrica“Praticamente” di Gennaio 2005 per approfondire ilfunzionamento di un trasformatore. Rispondiamoinvece alla domanda relativa ai transistors presenti

R

D

nel circuito al quale fa riferimento il lettore e che, percomodità, è riportato in figura 2.Un inverter è un circuito in grado di fornire la ten-sione 220Vac a partire da una tensione continua.Per fare questo si sfrutta un trasformatore (usato alcontrario, quindi alimentato dal secondario) e sisfrutta un teorema matematico (teorema di Fourier)secondo il quale qualsiasi segnale periodico, puòessere scomposto in tanti segnali sinusoidali (armo-niche) di frequenza pari e multipla del segnale dipartenza. L’astuzia consiste dunque nel pilotare iltrasformatore con un’onda quadra a 50Hz. Le suearmoniche saranno onde sinusoidali di frequenza50Hz (fondamentale), 100Hz (prima armonica),150Hz (seconda armonica), 200Hz, etc.. (in realtàun’onda quadra ha solo armoniche dispari quindi50Hz, 150Hz, 250Hz, ecc..). Tutte le armonichesuperiori (dalla prima in poi) vengono attenuate for-temente dall’induttanza degli avvolgimenti del tra-sformatore, quindi è come se il trasformatore fossealimentato solo dalla fondamentale, ovvero un’on-da sinusoidale a 50Hz. Al secondario avremo quindii 220Vac. In che modo si ottiene l’onda quadra a 50Hz per ali-mentare il trasformatore? Ecco che entrano in giocoi due transistori. Si usa un trasformatore a presa cen-trale alla quale si connette il positivo di alimentazio-ne (ad es. 12Vcc), mentre agli altri due morsetti sicollegano i transistori (come mostrato in figura).Questi funzionano come degli interruttori coman-dati che vengono aperti e chiusi alternativamenteda un circuito di controllo (il CD4047 nel caso del-l’inverter in figura) in modo da applicare un’ondaquadra a 50Hz all’ingresso del trasformatore.

MAILBOX 7

Figura 2: Inverter 40W

NEWS 192/Stm-64.

readerservice.it 424 - 54

SOLUZIONE GPS

La soluzione Gps AntarisTim-Lf di u-blox (PowerSource) è stata scelta daNavsys e Geo++ per iloro sistemi di posiziona-mento relativo e letturadi assetti ad alta precisio-ne. Fornisce un’accura-tezza di +/-1 cm in posi-zionamenti e 0.2 gradi inrotte, ruoli e passi conuna velocità di aggiorna-mento fino a 10 Hz. Ilsistema di posizionamen-to e lettura assetti 3DSmartpos Navsys utilizzail sensore Q16 Smartgpscontenente quattro rice-vitori Gps Tim-Lf integra-ti in un piccolo involucromisurante 11 x 11 x 3,5cm che è connesso aduna matrice di quattroantenne.I dati grezzi (codici e por-tanti) del sensore vengo-no elaborati dalla solu-zione di reti Rt a multi-stazione Geo++ per otte-nere una soluzionecomune a tutti e quattrogli ingressi dei ricevitori.


CONNETTORI DA PAN-NELLOCompel Electronics hasviluppato un’innovativaversione di connettori

424

Questo spazio è gentilmen-

te offerto da EONews, il

Quindicinale di notizie e

commenti per l’industria

elettronica di VNU Business

Publications Italia.

IDEE DI PROGETTO: LANUOVA INIZIATIVASUL WEB DI ELETTRO-NICA OGGI

“Idee di progetto – Design

Ideas” è la nuova rubrica di

Elettronica Oggi che è stata

lanciata dal mese di

Settembre 2003. Caratteri-

stica saliente di questa nuo-

va iniziativa è che sarà com-

pletamente ed esclusivamen-

te on line ed accessibile dal

sito www.ilb2b.it.

L’obbiettivo principale è crea-

re una vera e propria libreria

di idee alla quale tutti coloro

che operano in maniera pro-

fessionale nel mondo dell’elet-

tronica possano “catturare”

informazioni e suggerimenti

utili per il loro lavoro quotidia-

no. Questo nuovo strumento

vi permette di scaricare, con

un solo click, tutte le risorse

necessarie per risolvere velo-

cemente qualsiasi problema

e, in ultima analisi, minimiz-

zare il time to market.

INDUTTORI DI POTENZACoEv Magnetics (Atmelectronics) ha annuncia-to una nuova serie Dzmdi induttori di potenzasenza piombo, a bassatensione e ad alta corren-te, progettati per appli-cazioni di alimentatoriswitching e componentielettronici portatili. Al contrario di altri indut-tori a basso costo gliinduttori in questionenon risentono del dete-rioramento determinatoda effetti termici tipicodelle solite polveri diferro e permettono diimmagazzinare una mag-giore energia, sono senzapiombo e compatibilicon l’Rohs. Il basso profilo e lemigliori performancedalla Dc di bias consen-tono ulteriori possibilitàd’impiego e di incremen-tare le prestazioni deiprodotti senza sacrificarespazio esterno utile.


BOOST CONVERTERLt1935 di LinearTechnology (Silverstar-Celdis) è un regolatoreswitching Sot-23 dellamassima potenza indu-striale. Si tratta di unconvertitore Dc/Dc step-up da 1,2 MHz, 40 V, 2 Aracchiuso in un packageThinSot. L’ampio inter-vallo delle tensioni diingresso (da 2,3 a 16 V)gli consente di funziona-re da batterie a ioni dilitio a celle singole fino arail di ingresso 15 V fissoe di erogare uscite fino a

38 V. La frequenza dicommutazione di 1,2MHz costante permettedi mantenere il rumorefuori dai circuiti sensibilial rumore e l’uso diminuscoli condensatori einduttori. È perfetto perapplicazioni vincolate daproblemi di spazio.


CHIP DITEMPORIZZAZIONE

Zarlink Semiconductor(Unique Memec) haannunciato una coppiadi chip di temporizzazio-ne che in combinazionepresentano un set dicaratteristiche completeed ottime prestazioni persistemi Sonet/Sdh e Pdhe si finalizzano a schededi linea utilizzate in unavasta gamma di apparec-chiature da enterprise anetwork core. Oltre aprestazioni di tremolio di20 psrms, Zl30106 (Dplldigitale) può sincronizza-re riferimenti di ingressiprimari e secondari acoppie di impulsi di clocke sincronizzazione, men-tre Zl30416 (Pll analogi-co) è specificatamenteprogettato per soddisfarei requisiti di prestazioni ecaratteristiche di applica-zioni di schede di lineada velocità di trasmissio-ne Oc-3/Stm-1 a Oc-

NEWS8

7/16 da pannello, che siaggiunge a quelle già esi-stenti e largamente utiliz-zate per applicazioniRadio Mobile eBroadcasting. Questaversione è stata progetta-ta come un blocco com-patto, con le parti diaccoppiamento in me-tallo e con la parte di fis-saggio in plastica, dispo-nibile in vari colori. Ilcontatto esterno puòessere scelto, comeprima, sia nella versioneelastica che rigida. Tuttele caratteristiche elettri-che, meccaniche eambientali rimangonoassolutamente le stessedella versione in metallo.


CONDENSATORI RFIWima (Sge-Syscom) offreora condensatori Rfi condielettrico polipropilenein aggiunta al metallizza-to. Le serie Mkp-X2 eMkp-Y2 sono disponibilicon valori da 1000 pF a2,2 microF e tensioni di275 e 300 Vac rispettiva-mente per le serie X2 eY2. Hanno inoltre appro-vazioni Enec/Vde inaccordo a Din En 13240/Iec 60384-14/2 e Ul1414/Cas C 22.2 N.1(cUlus). Hanno caratteri-stiche di alta capacità epiccole dimensioniaccompagnate da unprezzo competitivo. Conqueste serie viene offertaun’ampia linea di con-densatori Wima serie Rfiche include sia quelli inversione leaded con die-lettrico polipropilene e

carta sia quelli in Smdcon dielettrico e carta.


TRASDUTTORI DICORRENTELe serie di trasduttori dicorrente Hop e Htr diLem, basate sul principiodella tecnologia ad effet-to Hall Open Loop, per-mettono misure di cor-rente Ac, Dc e impulsiveda 50 a 2000 Arms.Prestazioni elevate,dimensioni compatte,facile apertura, altaimmunità Emc, isolamen-to, tensione d’uscitaistantanea +/-4 V, alimen-tazione da +/-12 a 15 Vformano le loro principalicaratteristiche.Costituiti da due partiapribili, allo scopo diessere montati attornoad una barra o cavosenza interruzione delleconnessioni esistenti,permettono misure dicorrente senza contatto.Semplici e veloci dainstallare, sono strumen-ti ideali per l’aggiorna-mento d’installazioni esi-stenti, quali alimentatoritelecom.


LETTORE DITACCHE/SENSOREDI COLOREIl nuovo lettore di taccheSunx serie Lx100 diMatsushita permette dirisolvere tutte le combi-nazioni possibili di tac-ca/sfondo con la sceltaautomatica del tipo diluce da utilizzare ed un

tempo di risposta di soli45 micros. Consente inoltre di esse-re utilizzato anche comesensore di colore, funzio-ne, questa, utile nel casoin cui lo sfondo sia vario-pinto o viceversa siano letacche a variare. È dotato di display a 4cifre e tasti di memoriz-zazione/programmazio-ne. La dimensione dellospot è di 1 x 5 mm e ilrange di 10 +/-3 mm. Tutti i modelli hanno ungrado di protezione Ip67e si differenziano tracablati o a connettorestandard M12, con uscitaPnp o Npn.


FPGA AD ALTADENSITÀ RESISTENTIALLE RADIAZIONIMemec Unique haannunciato la disponibili-tà dei campioni diRtax250S, Rtax1000S eRtax2000S, i tre disposi-tivi della nuova famigliaActel di Fpga resistentialle radiazioni ed ottimiz-zati per l’impiego inapplicazioni spaziali. Il comune denominatoredi questi dispositivi pro-grammabili è il sensibileincremento di prestazioni. Rtax2000S ha una densi-tà di due milioni di gatedi sistema equivalenti (o250.000 gate Asic) e dis-pone di 288 K di Ramcore, mentre perRtax1000S la densità èpari a un milione di gatedi sistema equivalenti(125.000 gate Asic) e laRam disponibile è 162 K.

Rtax250S mette invece adisposizione 250.000gate di sistema equiva-lenti (30.000 gate Asic) e54 K di Ram.


POTENZIOMETRIDIGITALIXicor (Unique Memec)ha presentato due nuovipotenziometri digitali abassissimo consumo chesi rivolgono ai mercatiche richiedono applica-zioni in grandi volumi econ ingombri ridotti.Denominati X93155 eX93255, sono disponibilia prezzi altamente com-petitivi in formato singo-lo a doppio. Dispongono di cursore a32 posizioni con interfac-ce separate per aumenta-re o diminuire il valore diresistenza. Oltre a dissi-pare solo 2 microA allamassima corrente distandby, sono caratteriz-zati da una correntenominale di funziona-mento di 200 microAcon una tensione di ali-mentazione di 5 V +/-10% e una non linearitàdifferenziale inferiore a+/-0,2 Lsb.


FOTORIFLETTORENjl5902R di New JapanRadio è un fotoriflettore

NEWS 9

Cobp a montaggiosuperficiale, a fascioluminoso schermato,progettato principalmen-te per eseguire rilevazioniin svariate applicazioni.La superiore durata lorende particolarmenteadatto per usi in compo-nenti audio per autovei-coli. Presenta dimensioniminime (2,7 x 1,9 x 0,8mm) ed offre inoltre cor-renti scure ad un livellodel 90 per cento inferiorea quello di Njl5901R esi-stenti. È in grado di resi-stere due volte a saldatu-re a riflusso esenti dapiombo a temperaturefino a 260 gradi C ed èstato inoltre collaudatosecondo cicli di 500 tem-perature (da -40 a +100gradi C).


SOLUZIONIMULTICANALE CONATTENUATORE DIJITTERExar annuncia la primafamiglia di dispositivi checombinano funzionalitàdi LIU DS3/E3, Framer eattenuazione di jitter, svi-luppata con l’avanzatatecnologia R3 di proprie-tà della società stessa.Questi dispositivi vengo-no introdotti sulla sciadel grande successo delcomponente a canalesingolo XRT79L71, ri-spetto al quale differisco-no per il fatto di averepiù canali, consentendodi ridurre l’ingombrosulla scheda e offrendol’opportunità di aggior-nare facilmente un pro-

dotto alla versione a due,tre o quattro canali sullamedesima scheda. Leapplicazioni di questafamiglia comprendono isistemi di accesso, i siste-mi digitali di cross-con-nect, i router, le stazionibase 3G, i DSLAM (digi-tal subscriber line accessmultiplexer) e, più ingenerale, ogni apparec-chiatura di commutazio-ne di rete, compresequelle sviluppate per isistemi ATM, WAN eLAN.


MICRO CON CORESH-4A E CONTROLLOREPER BUS PCI

Renesas ha annunciatoSH7780, un micropro-cessore che incorpora ilcore CPU SH-4A SuperHed un controllore per busPCI. Il dispositivo è carat-terizzato da archittetturaa tre bus dedicati conprestazioni pari a 720MIPS e 2.8 GFLOPS a400 MHz, una combina-zione che fornisce unmiglioramento generaledelle prestazioni delsistema. Ad esempio,SH7780 supporta sofisti-cati sistemi per riconosci-mento e sintesi vocali,senza bisogno di DSPesterno. Il microproces-sore è stato specifica-mente progettato per

NEWS10

COME OTTENERE MAGGIORI INFORMAZIONIEONews offre il servizio “reader service” che vi consente, uti-lizzando l’apposito codice riportato alla fine di ogni news, diricevere maggiori informazioni.

Visitate il sito www.readerservice.it e compilate la cartolinavirtuale con i vostri dati, il numero della rivista, questo mese il424, ed i numeri di reader service presi dalle notizie che vi inte-ressa approfondire.

EONEWS provvederà, tempestivamente, a contattare leaziende interessate, che invieranno al vostro indirizzo tutta ladocumentazione disponibile.

applicazioni multimedialiad elevate prestazioni,come sistemi di naviga-zione per automobili,giochi e prodotti elettro-nici digitali destinatiall’utilizzo domestico.


CONDENSATORITRIMMERLa famiglia Sm571 diTemex concerne conden-satori trimmer Gigahertzcon variazione di capaci-tanza ultralineare, finaliz-zati ad applicazioni ri-chiedenti sintonizzazionimolto fini per evitareaumenti improvvisi dicapacitanza quando ilrotore è vicino alla suaposizione massima ominima. I dispositivi inquestione presentano unintervallo di capacitanzaspecificato da 0,8 a 6,0pF su tensioni operativefino a 500 Vdc. La resi-stenza all’insolamento atensioni operative nor-mali è superiore a 10.000Mohm con rotore situatosulla sua massima posi-zione. Sono stati proget-tati per sopportare urti di100 g per 6 ms e vibra-

zioni di 60 g a 10-2000Hz con un cambio dicapacitanza inferioreall’1% rispetto al valoreiniziale.


DOPPI CONVERTITORIANALOGICO-DIGITALIAnalog Devices ha resodisponibile un doppioconvertitore analogico-digitale a 14 bit integran-te due Adc a 14 bit su unchip singolo. Questo Icinnovativo è il dispositivodi bandiera di una nuovafamiglia di doppi Adc adalta velocità offerti daAnalog Devices in unagamma di risoluzioni evelocità. Alloggiata inpackage da 9 x 9 mm,fornisce risoluzioni di 10,12 e 14 bit a velocità da20 a 105 Msps.L’esclusiva combinazio-ne di alta velocità, ele-vata risoluzione e packa-ging compatto consentedi utilizzare soltanto unchip per conseguire leprestazioni di converti-tori ad alta velocità mul-tipli.


CONVERSIONE USB/SERIALE CON MCS7703

Direttamente dalla Silicon Valley, la californianaMoschip Semiconductor fornisce l’integratoMCS7703 un chip in grado di operare la conver-sione Seriale/USB con l’ausilio di pochi componen-ti esterni. Dispone di un regolatore integrato a3,3V pertanto può essere alimentato direttamente

29 dal bus USB. I segnali disponibili sulla seriale sonoTx, Rx, RTS, CTS, DTR, DSR, DCD, RI. Consente laconnessione con una EEPROM seriale esterna.In figura il pin-out, lo schema a blocchi e lo sche-ma applicativo.

PCF1171C: 4-DIGIT LCD CAR CLOCK

Un orologio LCD da auto in un unico chip:PCF1171C di Philips. Questo circuito integrato èun orologio in grado di visualizzare ore e minutidirettamente su un display LCD passivo. Medianteswitch esterni è possibile impostare ore e minuti escegliere la modalità di visualizzazione 12h/24h.In figura è riportato il pinout, l’identificazione deisegmenti del display ed uno schema applicativo.

30

Dal blocco note di Fare Elettronicauna raccolta di idee da tenere semprea portata di mano

Questa rubrica ha lo scopo di fornire degli schemi

applicativi o idee di progetto dei componenti

elettronici più interessanti, selezionati per voi

dalla redazione. Tutti gli schemi presentati sono

elaborazioni di quelli ufficiali proposti dai produttori

nella documentazione ufficiale.

note

pad

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PCF2112C: 4-DIGIT LCD DRIVER

Un driver per display LCD passivi a 4 cifre pilotabi-le mediante bus seriale a tre fili (CBUS). Gli ingres-si sono compatibili CMOS/NMOS ed il dispositivoè realizzato in tecnologia CMOS Silicon Gate. Latensione di alimentazione può variare da 2.25Vfino a 6V.In figura il pin-out ed uno schema applicativo.

31

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IMPLEMENTAZIONE DELPROTOCOLLO MODBUS ASCII

Abbiamo visto nella puntata precedente come èstrutturato il protocollo ModBus, di come sianofatti i messaggi che transitano tra Master e Slave ecome siano composti la maggior parte dei coman-di, con i relativi esempi. Ora vedremo come imple-mentarne alcuni, con riferimento al sottoinsiemeASCII.Quanto realizzeremo sarà un ibrido poiché in real-tà il sottoinsieme ASCII è normalmente utilizzato sulinee seriali RS232/RS422/RS485 e non in rete sottoUDP o TCP/IP.Bene, detto questo, immergiamoci decisamente nel-l’implementazione.I comandi che saranno implementati sono:

• Codice Funzione/Comando 01 (0x01): Leggi Coils• Codice Funzione/Comando 04 (0x04): Leggi

Registro Ingresso (da 1 a 125 Registri)• Codice Funzione/Comando 15 (0x0F): Scrivi Coils

Vediamo la relativa implementazione di ognuno esuccessivamente il tutto sarà messo insieme per realiz-zare l’applicazione Master e quella Slave.

Codice Funzione 01 (0x01): Leggi CoilsQuesta funzione viene utilizzata per leggere lo statodei Bits contigui che vanno da 1 a 2000 simultanea-mente, con una unica richiesta. Nel PDU che è invia-to allo Slave oltre ovviamente il Codice Funzione,viene anche specificato l’indirizzo da cui iniziare la let-tura e per quanti Bits contigui.Nella risposta lo Slave raggruppa i Bits in Bytes, divi-de cioè i Bits richiesti per 8 e li restituisce sottoforma di Bytes.In figura 1 è riportato il suo algoritmo in forma grafica.

Codice Funzione 04 (0x04): Leggi Registro IngressoQuesta funzione viene utilizzata per leggere da 1 a125 Registri di Input da uno Slave. Il PDU specifica l’in-

IMPLEMENTAZIONE DELPROTOCOLLO MODBUS ASCII

TECNOLOGIE SPERIMENTALI14


APPLICAZIONI EMBEDDEDAPPLICAZIONI EMBEDDED

Gianroberto Negri

[email protected]

Vediamo in questa puntata un’implementazione del protocollo ModBus in un

suo sottoinsieme denominato ASCII, incapsulato nei messaggi UDP che

saranno scambiati tra un’applicazione Master ed una Slave. Realizzeremo sia

l’applicazione Master sia quella Slave affinché si possa osservare il reale

scambio di messaggi/comandi tra loro. Implementeremo solo alcuni dei comandi

visti nella precedente puntata, come in realtà avviene. Infatti, in un’apparecchiatura

non vengono implementati tutti i comandi, ma solo quelli che servono per

gestirla in modo ottimale.

quarta parte

HI e nel secondo la parte Bassa LOW.In figura 2 è riportato il suo algoritmo in forma grafica.

Codice Funzione 15 (0x0F): Scrivi Coils multipliUtilizzata per porre a ON o OFF i Coils di unasequenza di Coils. L’indirizzo iniziale parte da 0come anche il Coil da modificare. Lo stato ONequivale a porre il corrispondente Bit a 1, mentre lostato OFF a porre il Bit a 0.La risposta dello Slave comprende il codice funzio-ne, l’indirizzo di partenza e la quantità di Coils damodificare.In figura 3 è riportato il suo algoritmo in forma grafica.

Sostanzialmente gli algoritmi si assomigliano, ed ana-lizzandone il flusso possiamo osservare innanzituttoche riguardano lo Slave e la prima cosa che viene fattaè quella di attendere la ricezione di un comando invia-to dal Master. Viene poi controllato che il codice fun-zione sia corretto e in caso contrario, viene generatoun messaggio (risposta) di eccezione con codice diritorno 01. Il passo successivo è quello di controllareche, la quantità sia compresa nell’intervallo previsto,se non lo è viene generata un’eccezione 03.L’algoritmo prosegue e controlla che oltre la quantitàsia corretto anche l’indirizzo iniziale da cui tale quan-

dirizzo del registro di partenza ed il numero di registrida leggere. L’indirizzo parte da 0. I dati contenuti nellarisposta sono contenuti in un blocco di 2 Bytes perogni registro, in cui nel primo è contenuta la parte alta


TECNOLOGIE SPERIMENTALI 15

Figura 1: Algoritmo Codice Funzione 01 Leggi Coils

Figura 2: Algoritmo Codice Funzione 04 Leggi Registri Ingresso Figura 3: Algoritmo Codice Funzione 15 Scrivi Coils multipli

tità inizia appunto. Anche in questo caso se non lo èviene generato una eccezione 02. Come fase succes-siva, viene gestita l’elaborazione vera e propria e nel-l’ambito della stessa controllato che sia andata abuon fine, altrimenti viene generate una eccezione04. La parte finale si preoccupa di rispedire al masteri dati richiesti o un messaggio contenente l’eccezio-ne verificatasi.

Esistono alcune differenze date dal tipo di richiesta e/odati cui si fa riferimento, le vedremo ampiamentedurante la spiegazione dei programmi Master e salvein cui sono implementati tali comandi.

Prima di andare avanti con la spiegazione di come siastata fatta l’implementazione in Visual Basic 6.0,occorre scaricare i sorgenti dal sito di fare Elettronica,nel punto inerente a questo articolo, decomprimerli,aprire una sessione di VB 6.0 per ognuno di essi. Unasessione per il Master ed una per lo Slave.In questa sede non verranno riportati tutti i sorgentima solo il diagramma a blocchi del master e delloSlave ed alcune parti significative. Questo perché ilcodice è molto ed occuperebbe troppe pagine sefosse riportato integralmente.

PROGRAMMA MASTERBene, detto questo vediamo ora il diagramma a bloc-chi del programma Master riportato in figura 4.

Nella programmazione che fa capo a Visual Basic e adapplicazioni che girino in sistemi a finestre, la gestio-ne delle interazioni con l’utente sono del tipo EventDriven. Significa che, a parte l’inizializzazione, lagestione avviene per eventi che si “scatenano” allapressione di un tasto od al Click del Mouse in unacerta parte della finestra, in gergo Form presente avideo. A meno che uno sviluppatore non decida dicreare un loop che ciclicamente controlli ad esempiodegli I/O all’interno della parte di inizializzazione.Quindi per inviare ad esempio un comando ModBusdal Master allo Slave, come nel nostro caso, occorreche l’utente clicchi ad esempio su di un tasto.Sostanzialmente il programma si suddivide in tre bloc-chi funzionali:

• Inizializzazione• Comandi

• Risposte

L’inizializzazione (Form_load()): Viene richiamataquando il programma viene lanciato e viene creato ilForm MasterA. Si occupa di impostare i valori previ-sti (scelte) nelle varie ComboBox presenti nellavideata (Form) Master. Tali valori permetterannoall’utente di sceglierli senza preoccuparsi di doverliimmettere.Successivamente è impostato il protocollo UDP percolloquiare con il programma Slave che, girerà con-temporaneamente al Master.

Comandi (InviaOK_Click()): Viene richiamata al Clickdel tasto Invia Comando. Si occupa di gestire le scel-te effettuate dall’utente, in merito al comando dainviare ed ai suoi parametri impostati mediante leComboBox e di inviare il comando. Esistono due pos-sibilità riguardanti l’invio dei comandi allo Slave.Comandi preparametrizzati e comandi che utilizzano i

parametri impostabili mediante le ComboBox. Il passag-gio tra una possibilità e l’altra avviene mediante laCheckBox Usa Parametri. Spuntandola la costruzionedel comando avviene mediante appunto i parametridisponibili a video, altrimenti vengono reimpostati aprogramma. Questa possibilità é stata data per fareun po’ di test riguardo il colloquio tra Master e Slavee vedere come quest’ultimo reagisce.

Risposte (udpPeerA_DataArrival): Viene richiamataall’arrivo di una risposta dallo Slave. Si occupa di gesti-re le risposte ed è strutturata nel seguente modo:• Sono dimensionate le variabili necessarie.• È acquisita la risposta dello Slave interessato ed è sal-

vata nella lista Risposte del video.• Viene controllato che siano arrivati almeno 7 carat-

teri altrimenti viene scartata la risposta.• Vengono estratte alcune parti che compongono la

risposta tra cui il controllo LRC che viene controllato.Se a questo punto è tutto ok, in base al codice di ritor-no del comando, è richiamata la funzione prevista.

ANALISI FUNZIONI MASTERDal blocco Comandi sono richiamate le seguentifunzioni:

• ReadCoils: implementazione del comando 01(0x01) Read Coils.





Figura 4: Diagramma a blocchi programma Master

• ReadInputRegisters: implementazione del coman-do 04 (0x04) Read Input Registers.

• WriteMultipleCoils: implementazione del coman-do 15 (0x0F) Write Multiple Coils.

Analizziamole, iniziando dalla ReadCoils.In essa per prima cosa vengono dimensionate e/odefinite le variabile occorrenti alla funzione, poi inbase al valore della variabile CmdOK, vengono utiliz-zate o quelle provenienti dalle ComboBox oppurequelle che vengono caricate con valori predefiniti. Inquest’ultimo caso i valori sono:

• 3 per lo Slave• 0 per l’indirizzo iniziale• 8 per il numero di Coils da leggere dall’indirizzo

impostato

Fatto questo, viene calcolato il controllo LRC, vienecostruito il comando e viene salvato nella Lista deicomandi presente a video.

La funzione ReadInputRegisters è strutturata nellastessa maniera, vengono per prima cosa definite levariabili, precaricate quelle provenienti dalleComboBox e, in base al valore di CmdOK, utilizza-te quelle delle ComboBox o quelle precaricate i cuivalori sono:

• 3 per lo Slave• 8 per l’indirizzo iniziale• 1 per il numero di registri da leggere dall’indirizzo

impostato

È poi calcolato il controllo LRC, costruito il coman-do, inviato e salvato nella List dei comandi presen-te a video.

La funzione WriteMultipleCoils è anch’essa simil-mente strutturata, cambiano soltanto i valori precari-cati che sono:

• 3 per lo Slave• 0 per l’indirizzo iniziale• 8 per il numero di Coils da leggere dall’indirizzo

impostato

È questa istruzione che si occupa di convertire il valo-

re binario dei Coils impostati a video in un valore,prima decimale e poi esadecimale:

Coils = Right("0000" + Hex(BinToDec(Coils)), 4)

Il valore contenuto nella variabile Coils proviene daun’altra funzione la CostruisciWriteMultipleCoilsche si occupa di leggere i valori impostati a video nelleCheckBox e di convertirli in una stringa Binaria conte-nente ovviamente i valori 1 o 0 a secondo che leCheckBox abbiano o meno il segno di spunta.Poiché solo valori esadecimali sono accettati, la strin-ga Coils è convertita mediante la funzione intermediaBinToDec e la funzione di sistema Hex in tali valori.La parte finale calcola il valore del controllo LRC,costruisce il comando, lo spedisce e lo salva nella listadei comandi presente a video.

Dal blocco Risposte sono richiamate le seguentifunzioni:

• RispReadCoils: implementazione della risposta ine-rente al comando Read Coils.

• RispReadInputRegisters: implementazione dellarisposta inerente al comando Read Input Registers.

• RispWriteMultipleCoils: implementazione dellarisposta inerente al comando Write Multiple Coils.

La prima funzione è RispReadCoils. In essa vengonocome prima cosa definite le variabili necessarie, poiviene estratto dalla risposta il numero di Bytes di cui ècomposta la parte dati della risposta ed infine i datidella risposta veri e propria. I dati così prelevati sonoutilizzati per cambiare colore ai Led presenti nel FormMasterA che identificano gli stati presenti al momen-to della lettura sullo Slave.

Segue la funzione RispReadInputRegisters. Inessa, come nella precedente, vengono definitecome prima cosa le variabili, poi estratto il numerodi Bytes della parte dati del messaggio ed infine idati veri e propri. Anche in questo caso quantoacquisito è visualizzato a video. Poiché si tratta didati analogici viene visualizzato in un campo appo-sito il valore corrispondente.

Infine la funzione RispWriteMultipleCoils, si limitaunicamente a controllare che la risposta sia conforme.



si, sono restituiti.

HexToDec accetta in ingresso un valore in esadeci-male (nel formato 000F, ABCE, 0012, 0001) caricatoin una variabile di tipo stringa o posto tra doppi apici(come “0F01”). Restituisce un valore di tipo Long chepuò andare da 0 a 65535.

HexToDec2 accetta in ingresso un valore in esade-cimale (nel formato 0F, CE, 12, 01) caricato in unavariabile di tipo stringa o posto tra doppi apici(come “0F”). Restituisce un valore di tipo Long chepuò andare da 0 a 255.

FormatBinary accetta in ingresso un valore di tipoLong (da 0 a 65535) e restituisce una stringa di 16caratteri (come 0000111100001010).

FormatBinary2 accetta in ingresso un valore ditipo Long (da 0 a 255) e restituisce una stringa di8 caratteri (come 00001010).

BinToDec accetta in ingresso una stringa da 16 carat-teri massimo (come 0000111100001010) e restitui-sce un valore di tipo Long che può andare da 0 e65535.

BinToDec2 accetta in ingresso una stringa da 16caratteri massimo (come 00001010) e restituisceun valore di tipo Long che può andare da 0 a 255.

FUNZIONI ACCESSORIE AL MASTER EDALLO SLAVEPrima di passare alla descrizione del programmaSlave, ci soffermeremo ora su alcune funzioni chesono state utilizzate sia dal Master sia dallo Slaveper gestire conversioni da un formato all’altro o peril calcolo del controllo LRC. Di seguito l’elenco dellestesse:

• HexToDecconverte da esadecimale 16 Bit a Decimale

• HexToDec2converte da esadecimale 8 Bit a Decimale

• FormatBinaryconverte da Decimale a Binario 16 Bit

• FormatBinary2converte da Decimale a Binario 8 Bit

• BinToDecconverte da Binario 16 Bit a Decimale

• BinToDec2converte da Binario 8 Bit a Decimale

• LRCeffettua il calcolo LRC

Tutte queste sono funzioni liberamente utilizzabilinelle Vostre applicazione e costituiscono una sortadi libreria pronta all’uso e testata in quanto al fun-zionamento.Vediamo ora per ognuna quale formato dati passa-re ed in quale formato, una volta convertiti gli stes-



LRC accetta in ingresso una stringa di 255 caratteri informato esadecimale da 2 caratteri per cifra, come adesempio FF0F01. Da tale stringa, le cifre verranno pre-levate a doppiette (due cifre per volta), quindi nelcaso dell’esempio FF0F01, le cifre saranno nell’ordineFF 0F 01. Tali cifre verranno sommate tra di loro, poial totale verrà sommato il valore esadecimale FF ed altutto il valore esadecimale 1. Restituisce un valore esa-decimale di 4 caratteri che corrisponde al valore LRCrichiesto.

PROGRAMMA SLAVEVediamo ora il diagramma a blocchi del programmaSlave riportato in figura 5.

Contrariamente al programma Master, lo Slave nonha capacità decisionali autonome, si limita ad esegui-re i comandi che gli provengono dal Master, elaborarlie restituire i risultati richiesti.Si suddivide in due blocchi:

• Inizializzazione• Gestione Comandi provenienti dal Master

L’inizializzazione Viene richiamata quando il pro-gramma viene lanciato e viene creato il FormSlaveB. Si occupa di impostare il protocollo UDPper colloquiare con il programma Master che gire-rà contemporaneamente allo Slave.

Gestione Comandi provenienti dal Master(udpPeerB_DataArrival)Questa funzione viene richiamata all’arrivo di uncomando dal Master. Si occupa di gestire i comandiricevuti ed è strutturata nel seguente modo:

• Sono dimensionate le variabili necessarie.• Viene acquisita la richiesta e viene salvata nella lista

Comandi del video.• Viene controllato che siano arrivati almeno 7 carat-

teri altrimenti viene scartato.• Vengono estratte le parti funzionali che lo com-

pongono, tra cui il controllo LRC che viene verifi-cato. Se a questo punto è tutto ok, in base alcodice del comando, è richiamato il blocco difunzioni previsto.

Dal blocco Gestione Comandi provenienti dal Master

sono richiamate le seguenti funzioni:

• Implementazione del comando 01 (0x01) ReadCoils.• ERispReadCoils• RispReadCoils• RispReadCoilsECC

• Implementazione del comando 04 (0x04) ReadInput Registers.• ERispReadInputRegisters• RispReadInputRegisters• RispReadInputRegistersECC

• Implementazione del comando 15 (0x0F) WriteMultiple Coils.• ERispWriteMultipleCoils• RispWriteMultipleCoils• RispWriteMultipleCoilsECC

Prima di analizzarle occorre fare una premessa, men-tre nel Master l’invio del comando e la ricezione dellarisposta sono gestiti da due distinti eventi, nello Slavea causa del fatto che lo stesso non può arbitrariamen-te trasmettere, il tutto è gestito da un unico eventoche si occupa di:

• Controllare il comando pervenuto.• Gestire il comando ricevuto elaborandolo e gene-

rando la risposta per il Master.• Gestire l’eventuale risposta di errore o Eccezione in

caso di comando non corretto o con parametri nonvalidi.

Sostanzialmente la gestione di ogni comando è lastessa, come si può notare osservando il diagramma ablocchi dello Slave in figura 5. Riguardo ai parametriogni Slave ha i suoi. Questo vuol affermare che gliSlave possono essere differenti tra loro. Anche in que-sta simulazione il programma Slave ha i suoi parame-tri e, se il Master fa delle richieste che non rientrano inquelli previsti, viene generata un’eccezione con ilcodice di ritorno inerente al parametro sbagliato. Sead esempio viene fatta una richiesta da parte delMaster in cui il comando è sintatticamente correttoma i suoi parametri (Indirizzo iniziale, numero di Coilso Registri) non sono uguali a quelli previsti, lo Slaverisponde con un’eccezione il cui codice indica quale èil parametro errato. Il fatto di aver creato una diversi-ficazione nella spedizione dei comandi da parte del





Figura 5: Diagramma a blocchi programma Slave

Master ha lo scopo di inviare un comando impostatoa programma con i parametri conformi a quelli delloSlave, oppure, di testare come lo Slave risponda aparametri non corretti.

IMPLEMENTAZIONE DEL COMANDO 01 (0X01):READ COILSVediamo ora i blocchi di funzioni utilizzate, iniziandoda quelle riferite al comando ReadCoils, quindi conl’ERispReadCoils. Questa ha il compito di controlla-re se sono state fatte delle richieste con parametrinon conformi. Il primo è un controllo formale e nonriguarda direttamente come è configurato lo Slave,viene controllato che il numero di Coils richiesti siacompreso tra 1 e 2000 ed in caso contrario vienegenerata una eccezione 03. Viene poi controllato chela somma dell’indirizzo iniziale da cui partire ed ilnumero di Bytes richiesti siano conformi con la con-figurazione dello Salve. Questo accetta solo comeindirizzo iniziale 0 e come numero massimo di Bytes1. Anche in questo caso per valori non corretti vienegenerata un eccezione 02. L’ultimo controllo simulail fatto che, anche se tutti i parametri sono corretti,ma per qualche motivo la lettura non è possibile,viene generata un eccezione 04. Per poter attivare lasimulazione occorre spuntare la CheckBox Blocca

Lettura/Scrittura presente nel Form dello Slave. Setutti i controlli hanno dato esito negativo, viene resti-tuito il valore 0 che da l’abilitazione a procedere conla gestione del comando ricevuto mediante la fun-zione RispReadCoils, oppure, con la funzioneRispReadCoilsECC risponde al master con l’eccezio-ne prevista.

Proseguiamo con la funzione RispReadCoils che sioccupa di gestire le richieste/comandi provenienti dalMaster, elaborandole e restituendo una risposta con idati richiesti. In essa vengono come prima cosa defi-nite le variabili necessarie, poi viene costruita la rispo-sta per il Master. Per la parte dati costituita dalla varia-bile Coils, il suo contenuto proviene da un’altra fun-zione la CostruisciRispostaReadCoils che si occupadi leggere i valori impostati a video nelle CheckBox edi convertirli in una stringa Binaria da 8 Bit, conte-nente ovviamente i valori 1 o 0 a secondo che leCheckBox abbiano o meno il segno di spunta. Poichésono accettati solo valori esadecimali, la stringa Coilsè convertita mediante la funzione intermedia

BinToDec2 e la funzione di sistema Hex in tali valori:NCoilsStr = Right("00" + Hex(BinToDec2(Coils)), 2)

La parte finale calcola il valore del controllo LRC,costruisce la risposta, la spedisce e la salva nella listadelle risposte presente a video.La funzione RispReadCoilsECC ha il compito di spe-dire le eccezioni quando accadono. In essa vengonodefinite le variabili, costruita la risposta per il master,calcolato il controllo LRC, spedito il tutto salvandoloanche nella Lista del video (Form) inerente alle rispo-ste. È interessante osservare l’istruzione:

Eccezione = Right("00" + Hex(Test + 128), 2)

In essa al valore proveniente dalla funzioneERispReadCoils, contenuto nella variabile Test, vienesommato il valore 128 (80 in esadecimale), come daspecifiche, per individuare le eccezioni che provengo-no dal comando Read Coils.

IMPLEMENTAZIONE DEL COMANDO (0X04):READ INPUT REGISTERSPassando al prossimo blocco di funzioni utilizzate,troviamo quelle riferite al comando Read InputRegisters.

La prima ERispReadInputRegisters come di con-sueto è quella adibita la controllo funzionale eparametrico. Viene controllato che il numero diRegistri richiesti sia compreso tra 1 e 120 ed incaso contrario viene generata una eccezione 03.Viene poi controllato che la somma dell’indirizzoiniziale da cui partire ed il numero di Registririchiesti siano 8 per indirizzo iniziale e 1 comemassimi registri disponibili. Anche in questo casoper valori non corretti viene generata un eccezio-ne 02. L’ultimo controllo è identico all’altro simu-lando il fatto che, anche se tutti i parametri sonocorretti ma per qualche motivo la lettura non èpossibile, genera una eccezione 04.Proseguiamo con la funzione RispReadInput-Registers che si occupa di gestire ed elaborare lerichieste, restituendo una risposta con i datirichiesti. In essa vengono come prima cosa defi-nite le variabili necessarie, poi viene costruita larisposta per il Master. Come per la precedente lafunzione:



generata un eccezione 02. L’ultimo controllo è identicoagli altri due blocchi funzioni, simulando il fatto che,anche se tutti i parametri sono corretti, se per qualchemotivo la lettura non è possibile genera una eccezione 04.Proseguiamo con la funzione RispWrite-MultipleCoilsche si occupa di gestire la richiesta elaborandola.Questa estrae il numero di Bytes, di cui è composta laparte dati della richiesta, ed i dati della richiesta veri epropri. I dati così prelevati vengono utilizzati per cam-biare colore ai Led presenti nel Form SlaveB e che iden-tificano gli stati presenti al momento della richiesta sulMaster.

La funzione RispWriteMultipleCoilsECC spedisce alMaster l’eccezione che si è verificata.L’istruzione:


utilizzando il valore proveniente dalla funzioneERispWriteMultipleCoils, contenuto nella variabileTest, somma il valore 143 (8F in esadecimale), comeda specifiche, per individuare le eccezioni che proven-gono dal comando Write Multiple Coils.In figura 6 possiamo osservare il programma Masterall’opera ed in figura 7 lo Slave.

CONCLUSIONIBene, anche per questa puntata abbiamo terminato,nella prossima continueremo a parlare del MODBUS,implementando la parte emulatore PLC in Visual Basic.

Si occupa di leggere il valore impostato a video dall’u-tente, di convertirlo in un valore esadecimale a 16 Bitse di passarlo alla funzione RispReadInputRegisters , laquale provvede a calcolare il valore del controllo LRC,costruire la risposta, spedire e salvare nella lista dellerisposte presente a video.

La funzione RispReadInputRegistersECC spedisce alMaster l’eccezione che si è verificata.L’istruzione:


utilizzando il valore proveniente dalla funzioneERispReadInputRegisters, contenuto nella variabileTest, somma il valore 132 (82 in esadecimale), comeda specifiche, per individuare le eccezioni che proven-gono dal comando Read Input Registers.

IMPLEMENTAZIONE DEL COMANDO 15 (0X0F):WRITE MULTIPLE COILSPassando al blocco successivo di funzioni utilizzate, tro-viamo quelle riferite al comando Write Multiple Coils.

La prima ERispWriteMultipleCoils controlla che, ilnumero di Coils richiesti sia compreso tra 1 e 1968 ed,in caso contrario, genera una eccezione 03. Viene poicontrollato che la somma dell’indirizzo iniziale da cuipartire ed il numero di Registri richiesti siano: 0 per l’in-dirizzo iniziale e 8 come massimi Coils disponibili.Anche in questo caso per valori non corretti viene



Figura 6: Il programma Master all’opera Figura 7: Il programma Slave all’opera

Public Function

CostruisciRispReadInputRegisters() As String

CostruisciRispReadInputRegisters = Right("0000" & Hex(Val(SlaveB.Word0.Text)), 4)

End Function

INTRODUZIONEINTRODUZIONE

GLI ALIMENTATORI SWITCHINGGLI ALIMENTATORI SWITCHING

di Romano Bernarducci

[email protected]

Il corso partirà dalla progettazione e realizzazione dei vari blocchi “discreti”

che compongono un alimentatore switching, evitando inizialmente di utilizzare

gli schemi di applicazione di circuiti integrati commerciali.

prima parte

TUTORIAL24

TUTORIAL

Non inizierò con schemi diapplicazione di circuiti integratidisponibili su qualunque data-sheet, ma realizzando i vari bloc-chi funzionali con componentiseparati. Questo approccio par-ticolarmente didattico, vi per-metterà non solo di progettareautonomamente, ma anche dicomprendere le cause dei piùcomuni malfunzionamenti degliswitching. Solo più avanti pre-senterò circuiti applicativi di ICcommerciali, sempre peròfacendo prevalere il lato didatti-co su quello puramente teori-co/pratico.Nel corso parlerò di:

• Differenze tra alimentatoriswitching e lineari.

• Tipologie standard: buck,boost, buck/boost, inverting.

• Circuiti di controllo: PFM,PWM Voltage Mode, PWMCurrent Mode.

• Utilizzo di IC standard.• Tipologia flyback, trasforma-

tori.

• Alimentatori multi-uscita.• Alimentatori isolati da rete.• Analisi di un alimentatore da

rete per PC.

Per quasi tutti gli argomenti pre-senterò opportune formule peril progetto autonomo di alimen-tatori similari.

INTRODUZIONEQualsiasi circuito elettronico hanecessità, per il proprio correttofunzionamento, di una o più ten-sioni continue, in genere stabili opersino variabili, sempre peròentro limiti ben definiti. Queste tensioni si ottengono apartire da una sorgente di energiadi vario tipo (rete elettrica, batte-rie, celle solari, ecc.), per mezzodi opportuni circuiti trasformato-ri/convertitori, che definiamogenericamente alimentatori.

ALIMENTATORI LINEARINon mi dilungherò più di tantosu questo argomento: conside-rate la figura 1 che riporta lo

schema di principio di un ali-mentatore lineare con regola-zione serie (series o pass regula-tion). Il circuito di controllovaria la resistenza in serie al cari-co finché la tensione di uscitanon coincide con quella deside-rata e la mantiene costante alvariare del carico, della tensionedi ingresso e dei parametri delcircuito.

La resistenza variabile è in realtàcostituita da dispositivi a semi-conduttore come i transistor BJTe/o i MOSFET.Per le informazioni di progettorelative a questo tipo di alimen-tatori rimando alla serie di arti-coli di Nico Grilloni sugli stabiliz-zatori di tensione (FareElettronica 227 e seguenti).Le limitazioni degli alimentatorilineari sono principalmente due:la necessità di una tensione diingresso sempre superiore aquella di uscita (o equivalente-mente, l’impossibilità di genera-re una tensione superiore a

TUTORIAL 25

TUTORIAL

quella di ingresso) e la ridottaefficienza.Ricordo che l’efficienza di unqualsiasi alimentatore, lineare oswitching, è indicata con la let-tera greca η (eta) ed è definitanella formula 1:

Formula 1η = POUT / PIN * 100(POUT e PIN in Watt, η in percen-tuale)

dove POUT è la potenza erogata alcarico e PIN è la potenza assorbi-ta dall’ingresso. La differenza PIN

– POUT, sempre maggiore di zero,viene dissipata in calore dall’ele-mento serie di figura 1. Poichéla potenza elettrica P è pari alprodotto della tensione V per lacorrente I, ne deriva che sononecessarie alette di raffredda-mento sempre più grandi all’au-mentare della corrente richiestadal carico e del “salto di tensio-ne” tra ingresso e uscita (VIN –VOUT). A favore degli alimentato-ri lineari va riconosciuta comun-que la facilità di progetto e direalizzazione, l’assenza di rumo-re legato alla commutazione, ilridotto numero di componenti,l’elevata affidabilità.Quando è necessario o consiglia-

bile passare agli switching?

Sempre, se la tensione di uscitaè superiore a quella di ingressooppure se è negativa rispettoall’ingresso. Nel caso “classico”in cui la tensione di uscita èinferiore a quella di ingresso,consiglio di utilizzare l’alimenta-tore lineare finché questo nonnecessita di aletta di raffredda-mento o al massimo, di una“piccola” aletta. Per fare unesempio, supponiamo di averea disposizione una tensione di5V per alimentare un micropro-cessore che assorbe 400mAmassimi a 3,3V. La dissipazionenell’elemento serie di un regola-tore lineare è pari a (5 – 3,3) *0,4 = 0,68W, facilmente dissipa-bili da qualsiasi regolatore inte-grato in contenitore TO220,senza aletta.

ALIMENTATORI SWITCHINGPer dare un’idea grossolana maefficace, gli alimentatori swit-ching funzionano tutti prenden-do energia dall’ingresso, imma-gazzinandola in un apposito“serbatoio” non dissipativo, perpoi rilasciarla al carico a tensionedifferente. Questo procedimen-to ciclico a due fasi carica-scari-ca, avviene molte volte al secon-

do, da cui il nome di alimenta-tori a commutazione. La trasfor-mazione di tensione avvienesfruttando opportune modalitàche costituiscono l’argomentoprincipale del corso. Se i com-ponenti elettronici di contorno eil “serbatoio” fossero ideali, cioènon dissipativi, avremmo un’ef-ficienza η pari al 100%. Questoè fisicamente impossibile, tutta-via switching particolari arrivanoad efficienze superiori al 95%. Il“serbatoio” di energia non dissi-pativo, può essere indifferente-mente costituito da condensato-ri e da induttanze, o da entram-bi. La disponibilità di due diversicomponenti porta ad una diffe-renziazione degli switching indue categorie, i cosiddetti“charge-pump” (pompa di cari-ca), che utilizzano come “serba-toio” i condensatori, e i più ver-satili magnetici che utilizzanoinduttanze e trasformatori.

ALIMENTATORI SWITCHINGCHARGE-PUMPLo schema di principio di unoswitching charge-pump è ripor-tato in figura 2.Questo circuito genera una ten-sione negativa di valore oppo-sto alla tensione di ingresso.

Figura 1: Schema di principio di alimentatore lineare con regolazione serie.Figura 2: Schema di principio di alimentatore switching di tipo charge-pump

(invertente).

TUTORIAL26

TUTORIAL

Durante la fase 1, il condensa-tore C1 si carica a VIN. Nellafase 2, si commutano contem-poraneamente gli interruttoriin figura, quindi il condensato-re C1 viene “scaricato” sulcondensatore di uscita C2, conla polarità invertita (cioè il pindi C1 carico positivamenteviene collegato a GND, e l’al-tro pin, negativo rispetto amassa, si scarica su C2). Inrealtà la scarica non è comple-ta, ma c’è una ripartizione dicarica che dipende dalla diffe-renza di tensione e di capacitàtra C1 e C2.La frequenza di commutazioneè in genere limitata a pochikHz. Su questo principio si basail ben noto circuito integrato7660, prodotto da varie casecostruttrici. L’utilizzo dei char-ge-pump è limitato a carichi dialcune decine di mA, e comun-que la tensione d’uscita non èben stabilizzata ma varia all’au-mentare del carico (la resisten-za d’uscita è notevole, dell’or-dine delle decine di ohm).Quando utilizzare i charge-

pump?

Ad esempio, per alimentare induale un op-amp avendo a dis-posizione solo una tensionepositiva.Gli alimentatori charge-pumpsono sicuramente più rumorosidei lineari, ma molto meno diuno switching magnetico,quindi sono preferibili per l’uti-lizzo in circuiti sensibili di bassapotenza.

ALIMENTATORI SWITCHING“MAGNETICI”Gli switching di tipo magneti-co utilizzano come “serbatoio”

di energia un’induttanza o untrasformatore. Per ora trascu-riamo il trasformatore, chesarà necessario solo per i cir-cuiti avanzati. Dal punto divista descrittivo, possiamoconsiderare l’induttanza comeil componente “duale” delcondensatore. Intendo con“duale” un componente che sicomporta elettricamente comel’altro, ma con la tensione e lacorrente scambiati di ruolo.Mi spiego meglio: è noto cheun condensatore inizialmentescarico (V = 0), attraverso ilquale facciamo scorrere unadeterminata corrente, non sicarica “istantaneamente“, maaumenta gradualmente la suatensione nel tempo.Per la “duale” induttanza,invertendo i ruoli di I e V, siottiene che, partendo inizial-mente con corrente nulla (I =0), e applicando ai capi unatensione, la corrente nonvarierà “istantaneamente” maaumenterà gradualmente neltempo. La formula 2 sintetizzaquanto detto:

Formula 2∆IL = (VL / L) * ∆t(∆IL in Ampere, ∆t in secondi, Lin Henry, VL in Volt)

Come noto, il simbolo ∆ (delta)indica una variazione o unintervallo, quindi ∆IL indica lavariazione di corrente nell’in-duttore, nell’intervallo ∆t. Laformula 2 vale solo per indut-tanze ideali, ma si può utilizza-re, con le opportune cautele,anche nei casi reali. Si noti chela corrente aumenta linearmen-te nel tempo e sale tanto piùrapidamente quanto più è altala tensione di ingresso e quantopiù è bassa l’induttanza. Infigura 3 sono visibili i graficidella corrente per varie indut-tanze e tensioni applicate.

Quanta energia possiamoimmagazzinare nel nostro “ser-batoio” magnetico? Vedremoche anche questo parametro èmolto importante nei futuri cal-coli di progetto; senza troppespiegazioni, prendete perbuona la formula 3:

Figura 3: Corrente nell’induttanza nel tempo.

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TUTORIAL

Formula 3EL = 0,5 * L * IL

2

(EL in Joule, L in Henry, IL inAmpere)

Ricordate che 1 Joule = 1 Watt /sec., cioè un induttore “carico”di 1J di energia magnetica,potrebbe alimentare un caricodi 1 Watt per un tempo di 1secondo. Per fare un esempiogrossolano ma che può darviun’idea, consideriamo l’indut-tanza che useremo per il nostroprimo switching, una 220µH -0,6 Ampere max. (catalogo RS233-5235). “Caricandola” allamassima corrente ammessa, l’e-nergia immagazzinata sarà paria: EL = 0,5 * 220 * 10-6 * 0,62 =

39,6µJ. Questa energia riusci-rebbe ad alimentare il nostrocarico di 1W, per la bellezza (!)di circa 40µs. Ma poiché la pre-rogativa degli alimentatori swit-ching è quella di ricaricare que-sto piccolo “serbatoio” magne-tico migliaia di volte al secondo,l’energia a disposizione del cari-co aumenterà notevolmente.

TIPOLOGIE DI ALIMENTATORISWITCHING “MAGNETICI”Si intende per tipologia, unaparticolare connessione deglielementi magnetici e dei com-ponenti elettronici dell’alimen-tatore switching, che permettela trasformazione di tensione(riduzione, incremento o

inversione).Ciascuna tipologia porta conse alcuni vantaggi e svantaggi,ed è caratterizzata da differen-ti formule di progetto.

TIPOLOGIA BOOSTLa tipologia boost (“incremen-tatore”) fornisce, come intuibile,una tensione di uscita sempresuperiore a quella di ingresso.Questo è uno dei vantaggi deglialimentatori switching messo inevidenza precedentemente. Loschema di principio di un con-vertitore boost consiste di dueinterruttori, un’induttanza e uncondensatore disposti come infigura 4.Trascuriamo per questa puntata

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TUTORIAL

il sistema di controllo, e suppo-niamo che tutti i componentisiano ideali, cioè che l’induttan-za abbia una resistenza in conti-nua RL pari a zero, il condensa-tore non abbia “perdite” (parle-remo più avanti dell’ESR,Equivalent-Series-Resistance), gliinterruttori abbiano resistenzazero quando chiusi e resistenzainfinita quando aperti, senzarimbalzi.Supponiamo di avere un caricodi 12 Ω collegato all’uscita, e ini-zialmente VOUT = VIN = 12V, essen-do l’interruttore 2 chiuso. Per lalegge di Ohm, la corrente chescorre nel carico, attraversandosia l’induttanza che l’interruttore2, è pari a IL = 1A. All’istante t =

0, chiudiamo l’interruttore 1 eapriamo l’interruttore 2 (la lineatratteggiata in figura sta a signi-ficare che il comando è simulta-neo). Come sappiamo, la cor-rente IL nell’induttanza inizierà acrescere linearmente (fase 1).Ad un certo istante t1, apriamol’interruttore 1 e chiudiamo l’in-terruttore 2: la corrente nell’in-duttanza inizierà a decrescere(non può certo continuare a cre-scere all’infinito). Dalla formula2, una corrente che decresce(∆IL < 0), implica necessariamen-te VL < 0, perché sia ∆t che Lsono sempre positivi. In praticaai capi dell’induttanza si avràun’improvvisa inversione dipolarità. Questa è la classica

“flyback action” di tutte leinduttanze… chiaro a cosa serveil diodo in antiparallelo allabobina di tutti i relé? (ad evitareche all’apertura del relé, l’im-provvisa inversione di polaritàdanneggi il transistor di pilotag-gio). Osservando il circuito nellafase 2, si nota che la tensione diuscita è pari alla somma dellatensione di ingresso e di quella“generata” dall’induttanza, cioèin definitiva, una tensione mag-giore di quella di ingresso. Ilcondensatore C ha il compito dilivellare la tensione di uscita chesarebbe altrimenti impulsiva,come quella in uscita da un nor-male diodo rettificatore connes-so ad un trasformatore di rete.Questo ciclo viene ripetutomigliaia di volte al secondo. Infigura 5 è riportato il graficodella corrente nell’induttanza.In condizioni esterne stabili(cioè con tensioni di ingresso edi uscita stabili e resistenza dicarico fissa) la corrente nell’in-duttanza oscilla sempre tra duevalori, minimo e massimo, bendefiniti e fissi, come nella figura5. Se questi limiti variassero,nonostante le condizioni esternestabili, il nostro switching avreb-be qualche serio problema (cor-tocircuito, instabilità del sistemadi controllo, ecc.). La costanzadi questi limiti implica che ∆IL

durante la fase 1 di crescita dellacorrente, deve essere uguale (invalore assoluto) a ∆IL durante lafase 2 di diminuzione della cor-rente:|∆IL,FASE1| = |∆IL,FASE2|cioè, utilizzando ancora la primaformula e considerando che L ècostante:|VL,FASE1| * tFASE1 = |VL,FASE2| * tFASE2

Figura 4: Schema di principio di un alimentatore switching di tipo boost.

Figura 5: Corrente nell’induttanza (tipologia boost)

TUTORIAL 29

TUTORIAL

Possiamo chiamare la fase 1come fase ON, in quanto è lafase in cui è chiuso l’interruttore1; corrispondentemente chia-meremo la fase 2, fase OFF.Riscrivendo l’equazione prece-dente:

Formula 4|VL,ON| * tON = |VL,OFF| * tOFF

(VL in Volt, tensione ai capi di L)

Questa è una fondamentale for-mula che, sebbene derivata inquesto caso particolare, valeper tutte le induttanze e perqualunque tipologia di swit-ching.

INTERRUTTORI NEGLIALIMENTATORI SWITCHINGNella pratica, cosa si usa comeinterruttore? La risposta è molte-plice, infatti si possono utilizzare:diodi (tradizionali e schottky),SCR, transistor bipolari BJT (NPNe PNP), MOSFET, IGBT, dipen-dentemente dalla posizione nelcircuito (e quindi dalla tipologia)e dalle caratteristiche dello swit-

ching. Una precisazione va subi-to fatta: i diodi non sono control-labili (essendo a due soli piedini),quindi non possono essere utiliz-zati in tutte le posizioni del cir-cuito. Per esempio, non possia-mo utilizzare un diodo nella posi-zione 1 del circuito di figura 4, inquanto l’induttanza sarebbesempre collegata alla tensione diingresso, la corrente aumente-rebbe costantemente con conse-guente rottura del più debole trainduttanza, alimentatore diingresso e diodo. Potremmoperò tranquillamente utilizzarlonella posizione 2, perché duranteil periodo ON, quando è chiusol’interruttore 1, l’anodo è amassa (e quindi il diodo non con-duce comportandosi quasi esat-tamente come un circuito aper-to), mentre durante il periodoOFF, quando la sovratensionedell’induttanza si mette in seriealla tensione di ingresso, fa pas-sare la corrente verso l’uscita(comportandosi approssimativa-mente come un circuito chiuso).Il diodo nella posizione 2 è real-

mente utilizzato nella stragrandemaggioranza dei casi. Nella posi-zione 1 occorre un interruttorecomandato, e la scelta è fra SCR,transistor a giunzione BJT,MOSFET e IGBT. Tralasciando gliSCR, ormai non più utilizzatinegli switching tradizionali, i tredispositivi rimanenti si dividono ilnumero di applicazioni, con unaforte prevalenza dei MOSFET. Itransistor BJT resistono in appli-cazioni ad alta tensione dovepossono risultare i più economicia parità di prestazioni, ed anchein applicazioni a bassa tensionedove non è disponibile “l’alta”tensione di pilotaggio richiestadai MOSFET. Gli IGBT sono dipreferenza utilizzati per potenzeelevate, dell’ordine dei kW o più.Per i nostri circuiti useremo quin-di MOSFET e BJT. Una precisazio-ne importante: un interruttoreideale ha solo due stati stabili:ON oppure OFF. Nello stato ONla tensione ai suoi capi vale zero,mentre la corrente può assumerequalsiasi valore. La potenza dissi-pata dall’interruttore in questo

Figura 6: Progetto boost – parte di potenza.

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stato è quindi:PDISS,ON = VON * ION = 0 * ION = 0Analogamente, nello stato OFF,la tensione ai capi dell’interrut-tore può essere qualsiasi ma lacorrente che scorre è zero:PDISS,OFF = VOFF * IOFF = VOFF * 0 = 0Un MOSFET e un BJT non sonoun interruttore ideale, ma loapprossimano abbastanza benese fatti lavorare in saturazioneed in interdizione, avendo curadi evitare la zona attiva, dove siaV che I sono diversi da zero, equindi la dissipazione è alta.Questa “accortezza” è di impor-tanza fondamentale per realiz-zare switching ad alta efficienza.

IL PROGETTO, FINALMENTEVediamo ora di mettere in prati-ca le poche nozioni (sono soloquattro formulette!) che ho pre-sentato.Realizzeremo un alimentatore ditipo boost, quindi con VOUT > VIN,senza alcun circuito di controllodella tensione di uscita.Nonostante questo, e a patto disoddisfare alcune condizioni, latensione di uscita è molto sta-bile al variare del carico! Non èstabile al variare della tensionedi ingresso, anzi in realtà questocircuito è un moltiplicatore x2della tensione di ingresso. Perquesto primo progetto i para-metri saranno a tolleranza zero,cioè non considereremo varia-zioni dei valori dei componenti,per non confondere troppo leidee. Gli effetti delle tolleranzedei componenti sui calcolisaranno affrontati successiva-mente. Lo schema della parte dicommutazione (o “di potenza”)del nostro primo switching èriportata in figura 6.

Ho usato un MOSFET a canale Ndi tipo IRF620 come interruttorecomandato 1, ed un diodoSchottky 1N5818 come inter-ruttore automatico 2.È ovvio che potete utilizzarequalsiasi altro componente dicaratteristiche simili.Esempi di alternative per ilMOSFET: IRF510, BUZ73,BUZ32, IRF640, IRF540, in prati-ca qualunque NMOS con corren-te max. di drain uguale o supe-riore a 4A e tensione max. didrain uguale o superiore a 30V.Per il diodo: 1N5819, 1N5821(no 1N5820 e 1N5817 perchésopportano solo 20V di tensioneinversa), MBR160, SS14 (SMD).La resistenza R1 ha il compito ditenere spento il MOSFET qualo-ra non fosse collegato il circuitodi pilotaggio presentato nellepagine successive. Il condensa-tore C1 diminuisce il ripple dicorrente richiesto all’ingresso,mentre il ponticello JP1 permet-te di misurare la corrente mediaassorbita collegando al suoposto un amperometro.

Parametri di progettodesiderati:VIN = +12VVOUT = +24VIOUT = 0,12A max.

Possiamo definire il metodo dicalcolo usato, “bilancio dipotenza iterativo”.

PASSO 1 - calcolo della massi-ma potenza di uscitaPOUT,MAX = VOUT * IOUT,MAX

Nel nostro caso:POUT,MAX = 24 * 0,12 = 2,88W

PASSO 2 - stima dell’efficienza

e calcolo della massima poten-za di ingressoÈ una stima perché non sappia-mo a priori quanto sarà efficien-te il nostro switching.Sceglieremo quindi un valore apiacere compreso tra il 70 e 90%,calcoleremo tutti i parametri ealla fine verificheremo se la sceltainiziale era corretta: in caso con-trario ripeteremo il calcolo con ilnuovo valore di η. Di qui il nomedel procedimento iterativo.Tanto per cominciare, è eviden-te che la potenza assorbita iningresso sarà sicuramente mag-giore di quella fornita in uscita.Ricordate la formula 1?η = POUT / PIN * 100da questa si ricava:PIN = POUT / η * 100Scegliendo η = 80%, otteniamo:PIN,MAX = 2,88 / 80 * 100 = 3,6W

PASSO 3 - calcolo della massi-ma corrente di ingressoSemplice:IIN,MAX = PIN,MAX / VIN

Nel nostro caso:IIN,MAX = 3,6 / 12 = 0,3A = IAVG

Notate che nella tipologia boostquesta è la stessa corrente chescorre nell’induttanza.Un momento: abbiamo dettoche la corrente nell’induttanzasale e scende nelle due fasi ON eOFF!Tranquilli, quella che abbiamocalcolato è solo la correntemedia IAVG che viene assorbitadall’ingresso (ad essere precisi, èla corrente RMS, ma la differen-za in questo caso è trascurabile,l’errore è inferiore al 4%).

PASSO 4 - calcolo del duty-cycle a regimeAbbiamo già detto che il nostro

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TUTORIAL

switching funziona a due fasi,riferite all’interruttore 1: ON eOFF. Calcoliamo il duty-cycle aregime, cioè il periodo ONrispetto al totale del ciclo(ON+OFF), usando l’importan-tissima formula 4:|VL,ON| * tON = |VL,OFF| * tOFF

VL,ON è la tensione ai capi dell’in-duttanza durante la fase ON. Sesupponiamo che l’interruttore 1sia perfetto, VL,ON = 12V. VL,OFF è latensione ai capi dell’induttanzadurante la fase OFF. Se suppo-niamo che l’interruttore 2 siaperfetto, VL,OFF = 24 – 12 = 12V.Quindi:

12 * tON = 12 * tOFF

cioètON = tOFF

e quindiduty-cycle = tON/(tOFF+tON) = 50%

PASSO 5 - scelta della frequen-za di commutazione e dell’in-duttanzaLa frequenza di commutazioneè praticamente a piacere, inquanto esistono infinite coppieinduttanza-frequenza che forni-scono in prima approssimazio-ne lo stesso risultato. Si parte daun minimo assoluto di 15kHz,fino ad un massimo per il nostro

corso, di 100-200kHz. Sotto ai15kHz sono necessarie indut-tanze molto grandi e c’è ilrischio di un “fischio” udibiledall’alimentatore.Sopra ai 200kHz entrano ingioco in maniera evidente leperdite magnetiche, l’effettopelle nei conduttori in rame ealtri fattori.Dal calcolo del duty-cyle abbia-mo, per la corrente attraversol’induttore, un grafico simmetri-co (per il 50% del tempo la cor-rente sale, per il rimanente 50%scende), con centro intorno a0,3A, che è la corrente mediaassorbita dall’ingresso. Di graficicon queste caratteristiche ne esi-stono però infiniti, vedi figura 7.Ciò che cambia tra questecurve, tutte centrate intorno allacorrente media, è l’ampiezza del“ripple” di corrente picco-picco.Questo determina il cosiddettocarico critico o minimo dell’ali-mentatore, sotto al quale l’ali-mentatore è instabile o megliolavora in modo discontinuo. Nelnostro caso non verrebbe piùgarantita la tensione di uscitastabile a +24V. La spiegazione èla seguente: supponiamo di sce-gliere il grafico in rosso nellafigura 7. In questo caso il rippleè pari al 200% del valore medio,e cioè 0,6A. Se la corrente assor-bita dal carico fosse esattamentepari al massimo, lo switching sitroverebbe in una situazione distabilità. Supponiamo ora che lacorrente di carico si dimezzi.Teoricamente anche la correntemedia nell’induttore dovrebbescendere alla metà di 0,3A =0,15A, con sovrapposto lostesso ripple di 0,6A in quantodalla Formula 2, se la frequen-

Figura 7: Corrente nell’induttore, intorno al valore medio 0,3A, ripple variabile.

Figura 8: Corrente nell’induttore con ripple = 50%, a carico max. e min.

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za di switching e L sonocostanti, il ripple è costante. Inteoria quindi, dal grafico la cor-rente dovrebbe scendere sottolo zero, ma questo è chiaramen-te impossibile in quanto nonpuò scorrere corrente verso l’ali-mentatore/batteria di ingresso(c’è il diodo). Accade invece chela tensione di uscita aumenterà,per far si che anche la correntenel carico aumenti, e la correntemedia nell’induttanza arrivi a0,3A. Le “piacevoli” conseguen-ze per il carico le lascio allavostra immaginazione. Questo èciò che accade realmente alnostro primo circuito, senzacontrollo della tensione di usci-ta: senza carico la tensione salefino a 50-60V!Per questo motivo, un ripplepari al massimo (200%) non èpraticamente utilizzabile. Ingenere conviene scegliere unripple picco-picco pari a circa il20-50% della corrente medianell’induttore. Scegliamo il50% di ripple, cioè 0,15A pk-pk(50% di 0,3A).A massimo carico, la correntemassima nell’induttore saràpari a 0,3 + 0,15 / 2 = 0,375Amentre la corrente minima sarà0,3 - 0,15 / 2 = 0,225A, comein figura 8.

Da questa figura è immediatocalcolare la specifica di correnteminima di uscita per l’alimenta-tore. Questa sarà pari alla corren-te massima di uscita, per il rippleappena scelto in %, diviso 2:IOUT,MIN = 0,12 * 50% / 2 = 0,03A

Proseguiamo con i calcoli, ricor-dando la formula 2:∆IL = (VL / L) * ∆t

e applicandola alla sola fase ON(si può anche applicare alla solafase OFF, non cambia nulla inquanto sappiamo che ∆IL nelledue fasi deve essere uguale edopposto):tON = L * ∆IL / VL = L * 0,15 / 12 == L * 0,0125

Come ho anticipato, per l’in-duttanza si deve effettuare uncompromesso. Induttanze dipiccolo valore si “caricano”velocemente e quindi richiedo-no una frequenza di commuta-zione più alta e viceversa.Conviene utilizzare valori stan-dard per L e tabulare le fre-quenze che ne derivano (veditabella seguente).

Le induttanze Panasonic dellaserie ELC08 (reperibili sul catalo-go RS) sopportano le seguenticorrenti massime:

L’induttanza da 1000µH è sot-todimensionata, la 470µH è allimite, la 220µH è accettabilecome corrente massima sebbe-ne richieda una frequenza diswitching abbastanza elevata.Scegliamo quindi la 220µH,fatta lavorare alla frequenza di

circa 180kHz.

PASSO 6 - stima (o misura)delle perdite dissipativePer mancanza di spazio presen-terò il metodo di calcolo nellaprossima puntata, per oraaccontentatevi dei risultatipronti.PERDITE NEL DIODO, NELMOSFET E NELL’INDUTTANZA:0,16W

PASSO 7 – calcolo dell’efficien-za e verifica della bontà dellastimaÈ evidente che la potenza assor-bita dall’ingresso è pari allasomma della potenza erogata edi quella dissipata:

PIN = POUT + PDISS

Quindi, dalla formula 1:η = POUT / PIN * 100 = 2,88 / (2,88+ 0,16) * 100 = 94,7%L’efficienza calcolata è diversa(maggiore) di quella ipotizzata.Si possono quindi reiterare i cal-coli, partendo dal PASSO 2, eutilizzando questo nuovo valoreper l’efficienza. Tuttavia il cir-cuito è perfettamente funzio-nante anche mantenendoconservativamente l’efficienzaal 80%. La sola differenza è chela scarsa ottimizzazione potreb-be portare alla scelta di compo-nenti sovradimensionati. In casocontrario, cioè se l’efficienza cal-colata fosse inferiore a quella sti-mata, sarebbe obbligatorio

Induttanza L in µH Valore di tON in µsFreq. switching

fSW = (duty / 100) / tON

220 2,750 182kHz

470 5,875 85kHz

1000 12,500 40kHz

InduttanzaL in µH

Correntemassima in A

220 0,6

470 0,4

1000 0,3

TUTORIAL 33

TUTORIAL

ripetere i calcoli.

PASSO 8 - calcolo del conden-satore di uscita (preliminare)Nella tipologia boost, abbiamogià notato che il condensatoredi uscita viene caricato solodurante il periodo tOFF e si scari-ca sul carico nel periodo tON.Non esiste quindi un flusso con-tinuo di corrente dall’ingressoall’uscita, (a differenza di altretipologie) e occorre un conden-satore di valore maggiore, aparità di altre caratteristiche. Ilvalore dipenderà dal carico edall’ammontare di ripple dellatensione di uscita tollerabile (danon confondere con il ripple dicorrente nell’induttanza).

Possiamo considerare un ripplepari a 100mV picco-picco comemassimo tollerabile per le appa-recchiature elettroniche.Tuttavia, se avete necessità di ali-mentare ad esempio un relé,potete tranquillamente aumenta-re questo valore anche a 1-2Volte risparmiare sulle dimensioni esul costo del condensatore.La quantità di carica Q imma-gazzinata in un condensatore C,carico a tensione V, vale:Q = C * V(Q in Coulomb, C in Farad, V inVolt).Se si preleva o si fornisce unacerta quantità di carica dal con-densatore (cioè si assorbe o sifornisce corrente), la tensione ai

suoi capi varierà di:∆V = ∆Q / CLa quantità di carica prelevata ofornita ∆Q è pari alla corrente Iper il tempo ∆t che dura il pre-lievo o la fornitura:∆Q = I * ∆tDalle precedenti equazioni siottiene:∆V = I * ∆t / C, o meglio:

Formula 5C = I * ∆t / ∆V(C in Farad, I in Ampere, ∆t insecondi, ∆V in Volt)

In tutte le tipologie, il calcolodel condensatore di uscita si fageneralmente analizzandone ilcomportamento nella fase ope-

TUTORIAL34

TUTORIAL

rativa più comoda, in quanto èovvio che il ripple di tensione èidentico e opposto nelle due fasiON e OFF (se così non fosse latensione di uscita salirebbeall’infinito o scenderebbe azero). Nella tipologia boost con-viene utilizzare la fase ON,durante la quale l’interruttore 2(diodo D1) è aperto, e quindi ilcondensatore si scarica sul cari-co. Sappiamo già che il tempotON è pari a 2,75µs, sostituendo∆V = 0,1V e I = 0,12A si ottienedalla formula 5:

C = 0,12*2,75*10-6/0,1 = 3,3µF

NOTA: poiché l’avevo disponibile,

ho utilizzato un condensatore

elettrolitico da 10µF, del tipo

LOW-ESR/105°. Non utilizzare

condensatori elettrolitici tradizio-

nali (85°)! Mi aspetto in questo

caso un ripple ridotto a un terzo

(in quanto ho triplicato la capaci-

tà), cioè circa 30mV picco-picco.

CIRCUITO DI PILOTAGGIOIl circuito di pilotaggio, visibilein figura 9, è basato sul noto

555, in versione CMOS e confi-gurazione astabile. Avendonecessità di un duty-cycle pari al50%, ho utilizzato la configura-zione in figura invece di quellapiù classica con due resistenzeRA e RB. Per aumentare la corren-te di uscita (ne vedremo il moti-vo nelle prossime puntate), housato un push-pull inseguitoredi emettitore a transistor com-plementari di tipo BC337 oBC327.Al solito, può essere utilizzataqualunque coppia di transistor

Figura 9: Progetto boost - circuito di pilotaggio, duty-cycle = 50%.

TUTORIAL 35

TUTORIAL

come 2N2222 o 2N2904,BC847 o BC857, eccetera. Iltrimmer RV1 permette la regola-zione della frequenza di com-mutazione entro ampi marginiper dare la possibilità di provarevari circuiti.Per il montaggio dei circuiti èsufficiente una basetta millefori,a patto di ridurre al minimo lalunghezza dei collegamenti trainduttanza, MOSFET, diodo econdensatori. Il circuito di pilo-taggio non è assolutamente cri-tico. Prima dell’accensione,ricordate di collegare in uscitaun carico, ad esempio una resi-stenza di 2-3W, di valore pari oinferiore a:RMIN = VOUT / IOUT,MIN = 24 / 0,03 == 800 Ω

MISURE SUL CIRCUITOL’efficienza misurata a massimocarico è risultata pari al 95%.Ricordate che, ai fini dei calco-li di progetto, l’efficienza vamisurata considerando solo laparte di potenza, e non il cir-cuito di pilotaggio (usare l’am-perometro in JP1 di figura 6). Leprove con carico variabile hannofornito i risultati riportati nellatabella in alto.

Notate come nelle ultime due

righe, per carichi inferiori alminimo (resistenza maggiore di800Ω), la tensione di uscitasalga, come previsto, ben oltre i24V nominali. Se volete provarecarichi ancora minori, fate atten-zione a non superare la tensionemassima sopportabile dal con-densatore di uscita, dal diodoe/o dal mosfet.Per concludere in figura 10 horiportato il ripple della tensionedi uscita (ovviamente con l’oscil-loscopio in AC).Ma il ripple picco-picco è di circa

750mV invece dei 30mV previsti!

Per la spiegazione vi rimandoalla prossima puntata, fate pure

Figura 10: Progetto boost – ripple di tensione di uscita.

Correnteassorbita a

Vin = 12V [A]

Potenzaassorbita [W]

Resistenza dicarico [Ω]

Tensione diuscita [V]

Potenza fornita[W]

Efficienzaη [%]

0,242 2,904 200 23,46 2,752 94,8

0,163 1,956 300 23,77 1,883 96,3

0,123 1,476 400 23,92 1,430 96,9

0,071 0,852 700 24,06 0,827 97,1

0,065 0,780 800 24,53 0,752 96,4

0,065 0,780 900 26,02 0,752 96,4

0,068 0,816 1000 28,10 0,790 96,8

le vostre supposizioni.

CONCLUSIONEConcludo esortandovi a prova-re altri circuiti di tipo boost,variando la frequenza di swit-ching, l’induttanza e la tensio-ne di ingresso, rimanendo perquest’ultima nel range 8-18V(attenzione che alcune versioniCMOS del 555 sopportano almassimo 15V).La prossima puntata sarà dedi-cata al calcolo delle perditenegli alimentatori switching, ead un semplice circuito di con-trollo per il boost appena rea-lizzato.

L'obiettivo di questo progetto èla realizzazione di uno strumen-to in grado di leggere, con ele-vata precisione, la frequenza diun segnale nel campo delleapplicazioni BF,che deve, inoltre,possedere unasensibilità note-vole, capace diadattarsi anche asegnali di rilevan-te ampiezza. Unaelevata impeden-za di ingresso e lapossibilità di esse-re alimentato conqualunque sor-gente di tensio-ne, continua oalternata, neaumentano laversatilità (da 6 a24 Vac e da 8 a35 Vdc). Da non sottovalutare,poi, la possibilità di leggere adistanze di almeno un paio dimetri, in ambienti fortementeilluminati, il valore di frequenzaindicato.

Quello che ne è nato è uno stru-mento dotato di una impeden-za di ingresso di 1MΩ, capacedi accettare segnali nel rangecompreso da 20 mV a 100 Vpp,

con una visualizzazione su dis-play LED a 7 segmenti, in gradodi misurare su due portate contempo di gate di 1 Sec. e 100mS, frequenze fino a 200 Khz,con risoluzioni, rispettivamente,

di 1 Hz e 10 Hz.La precisione di lettura è garan-tita dalla elevata frequenza delquarzo che cadenza il funziona-mento del microcontrollore

usato per il con-trollo delle tem-porizzazioni: 20MHz; da cuio t t e n i a m o ,attraverso una p p r o p r i a t osoftware, il pre-ciso impulso digate, seleziona-bile tra 1 Sec e100 mS e gliimpulsi di stro-be e di reset,necessari al cor-retto funziona-mento del cir-cuito integratocontatore e

pilota display ICM7225.

Nell'esemplare realizzato, ilrange massimo di lettura èstato fissato, per mia scelta, a200 KHz; programmando il

FREQUENZIMETRODIGITALE BF 4,5 DIGIT LED

FREQUENZIMETRODIGITALE BF 4,5 DIGIT LEDdi Umberto Fabris

[email protected]

Il progetto che mi accingo a presentare è di facile realizzazione e contribuirà ad

arricchire il vostro laboratorio. Si tratta di un sensibile e preciso frequenzimetro

digitale per BF controllato da microprocessore.

HARDWARE36

HARDWARE

del FET FT1 per ottenere un’ altaimpedenza di ingresso. I segnalidi ampiezza elevata, vengonotosati per mezzo dei diodiD1÷D4 e della resistenza R1. Ilsegnale a bassa impedenza, dis-

microcontrollore, con un’altraversione di software, per gene-rare impulsi di gate di 100 mS e10 mS, si possono misuraresegnali fino a 2 MHz con risolu-zione di 100 Hz.

IL CIRCUITOCome possiamo vedere dallafigura 1 (che mostra il circuito diingresso, di alimentazione e ditemporizzazione), il segnale damisurare viene applicato al gate

HARDWARE

HARDWARE 37

Figura 1: Schema elettrico della scheda principale

Figura 2: Schema elettrico della scheda di visualizzazione

ponibile ai capi di R3, viene suc-cessivamente amplificato daltransistor TR1 ed inviato all'in-gresso invertente del circuitointegrato amplificatore opera-zionale IC3.Questo operazionale vieneusato come "trigger di Schmitt",con soglia di scatto superiore a2 V ed inferiore a 1 V, presen-tando quindi alla sua uscita,indipendentemente dalla formadel segnale al suo ingresso,degli impulsi ad onda quadracon fianchi ripidi, adatti a pilo-tare correttamente l'ingresso diconteggio al pin 32 dell'integra-to ICM7225.Questo integrato, come si èdetto, necessita oltre che di unaccurato impulso di gate neces-sario ad abilitare il conteggio, dialtri due impulsi: l'impulso distrobe che memorizza la letturasul display e l'impulso di resetche azzera il contatore interno elo prepara ad una nuova lettura.Tutte queste funzioni vengonogestite dal software memorizza-to all'interno di IC2, unPIC12F675 oppure PIC12F629 (idue modelli si distinguono per lapresenza o meno della funzioneADC, peraltro non utilizzata inquesto progetto).Il software “sente” il livello alto obasso selezionato dallo switchSW2 sul pin 4 e cambia la dura-ta dell'impulso di gate al pin 5selezionandola a 1 Sec o a 100mS. Successivamente genera insequenza al pin 6 l'impulso distrobe e al pin 7 quello di reset.Nello schema riportato in figura2, possiamo vedere il semplicestadio di conteggio e di visualiz-zazione effettuato dall’ICM7225,in grado come si è detto, di effet-

HARDWARE

HARDWARE38

Figura 3: Circuito stampato scala 1:1 (lato rame) della scheda principale

Figura 4: Piano di montaggio componenti della scheda principale

tuare il conteggio degli impulsiapplicati al pin 32 e di pilotare i 5display ad anodo comune. Unaparticolarità di questo integrato èl'assenza di sfarfallio delle cifre inquanto il pilotaggio del display èdiretto e non multiplexato, inol-tre, tramite il trimmer VR1 è pos-sibile regolare la luminosità deglistessi in base all’illuminazioneambientale ed ai nostri gusti.

LA COSTRUZIONEPer permettere a chiunque direalizzare il frequenzimetro hodeciso di fornire il firmwarenecessario a programmare ilPIC utilizzato nel progetto, lopotete quindi scaricare dal sitodi Fare Elettronica.

Il firmware è disponibile in 2versioni:

• Massima frequenza di lettura

HARDWARE

HARDWARE 39

Figura 5: Circuito stampato scala 1:1 (lato rame) della scheda di visualizzazione

Figura 6: Piano di montaggio componenti della scheda di visualizzazione

Elenco componenti

Sigla Valore Sigla Valore

R1 27 KΩ 1/4 W C5 220 KpF 100 V poliestere

R2 1 MΩ 1/4 W C7 220 KpF poliestere

R3 680 Ω 1/4 W C8 4,7 µF 16 V tantalio

R4, R9, R10 10 KΩ 1/4 W L1 47 uH assiale

R5 47 KΩ 1/4 W TR1 BC547C

R6 1 KΩ 1/4 W FT1 2SK218 - BF245

R7 100 KΩ 1/4 W PT1 Ponte 1 A 200 V

R8 3,3 KΩ 1/4 W D1÷4 1N4148

R11 18 KΩ 1/4 WDisplay 5 display 7 segmenti - Anodo comune -

doppio punto decimale

R12÷R14 330 Ω 1/4 W IC1 7805

VR1 Trimmer 10 KΩ 1/4 W orizzontale IC2 PIC16F675/629

C1 1000 µF 35 V elettrolitico IC3 LF357

C2 1 µF 16 V elettrolitico IC4 ICM7225

C3 220 µF 16V elettrolitico SW1 Interruttore a levetta

C4, C6, C9 100 KpF poliestere SW2 Doppio deviatore a levetta

di 200 KHz (risoluzione 10 Hz);• Massima frequenza di lettura

2 MHz (risoluzione 100 Hz).

Quindi, una volta reperiti i varicomponenti, si può procedere

alla realizzazione del circuitostampato principale, come pro-posto in figura 3 e 4 che allog-gia tutti i componenti del fre-quenzimetro.Il circuito stampato ospitante i 5

display, è invece visibile in figura5 e 6.I due circuiti verranno connessiattraverso un cavo piatto da 34conduttori e relativi connettori(vedi figura 7).Il circuito, una volta ultimato ilmontaggio dei componenti,dei commutatori, del cavo diinterconnessione e del connet-tore BNC di ingresso, risulteràcome visibile in figura 7.A questo punto, se tutto è statomontato correttamente il fre-quenzimetro deve funzionare,presentando in assenza delsegnale d’ingresso tutte le cifrespente, salvo vedere lampeg-giare il punto decimale dellacifra a sinistra ed il punto deci-male fisso che indica i KHz dilettura. Spostando il deviatoreSW2 il punto dei KHz si sposte-rà ed il punto del gate lampeg-gerà a diversa frequenza.Provate ora ad iniettare unsegnale all’ingresso e dovreteleggerne la frequenza esatta; ilcircuito è talmente sensibileche nell'esemplare da me rea-lizzato, toccando con unamano l'ingresso e con l'altra lamassa, riesce a leggere i 50 Hzdella rete elettrica. Infine rego-late il trimmer VR1 per la lumi-nosità del display. Il circuito oraè pronto per essere inscatolato(figura 8) in un adeguato con-tenitore ed essere utilizzato nelvostro laboratorio.

CONCLUSIONISpero che questo mio sempliceprogetto vi ritorni utile nelvostro laboratorio, la spesa perrealizzarlo è modesta e la sod-disfazione di vederlo funziona-re tanta.

HARDWARE

HARDWARE40

Figura 7: Foto del frequenzimetro montato e cablato

Figura 8: Foto del frequenzimetro inserito nel contenitore

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VITAMINA C

INTRODUZIONELa disponibilità di compilatori C per microcon-trollori è un fatto piuttosto recente. Fino ad unadecina di anni fa la tecnologia dei compilatoriera meno raffinata di quella odierna e non con-sentiva di ottenere del codice particolarmenteefficiente e compatto. Questo era dovuto ingran parte al fatto che lo sviluppo dei compila-tori aveva sempre avuto come obbiettivo quellodi generare codice per macchine piuttosto com-plesse, tipicamente basate su microprocessori edotate di abbondanti risorse di memoria (i com-puter). Rispetto a questi sistemi i microcontrol-lori offrono risorse estremamente limitate, set diistruzioni molto meno flessibili, e velocità di ese-cuzione ridotta. Questa “incompatibilità” hafatto si che i microcontrollori siano sempre statitradizionalmente programmati in assembler perriuscire a sfruttarne al massimo le caratteristi-che. Tuttavia i vantaggi di un linguaggio ad altolivello come il C sono innegabili: maggiore pro-duttività, maggiore documentabilità e manu-tentibilità del codice, ecc. Questo ha spinto alla

creazione di compilatori sempre più ottimizzatied efficienti anche per piccoli microcontrollori.Uno dei primi microcontrollori a disporre di uncompilatore ANSI C è stato l’8052. Questomicrocontrollore, nonostante sia stato uno deiprimi disponibili sul mercato (fu introdotto dallaIntel verso la fine degli anni ’70), possiede dellecaratteristiche che lo rendono ancora oggimolto interessante, nonché particolarmenteadatto ad essere programmato in C come vedre-mo di seguito.Nel tempo l’8052 è divenuto praticamente unostandard in campo industriale, ed oggi è pro-dotto da moltissime società in una grande varie-tà di configurazioni, formati, capacità di memo-ria e di velocità.Il compilatore SDCC di cui ci occuperemo inquesta puntata è nato proprio per supportarequesto microcontrollore, anche se attualmenteè in grado di generare codice anche per altripopolari microcontrollori. Esso è quindi unostrumento molto valido ed utile, soprattutto inconsiderazione del fatto che è disponibile come

VITAMINA C

di Antonio Di Stefano

[email protected]

In questa puntata considereremo uno strumento molto interessante per la

programmazione in C dei microcontrollori: il compilatore SDCC. Questo

compilatore, oltre ad avere delle ottime capacità ha anche il pregio di essere

completamente freeware. Oltre al compilatore verrà descritto anche il suo target

predefinito: il celebre microcontrollore 8052, che come vedremo per le sue

caratteristiche si presta particolarmente bene ad eseguire codice C.

quattordicesima parte

IL COMPILATORE SDCCE L’8052

IL COMPILATORE SDCCE L’8052

TUTORIAL44

TUTORIAL

freeware, quindi completamente gratuito.Prima di passare alla descrizione del compilato-re è il caso di dare un’occhiata alle caratteristi-che dell’8052, per potere comprendere meglioalcune modalità operative ed opzioni del com-pilatore stesso.

IL MICROCONTROLLORE 8052Iniziamo col precisare che nonostante di seguitoverrà sempre usata la sigla “8052”, in realtàquanto detto vale anche per le diverse versioni ederivazioni, che in genere risultano compatibilisia a livello di codice che di funzionalità base.Tra le versioni compatibili includiamo anche il“fratello minore” 8051 (e derivati), che è com-patibile a livello di codice, ma ha un numero diperiferiche leggermente ridotto.L’8052 è un microcontrollore ad 8 bit di tipoCISC, dotato di 255 istruzioni, 256 byte di RAMinterna, 32 linee di I/O, tre timers, ed una porta

di comunicazione seriale. Il programma risiedesu un’apposita memoria interna che può essereampia fino a 64KB, e può essere realizzata convarie tecnologie a seconda del produttore(Flash, EEPROM, EPROM, PROM, RAM…).L’8051 differisce leggermente da queste caratte-ristiche in quanto possiede solamente duetimers e 128 byte di RAM.Entrambi i microcontrollori sono predisposti perutilizzare fino a 64KB di memoria esterna permemorizzare il codice o i dati (rinunciando adalcuni piedini di I/O). Alcune versioni, prodottead esempio da Philips, possono indirizzare addi-rittura alcuni MB di memoria! Questa caratteri-stica amplia moltissimo le possibilità del micro-controllore, anche se bisogna notare che gliaccessi alla memoria esterna in genere sono unpo’ più lenti rispetto a quella interna.

In figura 1 è riportata la mappa di memoriadell’8052. Come si può vedere la memoriainterna viene utilizzata per diversi scopi oltreche per memorizzare dati temporanei.La parte bassa della memoria interna (dall’indi-rizzo 0x00 a 0x1F) è utilizzata per memorizzareil valore dei registri. Sono disponibili 4 banchida 8 registri ciascuno (da R0 a R7), ma è possi-bile selezionarne ed utilizzarne solo uno allavolta. Questa caratteristica risulta particolar-mente utile per salvare velocemente il valore deiregistri stessi nel caso di interruzioni o di chia-mata ad una funzione, o semplicemente permemorizzare un maggior numero di variabili.L’area di memoria seguente (dall’indirizzo 0x20a 0x2F) è occupata dalla cosiddetta “memoriadei bit”. Quest’area ha la particolarità di essereutilizzata direttamente dalle istruzioni di mani-polazione dei bit, e risulta indirizzabile da que-ste con granularità di 1 bit.È possibile quindi considerarla come un’insiemedi 128 bit consecutivi, ciascuno dei quali puòessere indipendentemente posto ad 1 o 0, edessere utilizzato come flag, o per costruire odecodificare particolari campi di dati relativi aprotocolli di comunicazione.La memoria compresa tra l’indirizzo 0x30 a0x7F può essere utilizzata dall’utente permemorizzare dati generici e per allocarvi lo

TUTORIAL 45

TUTORIAL

Figura 1: Mappa di memoria dell’8051/52

stack. Quest’ultimo è gestito in maniera auto-matica in caso di chiamata a funzione, ma puòessere anche utilizzato manualmente (per passa-re o memorizzare temporaneamente variabili)grazie alle istruzioni PUSH e POP. Va notato chelo stack cresce nella direzione degli indirizzi cre-scenti, e la sua posizione iniziale può comunqueessere scelta dall’utente.Gli indirizzi compresi tra 0x80 e 0xFF hannoalcune caratteristiche un po’ particolari.Nell’8051, che come già detto è dotato di soli128 byte di RAM interna, questi ulteriori 128byte contengono un insieme di registri specialidetti Special Function Registers (SFR). Anchenell’8052 questa area è utilizzata dagli SFR, tut-tavia gli stessi indirizzi (ma non fisicamente lastessa area di memoria) sono utilizzati anche perindirizzare gli ulteriori 128 byte di RAM.Quindi apparentemente ad uno stesso indirizzocorrisponde sia un SFR sia una locazione dellaRAM estesa. L’ambiguità è risolta dall’uso didiverse modalità di indirizzamento: gli SFR siaccedono utilizzando la modalità diretta, la RAMquella indiretta.Gli SFR sono utilizzati per controllare alcune par-ticolari funzioni del microcontrollore, ad esem-pio i dati presenti sulle porte di I/O, le imposta-zioni ed il valore dei timers, e la porta seriale.Altri SFR sono utilizzati per contenere il valoredell’accumulatore A, del registro ausiliario B, edel puntatore a 16 bit per l’eventuale memoriaesterna.Il numero degli SFR dell’8052 è relativamentepiccolo, per cui molte locazioni tra le 128 dis-ponibili non sono utilizzate. Proprio questo fattoè sfruttato dai derivati dell’8052 per aggiungerenuove caratteristiche senza rinunciare alla com-patibilità con l’originale: gli SFR dell’8052 origi-nale sono mantenuti, e si trovano alle stesselocazioni, mentre quelli aggiuntivi utilizzanolocazioni prima non utilizzate. Questo accorgi-mento permette in primo luogo di eseguire lostesso codice su qualsiasi versione del dispositi-vo (avendo cura di gestire i registri aggiuntivi),ed inoltre rende possibile utilizzare gli stessi tooldi sviluppo (assemblatori, compilatori, debug-ger…) indipendentemente dalla marca, versio-ne, e capacità del microcontrollore utilizzato.

SET DI ISTRUZIONICome già detto l’8052 è un microcontrolloreCISC (Complex Instruction Set Computer), questosignifica che oltre a possedere un numero diistruzioni mediamente più alto dei microcon-trollori RISC, le singole istruzioni riescono anchead eseguire funzioni più complesse (cioè a piùalto livello). Lo svantaggio di questo approccioè dato dal numero di cicli di clock utilizzati pereseguire ciascuna istruzione: circa 12. Va sotto-lineato comunque che più recentemente sonostati prodotti degli 8052 in versione RISC o“quasi-RISC”, che riescono ad eseguire un istru-zione in un numero minore di cicli di clock (da1 a 4) senza rinunciare alle potenzialità del set diistruzioni originale.Tra le 255 istruzioni originali le più interessanti eversatili sono quelle di movimento (MOV), chesupportano un indirizzamento immediato, diret-to e indiretto, sia per la memoria interna che perquella esterna. Tra le istruzioni aritmetiche elogiche invece sono presenti, oltre alle piùcomuni (somma, sottrazione, incremento…),anche un’istruzione per la moltiplicazione(MUL) ed una per la divisione (DIV), la primalavora con operandi ad 8 bit e restituisce unrisultato a 16 bit, la seconda utilizza due ope-randi ad 8 bit e restituisce contemporaneamen-te il risultato della divisione ed il resto in dueregistri separati.Tra le istruzioni relative ai salti spicca la famosaistruzione DJNZ (Decrement and Jump if NonZero), che permette di implementare dei cicli inmaniera estremamente efficiente, utilizzandocome contatore il valore caricato in un registro.Si rivelano di grande utilità anche le istruzioniper la manipolazione dei bit SETB, CLR, CPL,usati rispettivamente per settare, azzerare ocomplementare un bit della memoria dei bit oin un SFR.La ricchezza dei modi d’indirizzamento, la pos-sibilità di utilizzare memoria esterna, di gestireuno stack anche con istruzioni dedicate (PUSH ePOP), e la disponibilità di un completo set diistruzioni aritmetiche, fa dell’8052 un targetideale rispetto ad altri microcontrollori per l’ese-cuzione di programmi C, dal momento che tra-dizionalmente i compilatori modellano il codice

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creato proprio su queste caratteristiche. Questofa si che il codice generato per l’8052 sia media-mente molto efficiente sia dal punto di vistadella velocità che dell’occupazione di memoria.

IL COMPILATORE SDCCDopo questa breve introduzione sull’8052, tor-niamo a parlare del compilatore vero e proprio.L’SDCC (Small Devices C Compiler) è un compi-latore ANSI C a linea di comando scritto daSandeep Dutta, dedicato all’8052, ma che comegià detto è utilizzabile anche per altri microcon-trollori, tra cui Zilog Z80, Motorola HC08, e (infase di sviluppo) PIC e AVR. Un primo punto diforza di questo compilatore risiede nel fatto cheesso è completamente open-source, ed è distri-buito gratuitamente sotto licenza GPL. L’SDCC èdisponibile attualmente per i sistemi operativiWindows, Linux, e FreeBSD, ma dal momentoche i codici sorgenti sono liberamente accessibi-

li (guarda caso scritti in C!) è facile compilarloanche per altre macchine o sistemi operativi.È possibile scaricare la versione più recente(2.4.0) dal sito Internet: http://sdcc.sourcefor-ge.net/snap.php.

Il compilatore è accompagnato da una serie ditool estremamente utili ed interessanti, tra cuil’assembler (per i diversi processori), il linker, unsimulatore 8051, ed un debugger funzionante alivello di codice.SDCC supporta la maggior parte delle caratteri-stiche dell’ANSI C standard, ed in particolaresupporta nativamente i tipi di dati interi char (8bit), short e int (16 bit), long (32 bit), ed anchei tipo float a singola precisione (32 bit) utiliz-zando la rappresentazione standard IEEE754. Èsupportato anche l’in-line assembler ed alcuneestensioni ed ottimizzazioni dedicate ai diversimicrocontrollori. Ad esempio è possibile specifi-

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care direttamente nel codice C (con delle key-word dedicate) se una variabile o un puntatoredeve essere allocata nella RAM interna, in quel-la esterna, nella memoria del codice, nellamemoria dei bit o nell’area degli SFR. È possibi-le inoltre specificare che una funzione deveessere considerata la routine di servizio delleinterruzioni, o che è una funzione “critica”, cioèche non deve essere interrotta da interruzioni.Le funzioni di libreria standard più utili sonosupportate, altre sono in fase di sviluppo, altreancora non sono supportate completamente (acausa della difficoltà o della poca utilità dell’im-plementarle su un microcontrollore).Il compilatore esegue diverse ottimizzazioniabbastanza avanzate per generare il codice fina-le, tra cui l’ottimizzazione del loop, l’eliminazio-ne del codice “inutile”, l’uso di tabelle per leistruzioni switch, l’eliminazione delle sotto-espressioni comuni, ed alcune semplificazionialgebriche. Inoltre dispone di un ottimizzatore“peep-hole”, che esegue la sostituzione di alcu-ni pattern con altri più efficienti utilizzando unaserie di regole.Una funzione interessante è quella che permet-te di calcolare la complessità di una funzione(cyclomatic complexity). Utilizzando questaopzione è possibile analizzare i propri program-mi da questo punto di vista, in modo da mante-nere il grado di complessità degli algoritmi il piùbasso possibile e quindi ottenere funzioni piùaffidabili.

INSTALLAZIONE E TESTCome già detto SDCC è disponibile per diversisistemi. In ambiente Linux/Unix è possibile sca-ricare i codici sorgenti e compilare il tutto per lapropria piattaforma, nel caso di utilizzo inambiente Windows invece è più semplice scari-care direttamente il pacchetto d’installazioneche contiene tutti i programmi già compilati epronti per essere utilizzati. In entrambi i casi trai file scaricati è presente una ben curata e moltocompleta documentazione (in diversi formati,tra cui PDF ed HTML).Nel caso di utilizzo sotto Windows il programmad’installazione provvederà automaticamente adincludere la directory in cui risiede il compilato-

re nella variabile d’ambiente PATH (questo signi-fica che per rendere effettive le modifiche ènecessario riavviare il sistema, oppure digitaremanualmente la riga al prompt dei comandi).Una volta installato il programma il manualesuggerisce di eseguire una prima prova di com-pilazione, creando il seguente piccolo file(test.c):

char test;

void main(void)

test=0;

ed invocando dalla linea di comando:

sdcc –c test.c

Se non si specificano altri parametri il compila-tore genera per default codice per 8052.L’opzione –c serve per evitare di utilizzare il lin-ker, in questa prima fase. Se l’installazione èandata a buon fine il compilatore non dovrebbedare nessun messaggio di errore o warning. Aquesto punto è possibile provare a rimuoverel’opzione –c, in modo da testare anche il linker.Se ancora non si ottengono messaggi di erroreè possibile provare anche le librerie, utilizzandoil seguente codice:

#include <string.h>

char str1[10];

void main(void)

strcpy(str1, "testing");

digitando alla linea di comando:

sdcc test.c

se anche questa volta non si ottengono errori, ilcompilatore è stato correttamente installato edè pronto per l’uso.

È interessante osservare i file generati dopo ilcomando di compilazione (figura 2). Tra questi i

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più interessanti sono il file test.asm, che contie-ne il codice assembler prodotto dal compilatore,il file test.lst, che è il listing generato dall’assem-bler, e contiene affiancati la traduzione in codi-ci macchina (esadecimali) dell’assembler, gliindirizzi in cui verranno memorizzati i codici, ele istruzioni originali. Sono anche riportati, sottoforma di commenti, le linee di codice C a cuil’assembler si riferisce. Questa caratteristicarisulta sia utile (nel caso di debug o profiling),sia molto istruttiva, in quanto permette di com-prendere ed apprezzare il comportamento delcompilatore. Il file test.mem contiene un som-mario sull’utilizzo delle risorse di memoria delprocessore, mente il file test.ihx è il codiceoggetto generato dopo l’intero processo, in for-mato Intel hex (è possibile selezionare altri for-mati di output). Prima della fase di link, vienegenerato anche il file test.rel: si tratta del codiceoggetto in formato rilocabile, che è utilizzatodal linker per creare il codice oggetto finale.

CODICE DI ESEMPIONel caso di programmi con una struttura piùcomplessa, ad esempio con codice su più file, oche utilizzi librerie esterne, la procedura di com-pilazione è leggermente diversa. L’SDCC infattiè in grado di processare un solo file sorgentealla volta. Questo implica che i vari file che com-pongono un progetto devono prima esserecompilati separatamente, disabilitando il linker,e poi compilati assieme al file che contiene la

funzione main (per essere linkati). Ad esempio,se un progetto è composto dai tre filePrincipale.c, Aux1.c, Aux2.c, e la funzione main

è contenuta in Principale.c, si procederà comesegue:

sdcc –c Aux1.csdcc –c Aux2.csdcc Principale.c Aux1.rel Aux2.rel

Quando si hanno molti file secondari che svol-gono funzioni di libreria può essere utile, al finedi riutilizzarli in seguito, riunirli in un unico filedi libreria propriamente detto. Per fare questo sipuò usare il programma sdcclib. Occorre anchein questo caso prima compilare i vari file sor-genti ed ottenere i file rilocabili .rel, poi creareuna libreria (file .lib) aggiungendoli singolar-mente. Sarà sufficiente scrivere:

sdcc –c Aux1.csdcc –c Aux2.c

sdcclib mialib.lib Aux1.relsdcclib mialib.lib Aux2.rel

Per vedere quali files e quali funzioni contiene lalibreria si può digitare:

sdcclib –s mialib.lib

Per utilizzare la libreria in un programma baste-rà scrivere:

sdcc Principale.c mialib.lib

Per eseguire una prima prova “su strada” delcompilatore di seguito è riportato un piccolocodice di esempio.Il programma pilota la porta P1 in modo da fareaccendere in sequenza e nelle due direzioni deiLED collegati alle 8 linee (il famoso effetto“Supercar” per intenderci).Il codice è suddiviso in più file, quello chiamatoLed.c è il modulo principale, e contiene il main, ilfile wait.c contiene soltanto una semplice funzio-ne di ritardo, mentre il file Reg52.h è utilizzato

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TUTORIAL

Figura 2: File generati dopo la compilazione di Test.c

per definire alcune delle locazioni degli SFRdell’8052 (notare l’uso dell’apposita keyword sfr).

Contenuto del file Led.c

#include "REG52.H"

#include "wait.h"

void main (void)

unsigned char j;

// *** Ciclo infinito ***

while (1)

/* Scorrimento verso SX */

for (j=0x01; j != 0x80; j<<=1)

/* Accende LED su Porta 1 */

P1 = j;

/* Breve attesa */

wait ();

/* Scorrimento verso DX */

for (j=0x80; j != 0x01; j>>=1)

/* Accende LED su Porta 1 */

P1 = j;

/* Breve attesa */

wait ();

Contenuto del file Wait.c

#include "wait.h"

/* Funzione wait semplice */

void wait (void)

unsigned int i;

// Ciclo vuoto

for (i = 0; i < N; i++)

;

Contenuto del file Wait.h

#define N 10000

/* Ritardo semplice */

void wait (void);

Contenuto del file Reg52.h

/* Definizione degli SFR */

sfr P0 = 0x80;

sfr P1 = 0x90;

sfr P2 = 0xA0;

sfr P3 = 0xB0;

Per compilare il codice è necessario utilizzare iseguenti comandi:

sdcc –c wait.csdcc led.c wait.rel

È interessante notare il modo in cui è stato otte-nuto lo scorrimento dell’1 sulla porta di uscita:è stato utilizzato un ciclo for con dei parametriun po’ particolari.Dapprima la variabile è inizializzata in modo dapresentare un bit 1 nella posizione più (menonel secondo caso) significativa, la condizione diuscita è data dal raggiungimento dell’1 dall’al-tro lato del byte, e l’incremento è in realtà unoshift. Questo è un ennesimo esempio dell’estre-ma versatilità del linguaggio C!

CONCLUSIONIVorrei concludere questo articolo sottolineandoche nonostante l’SDCC abbia delle grandipotenzialità e possa risultare estremamente utilein molti casi (ad esempio quando occorra sal-tuariamente scrivere qualche routine in C, o pergli hobbysti), non è ancora dotato della robu-stezza e delle funzionalità avanzate dei compila-tori commerciali.Ad esempio molte funzioni di libreria standardnon sono ancora implementate, ed anche leoperazioni in virgola mobile supportate sonosolo quelle aritmetiche (niente seno, cosenologaritmo…).

Tuttavia trattandosi di un progetto open-sourceprobabilmente queste lacune saranno colmate abreve, così come sarà presto esteso il supportoad altri microcontrollori.

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RIPRENDIAMO LA NOSTRAPARTITA A CARTECosa ci siamo detti negliarticoli precedentiSiamo arrivati all’ultima parte diquesto lungo tutorial sulle smart-card. Per coloro che non cihanno potuto leggere sin dall’i-nizio, facciamo qui un breve rias-sunto sul contenuto degli artico-li precedenti.Nella prima parte del tutorial,abbiamo introdotto le smartcardda un punto di vista teorico,rispondendo a domande deltipo: cosa sono, quanti tipi neesistono e come si classificano,quali sono le normative interna-zionali di riferimento, ecc.Nella seconda parte è statadescritta in dettaglio una parti-colare tipologia di smartcard,utilizzata in molte applicazionicomuni: le smartcard a memo-

ria. In particolare, è stato analiz-zato il diffusissimo chip SLE4442.Nella terza parte, invece, abbia-mo analizzato le smartcard amicroprocessore, standard e“meno standard”, introducen-do termini come ATR, conven-zione diretta/inversa, comandiISO7816-3, protocollo di comu-nicazione T=0, ecc.Nella quarta parte, abbiamofinalmente concretizzato leconoscenze acquisite nei prece-denti articoli, progettando erealizzando un economico esemplice da costruire lettoreuniversale di smartcard amemoria e a microprocessore,basato sul PIC16F628, chiamatoUniReader.Potete trovare due esempi tipicidi applicazione delle smartcard amemoria SLE4442 nella quintaparte del tutorial, in cui è stata

mostrata la versatilità diUniReader come lettore slave diun PC o stand-alone.Infine, nel precedente articolo(sesta parte), abbiamo iniziato ladescrizione di una particolaretipologia di smartcard a micro-processore, le SIM del sistemaGSM. Abbiamo descritto breve-mente le normative ISO7816-4che le SIM seguono. Inoltre,abbiamo fatto una breve pano-ramica sui problemi di autentica-zione e segretezza delle informa-zioni nella rete GSM, garantitiproprio dalla SIM.

DESCRIZIONE DEI COMANDICi siamo lasciati con un lungoelenco di comandi previsti dallenormative che tutte le SIMdevono correttamente interpre-tare. I più importanti sarannoqui analizzati.


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di Giuseppe Modugno

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In questo ultimo articolo, continueremo la descrizione delle SIM utilizzate nel

sistema GSM, commentando i comandi ed i file più importanti.

Successivamente, svilupperemo un apposito firmware per il microcontrollore

PIC16F628 del lettore UniReader per la gestione di smartcard asincrone

ISO7816. Infine, mediante un software per PC ad hoc, scritto in Visual Basic,

potremo interagire direttamente con una SIM senza l’utilizzo di un telefonino,

per esempio per salvare sul nostro computer il contenuto della rubrica e gli SMS.

settima parte

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TUTORIAL

TUTORIAL 53

TUTORIAL

SELECTÈ il comando che permette diselezionare un file (EF o DF) dellaSIM, specificando il suo identifi-catore a due byte. I file che è pos-sibile selezionare sono quelli cheseguono le regole descritte nelprecedente articolo. Ricordo chedopo l’ATR la directory seleziona-ta è l’MF. Per poter selezionare,per esempio, il DFTELECOM (7F10)che è contenuto nell’MF, è neces-sario inviare alla SIM il seguenteAPDU: A0 A4 00 00 02 7F 10. Come indicato nella Tabella 3 delprecedente articolo, il comandoprevede un invio di dati dall’MEalla SIM (l’identificatore del file didue byte da selezionare, 7F10

nell’esempio di DFTELECOM) ed unarisposta da parte della SIM. Perottenere questa risposta, di lun-ghezza variabile, è necessario uti-lizzare il comando GET RESPON-SE. Essa riporta il tipo di fileappena selezionato, i suoi attri-buti (dimensione totale, dimen-sione record, ecc), le modalitàd’accesso ed altre informazioni.Essa ha una diversa struttura aseconda che venga selezionatoun DF oppure un EF. Nel primocaso, la sintassi della risposta alcomando SELECT è mostratanella Tabella 1: essa è formata daalmeno 22 byte ed al massimo34. I campi in grigio sono opzio-nali e potrebbero non essere tra-

smessi dalla SIM.

Il byte 14 indica, tra l’altro, se laSIM prevede una modalità difunzionamento in cui il clock puòessere bloccato per diminuire ilconsumo di energia (moltoimportante in apparecchi portati-li come un telefonino). Inoltre, seil bit più significativo di questobyte vale 1, il CHV1 (PIN) è dis-abilitato; al contrario, se tale bit ènullo, il CHV1 è abilitato.I byte dal 19 al 22 fornisconomaggiori informazioni relative aicodici segreti CHV1, UNBLOCKCHV1, CHV2 e UNBLOCK CHV2.Nei quattro bit meno significatividi ogni byte, è memorizzato il

Byte Descrizione Lunghezza

1-2 Riservati per usi futuri 2

3-4 Spazio disponibile nella directory non allocato ad alcun EF o DF 2

5-6 File ID 2

7 Tipo di file (01 per l’MF, 02 per DF) 1


13 Lunghezza dei dati che seguono 1

14 Caratteristiche del file 1

15 Numero di DF contenuti nel DF selezionato 1

16 Numero di EF contenuti nel DF selezionato 1

17 Numero di codici segreti (CHV e simili) 1

18 Riservato per usi futuri 1

19 Stato CHV1 1

20 Stato UNBLOCK CHV1 1

21 Stato CHV2 1

22 Stato UNBLOCK CHV2 1

23 Riservato per usi futuri 1

24-34 Riservato per scopi di gestione della SIM 0÷11

Tabella 1: Struttura della risposta al comando SELECT per un DF

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numero di tentativi rimasti perl’inserimento del relativo codicesegreto (per i due CHV sono almassimo 3, per i due UNBLOCKCHV sono al massimo 10). Sequesti quattro bit sono tutti nulli,il relativo codice segreto è bloc-cato: se si tratta di un CHV, sipotrà usare l’UNBLOCK CHV cor-rispondente per lo sblocco, altri-menti la SIM dovrà essere resti-tuita al gestore, poiché non piùutilizzabile dall’utente. Nel caso di selezione di un EF, larisposta della SIM al comandoSELECT è formata da un minimodi 14 byte (15 byte nel caso dilinear fixed e cyclic file), comemostrato in Tabella 2. Come alsolito, i campi su sfondo grigiosono opzionali e potrebbero nonessere trasmessi dalla SIM.

La dimensione del file (byte 3-4)indica il numero dei byte di untransparent file, oppure il nume-

ro dei record moltiplicato per ladimensione di un record nel casodi un linear fixed file e di uncyclic file. Le condizioni d’acces-so (byte 9-11) indicano i permes-si necessari per effettuare le ope-razioni sul file. Il byte 9 indica ipermessi per il comando UPDATE(nibble meno significativo) eREAD/SEEK (nibble più significati-vo). Il byte 10 contiene i permes-si del comando INCREASE (nib-ble più significativo). Il byte 11indica i permessi per il comandoINVALIDATE (nibble meno signi-ficativo) e per il comando REHA-BILITATE (nibble più significati-vo). Il nibble che rappresenta ilpermesso relativo ad un coman-do può valere “0” per accessosempre consentito, “1” peraccesso consentito solo dopoaver inserito correttamente ilCHV1, “2” per accesso consenti-to solo dopo aver inserito cor-rettamente il CHV2, “F” per

accesso mai consentito.La struttura del file (byte 14) vale“00” per transparent file, “01”per linear fixed file, “03” percyclic file. Infine, nel caso di filebasato su record, il byte 15 indi-ca la lunghezza (in byte) di unsingolo record, altrimenti vale“00”.

STATUSLa risposta a questo comando èidentica alla risposta ottenuta dalcomando SELECT sulla directorycorrente.

READ BINARYÈ il comando che permette dileggere i dati memorizzati all’in-terno di un transparent file. Iparametri dell’intestazione (P1 eP2) indicano l’offset del primobyte da leggere (a partire da 0),mentre il byte LEN indica ilnumero di byte da leggere. L’AP-DU di risposta contiene i byte



3-4 Dimensione del file 2

5-6 Identificatore del file 2

7 Tipo di file (04 nel caso di un EF) 1

8Riservato per usi futuri (il bit più significativo, nel caso dicyclic file, indica la possibilità di usare il comando INCREASE)

1

9-11 Condizioni d’accesso 3

12 Stato del file 1

13 Lunghezza dei dati successivi 1

14 Struttura dell’EF 1

15Lunghezza di un record (obbligatorio nel caso di linear fixede cyclic file)

1

16 e seg. Riservati per usi futuri -

Tabella 2: Struttura della risposta al comando SELECT per un EF

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TUTORIAL

desiderati dell’EF correntementeselezionato. Tale comando nonpuò essere usato sui linear fixedfile e sui cyclic file.Naturalmente, può essere ese-guito solo se il permesso relativoal comando READ è soddisfatto.

UPDATE BINARYIl comando UPDATE BINARY

permette di scrivere una partedei dati memorizzati in untransparent file.In questo caso, è il dispositivodi interfaccia che trasmette idati da memorizzare, mentre laSIM risponde solo con la StatusWord.È necessario soddisfare il relati-vo permesso di UPDATE.

READ RECORDIl comando READ RECORD per-mette di leggere un record dalfile corrente di tipo linear fixed ocyclic. Ovviamente, è necessarioche sia soddisfatta la condizioned’accesso in lettura relativa alfile.Il record da leggere dipende daiparametri P1 e P2 dell’header

P1 P2 Modalità Descrizione

00 02 Next Record Legge/scrive il record successivo a quello corrente.

00 03 Previous Record Legge/scrive il record precedente a quello corrente.

n 04 Absoulte/Current RecordLegge/scrive il record corrente (n=0) oppure il recordnumero n (n≠0) a partire dal primo. Il record correntenon viene modificato.

Tabella 3: Modalità di lettura/scrittura di un record mediante i comandi READ/UPDATE RECORD

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TUTORIAL

del comando, così come descrit-to nella Tabella 3.

Selezionando un file, non c’èalcun record corrente: in questocaso, la modalità Next restituisceil primo, quella Previous l’ultimorecord. In un linear fixed file, se èselezionato il primo record ed èusata la modalità Previous oppu-re se è selezionato l’ultimo recorded è usata la modalità Next, nes-sun record verrà letto e la SIMrisponderà con una Status Wordd’errore (94 02). Invece, in uncyclic file, verrà letto il primorecord con la modalità Next sel’ultimo record è quello corrente;verrà letto l’ultimo record con lamodalità Previous se il recordcorrente è il primo. Il record cor-rente viene modificato solo conle modalità Next e PreviousRecord.

UPDATE RECORDIl comando UPDATE RECORDmodifica il contenuto di unrecord all’interno del file corrente(linear o cyclic), sempre chesiano verificati i permessi di scrit-tura. Anche per questo comandoè possibile usare le modalitàdescritte in Tabella 3 relative alcomando READ RECORD. A diffe-renza di questo, per i cyclic file èpossibile usare solo la modalitàPrevious. In questo caso, il recordmeno recente sarà modificato ediventerà il record numero 1della lista.

SEEKIl comando SEEK permette diricercare un record all’interno diun linear fixed file che inizia conuna particolare sequenza di byte.E’ necessario avere i permessi di

lettura per poter utilizzare questocomando.Esistono due tipi di ricerca: ilprimo tipo modifica solo il recordcorrente, ma non prevede alcunarisposta da parte della SIM; ilsecondo tipo, oltre a modificare ilrecord corrente, trasmette inrisposta il numero di recordappena trovato. Se la ricerca nonha successo, il record correntenon viene modificato e la SIMrisponderà con la Status Wordd’errore (94 04). La massima lun-ghezza della stringa da ricercareè 16 byte ma, naturalmente, nonpuò superare la dimensione di unintero record. Esistono quattromodalità di ricerca, elencate nellaTabella 4.

Il nibble più significativo di P2,indicato in Tabella con “x”, vale0 per il primo tipo, 1 per il secon-do tipo del comando SEEK.Come al solito, se non c’è alcunrecord corrente, la ricerca partedal primo record se P2=x2, dal-l’ultimo record se P2=x3. È ilcomando che viene usato daltelefonino quando si accede allarubrica della SIM per ricercare unnome che inizia con una deter-minata sequenza di lettere.

VERIFY CHVTutti noi sappiamo che, all’ac-censione del telefonino, dobbia-mo effettuare una semplice, mamolto spesso noiosa, operazioneche è quella dell’inserimento delPIN (sempre che non sia statoprecedentemente disabilitato).Quello che realmente succede èl’invio, da parte dell’ME, delcomando VERIFY CHV alla SIM.Il comando prevede l’invio degli8 byte che formano il CHV, men-tre il byte P2 indica il codice daverificare: CHV1 se P2=01, CHV2se P2=02. Se il codice trasmessoè uguale a quello memorizzatonella SIM, il numero di tentatividi inserimento viene inizializzatoal valore 3, altrimenti vienedecrementato di una unità.Dopo tre tentativi consecutivierrati, il codice è bloccato ed ènecessario utilizzare il comandoUNBLOCK CHV insieme al codicedi sblocco relativo. Naturalmenteil comando viene processatodalla SIM solo se il CHV indicatodal parametro P2 non è disabili-tato, né bloccato.Il CHV è formato da un minimodi 4 ad un massimo di 8 cifredecimali. Ad ogni cifra corrispon-de un byte che rappresenta, in

P1 P2 Descrizione

00 x0Effettua la ricerca a partiredal primo record.

00 x1Effettua la ricerca a partiredall’ultimo record.

00 x2Effettua la ricerca a partire dalrecord successivo a quello corrente.

00 x3Effettua la ricerca a partire dalrecord precedente a quello corrente.

Tabella 4: Modalità di ricerca del comando SEEK

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TUTORIAL

una sua sotto-directory.Potete trovare maggiori informa-zioni su questo argomento nel-l’articolo precedente.

Struttura di alcuni file diuna SIMIn una SIM GSM sono presentialcuni file (EF e DF) obbligatori,oltre ad altri file opzionali chepossono essere creati liberamen-te dal gestore della rete. In figura1 è rappresentata solo una mini-ma parte della struttura gerarchi-ca presente nello standard ETSI,contenente i file che andremo adanalizzare nel corso di questoarticolo.

Tralasciamo le cartelle MF(“3F00”), DFGSM (“7F20”) e DFTELE-

COM (“7F10”) e analizziamo i tre EF.

EFICCID (2FE2)E’ un transparent file di 10 byte,contenuto direttamente nell’MF,in cui è memorizzato un numeroidentificativo della carta, normal-mente stampigliato su uno deilati della SIM. È formato da un

massimo di 20 cifre decimalicodificate in BCD in 10 byte: inibble non utilizzati sono riempi-ti con la cifra esadecimale “F”.È possibile sempre leggere il con-tenuto di tale file, ma non è pos-sibile scriverlo in alcun caso.

EFIMSI (6F07)L’EFIMSI è un transparent file, figliodella directory DFGSM, che con-tiene il codice IMSI della SIM. Ilfile ha una lunghezza di 9 byte,di cui il primo indica la lunghez-za del codice IMSI, in byte, chepuò essere al massimo di 15 cifredecimali. Come al solito, l’IMSI ècodificato in BCD dove i nibblenon usati (nel caso di lunghezzainferiore a 15 cifre) sono posti a“F”. Il nibble meno significativodel primo byte rappresenta uncodice di parità. Naturalmente,per leggere l’IMSI è necessarioaver verificato il CHV1, mentrepuò modificarlo solo il gestore.

EFADN (6F3A)È il file che contiene la rubrica deinumeri di telefono memorizzati

Figura 1: Struttra gerarchica dei file descritti nell’articolo

decimale, quella cifra. I byterimanenti, nel caso il CHV avesseuna lunghezza inferiore ad 8,devono essere posti al valore esa-decimale FF.

RUN GSM ALGORITHMÈ il comando meno noto all’u-tente ma più interessante tecni-camente, poiché è quello chepermette di effettuare l’autenti-cazione alla rete GSM durante lafase di inizializzazione, peresempio subito dopo l’accensio-ne. L’ME invia alla SIM, tramitequesto comando, il numerocasuale RAND di 16 byte ricevu-to dalla rete e riceve dalla SIM ilnumero SRES (4 byte) e la chia-ve crittografica Kc (8 byte). Ilprimo numero viene ottenutoeseguendo l’algoritmo A3, ilsecondo tramite l’algoritmo A8.Il primo permette l’autenticazio-ne della SIM alla rete, il secondola segretezza delle informazioniscambiate. Il comando vieneeseguito dalla SIM solo se èstato verificato il CHV1 e ladirectory corrente è la DFGSM o

TUTORIAL58

TUTORIAL

nella scheda. Il file è strutturato arecord in modo sequenziale(linear fixed file) dove ognirecord rappresenta un numero ditelefono. Naturalmente, perpoter leggere e scrivere su que-sto file è necessario aver verifica-to il CHV1.Ad ogni numero di telefono èpossibile associare un testoopzionale, normalmente ilnome della persona. Se la lun-ghezza del numero di telefono èfissa (10 byte), lo spazio dedica-to al testo associato varia aseconda della SIM.In Tabella 5 è presente la struttu-ra di un record di questo EF.

Come si può osservare, la lun-ghezza del record è pari a X+14,dove X può variare a secondadella SIM e rappresenta la lun-ghezza del testo associato alnumero. È possibile conoscere ilvalore di X sottraendo 14 allalunghezza di un singolo record,ottenuta dalla risposta al coman-do SELECT.I primi X byte contengono l’al-

pha-tagging, cioè la stringa ditesto associata al numero telefo-nico. Faccio notare che il record

inizia proprio con il testo e ciòpermette di utilizzare il comandoSEEK per ricercare un nome inrubrica che inizia con una parti-colare sequenza di lettere (è pra-ticamente quello che fa il cellula-re quando consultiamo la rubri-ca). La codifica è molto simileall’ASCII, almeno per quello cheriguarda i caratteri più diffusi.Rimando il lettore alla letturadello standard per maggioriapprofondimenti.Il byte X+1 indica la lunghezza,in byte, del numero di telefono,compreso il byte TON+NPI. Talelunghezza può essere al massimodi 11 byte.Il byte TON+NPI rappresenta ilType Of Number e il Numbering

Plan Identification. Qui la norma-tiva è piuttosto complessa e nonserve scendere troppo nei detta-gli. Questo byte è formato, leg-gendo da sinistra, da un bit parisempre ad 1, dal TON di 3 bit edall’NPI di 4 bit. Normalmente ilTON è pari a 000 e l’NPI a 0001,così da ottenere il byte 10000001, cioè 81 in esadecimale.Il numero di telefono è codificatoin BCD dove la cifra precedente ècodificata nel nibble meno signi-

ficativo e la cifra successiva nelnibble più significativo. Poichéogni byte ha due nibble, è possi-bile memorizzare in un recorddell’EFADN un numero di al massi-mo 20 cifre. I nibble eventual-mente non usati sono messi ad“F”. Il simbolo “*” e “#” sonomemorizzati rispettivamente conla cifra esadecimale “A” e “B”.Il byte CCI (Capabi-

lity/Configuration Identifier) vieneutilizzato se la chiamata al nume-ro telefonico necessita di para-metri o requisiti particolari. Inquesto caso, il byte rappresentaun identificatore del record nelfile EFCCP dove sono memorizzatequeste informazioni.Normalmente questo byte nonviene usato e, in questo caso,viene messo ad “FF”.Infine, il byte Estensione è utiliz-zato se il numero telefonico è piùlungo di 20 cifre e, quindi, hauna estensione memorizzata inun altro file, denominato EFEXT1.Normalmente non viene usato eviene messo ad “FF”.Per chiarire meglio il tutto, vi sot-topongo il seguente esempio direcord di un EFADN dove X=12:

53 65 67 72 65 74 65 72 69 61FF FF 06 81 83 00 00 44 11 FF FFFF FF FF FF FF

I più attenti dovrebbe risalire alnome ed al numero di telefonoassociato a questo record (seavete ancora dei dubbi, potetescrivermi).

EFSMS

L’EFSMS è un linear fixed file checontiene i brevi messaggi di testo(SMS) ricevuti e memorizzatinella SIM. Anche in questo caso,


da 1 a X Testo X

X+1Lunghezza del numero di

telefono (compreso ilbyte TON+NPI)

1

X+2 TON+NPI 1

da X+3 a X+12 Numero di telefono 10

X+13 CCI 1

X+14 Estensione 1

Tabella 5: Struttura di un record dell’EFADN

TUTORIAL 59

TUTORIAL

la lettura e la scrittura è permes-sa solo dopo aver verificato ilCHV1.Il record di questo file ha una lun-ghezza di 176 byte, strutturatocome in Tabella 6.

Il primo byte rappresenta lo statodel record. Se il bit meno signifi-cativo è nullo, quel record non èutilizzato. Se i tre bit meno signi-ficativi valgono 001, il recordcontiene un SMS ricevuto e letto;se valgono 011, si tratta di unSMS ricevuto ma ancora da leg-gere. È possibile memorizzarenella SIM anche SMS inviati allarete ed in questo caso il byte distato indicherà se l’SMS è giàstato inviato, se è stata ottenutala conferma di invio, ecc. Nelseguito ci soffermeremo solosugli SMS ricevuti.Dal secondo byte viene memo-rizzato il numero del CentroServizi, utilizzato dalla rete GSMper lo smistamento degli SMS.Come per il numero telefonicomemorizzato in un recorddell’EFADN, questo campo è for-

mato da un byte che indica lalunghezza del numero (compre-so il byte TON+NPI), un byte cheindica il TON+NPI ed infine ilnumero vero e proprio in forma-to BCD. Questo campo può

avere dimensione variabile, indi-cata in Tabella 6 con X.I byte rimanenti contengono ilcosiddetto TPDU (Transfer

Protocol Data Unit), cioè l’SMSopportunamente codificato per


1 Stato 1

da 2 a X+1 Numero Centro Servizi X

da X+2 a 176 TPDU 175-X

Tabella 6: Struttura di un record dell’EFSMS


1 Primo byte 1

2 Lunghezza in cifre del numero del mittente 1

da 3 a Y+2 Numero del mittente Y

Y+3 Identificatore del protocollo 1

Y+4 Schema di codifica dei dati 1

da Y+5 a Y+11 Orario e data di invio 7

Y+12 Lunghezza dei dati utente (in caratteri) 1

da Y+13 a 175 Dati utente -

Tabella 7: Struttura di un TPDU SMS-DELIVER

essere trasmesso o ricevuto dallarete GSM. La struttura del TPDUnon è per niente semplice, inquanto lo standard prevedenumerosissimi parametri e possi-bilità, aumentate nel tempo conl’aggiunta di SMS concatenati,immagini, suonerie, ecc. InTabella 7 è mostrata la strutturadel più tipico TPDU denominatoSMS-DELIVER, associato ad unSMS in entrata correttamentericevuto.

Anche in questo caso è inutilescendere troppo nei dettagli.Basti sapere che nel TPDU si tro-vano codificati il numero del mit-tente, la data e l’ora in cui il mes-saggio è stato inviato e preso inconsegna dal Centro Servizi,nonché il messaggio vero e pro-prio (generalmente una stringadi testo). Il tutto si complica poi-ché lo standard prevede diversecodifiche dei dati (testo) edanche una forma di compressio-ne: la codifica usata nell’SMS èindicata nel byte Y+4. Nella mag-gior parte dei casi, tale byte vale“00” ed indica la codifica stan-dard GSM. Un’altra complicazio-ne è dovuta al fatto che il testo,memorizzato nell’ultimo campo,non è codificato come l’alpha-tagging di un record dell’EFADN

visto in precedenza (fondamen-talmente ASCII), ma è utilizzatoun apposito algoritmo per tra-sformare la sequenza di caratteri(7 bit) in byte (8 bit). Chi volesseapprofondire questo aspetto,può leggere il sorgente del pro-gramma in Visual Basic che verràillustrato successivamente in que-sto articolo, oppure leggeredirettamente i non semplici stan-dard ETSI per gli SMS (riferimen-

ti in bibliografia).

ESPERIMENTISVILUPPO DEL FIRMWAREPER UNIREADERPer verificare le potenzialità delnostro lettore con le smartcard amicroprocessore, ho scritto unfirmware che gestisce gli APDUinviati e ricevuti dalla carta asin-crona. I comandi provengono,mediante collegamento seriale,da un computer. Il firmware èmolto generico e può essereusato con una qualsiasi smart-card asincrona standard che uti-lizzi il protocollo di trasporto“T=0”.Come al solito, ho utilizzato ilcompilatore CC5X della B.Knudsen per la stesura del firm-ware in linguaggio C. Sul sito diFare Elettronica, potete trovaresia il sorgente, da usare per even-tuali modifiche o solo per scopididattici, sia il file eseguibile perla programmazione del micro-controllore, all’interno del filecompresso.Dopo la prima fase di inizializza-zione in cui vengono impostatele direzioni dei pin, la modalità difunzionamento dell’UniReaderper la gestione delle carte asin-crone e la porta USART, si entranel ciclo principale in cui il micro-controllore controlla alternativa-mente e continuamente la pre-senza di un byte nel buffer diricezione della porta seriale ed uneventuale bit di start sul pin diI/O ISO7816.Ogni byte ricevuto dalla smart-card sarà automaticamente tra-smesso, in binario, sulla serialeverso il PC. Per questo motivonon è possibile utilizzare un emu-latore terminale, poiché i byte in

binario verrebbero visualizzaticome simboli non facilmenteinterpretabili. Sarà necessario svi-luppare un software apposito perla comunicazione.I comandi provenienti da PC tra-mite seriale sono solo di tre tipi eterminano con il carattere diritorno carrello “↵”:• “r↵”, che effettua il reset della

smartcard ponendo la lineaRST bassa;

• “R↵”, che effettua il reset dellasmartcard ponendo la lineaRST alta;

• “xx↵”, dove xx rappresenta unbyte in esadecimale che verràtrasmesso alla smartcard.

Come al solito, all’accensione diUniReader sarà necessario inviareun segnale di reset per inizializza-re la smartcard. Questa risponde-rà con l’ATR in corrispondenzadel corretto livello di reset.Successivamente sarà possibileinviare i byte trasmettendoli inesadecimale ed intervallandolidal carattere “↵”.

SVILUPPO DEL SOFTWAREHo sviluppato un software inVisual Basic, denominatoSIMReader, che permette diautomatizzare e semplificaretutte le operazioni che devonoessere effettuate per la lettura deidati di una carta SIM. Come alsolito, potete trovare sul sito diFare Elettronica sia il pacchettocon i sorgenti, sia il programmadi installazione.In figura 2 è mostrata la scher-mata iniziale di SIMReadermediante la quale è possibile leg-gere il numero seriale dellasmartcard, normalmente stampi-gliato direttamente su di essa, e il

TUTORIAL60

TUTORIAL

TUTORIAL 61

TUTORIAL

numero IMSI utilizzato durante laprocedura di autenticazione allarete GSM (vedi articolo prece-dente).

Prima di tutto, però, è necessa-rio impostare correttamente laporta seriale a cui è collegatol’UniReader (ovviamente ilPIC16F628 del lettore deveessere programmato con il firm-ware UniReader_async.hex). Perfare ciò, basta cliccare sullascheda delle “Impostazioni” escegliere (o digitare) la portaseriale utilizzata.Inserite una SIM all’internodell’UniReader, magari utilizzan-do l’apposito adattatore, eaccendete il lettore.Ora è possibile premere i tasti“Leggi” in corrispondenza delnumero seriale e del codiceIMSI per ottenere questi codicidalla carta.Nella schermata denominataRubrica (figura 3) è possibileleggere l’intero contenuto dellarubrica memorizzata nella SIM.

Per fare questo è sufficiente clic-care sul tasto “Leggi”. Se lacomunicazione avviene corret-tamente, il software invierà allaSIM, tramite il lettore, gli appo-siti comandi per la selezione delfile EFADN e per la lettura di tutti irecord memorizzati. Potete sal-vare la rubrica così ottenutacliccando sul tasto Salva: verràcreato, nella cartella di installa-zione del programma, il file ditesto “rubrica.txt” che potreteconsultare con un qualsiasi edi-tor di testo (per esempio,Blocco Note).

La schermata SMS (figura 4) puòessere usata per la lettura degliSMS conservati nella SIM. Anchein questo caso, premendo il tasto“Leggi”, il software invierà tutti icomandi appositi per la selezionedel file EFSMS e la lettura di tutti irecord, estraendo per ognuno icampi più importanti: data/ora,mittente, centro servizi, testo.Sottolineo che solo gli SMS deltipo SMS-DELIVER sono corretta-

mente gestiti dal programma,mentre gli altri non sarannovisualizzati. Per salvare gli SMS èpossibile cliccare sul tasto “Salva”che creerà il file “sms.txt” sem-pre all’interno della cartella diinstallazione di SIMReader.

La schermata che, però, reputopiù importante di tutte è quelladenominata genericamenteComandi (figura 5). Tramite que-sta è possibile resettare ed inviareun qualsiasi comando alla SIM oad una generica smartcardISO7816 asincrona. In questomodo potrete sperimentare dipersona l’invio dei vari comandialla SIM e ricavare ulteriori infor-mazioni utili che, per motivi dispazio, non sono state commen-tate in questo articolo.

Per evitare di bloccare la SIM, ho

preferito non includere i comandi

per l’inserimento del PIN. Per que-

sto motivo, è necessario disabilita-

re il PIN mediante telefonino prima

di utilizzarla con UniReader e

SIMReader. In caso contrario, la

SIM risponderà con un errore ad

ogni tentativo di lettura protetto

dal codice segreto.

Naturalmente, se volete, potetecompletare il software aggiun-gendo i comandi necessari perl’inserimento del PIN, dopo aver-lo richiesto all’utente.Dopo aver utilizzato il program-ma SIMReader per comunicarecon una SIM, potete consultare ilfile “log.txt”, nella cartella diinstallazione di SIMReader, in cuisono elencati tutti i comandi e lerisposte inviate e ricevutedall’UniReader. È molto interes-sante per poter capire le informa-zioni scambiate durante le opera-

Figura 2: Schermata iniziale di SIMReader

Figura 3: Schermata di SIMReader per lalettura della rubrica

Figura 4: Schermata di SIMReader per lalettura degli SMS

Figura 5: Schermata di SIMReader per l’inviodei singoli comandi

TUTORIAL62

TUTORIAL

zioni di lettura IMSI, seriale,rubrica e SMS.

SVILUPPI FUTURICome al solito, anche in questoarticolo non ho voluto presentareun sistema “chiavi in mano” dariutilizzare senza alcuna modifica.Piuttosto ho cercato di spiegare ilfunzionamento del sistema GSMrelativamente alle SIM in modoche possiate personalizzare inogni punto sia il firmware perUniReader, sia il software per PC.Le possibilità per incrementare lefunzionalità del sistema sonoveramente tante. Mi accontentodi elencarvene qualcuna.Potete inserire nel softwareSIMReader la possibilità di speci-ficare un PIN in modo che vengaautomaticamente inviato allaSIM senza dover necessariamen-te disabilitare tale protezione conun telefonino. Sarà necessarioinviare correttamente il comandoVERIFY CHV ed interpretarne larisposta. E’ un’operazione abba-stanza delicata, poiché, se fatta inmodo errato, potrebbe bloccarela SIM dopo tre tentativi.Verificate prima di possedere ilrelativo UNBLOCK CHV e che siacorretto e funzionante.Un’altra caratteristica che poteteaggiungere alla vostra versione diSIMReader è quella di potermodificare, oltre che leggere, ilcontenuto della rubrica. Anzichéinviare comandi READ RECORD,sarà necessario utilizzare ilcomando UPDATE RECORD. Èimportante, in questo caso, codi-ficare il nome ed il numero ditelefono così come descritto pre-cedentemente ed inviare l’interasequenza di byte insieme alcomando. Si può pensare di

avere una rubrica su PC ed unarubrica sulla SIM e di sincronizza-re i dati mediante SIMReader. Ipiù bravi potrebbero salvare idati ricavati dalla SIM all’internodella rubrica di Windows o, alcontrario, leggerli da questa perinviarli alla SIM.Salendo in ordine di difficoltà,potete anche modificare il conte-nuto degli SMS utilizzando sem-pre i comandi UPDATE RECORDanziché READ RECORD sul fileEFSMS. Qualcuno potrebbe simula-re un SMS mai ricevuto, contanto di data e mittente, e leg-gerlo sul telefonino come unvero messaggio. La complessità èdovuta alla codifica dei varicampi dell’SMS, tra cui il testo,che è abbastanza contorta. Unaattenta lettura degli standardETSI è d’obbligo.Infine, potete cercare di estende-re la decodifica degli SMS nonsolo per le tipologie SMS-DELI-VER. Anche per questo, è neces-sario leggere attentamente glistandard relativi.

BIBLIOGRAFIA E LINK

ETSI TS 100 977: Specification of the SIM-ME Interface.ETSI GSM 02.17: Subscriber Identity Modules, Functional

Characteristics

ETSI TS 123 038: Alphabets and language-specific information.ETSI TS 100 940: Mobile radio interface layer 3 specification.ETSI TS 124 011: Point-to-Point (PP) Short Message Service (SMS)

Support on Mobile Radio Interface.ETSI TS 123 040: Technical realization of Short Message Service (SMS).ISO7816 parti 1, 2, 3, 4.

ERRATA CORRIGENello schema elettrico dell’UniReader, pubblicato sul numero 231 di Settembre

2004, sono presenti due errori. I condensatori C8 e C10, relativi al MAX232, hanno

le polarità invertite. Lo schema di montaggio è, invece, corretto. Grazie a Luca da

Perugia che mi ha puntualmente fatto notare il problema.

STANCHI DI GIOCARE?Sono arrivato alla fine di questolungo tutorial e spero di aver for-nito a molti gli strumenti necessa-ri per lo sviluppo di applicazionibasate su una qualsiasi tipologiadi smartcard. Piuttosto che offrireuna unica soluzione finita e limita-ta, ho preferito discutere su tuttigli aspetti di questo meravigliosomondo dell’elettronica in modoche ognuno di voi possa autono-mamente progettare e realizzare ilsistema che più gli serve.Grazie ai molti che mi hanno scrit-to e continuano a scrivermi per icomplimenti e le critiche. Non esi-tate a contattarmi per qualsiasiinformazione o solo per darmi unvostro feedback su quanto aveteletto.Un’affettuoso grazie anche aMariangela per avermi corretto lebozzeSe avete ancora dubbi o curiositàsul mondo delle smartcard,comunicatele: chissà, in futuro cipotrebbe essere una nuova… par-tita a carte!

I FOTOACCOPPIATORI

CHE COS’È UNFOTOISOLATOREIl fotoisolatore è componentemolto semplice ma nello stessotempo geniale. Nasce dalla neces-sità di isolare i circuiti pilota abassa tensione dai circuiti dipotenza ad alta tensione. Infatti lapeculiarità di questo componenteè di poter isolare due apparatifino a decine di migliaia di volt.Questa caratteristica ha fatto siche questo componente venisseimpiegato nella maggior partedei circuiti in cui vi erano in giocole due diverse tensioni. Per fare unpiccolo esempio: le applicazioni

I FOTOACCOPPIATORI

ALLA SCOPERTA

DELL’OPTOELETTRONICA

ALLA SCOPERTA

DELL’OPTOELETTRONICA

di Andrea Perilli

[email protected]

Dopo aver parlato della fotoresistenza, riprendiamo parlando dei Fotoisolatori

più comunemente conosciuti col nome di Fotoaccoppiatori. Vi anticipiamo che

tratteremo di due componenti particolari: l’optotransistor e l’optotriac.

In questa puntata ci occuperemo dell’optotransistor, tratterremo la sua

composizione e il suo funzionamento, vi spiegheremo come si collega e dove

impiegarlo. A fine articolo presenteremo un progetto pratico e utile: un contatore

di telefonate senza risposta.

sesta parte

TUTORIAL64

TUTORIAL

Figura 1: Struttura di un fotoaccoppiatore

TUTORIAL 65

TUTORIAL

che vedono maggiormenteimpiegati i fotoisolatori (dettianche fotoaccoppiatori) sono, peresempio, schede pilota per servo-relé, schede pilota per motori incorrente continua e alternata ecosì via.

STRUTTURA DI UNFOTOACCOPPIATOREDopo questa piccola premessaintroduttiva passiamo a vederecome è composto un opto-transistor.Possiamo scomporre la strutturadi un fotoaccoppiatore in quattroparti principali:

• Supporto isolante.• Fototransistor.• Led trasmittente.• Terminali esterni.

Come mostra la figura 1, sullabase del supporto isolante che hala forma di un DIL (Dual In Line)a sei Pin, sono poggiati i termina-li che fanno capo da un lato, alfototransistor e dall’altro al led. Aiterminali di sinistra è collegato illed, che non è un led comune,come molti potrebbero suppor-re, bensì un led emittente a raggi

infrarossi. Perpendicolarmente alled troviamo un fototransistorche fa capo ai terminali di destra.Ogni qualvolta il led si accende-rà, il fototransistor andrà in con-duzione.

COME COLLEGARE UNOPTOTRANSISTORDalla figura 2 possiamo notarecome si collega un optotransistorper pilotare un carico.Nell’esempio A quando il led saràpolarizzato, il fototransistor con-durrà e accenderà la lampadina.Nell’esempio B il led è spentoquindi il carico è inattivo. In prati-ca pilotando il led potremo attiva-re o disattivare il carico collegatoa valle del fototransistor.Naturalmente gli schemi sonosolo ideali ma in pratica bisognainnanzitutto calcolare il valoredella resistenza per limitare la cor-rente che attraverserà il led a 15-20 mA. Vale la formula appresanella prima puntata.Rinfreschiamoci comunque lamemoria:

Rc = (Val-Vled) : 0,015

dove

• Rc è il valore espresso in ohmdella resistenza di caduta da col-legare in serie

• Val è il valore della tensione dialimentazione

• Vled è il valore dei volt cadutadel led da applicare

• 0,015 è il valore espresso inampere della corrente che attra-verserà il led

Bisognerà comunque ricordareche alimentando il fotodiodo contensioni alternate o con segnali dibassa frequenza dovremo inserireun diodo (vedi D1 nel progettopratico) per proteggere il led dallatensione inversa che se supera lasoglia dichiarata nelle caratteristi-che proprie del componente, puòbruciare irrimediabilmente il led.Riguardo al fototransistor voglia-mo solo precisare che è preferibi-le non collegare direttamente uncarico di potenza ai suoi capi macon esso pilotare un transistor oun darlington che sopporteràmeglio l'assorbimento in correntedel carico stesso.Conclusa la breve parte teoricapassiamo alla parte pratica chesicuramente chiarirà le idee suquesto componente.

Figura 3: Come si presenta la scheda a montaggio ultimatoFigura 2: Esempio applicativo di un optotransistor

TUTORIAL66

TUTORIAL

LA PRATICA: CONTATOREPER CHIAMATE PERSECon questo circuito potrete cono-scere il numero delle telefonategiunte al vostro numero durantela vostra assenza.Il funzionamento è molto sem-plice: il circuito si collega inparallelo alla linea telefonicaANALOGICA e visualizza, graziea due display il numero dellechiamate che arrivano.Il circuito è dotato di alcune fun-zioni interessanti:

1 Risparmio batteria, infatti infunzionamento normale i duedisplay sono spenti.

2 Accensione temporanea e lam-peggiante durante una chia-mata.

3 Led lampeggiante che testimo-nia se vi sono chiamate inmemoria.

4 Pulsante di visualizzazione tem-poranea o istantanea (con C5inserito o meno).

5 Pulsante di reset per azzerare lechiamate già rilevate.

Lo schema a blocchi di figura 4 neillustra il funzionamento.Alla LINEA TELEFONICA è collega-to il blocco RIVELATORE DI CHIA-

MATA, che fornisce alle sue usciteun livello logico alto per ognichiamata. Il blocco L1 serve adindicare, senza accendere i dis-play, se vi siano giunte o menodelle telefonate. Grazie al bloccoD4 possiamo far lampeggiare idisplay ad ogni squillo. Il bloccoCONTATORE riceve il segnale diclock ed avanza la sua numerazio-ne per ogni chiamata ricevuta,visualizzandone il numero sulblocco DISPLAY. Il blocco P2 servea visualizzare in modo tempora-neo o istantaneo (vedremo piùavanti come) il numero delle chia-mate sul blocco DISPLAY. Il bloccoP1, infine, serve a resettare il bloc-co L1 e il blocco CONTATORE inmodo da cancellare le chiamategià registrate.

UN PO’ DI TELEFONIAPer capire meglio il funzionamen-to del circuito dobbiamo fare unaccenno su come funziona unarete telefonica. Quando la cornetta è abbassatasulla linea telefonica circola in teo-ria una tensione continua di 48volt che in realtà è di 35 - 50 volt(dipende dalle zone), lo poteteconstatare inserendo il tester sullaportata continua nella presa tele-

fonica. Quando invece alziamo lacornetta e impegniamo la linea latensione scende a 7 - 8 volt, iquali alimentano i circuiti di fonia.Nel momento in cui una chiama-ta raggiunge la vostra utenza,sulla linea compare una tensionealternata di 70 - 80 volt a 25 Hzper un tempo di un secondo emezzo e intervallata da quattrosecondi di pausa. Questo segnaleserviva all’inizio a far trillare la suo-neria meccanica. Al nostro circuitointeressa proprio questo segnale dialternata perchè rappresenta unachiamata al nostro apparecchio. Quando effettuate una chiamatala linea viene chiusa e riaperta conla frequenza del tasto premuto (virammentiamo che stiamo parlan-do di una linea telefonica decadi-ca perché la multifrequenza oDTMF funziona in modo diverso).Per intenderci fate memoria aivecchi telefoni a disco, quandofacevamo girare il disco a com-porre lo zero, al suo rilascio lalinea telefonica veniva chiusa eriaperta dieci volte in un secondo,quindi a 10 Hz. Per la selezionedel nove invece, la linea venivachiusa e riaperta nove volte in unsecondo e cosi via per tutti inumeri. A chi possiede ancoraquesto modello di telefono pro-poniamo un semplice esperimen-to: alzate la cornetta e sui tastinibianchi provate a comporre ilnumero come si farebbe per untasto morse, vi accorgerete che iltelefono effettua comunque unachiamata. Questo procedimentoera usato da molti quando ai tele-foni a disco era inserito quel luc-chetto che impediva la rotazionedel disco stesso. Vi sveliamo, come nostra consue-tudine, un’altra chicca: il suono di

Figura 4: Schema a blocchi del contatore di telefonate

TUTORIAL 67

TUTORIAL

linea libera (il “tu-tu” per inten-derci) è la nota LA a 440 Hz.

DECODIFICA E CONTATORETUTTO IN UNOApriamo una piccola parentesiper illustrarvi il funzionamento del4033, dato che è un dispositivoversatile che potrete usare anchenei vostri progetti. Il 4033 è un C-Mos contenenteun contatore decimale e un driverper display a led a catodo comu-ne, nella figura 5 è riportata la suapiedinatura vista dall’alto, spie-ghiamo di seguito la funzione deivari Pin:

• Pin 1 (Ck). Questo è il Pin a cuivengono applicati gli impulsi di

Clock per incrementare il con-teggio. Una cosa importante èda ricordare: il contatore avanzasolo con i fronti di salita, ossiaquando il clock passa da livello0 a livello 1 (vedi figura 5).

• Pin 2 (CkI). Questo Pin è l’abili-tazione del segnale di clock. Perfar rilevare il clock al contatore,questo Pin dovrà essere collega-to a massa.

• Pin 3 (RBin). Questo terminale

Figura 5: Piedinatura dei display, del 4001 e del 4033

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TUTORIAL68

TUTORIAL

serve per escludere o far com-parire lo zero, collegandolo amassa non appare mentre secollegato al positivo compare.Di solito nei contatori a più digitquesto Pin è pilotato in mododa far apparire o meno lo zerodelle decine.

• Pin 4 (RBout). Serve nei conta-tori a più digit per pilotare l’ac-censione dello zero.

• Pin 5 (Cout). Questo terminalesi usa nei contatori a più digit.Da questo Pin infatti fuoriesce ilclock per pilotare il contatoresuccessivo, in pratica quando ilcontatore delle unità raggiungeil cinque, questo terminale chefinora era a livello alto passa alivello basso. All’arrivo dellanona unità e al successivo colpodi clock il contatore delle unitàsi azzera e commuta su questoterminale un livello alto cheincrementa il contatore delledecine.

• Pin 6 (f). Cominciano i termi-nali per il pilotaggio dei seg-menti, questo pilota il seg-mento f.

• Pin 7 (g). Segmento g.• Pin 8 (GND). Ground, massa:

questo terminale va collegatoalla massa di alimentazione.

• Pin 9 (d). Segmento d• Pin 10 (a). Segmento a. • Pin 11 (e). Segmento e.• Pin 12 (b). Segmento b.• Pin 13 (c). Segmento c.• Pin 14 (LT). Questo piedino

va collegato a massa, perchése collegato al positivo provve-de all’accensione di prova ditutti i segmenti del display percontrollare che non vi sianoled bruciati. La sigla LT signifi-ca Lamp Test.

• Pin 15 (R). Reset, questo Pindurante il funzionamento nor-male dovrà essere collegato amassa o forzato a massa. Seapplichiamo un livello logicoalto a questo terminale il con-tatore e quindi il display saràazzerato.

• Pin 16 (Vcc). Questo è il termi-nale di alimentazione positiva.

Detto ciò possiamo analizzare conpiù chiarezza come sono stati col-

legati tra loro i 4033.

SCHEMA ELETTRICOCominciamo la descrizione delloschema elettrico di figura 6 daU1, un optotransistor: comeabbiamo appreso dalla teoria, alsuo interno si trovano un led edun fototransistor. All’anodo delled interno è collegata R1 chefunge da limitatore di corrente,mentre C1 serve a bloccare lacomponente continua presentesulla rete che altrimenti polarizze-rebbe continuamente il led.Quando la tensione alternata diuna chiamata raggiunge i capi delmorsetto, attraverso R1 e C1,polarizza il led e manda in condu-zione il transistor interno.Il fototransistor entrando insaturazione induce un livellologico basso sul Pin 5 di U1 cheattraverso R2 polarizza la base diTR1. Otteniamo così sul suo col-lettore un livello logico alto chefungerà da clock per il nostrocontatore, C2 ha la sola funzio-ne di antirimbalzo.Come già accennato una chiama-

Figura 6: Schema elettrico

TUTORIAL 69

TUTORIAL

ta è composta da un livello di ten-sione alternata ogni 4 secondi,per evitare quindi che il contatorenumerasse gli squilli e non le chia-mate abbiamo introdotto un pic-colo artificio: R7 e C4 che alprimo squillo inibiscono il conteg-gio, il contatore quindi, per latutta la durata della chiamataincrementa il conteggio di unasola unità.Per far lampeggiare L1 quando ilcontatore avesse memorizzatouna chiamata, abbiamo usatoU2 un C-Mos contenente quat-tro porte NOR collegate in con-figurazione flip-flop Set-Reset.In pratica il segnale di clock atti-va l’ingresso set del flip-flop checommuta la sua uscita sul livellologico alto fino a quando nonverrà premuto il pulsante diReset (P1). Vi sarete accorti cheall’uscita del flip-flop si trova laR3 che polarizza L1 facendoloquindi accendere solo se saran-no giunte telefonate, in questo

modo potrete già sapere a colpod‘occhio se sono giunte chiama-te e se quindi c‘è bisogno di pre-mere P2 per visualizzarle. Perevitare che all’accensione delcircuito i display mostrino deinumeri casuali, abbiamo inseritoC3 e R6 che azzerano all’accen-sione i contatori e il flip-flop.Siccome l’alimentazione del cir-cuito è erogata da una batteriada 9V (preferibilmente alcalina),per far si che la sua carica durimolto di più, il circuito è statoprogettato in modo da lasciarespenti i display durante il funzio-namento normale. L’accensionedei display può avveniremanualmente solo quando l’u-tente vuole controllare il nume-ro delle chiamate registrate.Purtroppo il 4033 non prevede-va la funzione di blanking (l’ac-censione pilotata del display)quindi bisognava risolvere il pro-blema in maniera indiretta: peraccendere manualmente i dis-

play basta pilotarne direttamen-te i loro catodi comuni attraver-so TR2, che polarizzato da R8entrerà in conduzione con lapressione di P2.Grazie a D4 riusciamo a far accen-dere i display all’arrivo di unachiamata con la stessa frequenzadel ring. Inserendo nelle piazzolepreviste C5 i display resterannoaccesi per tutta la chiamata, inpiù, successivamente alla pressio-ne di P2 la visualizzazione dureràcirca 5 secondi, lasciamo al vostrogusto la scelta delle due diverseopzioni.Nel caso in cui voleste teneresempre accesi i display potrestemodificare il circuito in due modi:

• Eliminare P2 e cortocircuitare ledue piazzole.

• Eliminare P2, D4, R8, C5 (sepresente), TR2 e collegare diret-tamente i catodi dei display amassa, collegando le piazzole diemettitore e collettore di TR2.

Figura 7: Lato rame scala 1:1 del circuito

TUTORIAL70

TUTORIAL

Per limitare la corrente che scorrenei display usiamo delle reti resi-stive, che altro non sono che leclassiche resistenze però integratein un package simile ad un circui-

to integrato, nell’evenienza in cuiaveste delle difficoltà a reperirlepotete tranquillamente sostituirlecon sette resistenze da 470 Ω.È stato scelto un modello a otto

resistenze per eventuali modifichecircuitali da parte vostra, peresempio se vorrete pilotare anchei punti decimali dei display.Come avete constatato vi diamo

Figura 8: Piano di montaggio della scheda

Elenco componenti

Sigla Valore Sigla Valore

R1÷R3, R8 1 KΩ 1/4 W U3, U4 CD4033

R4, R5 270 Ω 1/4 W DS1, DS2Display Catodo Comune TipoFND500 o equivalente

R6 100 KΩ 1/4 W TR1 BC557

R7 15 KΩ 1/4 W TR2 BC547

RR1, RR2 Rete Resistiva 470 Ω (8 Resistenze singole) P1 Pulsante N.O. Rosso

C1 1 µF 100 V poliestere P2 Pulsante N.O. Nero

C2, C3 100 nF 63 V poliestere N° 1 zoccolo per integrato 6 Pin

C4 470 µF elettrolitico N° 1 zoccolo per integrato 14 Pin

C5 (opzionale) 470 µF elettrolitico N° 4 zoccolo per integrato 16 Pin

D1 1N4007 N° 1 morsetto serrafilo 2 vie

D2÷D4 1N4148 N° 1 Clip per Batteria 9V

L1 Diodo Led Lampeggiante 5mm Rosso Doppino telefonico o cavetto bifilare

U1 Fotoaccoppiatore 4N37 o equivalente Presa-spina telefonica

U2 CD4001

TUTORIAL 71

TUTORIAL

tutte le indicazioni per potermodificare i progetti a vostro pia-cimento: un altro buon motivoper preferire Fare Elettronica.Per realizzare un contatore adue digit utilizzando due 4033bisogna collegare il Pin 5 di U4con il Pin 1 di U3. Il display inassenza di chiamate visualizza ildoppio zero, se questa condizio-ne non vi soddisfa potete scolle-gare il Pin 3 di U3 dal positivo econnetterlo con la massa, inquesto modo il display visualiz-zerà solo lo zero delle unità.

REALIZZAZIONE PRATICADopo aver realizzato il circuitostampato servendovi del masterdi figura 7 possiamo procedere almontaggio dei componenti par-tendo dai nove ponticelli. Vi fac-ciamo notare che abbiamo prefe-rito usare dei ponticelli e non rea-lizzare una basetta doppia facciapoiché la sua realizzazione risultaa molti più difficile e anche per-ché non tutti gli hobbisti possie-dono tutte le attrezzature neces-sarie già solo per realizzare, adesempio, i fori passanti metallizza-ti. Proseguiamo il montaggio coni resistori e i diodi al silicio, notateche D1 è diverso dagli altri, tutticomunque possiedono una fasciacolorata che ne indica il catodo.Successivamente possiamo salda-re gli zoccoli per i circuiti integra-ti facendo riferimento al piano dimontaggio di figura 8, in seguitopotrete saldare anche gli zoccoliper le reti resistive che non richie-dono orientamento.Passiamo ora a saldare i transistor,attenzione alle sigle perché TR1 èun PNP mentre TR2 è un NPN. Aquesto punto potrete saldare idisplay, per questo progetto

abbiamo scelto il modelloFND500 che nel caso potretesostituire con un equivalentebasandovi sulla piedinatura ripor-tata in figura 5. Fatto ciò possia-mo saldare i componenti con pro-filo più alto: i condensatori inpoliestere e gli elettrolitici per iquali dovrete porre attenzione alverso ed infine il led. Per la con-nessione alla rete telefonica è pre-visto il morsetto serrafilo a due viema volendo potrete saldare diret-tamente il doppino alla scheda oinserire due capicorda, prima disaldare il clip alla scheda converràfar passare i fili attraverso le asoleche impediranno al peso dellabatteria di staccarne i fili.

COLLEGAMENTI ECOLLAUDOPer collegare il circuito in paralle-lo alla rete telefonica avrete biso-gno di uno spezzone di doppinotelefonico e una presa/spina, i cuicollegamenti sono illustrati infigura 9. Vi anticipiamo comun-que che i terminali da collegaresono quelli con il filo rosso e bian-co, la polarità non è obbligatoria

poiché al circuito interessa unsegnale in alternata. Per il collau-do avremo bisogno di una batte-ria alcalina a 9V e di un cellulare.Dopo aver collegato la batteria alclip e la presa/spina nella presatelefonica, potrete chiamare ilvostro numero e controllare che ilcircuito funzioni. È bene comun-que specificare che il circuito èstato progettato per numeraresolo le chiamate non risposte per-ché se alzerete la cornetta o lo ter-rete in funzione rispondendo altelefono la numerazione verrà fal-sata. Quando la batteria comin-cerà a scaricarsi potrete render-vene conto da due fenomeni: ilprimo è che la luminosità deidisplay e del led è minore e ilsecondo che il contatore (se peresempio è inserito C5) si azzeracon la pressione di P2 oppureconta a due a due le chiamate.Siccome il circuito non possiedeuna memoria e i numeri inassenza di tensione si azzerano,vi consigliamo di non rimpiazza-re la batteria con un alimentato-re altrimenti in caso di black-outperderete i dati registrati.

Figura 9: Collegamenti del circuito alla rete telefonica

ALCUNE DELLE DATE INDICATE POTREBBERO SUBIRE VARIAZIONI

Le fiere e mostre mercatodi DicembreLe fiere e mostre mercatodi Dicembre

2004

La Grande Fiera dell'Elettronica di Forlì, con due edizioni annuali, è fra le mani-festazioni più famose e frequentate a livello nazionale. L'edizione di primaverapropone, oltre all'elettronica, il Flight simulator show: gare e dimostrazioni divolo simulato per provare l'ebbrezza di essere alla guida di un veivolo... con i

piedi ben a terra! Per gli appassionati di collezionismo radio d'epoca, dischi e CD da collezione, l'appun-tamento di dicembre invece è una vera e propria kermesse con oltre 350 aziende partecipanti: elettroni-ca, fotografia tradizionale e digitale, radio d'epoca, dischi e cd da collezione, il concorso nazionale dell'in-ventore elettrico ed elettronico e il Salone dell'Astronomia che in pochi anni ha conquistato il consenso diespositori e pubblico.

LUOGO: Fiera di Forlì – Via Punta di Ferro – Forlì (CO)

ORARI: 9.00/18.00

ORGANIZZATORE: Blu Nautilus

(www.blunautilus.it Tel. 0541-53294)

INGRESSO: Intero € 7,00 - ridotto € 6,00

04-05 Dicembre 2004

GRANDE FIERA DELL'ELETTRONICA

Mostra Mercato Nazionale della Radiantistica Elettronica: materiale radiantistico per C.B. e radioama-tori, apparecchiature per telecomunicazioni, surplus, telefonia, computers, antenne e parabole perradioamatori e TV Sat, radio d'epoca, editoria specializzata.In concomitanza con la fiera ci sarà anche il Salone del Collezionismo (minerali gemmologia, fossilie conchiglie, filatelia e numismatica, oggetti artigianali da collezione) e la Mostra mercato del discousato in vinile e CD da collezione.

LUOGO: Quartiere Fieristico

Civitanova Marche (MC)

ORARI: 9.00/19.30

ORGANIZZATORE: E.R.F. (www.erf.it Tel. 0733-780811)


11-12 Dicembre 2004

RADIANTISTICA

Ogni anno Exporadio Elettronica alla Fiera di Modena “apre" il

calendario delle fiere di elettronica e radiantismo.

L’appuntamento modenese si preannuncia ricco di espositori e

prodotti, come sempre tantissimi e di vario impiego: computer,

software, periferiche, telefonia fissa e mobile, video games,

home entertainment, ricezione satellitare, piccoli elettrodome-

stici, accessori, ricambi e strumentazioni varie.

Altrettanto assortito il settore del “fai da te” con kit per auto

costruzione, surplus, schede, circuiti, e ricetrasmittenti OM, CB, componenti per l’utilizzo radioa-

matoriale.

LUOGO: Ente Fiera – Modena

ORARI: 9.00/18.00

ORGANIZZATORE: Blu Nautilus

(www.blunautilus.it - Tel. 0541-53294)


22-23 Gennaio 2005

GRANDE FIERA DELL'ELETTRONICA

Torna in Fiera a Genova il 18 e 19 dicembre il grande appuntamento con MARC,

la Mostra di Genova delle attrezzature radioamatoriali organizzata da Studio Fulcro

con il patrocinio dell'Associazione Radioamatori Italiani. Un vero e proprio fenome-

no di costume che richiama visitatori da tutta Italia alla ricerca di offerte speciali e

pezzi rari, da sempre caratteristiche vincenti della rassegna.

Attrezzature e componentistica radioamatoriale sono il nucleo storico di MARC,

alle quali si affiancano e crescono informatica, telefonia, sicurezza, accessori e edi-

toria specializzata.

Come di consueto MARC offrirà una panoramica completa di attrezzature e componentistica radioamato-

riale, ma anche antenne e parabole satellitari, decoder, stampa specializzata e accessori per i telefoni cel-

lulari. Grandissimo risalto avrà il settore informatico con oltre una trentina di aziende presenti con un’am-

pia offerta di pc, notebook, stampanti, scanner e software. Mentre i cultori del fai-da-te potranno trovare

pezzi di ricambio, apparecchiature da mettere a posto e accessori per elaborazioni speciali a costi estre-

mamente competitivi.

LUOGO: Fiera Internazionale – Genova

ORARI: 9.00/18.30

ORGANIZZATORE: Studio Fulcro

(www.studio-fulcro.it - Tel. 010-561111)


18-19 Dicembre 2004

24° MARC

Figura 1: La soluzione proposta

ANALISI E SPECIFICHE DELPROBLEMASi deve realizzare un dispositivocapace di gestire l’accensione didue lampade a 12V (L0 e L1) uti-lizzando un solo pulsante.Inizialmente tutte le lampadedovranno essere spente e, pre-mendo consecutivamente il pul-sante, dovranno accendersi conla sequenza seguente: L0 accesa eL1 spenta, L0 spenta e L1 accesa,entrambe accese, entrambespente. La sequenza si ripete cicli-camente.

LA SOLUZIONE PROPOSTALa soluzione proposta è riportatanella figura 1 e impiega un inte-grato 74LS112 che contiene una

Il nome è senza dubbio simpatico, ma cosa

sono i FLIP-FLOP (FF)? Come funzionano?

Quale è la loro utilità? Questo mese risponderemo

a queste domande analizzando, come esempio pratico,

un dispositivo in grado di gestire l’accensione di due lampade

utilizzando un solo pulsante.

PRATICAMENTE74

di Maurizio Del Corso

[email protected]

PRATICAMENTE

PRATICAMENTE...

I FLIP FLOP:COMANDARE DUE LUCI CON

UN SOLO PULSANTE

PRATICAMENTE...

I FLIP FLOP: COMANDARE DUE LUCI CON

UN SOLO PULSANTE

• J=0, K=0: è detto stato di con-servazione e l’uscita mantienelo stato che aveva preceden-temente (indicato appuntocon Qn-1).

• J=0, K=1: è lo stato di reset incui l’uscita vale zero indipen-dentemente dal valore che essaaveva nell’istante precedente.

• J=1, K=0: è lo stato di set.L’uscita è a livello logico altoindipendentemente dal valoreche essa aveva nell’istante pre-cedente.

• J=1, K=1: stato di inversione.L’uscita commuta verso il valorecomplementare (Qn-1).

I FF sono dunque in grado di“ricordarsi” il precedente statodella propria uscita e, per questomotivo, sono impiegati comecella base di memorizzazionenelle memorie dei computer.

L’ingresso CP è detto Clock e con-sente di abilitare il FF al suo nor-male funzionamento. A secondadel simbolo usato per questoingresso, si intende un diversocomportamento del FF rispetto alclock. Le possibilità sono leseguenti (i relativi simboli sonoriportati nella figura 3):

1 High-Level sensitive: il FF fun-ziona regolarmente se CP è alivello logico alto (+5V).

coppia di flip-flop JK.

Le uscite dei due flip-flop coman-dano dei relé mediante un tran-sistor la cui configurazione è statagià approfondita nella puntata di“Praticamente” pubblicata sulnumero 225 di Fare Elettronica(Marzo 2004).La rete composta da R1 e C1 per-mette l’azzeramento dei flip-flopall’accensione. Il condensatoreC1 è infatti inizialmente scarico eall’accensione mantiene a zerol’ingresso CD dei due flip-flopprovocandone il reset. C1 iniziaperò a caricarsi attraverso R1 percui, dopo un certo tempo (qual-che millisecondo) la tensione aisuoi capi raggiunge un valore taleda essere riconosciuto come “1”logico e i due FF, oramai azzerati,iniziano a funzionare corretta-mente. Il diodo D1 entra in fun-zione nella fase di spegnimento e,cortocircuitando R1, provoca lascarica istantanea del condensa-tore. L’ingresso SD dei FF vieneusato per forzare a livello alto leuscite dei FF. Poiché in questaapplicazione tale funzione non ènecessaria, i due ingressi vengonoresi inattivi collegandoli a livelloalto (+5V).Il comando dell’accensione dellelampade avviene mediante il pul-sante SW1 il quale, una volta pre-muto, porta a livello basso l’in-gresso CP del primo FF. Se SW1non è premuto, CP viene mante-nuto a livello alto dalla resistenzadi pull-up R2. Le resistenze R3 edR4 limitano la corrente di base deitransistori assicurando che questivadano in saturazione quando lacorrispondente uscita del FF è alivello alto. Per il dimensionamen-to di tali resistenze è necessario

conoscere la massima correnteerogata all’uscita del FF sul livelloalto (+5V) che, per il 74LS112vale 0,4mA. Con il transistor insaturazione si misura una tensio-ne tra base ed emettitore pari acirca 0,7V per cui la corrente cheentra nella base del transistorvale:

che è sufficientemente al di sottodella massima corrente erogabiledal dispositivo. La saturazionedel transistor provoca l’eccitazio-ne del relé il quale chiude il cir-cuito della relativa lampada. VL0e VL1 sono le tensioni di alimen-tazione delle lampade e sonodeterminanti nella scelta del relé.D1 e D3 sono i diodi di libera cir-colazione che salvaguardano iltransistor nella fase di diseccita-zione del relé.

COSA È UN FLIP-FLOPUn flip-flop è una rete digitalesequenziale la cui uscita Q, ad uncerto istante di tempo, dipendesia dal valore degli ingressi allostesso istante, sia dal valore chel’uscita aveva nell’istante di tempoprecedente. In figura 2 è riportatoun FF di tipo JK e la relativa tabel-la di verità. Con n si è indicato l’i-stante di tempo, per cui possonoverificarsi i seguenti casi:

PRATICAMENTE

PRATICAMENTE 75

Figura 2: Un Flip-Flop JK e la relativa tabella di verità

2 Low-Level sensitive: il FF fun-ziona regolarmente se CP è alivello logico basso (0V).

3 Positive Edge Triggered: il FFfunziona solo nell’istante in cuiCP commuta da livello basso alivello alto.

4 Negative Edge Triggered: il FFfunziona solo nell’istante in cuiCP commuta da livello alto alivello basso.

Il vantaggio di usare FF EdgeTriggered consiste nel fatto che inquesto modo è possibile “foto-grafare” lo stato degli ingressinell’istante di commutazione delsegnale di clock.

Si noti che nella realizzazione difigura 1 sono stati impiegati Flip-Flop Negative Edge Triggered.

FLIP-FLOP DI TIPO DOsservando la tabella di verità difigura 2, si nota che se vincoliamoi due ingressi ad assumere valoriopposti ed usiamo J come unicoingresso, otteniamo un dispositi-vo completamente trasparentedetto Flip-Flop di tipo D (D-Latch). Per fare in modo che J e Kassumano valori diversi tra loro, siinserisce una porta NOT tra i dueingressi. In questo modo ottenia-mo il FF di tipo D come illustratoin figura 4 (il FF di figura 4 è unNegative Edge Triggered).Ovviamente anche per i FF di tipoD si hanno le varie possibilità rela-tive al segnale di clock già visteprecedentemente.La domanda nasce spontanea:ma che utilità può avere un dis-positivo totalmente trasparente al

segnale di ingresso? Non dimen-tichiamoci del segnale di clock! Èvero infatti che il dispositivo è tra-sparente al segnale di ingresso,ma solo quando abilitato dalsegnale di clock. Questo risultamolto utile in tutti quei casi in cuii dati di ingresso devono essereletti da altri dispositivi (ad esem-pio un microprocessore): il datoarriva all’ingresso D e quandoarriva il segnale di clock passainalterato attraverso il FF raggiun-gendo il dispositivo successivo.Tra un ciclo di clock a il seguente,l’ingresso D può anche variarepiù volte, ma le sue variazioni nonsaranno percepite a valle in quan-to l’uscita Q rimane inalterata. Adimostrazione di ciò si considerila figura 5 relativa ad un D-latchNegative Edge Triggered. L’uscita(in verde) assume il valore dell’in-gresso (in marrone) solamente incorrispondenza dei fronti didiscesa del segnale di clock CP(contrassegnati dalle frecce nere).

FLIP-FLOP DI TIPO TChe cosa accadrebbe se nel FF JKdi figura 2 collegassimo i dueingressi J e K a livello logico alto inmodo permanente? La rispostapuò essere trovata nella tabella diverità di figura 2 osservando l’ul-tima linea.Quello che succede è che, adogni colpo di clock, l’uscita cam-bia continuamente stato. Questaparticolare configurazione del FFJK, è detta Flip-Flop di tipo T(Toggle) ed il suo simbolo è ripor-tato in figura 6.

Un Flip-Flop di tipo T è quindi undispositivo che riceve in ingresso ilsolo segnale di clock e fornisce inuscita un segnale che commuta

PRATICAMENTE

PRATICAMENTE76

Figura 4: Un FF di tipo D ottenuto mediante un FF JK ed il relativo simbolo

Figura 5: Segnali relativi ad un FF di tipo D: l’uscita assume il valore dell’ingresso solamente incorrispondenza dei fronti di discesa del segnale di clock.

Figura 3: I vari simboli per indicare il comportamento di un FF rispetto al clock

frequenza è la metà della frequen-za del segnale di ingresso.

UN CONTATORE CONFLIP-FLOP DI TIPO TSe osserviamo il circuito di figura1 è possibile notare che i due FFsono connessi in modalitàToggle, dato che i loro ingressisono connessi al positivo di ali-mentazione. Per comodità, l’in-terconnessione tra i due FF èriportata anche in figura 8. Laparticolarità del circuito sta nelfatto che l’ingresso CP del FF1 èpilotato manualmente medianteil pulsante SW, mentre il CP delFF2 è pilotato dall’uscita Q1 delprimo. Alla pressione del pulsan-te si connette a massa l’ingressoCP di FF1 provocando la com-mutazione della sua uscita.L’uscita di FF2 commuta invecesolamente quando l’uscita delprimo ha una commutazione dallivello logico alto a quello basso.

Partendo dalla condizione in cuile uscite dei due FF sono azzerate(condizione peraltro garantitadalla presenza della rete R1, C1)e supponendo di premere ripetu-tamente SW (applicando quindiun’onda quadra all’ingresso CPdel primo FF), si ottengono isegnali riportati in figura 9.

Poiché quando un’uscita è a livelloalto, il relativo relè è eccitato(quindi la lampada è accesa) èpossibile vedere, come riassunto infigura 9, che la sequenza di accen-sione delle lampade è quella det-tata dalle specifiche richieste.La connessone mostrata in figura8 realizza un contatore binario adue bit, in grado cioè di contaregli impulsi in ingresso utilizzando

continuamente tra i due stati logi-ci ad ogni colpo di clock. Ancheun dispositivo di questo tipopotrebbe sembrare inutile, ma seosserviamo il diagramma tempo-rale di figura 7, ottenuto applican-do un’onda quadra al FF di figura

6, notiamo una particolarità neidue segnali. Poiché il FF utilizzatoè un Negative Edge Triggered, lacommutazione dell’uscita si hasolo in corrispondenza del frontedi discesa del segnale CP, per cui ilrisultato è un’onda quadra la cui

PRATICAMENTE

PRATICAMENTE 77

Figura 9: I segnali ottenuti premendo ripetutamente il pulsante SW

Figura 6: Un FF di tipo T ottenuto mediante un FF JK ed il relativo simbolo

Figura 8: I Flip-Flop della soluzione proposta

Figura 7: Segnali relativi ad un FF di tipo T: la frequenza dell’onda in uscita è la metà di quella dell’ondain ingresso

il codice binario. Il conteggio inbinario a due bit va da zero a tree comporta la seguente sequen-za: 0=00, 1=01, 2=10, 3=11.Ovviamente è possibile espande-re il conteggio aggiungendo altriflip-flop di tipo T.

IL QUESITO DEL MESECome modifichereste il circuito di

figura 1 per consentire la gestionedi tre lampade? Questo è il quesi-to che propongo questo mese.Non sarà troppo difficile se avetecapito il funzionamento di uncontatore con FF di tipo T!Risolviamo ora il questo relativoagli oscillatori al quarzo propostoil mese scorso. IC2 effettua il con-teggio dei secondi trascorsi,

PRATICAMENTE

PRATICAMENTE78

Figura 10: La risposta al quesito del mese scorso

74LS112 – DUAL JK NEGATIVE EDGE TRIGGERED FLIP-FLOP

quindi dopo 10 secondi le sueuscite Q4÷Q1 assumeranno ivalori 1010 (il corrispondentebinario del numero 10). Si trattaallora di riconoscere tale combi-nazione delle uscite per azionareil LED. Il modo più semplice èquello di impiegare una portaNAND collegata come in figura10. Solo in corrispondenza dellacombinazione 1010 ai suoiingressi l’uscita sarà a livellobasso ed il diodo LED risulteràacceso. Il LED resterà acceso perun secondo e, qualora si volesseaumentare il tempo di accensio-ne, sarà necessario inserire unmultivibratore monostabile inne-scato dalla porta NAND. Vorreiporvi un ulteriore quesito…secondo voi perché ho propostodi utilizzare una porta NAND enon una porta AND? La rispostaè nascosta tra le righe della rubri-ca “Praticamente” pubblicata suln.225 di Marzo 2004.

Imparare a progettare...Imparare a progettare...

Esistono molti libri di testo per imparare l’elettronica,ma spesso, dopo le prime pagine, le formule, le tabelle,i valori, sembrano divenire qualcosa di incomprensibile.

Per questo motivo Fare Elettronica ha pensato di presentareil nuovo corso a puntate di elettronica analogica: “ELETTRONICANDO”.

Senza la pretesa di rimpiazzare i libri di testo, “ELETTRONICANDO” presenta i principaliargomenti di elettronica analogica in modo semplice e pratico, affinché siano comprensibilida tutti. Se poi pensi di non avere gli strumenti di misura per provare i circuiti…niente paura, “ELETTRONICANDO” ti insegnerà ad usare i simulatori softwareper verificare i risultati teorici.

PRIMA PARTE: (FE-235)1. Introduzione2. Un po’ di storia3. Gli strumenti necessari

SECONDA PARTE (FE-236)4. Materiali conduttori,

semiconduttori ed isolanti5. I circuiti elettrici6. Componenti dei circuiti elettrici:

dispositivi passivi ed attivi7. I generatori elettrici8. Il resistore9. Il condensatore10. L’ induttore

TERZA PARTE (FE-237)11. Semplici circuiti con resistori12. Carica e scarica di un

condensatore13. Cenni ai filtri passivi e relative

risposte in frequenza (comeleggere un diagramma di Bode)

QUARTA PARTE (FE-238)14. Il semiconduttore intrinseco15. Il semiconduttore estrinseco:

drogaggio di tipo p ed n16. La giunzione pn17. Polarizzazione della giunzione pn

18. La caratteristicatensione-corrente del diodo pn

QUINTA PARTE (FE-239)19. Un semplice circuito col diodo

pn: il rettificatore20. Il diodo zener21. Il regolatore a diodo zener22. Cenni ad altri tipi di diodi

(varicap, LED, Schottky)

SESTA PARTE (FE-240)23. Il transistor bipolare (struttura,

caratteristiche e zone difunzionamento)

24. Amplificatori con bjt: basecomune, collettore comune edemettore comune.

SETTIMA PARTE (FE-241/242)25. Cenni al MOSFET

(struttura, caratteristiche e tipi)26. Cenni al JFET

(struttura, caratteristiche e tipi)

OTTAVA PARTE (FE-241/242)27. Amplificatore operazionale

(caratteristiche e parametri tipici)28. Configurazione invertente e non

invertente29. Inseguitore di tensione

NONA PARTE (FE-243)30. Circuiti con amplificatori

operazionali: convertitorecorrente tensione

31. Circuiti con amplificatorioperazionali:Stabilizzatore di tensione

32. Circuiti con amplificatorioperazionali: amplificatoredifferenziale

DECIMA PARTE (FE-244)33. Timer 555: struttura e

caratteristiche34. Configurazione astabile35. Configurazione monostabile

UNDICESIMA PARTE (FE-245)36. Circuiti in reazione37. Oscillatore a ponte di Wien38. Oscillatore a rete di sfasamento

DODICESIMA PARTE (FE-246)39. Gli strumenti di misura:

il multimetro40. Gli strumenti di misura:

l’oscilloscopio41. Tabelle varie (codice colori, valori

commerciali dei resistori, ecc…)42. Pin-out dei più comuni circuiti

integrati (555, operazionali, filtri, ecc.)

INDICE DELLE USCITE

…progettando!…progettando!

Pe

r n

on

pe

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ren

ess

un

a p

un

tata

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abbonati subit

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Pe

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o!

GLI STABILIZZATORI DI TENSIONE

CONVERTITORI ACOMMUTAZIONECAPACITIVAI convertitori a commutazionecapacitiva sono regolatori inte-grati che consentono di realizzarestadi step-up, step-down e inver-ter con un limitatissimo numerodi componenti esterni e, conside-razione ancora più rilevante,senza la necessità di fare uso diinduttori.Quest’ultima caratteristica assu-me grande importanza per il tec-nico progettista che, nella realiz-zazione degli stabilizzatori di tiposwitching, trova il punto dolenteproprio nell’induttore che, nellastragrande maggioranza dei casidev’essere appositamentecostruito. Il suo valore, infatti,desunto dai calcoli di progetto, lorende quasi sempre di difficilereperibilità.Per le loro minime dimensioni, iconvertitori a commutazionecapacitiva sono da considerarsi

componenti elettivi per tutte quel-le apparecchiature che, alimentatea batteria, hanno particolari esi-genze di costo e ingombro.Il dimensionamento in praticanon esiste dal momento che, peril loro corretto funzionamento,sono sufficienti solo alcuni con-densatori il cui valore è general-mente fornito dal costruttore.Molto più importante è invece ilcablaggio e la scelta degli stessicondensatori che dovranno esse-re elettrolitici al tantalio o cerami-ci, o, meglio ancora, elettrolitici aipolimeri di alluminio. A questoproposito si raccomanda aLettore che dovesse realizzare

questi regolatori, di eseguirecablaggi di dimensioni estrema-mente contenute e di attenersialle indicazioni qui, in proposito,riportate. Utilizzare un tipo dicondensatore al posto di un altroanche se di eguale capacità, nonsignifica pervenire necessaria-mente allo stesso risultato.

SCHEMI DI PRINCIPIODEI REGOLATORI ACOMMUTAZIONECAPACITIVALa figura 1 riporta la schematizza-zione circuitale di un inverter ingrado di fornire una tensione diuscita Vo di –5 V con una tensione

GLI STABILIZZATORI DI TENSIONE

I REGOLATORI ACOMMUTAZIONE CAPACITIVA

I REGOLATORI ACOMMUTAZIONE CAPACITIVAdi Nico Grilloni

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Una recente serie di circuiti integrati regolatori, realizzata con tecnologia

CMOS, lavora in commutazione senza ricorrere ad alcuna induttanza.

settima parte

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HARDWARE

Figura 1: Schematizzazione del funzionamento di un circuito integrato a commutazione capacitiva che

fornisce una tensione Vo = – Vi

tici al tantalio C1 e C2 da 10 µF –per realizzare un alimentatore ingrado di fornire, con una tensio-ne di ingresso Vi (+ 1,8 ÷ + 5,5)V, una tensione di uscita Vo (–1,8V ÷ –5,5 V) con una corrente di20 mA.Disponendo in cascata dueLM828 come illustra la figura 4, siottiene un alimentatore duplica-tore di tensione e invertente. Siha cioè in uscita: Vo = –10 V per Vi

= 5 V. Ponendo in cascata n rego-latori, la tensione di uscita, inassenza di carico, sarà pari a (– n· Vi); ciò significa che disponendoin cascata tre LM828, supponen-do, per esempio, una Vi = 5 V, siotterrà una Vo = –15 V; per quat-tro stadi in cascata, sempre nell’i-potesi di una Vi = 5 V, si avrà unaVo = - 20 V, e così via. In ogni casoperò, la corrente totale erogatadalle varie uscite non deve supe-rare i 40 mA.Ricorrendo alla configurazione

Vi di ingresso di + 5 V. I deviatoriS1 ÷ S4, sono ovviamente deiCMOS.Il funzionamento è facilmentecomprensibile se il ciclo di lavorosi scinde nella due fasi (a) e (b).Nella fase (a), nella quale i devia-tori S1 e S2 sono chiusi e S3 e S4

aperti, la tensione di ingresso cari-ca il condensatore C1 alla tensioneVi; nella fase (b), nella quale ideviatori S1 e S2 sono aperti e S3 eS4 chiusi, il condensatore C1 tra-sferisce la sua carica al condensa-tore C2 ai cui capi si presenteràpertanto la stessa tensione Vi.Poiché le armature positive dientrambi i condensatori sonoadesso a massa, il pin di uscitadella Vo, connesso alle armaturenegative, si troverà al di sotto dellivello di massa di una tensionepari alla tensione a cui si è carica-to C2, ovvero a –Vi, ossia a – 5 V.

Non molto diverso è il funziona-mento degli integrati regolatoridi tipo step-up, che duplicano latensione di ingresso, dando quin-di luogo a una Vo = 2 Vi. La figura2 ne riporta la schematizzazione.Nella fase (a) i deviatori S1 e S2

sono chiusi e quindi la tensione Vi

va a caricare il condensatore C1.Nella fase (b), nella quale S1 e S2

sono aperti e S3 e S4 sono chiusi, ilcondensatore C1 trasferisce l’ener-gia immagazzinata nel processodi carica al condensatore C2 che,in parallelo con C1, è praticamen-te in serie alla tensione Vi rispettoal pin di uscita della Vo. Il valore diquesta sarà quindi pari allasomma della Vi e della tensione dicarica di C2 che è anch’essa pari aVi. Sarà pertanto: Vo = 2 Vi.

L’INVERTER LM828La figura 3 riporta uno stadioinverter realizzato con il regolato-re LM828, integrato particolar-mente indicato nella apparec-chiature con alimentazione a bat-teria, come cellulari e strumenti dimisura. Le dimensioni sono mini-me: misura infatti circa (3 mm x1,6 mm) e l’altezza supera dipoco il millimetro.Come si può constatare sonosufficienti due componentiesterni – i condensatori elettroli-

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Figura 3: Ponendo in circuito soltanto duecondensatori, con l’LM828 si realizzaun regolatore con funzione inverter

Figura 2: Schematizzazione del funzionamento di un circuito integrato a commutazione capacitiva che,

comportandosi da duplicatore, fornisce una tensione Vo = 2 Vi

Figura 4: Ponendo in cascata due LM828 si realizza un duplicatore inverter, ossia un circuito regolatoreche fornisce una tensione di uscita doppia della tensione di ingresso e di segno opposto

circuitale riportata nella figura 5,con un singolo LM828 si possonoottenere due diverse tensioni diuscita, una di tipo step-up dalmomento che si ha Vo1 = 2 · (Vi –VF), dove VF è la c. d. t. determi-nata dai diodi D1 e D2, e una ditipo inverter Vo2 = –Vi.

Nel caso sia necessario avere unatensione di uscita perfettamentestabilizzata e variabile, si potràfare ricorso alla configurazioneriportata nelle figura 6 nella qualel’uscita dell’LM828 pilota il rego-latore LP2980 di bassa dropout(∆V = 120 mV per IL = 50 mA).La variabilità della tensione diuscita si ottiene modificando il

valore della resistenza R1. In fun-zione della Vo voluta, si attribuiscealla R1 un qualsiasi valore compre-so fra 2,2 kΩ e 5 kΩ, e quindi siricaverà R2 dall’espressione:

Vo = [1,23 · (R1 + R2)] / R2

dove 1,23 è la tensione di riferi-mento Vref dell’LM2980.Dalla [5] si ha, infatti:

R2 = (1,23 · R1) / (Vo – 1,23)

Volendo, per esempio, una ten-sione Vo di uscita pari a 12 V,data la bassa caduta di tensioneinput-output che presenta l’ICLM2980, sarà sufficiente appli-

care una tensione di ingressoanche solo di 11 V. Quindi attri-buito alla R1 il valore di 2,2 kΩ, siavrà per R2:

R2= (1,23 x 2200)/ (12 – 1,23)= 251 Ω

STEP-UP E STEP-DOWNCON L’LM3352La figura 7 a riporta il regolatoreLM3352 che, previsto comeregolatore per sistemi alimentatia batteria alcalina (a ioni di Litioo al NiCd o NiMH), consente diavere una Vo fissa e costante di3,3 V con tensioni Vi di ingressoche possono assumere qualsiasivalore fra 2,5 V e 5,5 V. Ciò èevidenziato dal diagramma della

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HARDWARE82

Figura 7a, 7b: L’LM3352 (a) si comporta come regolatore step-up e step-down. In b si può notare come per una tensione Vi compresa fra 2,5 V e 5,5 V, l’uscita

rimanga ancorata a 3,3 V

Figura 5: Configurazione circuitale con l’LM828, che assolve contemporaneamente

la funzione step-up (Vo1 = 2 Vi) e la funzione inverter (Vo2 = –Vi)

Figura 6: Con un LM828 e un regolatore a bassa dropout come l’LP2980 si

ottiene una tensione di uscita Vo perfettamente stabilizzata e, ove

si ponga un trimmer al posto della R1, anche variabile

figura 7 b che indica, per l’ap-punto, come per qualsiasi valoredella tensione Vi di ingressocompreso fra 2,5 V e 5,5 V, latensione di uscita rimanga anco-rata a 3,3 V. L’LM3352, che sicomporta quindi come regola-tore step-up e step-down, è for-nito dalla National Semiconductorper tensioni di uscita di 2,5 V,3,0 V e 3,3 V, ma, a richiesta, èdisponibile con tensioni di usci-ta da 1,8 V a 4,0 V con incre-menti, all’interno di questagamma, di 0,1 V. Con un caricodi 50 mA (ma si può arrivarefino a un massimo di 200 mA) edisponendo in uscita una capa-cità da 33 µF, il residuo in alter-nata è tipicamente di 75 mV,mentre la corrente di riposo edell’ordine di 300 µA che si ridu-cono a 5 µA all’intervento delloshutdown. L’LM3352 è dotatodi protezione termica che, incondizioni gravose, ne inter-rompe il funzionamento, fun-zionamento che si autoripristi-na quando la temperaturadella giunzione rientra nei limi-ti di sicurezza.

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Figura 8a, 8b, 8c: Stadi regolatori con LM2660/1 in grado di fornire una tensione Vo = – Vi (a)

– configurazione inverting, o Vo = 2 Vi (b) – configurazione da duplicatore, o

Vo = Vi / 2 (c) – configurazione da divisore

INVERTER, DUPLICATORE EDIVISORE DI TENSIONE CONL’LM2660-1La serie di questi circuiti integra-ti – prevista per computer porta-tili (laptop), telefoni cellulari,strumentazione medicale e stru-menti di misura, alimentazionedi op-amp, ecc. – consente sia diottenere una tensione Vo negati-va da una Vi positiva (inverting),sia di duplicare la Vi fornendouna Vo = 2 Vi (voltage doubler), siadi dimezzare la Vi dando in uscitauna Vo = Vi / 2 (splitting). In ognicaso la serie è in grado di fornireuna corrente massima di 100mA con una corrente di riposoinferiore a 120 µA, e con un’effi-cienza del 90 %.

Le tre configurazioni corrispon-denti sono riportate nelle figure 8a, b e c. Si noti come nel primo e

nel terzo circuito siano sufficientisoltanto due condensatori elet-trolitici per il loro funzionamento,mentre la configurazione diduplicazione richieda, oltre ai duecondensatori, un diodo.La frequenza dell’oscillatore inter-no è fissata a 80 kHz nel modelloLM2661, mentre nel modelloLM2660 la medesima frequenzapuò assumere il valore di 10 kHzo di 80 kHz a secondo che il pinFC (Frequency Control) sia lascia-to aperto o connesso al pin V+.Nell’LM2661 il pin FC è sostitui-to dal pin SD (ShutDown) che,connesso normalmente amassa, può essere utilizzato perdisattivare il regolatore portan-dolo al pin V+; in quest’ultimacondizione la sua corrente diriposo va a 0,5 µA. Il pin Osc.,connesso a un condensatoreinterno da 15 pF, consente il

pilotaggio dei regolatori con unclock esterno la cui frequenzamassima non può eccedere i150 kHz; in questo caso il mododi connessione del pin 7 è indif-ferente. Ponendo, quindi, uncondensatore fra il pin Osc. emassa, la frequenza di oscilla-zione può essere spostata versoil basso. Il costruttore – NationalSemiconductor – fornisce, a talproposito, un diagramma condue curve, una per FC aperto euna per FC connesso al V+, cheriporta la frequenza di oscilla-zione in funzione del valore dicapacità attribuito al condensa-tore esterno.A ulteriore dimostrazione dellaversatilità di questi circuiti inte-grati della più recente generazio-ne, la figura 9 riporta un triplica-tore di tensione ottenuto con dueLM2660 (o LM2661) in cascata,mentre, infine, la figura 10 espo-ne uno stadio regolatore che con-verte una tensione di ingressopositiva in una tensione di uscitanegativa e variabile. Per questorisultato si è posto il regolatore abassa dropout LP2951 (0,38 mVdi caduta input-output con 100mA di corrente erogata), in casca-ta con un LM2660.Essendo:

Vo = Vref · [(R1 + R2) / R2]

con Vref = 1,235 V, tensione diriferimento caratteristica del-l’LP2951, ponendo, per esem-pio R2 = 3,3 kΩ e usando per R1

un trimmer da 27 kΩ, si puòottenere la variabilità della ten-sione di uscita fra il valore Vref =1,235 V con R1 in cortocircuito,e il valore di 11,34 V con R1

completamente inserito.

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Figura 10: Regolatore che consente di ottenere da una tensione d’ingresso positiva, una tensione di uscitanegativa e variabile

Figura 9: Regolatore triplicatore: ponendo due LM2660 (o LM2661) in cascata, si ottiene, oltre a una uscita

Vo = 2 Vi, anche una tensione Vo = 3 Vi

IL BLUETOOTHIL BLUETOOTH

L’idea è sempre quella: elimina-re l’intrico di cavi di collega-mento che caratterizza l’utilizzodi più apparecchiature elettro-niche insieme, siano essi i vec-chi cavi RS232, che troviamoancora nei modem per la lineatelefonica analogica o le nuoveconnessioni seriali ad alta velo-cità come USB e FireWire chevengono impiegate in dispositi-vi caratterizzati da una più ele-vata multimedialità, come foto-camere, scanner e stampanti.Alla diffusione sempre maggio-re che accompagna il PC equindi tutte le sue periferiche,si aggiunge la rivoluzione det-tata dall’utilizzo del telefonocellulare, che è diventato inpochi anni un vero e propriocomputer palmare e richiedeun livello elevato di connettivi-tà per scambiare dati con il PC

stesso o con altri dispositivicellulari.Da questa premessa è nato losforzo delle più grandi aziendeoperanti nel settore della tele-fonia cellulare, fra cuiMotorola, Nokia ed Ericsson,teso a definire una tecnologiadi connessione wireless a bassocosto che potesse risolveretutte le nuove esigenze di con-nettività che si venivano a crea-re (la tecnologia IrDA a raggiinfrarossi già usata da tempo ha

il limite di funzionare sola-mente in assenza di ostacoli).Il risultato degli studi effettua-ti è il Bluetooth (www.blue-tooth.com). Le specifiche iniziali eranomolto ambiziose soprattuttoriguardo l’obbiettivo di costosotto i 5 dollari per ogni radio,ma solo negli ultimi due annil’industria microelettronica è

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SISTEMI WIRELESS DIGITALI

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SISTEMI WIRELESS DIGITALI

di Sandro Romagnoli

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Il Bluetooth è una tecnologia a basso costo e molto flessibile, che permette di

“tagliare i fili” ad un grande numero di apparecchiature elettroniche e di aprire

nuove possibilità. Vediamo a cosa serve e come si pone in relazione con gli altri

standard di comunicazione wireless più diffusi, come Wi-Fi e GSM/GPRS.

terza parte

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Figura 2: Auricolare Bluetooth per telefoni cellulariFigura 1: Adapter Bluetooth USB per PC

Livello RFA questo livello sono definite lecaratteristiche del segnale RFutilizzato dalle radio Bluetooth.La banda di lavoro è quella ISMposta a 2,4GHz (la stessa delWi-Fi), che viene divisa in 79canali, ognuno dei quali èampio 1 MHz e, per far frontealle interferenze, il sistemaadotta un FHSS (FrequencyHopping Spread Spectrum) con1600 hops/secondo, cioè 1600volte in un secondo si “salta” sudi un diverso canale fra i 79 dis-ponibili. La modulazione utiliz-zata è la GFSK (GaussianFrequency Shift Keying) che èuna variante della modulazionedi frequenza che invece diusare un’onda quadra per rap-presentare i bit da trasmettere,adotta una forma d’onda chericorda una campana di Gauss,ottenendo così una maggioreefficienza spettrale. Per quantoriguarda la potenza del segnaleRF emesso, i dispositivi in com-mercio si riferiscono in generealla portata in metri (ovviamen-te quello specificato è pura-mente indicativo) e se ne trova-no da 10 metri (potenza del-l’ordine di 1mW) o da 100metri (potenza dell’ordine di100mW).

Banda BaseIl funzionamento in FrequencyHopping, fa sì che la più picco-la unità di informazione dispo-nibile sia lo Slot, che consistenella sequenza di bit trasmessamentre la radio è posizionata suun canale. Poiché si lavora a1600 hops/s, uno slot dura 625microsecondi. La comunicazio-ne avviene dividendo i messag-

avanzata al punto da riuscire aprodurre dei singoli circuitiintegrati CMOS in grado diospitare al loro interno tutta laparte in banda base e quasitutta la sezione RF (in genererimane fuori solamente l’anten-na) consentendo di abbassaredrasticamente i costi e consen-tire così una grande diffusione.Oggi appaiono sul mercatocontinuamente nuovi dispositi-vi dotati di interfacciaBluetooth, in primo luogo itelefoni cellulari, ma ancheGPS, stampanti e modem:nasce così il concetto di PAN(Personal Area Network), unarete wireless a corto raggio for-mata da tanti dispositivi elettro-nici che si scambiano dati fraloro.In figura 1 si vede un adattato-re USB, mentre in figura 2 unauricolare.

PRINCIPI DI FUNZIONAMENTOL’idea di progetto iniziale direalizzare un sistema che per-mettesse la trasmissione di vocee dati e che fosse semplicissimada usare per gli utenti finali, haportato allo sviluppo di unostack di protocollo veramentecomplesso. Uno dei fondamen-ti è che le radio Bluetoothdevono essere in grado di rico-noscersi e formare delle reti fraloro in modo autonomo senzapraticamente l’intervento ester-no, al contrario del Wi-Fi in cuiè normalmente richiesta unaseppur minima conoscenza dibase delle reti di calcolatori.

Nella maggior parte degli adat-tatori Bluetooth per PC che sitrovano in commercio, il proto-

collo è diviso in due parti (vedifigura 3, che ne riporta una ver-sione semplificata): la parte dipiù basso livello (colore giallo)è ospitata sull’adattatore stes-so, che può essere una chiavet-ta USB o una PC Card, mentrel’altra (colore azzurro) è imple-mentata sul driver che gira sulPC, che è normalmente fornitodal costruttore dell’adattatorestesso. Per far parlare fra loro ledue parti dello stack è definitoun livello di interfaccia chiama-to HCI (Host Control Interface).Chi è abituato a lavorare coninterfacce semplici tipo laRS232, sa che lo standard defi-nisce solamente la parte piùvicina all’hardware, mentre nondice niente su come impac-chettare o frammentare i datiche vogliamo inviare o riceveresu quell’interfaccia. Al contrarioBluetooth introduce il concettodi profilo che arriva quasi ad unlivello applicativo e consente adesempio di trasferire un file fraun nodo Bluetooth ed un’altro.

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Figura 3: Stack Bluetooth

gi in pacchetti ed un pacchettopuò occupare uno o più slot (1,3 o 5): mentre con l’utilizzo diun solo slot si può arrivare aduna velocità di trasferimento di172 Kbit/s, l’utilizzo di più slotconsente di aumentare la velo-cità, arrivando ad un massimoteorico di 721 Kbit/s utilizzan-done 5.

Livello L2CAPL2CAP sta per Logical LinkControl and AdaptationProtocol, qui vengono svolti ilmultiplexing dei dati prove-nienti dai protocolli di livellosuperiore (cioè, una unica radioBluetooth può essere usata dadiversi applicativi ad alto livello,ognuno dei quali usa un certomodo per trattare le informa-zioni), la frammentazione, ilriassemblaggio dei pacchetti edil trasporto delle informazionidi “qualità del servizio” (QoS )che servono quando vengonoimpiegati dei flussi di dati intempo reale, come ad esempiol’audio o il video che non tolle-rano ritardi di trasmissionesuperiori ad una certa soglia.

Livello LMPLMP vuol dire Link Manager

Protocol e si occupa della for-mazione e della gestione di retifra i diversi nodi Bluetooth.

Livello HCIHost Control Interface fornisceuna interfaccia standard aidiversi hardware che implemen-tano una radio Bluetooth, inmodo che un medesimo driverscritto per funzionare su un PCpossa funzionare con tutti gliadattatori presenti sul mercato,

indipendentemente dal costrut-tore dell’adattatore stesso.

Livello RFCOMMQuesto livello utilizza la radioBluetooth per emulare un colle-gamento seriale standard (tipoRS232), viene utilizzato damolti profili di alto livello adesempio per trasferire files.

ProfiliI profili rappresentano l’inter-faccia tramite la quale un uten-te interagisce con i dispositiviBluetooth. I profili disponibilisono tanti e ne vengono conti-nuamente introdotti dei nuoviper gestire al meglio le nuoveperiferiche che vengonoimmesse sul mercato.Tipicamente, gli adattatoriBluetooth per PC supportano unampio spettro di profili, mentreinvece i dispositivi più semplici,come ad esempio i telefoni cel-lulari ne supportano un sottoin-sieme. Alcuni esempi sono:

• Serial Port Profile (SPP):come si intuisce dal nome,questo profilo implementauna porta seriale virtuale.Consideriamo due PC dotatientrambi di radio Bluetooth:se il driver supporta questoprofilo, avranno a disposizio-ne delle porte COM virtualiche possono essere utilizzatemediante i normali program-mi tipo HyperTerminal diWindows. Aprendo sui duePC due sessioni di terminalisulle rispettive porte virtualipotranno scambiarsi datiesattamente come se fosserocollegati mediante un cavonull-modem RS232 attraverso

la radio Bluetooth.• Object Exchange (OBEX):

consente di trasferire files fradispositivi dotati di radioBluetooth, siano essi due PC,oppure un PC ed una fotoca-mera digitale.

• Dial Up Network (DUN):questo profilo è in genereimplementato sui modemBluetooth e consente ad unPC con Bluetooth di utilizzar-lo come se fosse collegatocon un cavo. Questo profiloè in genere implementatonei telefoni cellulari, che pos-sono funzionare da modemper il PC.

• Headset (Cuffia): è usatoanch’esso nei cellulari e con-sente l’utilizzo dell’auricolarewireless.

• Local Area Network (LAN):tramite questo profilo è possi-bile accedere ad una retelocale TCP/IP in modo wire-less.Consideriamo un PC collega-to ad una rete Ethernet edotato anche di una interfac-cia Bluetooth: questo puòdiventare un punto di accessowireless alla rete per tutti idispositivi mobili Bluetoothche dispongono di questoprofilo, ad esempio computerpalmari.

• Personal InformationManager (PIM): serve perscambiare fra dispositiviBluetooth informazioni qualibiglietti da visita elettronici,e-mail, note o appuntamenti.

• Human Interface Device(HID): consente di connetteread un PC periferiche comemouse e tastiera.

Per poter utilizzare un profilo in

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MHz88

Slave. Normalmente le radioBluetooth sono in grado di fun-zionare sia come Master che

una connessione fra due nodi, ilprofilo stesso deve essere sup-portato esplicitamente daentrambi, altrimenti la connes-sione non può avere luogo.Esiste un protocollo appositochiamato SDP (ServiceDiscovery Protocol) che ha pro-prio la funzione di scoprirequali sono i profili supportati daun nodo Bluetooth remoto.

STRUTTURA DI UNA RETECome abbiamo detto in prece-denza, le radio Bluetooth sonoin grado autonomamente diformare una rete fra loro e perfare questo adottano una stra-tegia di tipo Master/Slave. IlMaster è il nodo della rete che

parte per primo e che coordinail funzionamento e la sincroniz-zazione degli altri elementi: gli

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Figura 4: Piconet: la più semplice tipologia di rete Bluetooth

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come Slave. La più semplicetopologia di rete Bluetooth èchiamata Piconet ed è formatada un Master e fino ad un mas-simo di sette Slave (figura 4).

Ogni radio Bluetooth è dotatadi un indirizzo unico al mondocostituito da 48 bit (ad esempio00:0B:0D:21:0C:84) ed ilMaster della Piconet parte daquesto valore per determinarela sequenza di salti fra i 79canali disponibili che vieneadottata anche dagli Slave.Perché si possa formare unaPiconet, il Master comincia adinviare dei pacchetti in cuiinterroga gli eventuali altri dis-positivi Bluetooth presenti nel-l’area di copertura (questa faseè detta Inquiry), che intantostanno in ascolto per un po’ ditempo sui diversi canali in atte-sa di essere trovati. Una voltache uno Slave sente il pacchet-to inviato dal Master gli rispon-de inviando il proprio indirizzoe così nel giro di pochi secondiil Master è a conoscenza di tuttii dispositivi Bluetooth presentie con cui può creare unaPiconet.Una volta creata la Piconet, adogni nodo viene assegnato unindirizzo temporaneo da 1 a 7(0 è il Master) tramite il quale inodi possono parlare tra loro.Diverse Piconet possono convi-vere nella stessa area grazie alfatto che tutti i membri dellastessa Piconet utilizzano unacerta sequenza di salti fra i 79canali disponibili (dettata dalnodo Master) che sarà diversada Piconet a Piconet, certo,potrà succedere che occasio-nalmente più nodi si trovino a

trasmettere contemporanea-mente sullo stesso canale equesto potrà portare alla ritra-smissione della informazione equindi ad una diminuzionedella velocità media di trasferi-mento.Esiste anche un tipo più ampiodi rete chiamato Scatternet incui più Piconet sono messe incomunicazione tra loro attra-verso alcuni nodi comuni a piùPiconet che si occupano di tra-sferire i pacchetti da unaPiconet all’altra.Per i dispositivi Bluetooth a bat-teria, sono previste delle confi-gurazioni di “riposo” ad assor-bimento di corrente ridotto,che possono essere utilizzatenei momenti in cui non vienerichiesto uno scambio dati(modalità Park e Sniff).

DIVERSI TIPI DICOLLEGAMENTOUno dei punti di forza delBluetooth è la grande flessibili-tà che gli consente di trasporta-re sia voce che dati: questo èinfatti stato richiesto fin dallespecifiche iniziali del progettoal contrario di quanto è avve-nuto col Wi-Fi che è nato pergestire unicamente traffico datie che richiede l’ulteriore intro-duzione di protocolli che gliconsentano di supportareapplicazioni multimediali intempo reale. Infatti i requisitirichiesti dal traffico dati e daquello audio sono completa-mente diversi:

• Dati: quando si attua un tra-sferimento dati è di fonda-mentale importanza che ilmessaggio ricevuto sia uguale

a quello trasmesso fino all’ul-timo bit (si pensi al trasferi-mento di un file contenenteun programma eseguibile).Vengono quindi previsti mec-canismi di Forward Error

Correction (FEC) in cui vengo-no trasmessi dei bit di con-trollo aggiuntivi al messaggiovero e proprio che consento-no al ricevitore di ripristinareeventuali bit sbagliati edanche di ritrasmissione deiblocchi di dati non ricevuticorrettamente.Questo fa sì che possa esserevariabile l’intervallo di tempoche intercorre fra la ricezionedei vari pacchetti dati cheappartengono ad un medesi-mo messaggio.

• Audio: un flusso audio è costi-tuito a partire da una sorgenteanalogica (normalmente unmicrofono), che viene poidigitalizzata e compressamediante un opportuno algo-ritmo. Il flusso di bit risultantedalla compressione viene poisuddiviso in pacchetti che ven-gono inviati via radio. Il ricevi-tore processa i pacchetti chegli arrivano, ricostruendo ilflusso di bit non compresso,ed attraverso un convertitoredigitale/analogico va acomandare un altoparlante.Perché un collegamento diquesto tipo mantenga unabuona qualità è necessario chei pacchetti in cui è suddiviso ilmessaggio non subiscano unritardo troppo grande tra unoe l’altro che porterebbe a dei“buchi” nell’ascolto, ossia,bisogna introdurre il concettodi Qualità del Servizio.

Bluetooth ha introdotto due

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lare, si ricorderanno di esserestati appaiati e non chiederan-no più esplicitamente l’inseri-mento del PIN code agli utenti.

Criptaggio dei datiOltre al Pairing, che consentedi evitare la creazione di con-nessioni indesiderate, ilBluetooth prevede la possibilitàdi criptare i messaggi scambiativia radio utilizzando una chiavelunga fino a 128 bit. E’ chiaroche le contromisure di sicurez-za da adottare devono aumen-tare con l’importanza dei datistessi che vogliamo scambiare.

BLUETOOTH E LE ALTRETECNOLOGIEBluetooth va a definire unnuovo concetto di rete wireless(la Private Area Network) che siaggiunge a quelli già esistenti(la Wide Area network WAN e laLocal Area network LAN) checonsente di avere collegamentisenza fili fra un computer e ledue periferiche, ma grazie allasua flessibilità è in grado di fareda interfaccia fra le altre tecno-logie radio disponibili.

Reti GSM/GPRSTutti ormai siamo utenti dellarete GSM per quanto riguarda iltraffico voce e ne sfruttiamoanche le possibilità di trasferi-mento dati mediante gli SMS.L’evoluzione del GSM rivolto altrasporto dati è il GPRS, che purutilizzando le infrastruttureradio preesistenti, supporta ilprotocollo TCP/IP e consente ditrasferire dati con velocità chearrivano mediamente a30Kbit/s (contro i 9,6Kbit/s delGSM). Lo step successivo che

diversi tipi di collegamento fra inodi all’interno di una Piconet,normalmente questi collega-menti vengono attivati in modotrasparente all’utente:

• Asynchronous ConnectionLess (ACL): questo è il colle-gamento normalmente utiliz-zato per il trasferimento deidati. Connection Less signifi-ca che non è necessario stabi-lire una connessione logicafra due nodi prima di comin-ciare un trasferimento, maogni nodo può trasmettereun pacchetto ad un altro dellaPiconet in qualsiasi momentoe poi si aspetta un pacchettoche attesta l’effettiva ricezio-ne (Acknowledge ACK). Se ilpacchetto ACK non vienericevuto entro un tempo pre-stabilito il pacchetto vieneritrasmesso.

• Synchronous ConnectionOriented (SCO): al contrariodel collegamento precedente,qui occorre stabilire una con-nessione logica fra i due nodiinteressati e fatto questoviene garantita una certa“qualità di servizio” riservan-do alcuni slot solamente perquesto tipo di traffico cheviene usato per la comunica-zione audio. In questo modoviene garantito che la distan-za temporale fra due pacchet-ti non supererà mai una datasoglia.

SICUREZZA DELCOLLEGAMENTOCon il termine sicurezza siintende la protezione dei datiche vengono scambiati viaradio nei confronti di malinten-

zionati che se ne voglionoappropriare. Abbiamo infattidetto che le radio Bluetoothsono in grado di riconoscersi eformare spontaneamente unarete, ma come impedire questose non lo vogliamo?Innanzitutto, per creare unaPiconet, è necessario che gliSlave rispondano alle richiestedi identificazione del Master emolti dispositivi commercialiconsentono di stabilire se il dis-positivo stesso è “scopribile” omeno dagli altri. Quindi ènecessario assicurarsi che que-sta modalità sia normalmentedisabilitata se non vogliamoche gli altri “ci vedano”, perpoi abilitarla esplicitamentesolamente quando è necessa-rio.

Il PairingUn altro concetto molto impor-tante a riguardo della sicurezzadel Bluetooth è il concetto diPairing (in inglese “appaiamen-to”): quando il Master (suppo-niamo che sia un PC con radioBluetooth) ha effettuato lascansione per individuare glialtri nodi Bluetooth sottocopertura, può decidere di sta-bilire il collegamento con unodi questi. A questo punto verràrichiesto all’utente del PC diinserire un PIN code, cioè unaspecie di password formata daquattro cifre. Per stabilire laconnessione Piconet ancheall’utente del nodo Slave (chepotrebbe essere un telefonocellulare) dovrà inserire un PINcode, che dovrà essere uguale aquello inserito sul PC. Una voltaeffettuata questa procedura idue nodi Bluetooth, PC e cellu-

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porterà la velocità media di tra-sferimento a diverse centinaiadi Kbit/s è la terza generazionedi telefonia cellulare, l’UMTS.Quando la rete UMTS si saràdiffusa, darà la possibilità aisuoi utenti di accedere adInternet o di scambiarsi conte-nuti multimediali ovunque sitrovino.

Reti Wi-FiQuesti sistemi si stanno diffon-dendo soprattutto in ambitoindoor per fornire accesso wire-less ad internet a banda larga,con velocità che oggi raggiun-gono anche i 100 megabit/s. Lagrossa differenza rispetto allereti cellulari è che lavoranonella banda ISM e quindi nonnecessitano di licenze plurimi-liardarie. Sono in corso proget-ti per ottimizzare questi sistemiin modo da poter trasportare lavoce (c’è chi ha pensato allecabine telefoniche wireless viaWi-Fi), rendendoli così preferi-bili in alcuni ambiti alla tecno-logia UMTS, soprattutto perchécontraddistinta da costi digestione ed installazione note-volmente inferiori.

La connessione wirelessglobaleLo scenario futuro più ottimisti-co è quello che prevede unaintegrazione delle diverse tec-nologie in modo da permetter-ci di poter usare di momento inmomento quella migliore.Supponiamo che esista un tele-fono cellulare che supporti con-temporaneamente le tecnolo-gie Bluetooth, Wi-Fi ed UMTS:quando siamo in ufficio il tele-fonino si aggancia automatica-

mente alla rete Wi-Fi aziendale,consentendoci di telefonareattraverso il Voice over IP (VoIP)che trasporta l’audio utilizzan-do una normale rete TCP/IP.Quando poi usciamo dall’uffi-cio, il telefono si aggancia auto-maticamente alla rete UMTS,dandoci la possibilità di trasferi-re audio e video ed anche dinavigare in Internet mediante ilnostro PC portatile al quale sicollega via Bluetooth.

Affollamento dello spettroUno dei problemi più evidentiche sorge con il diffondersi deidispositivi wireless è quellodelle interferenze: infatti si haun progressivo riempimentodelle bande disponibili e conquesto bisognerà fare i continel futuro prossimo. Basti pen-sare che Bluetooth e Wi-Fiattualmente condividono lamedesima banda ISM a2,4GHz. In pratica, quello chesuccede facendo operare con-temporaneamente nella stessaarea apparati Bluetooth e Wi-Fi,è una interferenza che finiscecon abbassare le prestazioni intermini di velocità di trasferi-mento dei dispositivi. Sono,comunque, già stati pensati deimetodi che consentano di miti-gare gli effetti delle interferen-ze, introducendo nei sistemiBluetooth un FrequencyHopping intelligente, in cuiprima di occupare un canale cisi accerta che sia effettivamentelibero, cercando in questomodo di non sovrapporsi ad uneventuale canale Wi-Fi. Nelprossimo futuro verrannomolto probabilmente rese dis-ponibili nuove bande di fre-

quenza per queste applicazioni,che consentiranno un ulterioresviluppo.

Nuove tecnologieLa ricerca segue anche altredirezioni ed una delle tecnolo-gie più promettenti per i prossi-mi anni è l’Ultra Wide Band(UWB, www.uwb.org) che èrivoluzionaria rispetto ai sistemidi comunicazione che si basanosulla modulazione di onde sinu-soidali. Infatti nell’UWB non siha più un’onda continua, madelle sequenze di impulsi dibrevissima durata che hannocorrispondentemente unamplissimo spettro di frequen-za che supera i 10GHz.

I promotori dell’UWB sostengo-no che una tecnica di trasmis-sione di questo tipo possa rag-giungere agevolmente velocitàdi trasferimento di centinaia dimegabit/s, ma il problema darisolvere è assicurarsi che questiimpulsi ad ampio spettro nonvadano a disturbare le comuni-cazioni tradizionali che lavora-no nelle diverse zone dellospettro, si pensi in particolarealla strumentazione degli aerei,al sistema GPS ed ai radar.

CONCLUSIONEAbbiamo visto quali sono leprincipali tecnologie wirelessdigitali e quali sono le loro prin-cipali applicazioni di oggi.Sicuramente questo è uno deisettori in cui i produttori dimicroelettronica sono più atti-vi e quindi le novità sonoall’ordine del giorno con dis-positivi sempre più piccoli epreformanti.

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EXPLORER:I ROBOT ESPLORATORI

DI COSA SI TRATTA?

Torniamo indietro nel tempo etrasferiamoci in Grecia, quasi2000 anni prima della nascita diCristo. In quel tempo, all’epocadel Minotauro, i cretesi combat-tevano contro i greci. Fu allorache Minosse, re dell’isola di Creta,diede incarico a Dedalo dicostruire un labirinto per rinchiu-dervi il Minotauro; il labirintoavrebbe dovuto essere talmenteintricato da impedire a chiunquedi uscirne. Dedalo, nella speranzadi guadagnarsi la fiducia delsovrano, costruì quindi l'edificionoto alla storia come il Labirintodi Cnosso.Vuole poi la leggenda che ilMinotauro venisse rinchiuso nellabirinto e che, ogni anno, settegiovani e sette fanciulle di Atene,sconfitta dal re di Creta, gli venis-sero sacrificati per saziare la suafame di carne umana.Il sacrificio fu ripetuto due volte,ma la terza volta giunse a CretaTeseo, figlio di Etra e del sovranodi Atene Egeo, con l'intento diporre fine ai sacrifici. L'impresa

era molto difficile non solo per-chè avrebbe dovuto uccidere ilMinotauro, ma anche perchè,una volta entrati nel Labirinto, eraquasi impossibile uscirne.Teseo, per poter raggiungereCreta, finse di essere uno dei fan-ciulli da sacrificare. A Creta il gio-vane si innamorò di Arianna, figlia

di Minosse, che lo aiutò nell'im-presa. Quando venne il suo turnoegli entrò nel labirinto dipanandolungo la strada un rocchetto difilo, fornitogli da Arianna. Teseogiunse al cospetto del mostro, louccise e, riavvolgendo il filo, riuscìad uscire dal labirinto. Finì cosìl'orrendo sacrificio che era stato

EXPLORER:I ROBOT ESPLORATORIdi Raffaello Bonghi

[email protected]

Nell'articolo precedente abbiamo introdotto i robottini da sumo.

Oggi ci occuperemo della categoria dei robot Explorer: i più diffusi nelle scuole

ed in particolar modo negli istituti tecnici.

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Figura 1: Una Robofesta

imposto da Minosse agli ateniesie Teseo ed Arianna fuggirono daCreta e si recarono a Nasso.Non appena sbarcati, Teseodichiarò ad Arianna che avevafinto di amarla per salvarsi dallaprova del labirinto e abbandonòla fanciulla sulla spiaggia.

Lo spirito delle competizioni deirobot Explorer rispecchia la ricer-ca del Minotauro da parte diTeseo. Nelle gare il Minotauro èrappresentato da un serie di fontidi luce, suono e gas che vengonodisposte lungo un labirinto insi-dioso e pieno di ostacoli. Il princi-pale avversario dei robottini è iltempo a loro disposizione: solotre minuti. Entro questo tempogli Explorer devono individuaretutte le sorgenti e contempora-neamente devono saper evitare,possibilmente ricordandoli, gliostacoli.Scenderemo adesso nel dettaglioe vedremo come si costruisce, in

linea generale, un robot Explorer.Vedremo inoltre come è organiz-zata una gara e quali ne sono leregole.

LE CATEGORIE

Esistono tre categorie di Explorer:1 Explorer Junior Programmabili2 Explorer Junior Analogici3 Explorer Senior

Explorer JuniorLe due categorie Explorer Juniorsono nate per spingere i ragazzidel 2° anno delle scuole superioria cimentarsi nella costruzione dipiccoli robottini esploratori. Ilcampo e le regole sono molto piùsemplici di quelli della categoriaSenior, ciò non toglie che la diffi-coltà di costruzione e l’impegnorichiesto siano quasi equivalenti.Il campo di gara è di 2 metri per2. Le misure dei robot non posso-no superare i 20 x 20 x 25 cm(sensori di contatto esclusi) ed ilimiti vengono fatti rispettare in

modo rigoroso.I nostri robottini devono cercaresei fonti di luce disposte casual-mente all'interno del labirinto.Non appena un robot trova unafonte di luce, il direttore di gara laspegne, per consentire al robot diriprendere la ricerca delle fonti diluci rimanenti.Ma cosa hanno di differente lecategorie degli Explorer JuniorProgrammabili e degli ExplorerJunior Analogici?L’elettronica di controllo!Nella prima categoria, vale a direquella degli “Explorer JuniorProgrammabili”, i movimenti delrobot e la gestione dei sensoriviene effettuata da un microcon-trollore; tra i più comunementeutilizzati ci sono i controller inte-grati della Microchip, grazie allasemplicità dello schema elettrico.Mentre, per quanto riguarda gli“Explorer Junior Analogici”, i sen-sori ed i motori vengono control-lati in modo puramente analogi-co, quindi con relè, transistor ediodi e senza il supporto di unprogramma.

Explorer SeniorLa categoria degli Explorer Seniorè quella più complessa ed impe-gnativa, ma più interessante.Questi robot devono percorrereun labirinto chiuso, quindi senzavie di uscita, di 3 metri per 2.All'interno del labirinto essi devo-no cercare e trovare tre fonti diluce, tre fonti di suono e tre fontidi gas (il gas in questione non èaltro che alcool etilico). Ognivolta che trovano una di questesorgenti, i robot devono illumina-re i propri LED e fermarsi per tresecondi, in modo tale da permet-tere agli arbitri ed ai giudici di

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Figura 2: Campo Explorer junior

convalidare il punto.

I colori utilizzati sono standard esono indicati dal regolamento:

Le misure di questi robot devonorientrare entro un cubo di 30 cmdi lato. La principale difficoltà chei costruttori devono affrontare èla scrittura di un programma dicontrollo che sia in grado,gestendo un opportuno numerodi sensori, di individuare le sor-genti, accorgersi delle pareti edegli ostacoli e non perdersi neimeandri del labirinto.Ma non è tutto! Le cose sonoancora più complicate. Infatti irobot devono percorrere il labirin-to mentre tutte le fonti di luce, disuono e di gas sono sempre atti-ve. Il robot deve quindi sapersiallontanare da una sorgente perricercare una nuova fonte e deveevitare di individuare la stessafonte più di una volta. Chi scriveil software deve quindi realizzareun buon sistema di mappaturadel labirinto e delle sorgenti.

Nella figura 3 c'è un esempio dicampo Explorer che, come sipuò vedere, è ricco di vicoli cie-chi, di ostacoli e di sorgentimolto vicine tra loro. I semicer-chi o i cerchi delimitano lo spa-zio in cui il robot si deve fermareper guadagnare il punto relativoalla sorgente.

Inoltre, per ogni errore, i robot su-biscono una penalità consistente:

DI COSA C’È BISOGNO PER

POTER COSTRUIRE UN ROBOT

EXPLORER?

Innanzitutto sono necessari sen-sori per la rilevazione della pre-senza di pareti od ostacoli: i piùutilizzati sono i sensori infrarossiper le lunghe distanze ed i senso-

ri di contatto, chiamati "baffi",che permettono di accorgersi del-l’imminente urto con un ostacoloe di cambiare percorso.I sensori più utilizzati per trovare lefonti di luce sono i fotoresistori,particolari componenti che cam-biano la loro resistenza quando

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Figura 5: Fotoresistori e fotodiodi a confronto

Figura 3: Campo Explorer senior

Figura 4: Sensori di contatto a infrarossi

Colore Sorgente Punteggio

Rosso Gas 1

Verde Luce 2

Giallo Suono 3

Ostacolo Punteggio

Ostacolo Generico -1

Sorgente o Ostacolo contenente la sorgente -2

sono irradiati da una luce, oppurei fotodiodi, che conducono quan-do vengono colpiti dalla luce.Per l'individuazione dei suoni ven-gono utilizzati microfoni tarati perricevere soltanto onde di 4 KHz,per non confondere il robot con il

suono delle vocidel pubblicodurante le com-petizioni.

Infine, per poter trovare all’in-terno del labirinto le fonti dialcool etilico, vengono utiliz-zati molto spesso sensori deltipo di quelli utilizzati in cuci-na per gli allarmi contro lefughe di gas.Nessuna delle categorieExplorer è soggetta a limiti di

peso: questo permette di mon-tare motori più potenti e batte-rie più pesanti.Le batterie più usate sono quel-le al piombo: grazie alla lorolunga durata ed al loro notevo-le amperaggio, infatti, riesconoa mantenere attivi tutti i senso-ri per tutto il periodo di gara.

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Figura 7: Sensore del gasFigura 6: Microfono

ANCHIP III ROBOT EXPLORER SENIOR

Nome: AndChip III

CostruttoreAndrea Massimi([email protected])

Microntrollore PIC16F877

Motori2 motori ridotti controllati da unponte H (L293D)

Sensori di Luce 5 Fotodiodi

Sensori di Suono2 Mic. Amplificati e controllatida un ToneDecoder (NE567

Sensori di Gas ST-11 Amplificato (LM358)

Altezza 195 mm

Larghezza 190 mm

Profondità 175 mm

Sensori Urto Sharp GP2D120, baffi

Metodo gestione sensori • Luce: Analogico (0V=buio,5V=max luce)

• Suono: Digitale (0= suono a 4khz, 1= altri suoni)

• Gas: Analogico (Val. crescentequando vi è GAS)

• Urto: Analogici (0V= nessunostacolo, 3.5V= ostacolo vicino)

CONCLUDENDO

La categoria dei robot Explorer è lapiù istruttiva ed interessante, edinfatti è la più adottata negli IstitutiTecnici; consente infatti di metterein pratica ciò che è stato insegna-to durante l’anno scolastico.Chi vuole avere maggiori informa-zioni sulle diverse categorieExplorer può chiedere nel nuovoforum di www.minisumo.net.All'interno del forum professori epartecipanti alle competizioni vipotranno dare consigli percostruire il miglior robot possibilee magari per partecipare e vincerenelle gare di categoria.

BIBLIOGRAFIA

www.minisumo.net il portale ita-liano delle gare di robotica in Italia

FEBOTFEBOT

IL FIRMWARE DELLASCHEDA MADRE

IL FIRMWARE DELLASCHEDA MADREdi Maurizio Del Corso ([email protected])

e Tiziano Galizia ([email protected])

DOVE ERAVAMO RIMASTIIl mese scorso abbiamo vistocome è strutturato il firmwaredella scheda madre, quindianalizzato i vari file var.inc,library.inc e variabili.inc. Perquanto riguarda le routines,sono state analizzate quellerelative alle interruzioni e quel-la per la lettura e conversionein digitale della tensione di ali-mentazione.Dedichiamo ampio spazio que-sto mese alle routines di invio ericezione dati dal bus seriale.

Svincolarsi dal clockIl protocollo di comunicazionescelto per lo scambio dati tra i

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quarta parte

ROBOMANIA

Concludiamo la trattazione della scheda madre del Febot analizzando

le routines di invio e ricezione dati sul bus seriale e la routine di gestione del

LED ERROR. Anche in questo articolo non saranno riportate intere sezioni di

codice, ma verrà fatto largo uso dei diagrammi di flusso per chiarire le tecniche

adottate. In questa versione di firmware sono state implementate le funzioni

minime, ma contiamo sulla vostra collaborazione per rilasciare versioni sempre

più complete.

Figura 1: Trasmissione di un bit “1” e un bit “0”

vari moduli del Febot, è statopensato in modo da essereindipendente dalla velocità dielaborazione dati del controllo-re a bordo di ogni modulo.Questo permette la correttacomunicazione anche tra duemoduli che utilizzando duemicrocontrollori diversi e ope-ranti a frequenze diverse.Prima di analizzare le operazio-ni di invio e ricezione dati dalpunto di vista firmware, vale lapena chiarire come la comuni-cazione sia possibile anche condiverse frequenze di clock.In figura 1 è riportata la tem-porizzazione sul bus seriale nel-l’ipotesi in cui si stia trasmet-tendo un livello logico alto e,successivamente uno basso.

Innanzitutto prima dell’iniziodella trasmissione è opportunoverificare la disponibilità delbus analizzando il bit BUSY_S.Solo se questo è a livello logicoalto sarà possibile iniziare latrasmissione.All’inizio della trasmissione, sipone a livello logico basso lalinea BUSY_S dopodichè si pro-cede con l’invio secondo ilseguente algoritmo:

1 Si pone CLK a livello alto.2 Si prepara il bit da trasmette-

re impostando opportuna-mente il livello logico dellalinea S_DATA.

3 Si pone CLK a livello basso.4 Si attende un intervallo di

tempo opportuno.5 Si riporta CLK a livello alto.

In questo modo, il moduloricevente deve analizzare lalinea CLK e leggere il dato sulla

linea S_DATA solo quando CLKè a livello basso. La velocitàdella comunicazione è dunquestabilita dal trasmettitore attra-verso il segnale CLK.

Sfruttando questo accorgimen-to, la comunicazione dati puòavvenire senza problemi tradue PIC pilotati, ad esempio,con quarzi a 4MHz e 20MHz.

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Figura 2: La routine “Invia_CMD” per la trasmissione di un dato

È importante che la lineaS_DATA sia stabile al valore datrasmettere, per tutto l’inter-vallo di tempo in cui il segnaleCLK rimane a livello basso.

L’invio dei datiLa routine Invia_CMD provvedea pilotare il bus di trasmissionesecondo quanto specificato inprecedenza. Il diagramma diflusso per questa routine èriportato nella figura 2. Poichéla trasmissione di un pacchettodati, comporta in realtà la tra-smissione di 19 byte, è neces-sario mantenere il conteggiodei bit via via trasmessi.La tecnica utilizzata in questaroutine è quella di trasmetterein continuazione il bit 7 delregistro accumulatore W (il bitpiù significativo) quindi il con-tenuto di W deve essere dap-prima caricato con il byte datrasmettere, quindi una voltatrasmesso il primo bit, se nedeve traslare il contenuto versosinistra affinché il bit da tra-smettere divenga il più signifi-cativo di W.

Il segnale CLK viene mantenu-to a livello basso per 1 millise-condo, in modo da consentire,a chi riceve, di effettuare laricezione del dato in manieracorretta.Ovviamente questo tempodetermina la velocità di tra-smissione e non può esseretroppo basso per non compro-mettere la ricezione. Il tempodi attesa viene gestito dallaroutine Dlay1 che è stata cali-brata per un quarzo da 4MHz.Il 16F876 esegue una istruzio-ne in 4 cicli ci clock per cui la

routine Dlay1 è stata fatta inmodo da eseguire precisamen-te 1000 istruzioni impiegandoquindi un tempo pari ad 1 mil-lisecondo.È evidente che se nei vostriprogetti utilizzate un quarzo divalore diverso, tutte le routinedi generazione dei ritardiandranno riviste e modificate.Lo scorrimento verso sinistradel registro W, viene effettuatocon l’istruzione rlf (Rotate Left fthrough Carry). Nello sposta-mento di tutti i bit verso sini-stra il bit più significativo vienememorizzato nel bit Carry (C)del registro STATUS ed il prece-dente valore del bit carry vienecaricato come bit meno signifi-cativo (vedi figura 3). In questomodo dopo 8 operazioni dishift a sinistra su W (o su ungenerico registro f), ne vieneripristinato il contenuto.

Ovviamente esiste anche l’ope-razione inversa (rrf) che provo-ca lo scorrimento del contenu-to del registro verso destracaricando con il valore del bitCarry, il bit più significativo delregistro (figura 4). Lo operazio-ni di shift a destra e shift a sini-

stra sono molto utili in quantoconsentono di eseguire molti-plicazioni o divisioni per duesul contenuto di un registro(dividere per due in binariocorrisponde infatti a traslaretutto di un bit verso destra edinserire uno zero in testa, vice-versa moltiplicare per due unnumero binario è equivalente aspostare tutto il contenutoverso sinistra di un bit ed inse-rire uno zero in coda).

Per le due operazioni, effettua-te su un registro generico f, èpossibile scegliere dove memo-rizzare il risultato. Le alternati-ve sono il registro stesso oppu-re il registro accumulatore W.

Ricezione dei datiLa ricezione dei dati è gestitadalla routine Ricevi_CMD il cuidiagramma di flusso è riportatoin figura 5. Con questa routine viene ana-lizzata la linea CLK perché,come già detto, quando questava a livello basso significa che ildato presente sul filo S_DATAè pronto per essere letto.Dunque se CLK vale 0, vieneletta ciclicamente la linea

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Figura 3: L’operazione RLF sul registro generico f

Figura 4: L’operazione RRF sul registro generico f

S_DATA fintanto che CLK nontorna ad 1. Se S_DATA vale 0viene caricato il valore“00000000” in W altrimentiviene caricato il valore“00000001”. Quando CLK ètornato ad 1, viene elaborato ildato letto aggiornando l’op-portuna variabile a seconda delnumero di bit ricevuti.

Alla fine viene calcolato il CRCin locale e se questo coincidecon quello ricevuto nel pac-chetto, la procedura terminalasciando il valore 0 in W. Nelcaso in cui il CRC non coincide,in W viene lasciato il valore 1.La ricezione avviene un bit pervolta, quindi abbiamo la neces-sità di aggiornare le varie varia-

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bili via via che si ricevono i varibit. La tecnica usata per l’ag-giornamento di un singolo bitdi una variabile di 8 bit, è quel-la della mascheratura: se il bitletto è “1” viene fatto un ORtra la variabile da aggiornare eil valore “00000001” (01H)altrimenti viene fatta una ope-razione di AND con il valore

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Figura 5: La routine “Ricevi_CMD” per la ricezione di un dato

“11111110” (FCH). È noto chel’operazione di OR dà comerisultato 1 se almeno uno deidue operandi vale 1. Fare unOR tra una variabile ed il valo-re 00000001 significa dunquemettere ad 1 il bit meno signi-ficativo della variabile senzamodificare gli altri bit. La varia-bile viene quindi fatta scorreredi un bit verso sinistra per esse-

re pronta alla ricezione del bitsuccessivo. L’operazione diAND fra due operandi dà comerisultato 0 se almeno uno deidue operandi vale 0.L’operazione di AND tra lavariabile ed il valore“11111110” provocherà quin-di l’azzeramento del bit menosignificativo della variabilelasciando gli altri inalterati.

Calcolo del CRCIl campo CRC del pacchettodati è necessario per stabilirel’integrità del pacchetto. Nellaversione 1.0 del firmware que-sta funzione non è implemen-tata pur essendo prevista laroutine che in realtà forniscesempre un risultato positivoindipendentemente dal valoredel campo CRC. Nella versionesuccessiva verrà implementatala tecnica del checksum per laverifica del pacchetto. Vediamoin dettaglio di cosa si tratta. Ildispositivo che trasmette ilpacchetto dati, costruisce ilpacchetto da trasmettere inse-rendovi i vari byte. L’ultimobyte, il campo CRC appunto,viene calcolato alla fine utiliz-zando i valori precedentemen-te caricati nel pacchetto. Inparticolare vengono contati ibit ad 1 ed il risultato vienememorizzato nel campo CRC.Chi riceve il pacchetto dovràfare altrettanto: verranno con-tati i bit ad 1 di tutti i byte delpacchetto ricevuto (escluso ilbyte CRC) ed il risultato verràconfrontato con il campo CRCdel pacchetto ricevuto. Se idue risultato sono diversi,significa che c’è stato un errorenella ricezione dei dati.

Ovviamente se i due risultaticoincidono, non è detto che ilpacchetto sia stato ricevutocorrettamente, ma la probabili-tà che ci sia stato un errore ècomunque molto bassa.Questa è la stessa tecnica usatanei protocolli di trasmissionecome il TCP.

Gestione del LED ERRORQualora il controllo CRC nonabbia dato risultato positivo,viene richiamata la routineErrore che farà lampeggiare pertre volte a distanza di mezzosecondo, il LED ERROR dellascheda madre. Questa routineè molto semplice e sfrutta unciclo di tre iterazioni di 500msin ognuna delle quali vienevariato lo stato dell’uscita ERR(a cui è connesso il led). Inogni caso, prima dell’uscitadalla routine, il LED vienecomunque spento. In figura 6 ildiagramma di flusso della rou-tine Errore.

CONCLUDIAMOCon questo articolo abbiamoesaurito le linee guida relativeal firmware della schedamadre.Potete scaricare i sorgenti dalsito di Fare Elettronica(www.farelettronica.com) e viinvitiamo ad apportarvi miglio-ramenti al fine di incrementarele potenzialità e l’ottimizzazio-ne del sistema. Se avete propo-ste o avete rielaborato le routi-ne proposte, non esitate a con-tattare il servizio Mailbox([email protected])e ricordate che, per l’ottica diquesto progetto, il vostro con-tributo è fondamentale!

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Figura 6: La routine “Errore” per la gestione delLED ERROR

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integrazione (dal modulo all’apparato multiporta)

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Argomenti principali della sessione:

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I° WORKSHOP SUL

DEVICE NETWORKING

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Privacy. Ai sensi dell'art. 13 D. lgs. 196/03, e successive modificazioni, Vi comunichiamo che i dati relativi al Vostro indirizzo e quelli che vorrete comunicarci in futuro nell'ambito dei rapporti commerciali con Voi intercor-renti potranno essere utilizzati da noi per uno o più trattamenti, mediante elaboratore elettronico o anche manuali, per mezzo di inserimento in banche dati aziendali aventi come finalità: rilevamento della qualità dei servi-zi/necessità della clientela, iniziative promozionali e campagne pubblicitarie, ove ne sia previsto l'impiego. Iil conferimento dei dati è facoltativo, tuttavia un eventuale rifiuto di fornire i dati suddetti potrebbe impedire l'esecu-zione dei rapporti in essere o l'instaurazione di nuovi rapporti contrattuali e lo scambio di informazioni con Voi. Potranno essere esercitati i diritti di cui all'Art. 7 del D.lgs. 196/03 (accesso, correzione, cancellazione, opposi-zione al trattamento ecc.). Il titolare del trattamento dei dati è Inware srl con sede a Cormano (MI) in via Cadorna 27/31. Resta inteso che le informazioni in ns. possesso non saranno in nessun caso cedute a terzi.

LA MATEMATICA,L’ANTROPOMORFISMO ELA PROGRAMMAZIONE

LA MATEMATICA DEIROBOTLa parte meccanica dei robot,come già detto in precedenza, èformata da un certo numero dielementi rigidi indicati spessocon il nome di origine america-no links, connessi tra loro trami-te giunti detti anche joints.Questi collegamenti sono usual-mente realizzati (specialmentein campo industriale) in modotale che ogni links abbia nor-malmente, rispetto al resto delsistema che lo precede, un sologrado di libertà.Se i giunti risultano essere innumero di N e ognuno fornisceun grado di libertà al braccioche segue (rispetto a quello chelo precede), i links sono in una

quantità di N+1 (con il primofisso solidale alla base) e i suc-cessivi N sono in movimento.

Lo studio cinematico degli arti,dal punto di vista robotico, ini-

zia con considerazioni di carat-tere geometrico. Osservata lastruttura dell’arto, quindi rico-nosciuti e modellati i giunti èpossibile sistemare delle ternecartesiane solidali con i tratti di

LA MATEMATICA,L’ANTROPOMORFISMO ELA PROGRAMMAZIONE

INTRODUZIONE ALLA ROBOTICAINTRODUZIONE ALLA ROBOTICA

di Massimilinao Bracci

[email protected]

Con questa ultima puntata si conclude “Introduzione alla Robotica”. Spero di

non avervi annoiato ma di aver trasmesso un buon movente affinché possiate

approfondire il settore della robotica in tutte le sue svariate argomentazioni.

quinta parte

ROBOMANIA

ROBOMANIA104

Figura 1: Articolazione con giunti

gamba (figura 2) o di un brac-cio (figura 3) che, a questopunto, si considerano comecorpi rigidi in modo da fissareuno zero relativo e definire laposizione dei vari punti.

Per definire la posizione dei varipunti di spostamento e per indi-viduare le rette delle direzioninello spazio, rispetto ad un

determinato sistema di riferi-mento, si utilizza la rappresen-tazione mediante i vettori e perrappresentare le rotazioni e glispostamenti si utilizzano lematrici.Consideriamo un punto P nellospazio di coordinate a,b,c, spa-zio definito dalla terna di assicartesiani x,y,z dove la direzio-ne è stabilita dai versori i, j, k, èpossibile individuare un vettoreposizione V =a*i+b*j+c*k. Talevettore risulta essere il segmen-to che unisce l’origine O degliassi con il punto P (con direzio-ne da O verso P) rappresentatomediante coordinate omoge-nee con una matrice colonna(vettore colonna):

f

l

m

w

V =

Dove f=a*w, l=b*w, m=c*w ew= fattore di scala necessarioper poter effettuare il prodottodella matrice colonna con lematrici di trasformazione.La trasformazione di un punto odi un vettore posizione indivi-duato nello spazio da una ternacartesiana può essere espressomediante l’applicazione di unamatrice di trasformazione: datoad esempio un vettore T =d*i+e*j+f*k la sua traslazione èeffettuata con:

Le matrici di trasformazione cheesprimono le rotazioni di unangolo di ampiezza θ attornoad ognuno degli assi cartesianix, y, z della terna di riferimentoassumono le seguenti forme:

Si prenda di riferimento un vet-tore posizione V, definito nellospazio da un sistema di riferi-mento cartesiano x,y,z, con iversori i,j,k:

V = 2*i+3*j+1*k

cosθ -senθ 0 0

senθ cosθ 0 0

0 0 1 0

0 0 0 1

Rot.(z, θ) =

cosθ 0 senθ 0

0 1 0 0

-senθ 0 cosθ 0

0 0 0 1

Rot.(y, θ) =

1 0 0 0

0 cosθ -senθ 0

0 senθ cosθ 0

0 0 0 1

Rot.(x, θ) =

1 0 0 d

0 1 0 e

0 0 1 f

0 0 0 1

H = trasl (d, e, f,)

ROBOMANIA 105

ROBOMANIA

Figura 2: Schema statico del corpo e gambe diun robot antropomorfo

Figura 3: Terna cartesiana di riferimento su mano

Si pensi di eseguire una rotazio-ne del vettore V attorno all’assez (verticale) con un angolo di90°.Utilizzando la matrice H1:matrice Rot (z, θ):

Ottenendo il vettore sposta-mento:

Se si pensa poi di ruotare il vet-tore U di un angolo do 90°attorno all’asse y ottenendo unvettore W.Usiamo la matrice rotazioneRot.(y, θ):

Non mi addentrerò ulteriormente

nel fantastico (o dannato)

mondo dell’algebra matriciale per

evitare che questa possa divenire

una pesante lezione. Lascio lo sti-

molo a voi appassionati così che

possiate, con non poca fatica,

approfondire l’argomento in

modo individuale.

La trasformazione tra un siste-ma di coordinate ed il suo pre-cedente permette di risalire,

1

2

3

1

W =

0 0 1 0 -3

0 1 0 0 2

-1 0 0 0 1

0 0 0 1 1

W = H2 * U =

-3

2

1

1

U =

0 -1 0 0 3

1 0 0 0 2

0 0 1 0 1

0 0 0 1 1

U = H1 * V =

nota la posizione del sistema diriferimento di base, all’esattalocalizzazione di tutti i puntidella struttura robotica. Le rela-zioni che legano la rototrasla-zione di un sistema di riferimen-to rispetto ad un altro si basano,normalmente, sul metodomatriciale di Denavit &Hartenberg. Le matrici di tra-sformazione che si ottengonocon questo metodo vengonoindicate con il nome matriciD-H. e tale rappresentazioneconsiste appunto nel realizzareuna matrice di trasformazioneomogenea i-1[D-H]i appartenen-te R4x4 che rappresenta il sistemadi coordinate del link i-esimo

rispetto al link precedente (i-1)-esimo.Per poter applicare questo tipodi soluzione occorre che tutte learticolazioni siano formate dasuperfici che possono scorrereuna sull’altra senza abbandona-re il contatto tra loro. Questi tipidi giunti vengono detti lower-pair e sono:

• Di rotazione semplice: pren-dendo un unico movimentiattorno ad un asse.

• Prismatici: con traslazionesemplice.

• Cilindrici: con due spostamen-ti, uno di traslazione ed uno dirotazione tra loro indipenden-ti.

• A vite: ancora con due sposta-menti ma con la traslazionedipendente dall’entità dellarotazione.

• Planari: con traslazionecomunque orientata su di unpiano.

• A sfera: con rotazione attornoad un punto.

Oltre quindi alle condizionicostruttive delle articolazioni,per applicare il metodo di D-Hoccorre anche assegnare adogni giunto del braccio un siste-ma di riferimento mobile con ilgiunto stesso.Quindi la framedel giunto si sposta solidaleall’articolazione a cui è associa-ta, per effetto del movimentodegli elementi che precedono ilgiunto nella catena cinematica,ma è fissa rispetto al tipo di spo-stamento effettuato dall’ele-mento successivo per effetto delmoto del giunto in oggetto. Inquesto modo è possibile deter-minare la posizione dell’ele-mento rigido successivo rispettoal sistema di riferimento asso-ciato al giunto stesso (figura 1).

Il passo successivo veramentearduo da affrontare, una voltarisolto il problema della cinema-tica è quello della modellazionedinamica.La cinematica del robot comegià detto riesce a descrive lageometria ed il movimento delmanipolatore e di ogni altrogiunto (a prescindere dallecause che lo hanno generato)nei due modi seguenti:

• Diretto: descrivendo la posi-zione e l’orientamento dell’or-gano interessato come unafunzione (non lineare) dellevariabili del giunto.

• Differenziale: descrivendo lavelocità lineare ed angolaredel l’organo interessato comefunzione della velocità delgiunto.

La dinamica del robot descrivela relazione tra le cause (coppie

ROBOMANIA

ROBOMANIA106

e forze) ed il loro effetto sulmovimento del giunto eanch’essa può essere sviluppatain due modalità:

• Diretta: date per note le cop-pie e le forze si determina ilmovimento.

• Inversa: dato un certo movi-mento si calcolano le forzenecessarie per eseguirlo.

Per ricavare il modello matema-tico-dinamico di sistemi mecca-nici articolati a più gradi dilibertà esistono diversi approccie tra i più importanti viene daricordare quello di Eulero-Lagrange dove, mediante ope-ratori matematici complessi, si

va a descrivere la formulazioneenergetica dei vari corpi rigidi(giunti, bracci, eccetera) calco-lando l’energia cinetica e quellapotenziale dovuta ad una deter-minata azione.

L’ANTROPOMORFISMOLa tecnica di locomozione ani-male largamente più diffusa innatura è quella che prevede l’u-tilizzo di gambe, piedi, zampe ein generale di arti (due, quattro,sei, otto, mille) e nella fattispe-cie quella che risulta essere lapiù evoluta ne prevede esatta-mente due.La necessità di realizzare unrobot (domestico e non) di con-cezione antropomorfa viene

classicamente illustrata con ilproblema delle scale. Sebbenesia possibile studiare particolariattrezzature che permettano alrobot di superare scale e gradi-ni queste normalmente risulta-no una grande limitazione nellefunzionalità della macchina ecomunque non permettono dirisolvere il problema degli spo-stamenti sui terreni sconnessi.Fornendo al robot lo stesso tipodi locomozione di cui siamodotati, possiamo evidentemen-te chiedergli di manovrare edoperare negli stessi ambienti neiquali noi operiamo.La concezione di un robotmobile deve quindi tenere inconsiderazione il tipo di spazio

ROBOMANIA 107

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nel quale la macchina dovràagire e se il nostro progettovuole avere la massima applica-bilità e flessibilità allora il robotdovrà necessariamente averedelle gambe.Quante gambe?La progettazione di un robotparte da una specifica sulle fun-zionalità che la macchina deveavere, ovvero dalla base deicompiti ai quali sarà poi desti-nato e la maggior parte deicompiti robotici oramai richiedeun certo dinamismo per esserecompetitiva nei confronti di unequivalente abilità umana. Se latecnica meccanica permette disfruttare frequenze di lavoromolto spinte lo stesso non valeper la tecnologia del controlloelettronico: per seguire l’evolu-zione dinamica di un sistemacomplesso come un robotmobile sono necessarie fre-quenze computazionali decisa-mente elevate.È per questo che un soddisfa-cente compromesso può esserequello di realizzare robot dina-micamente stabili in modointrinseco, così da poter con-centrare le risorse di controllo inuno sforzo più specifico.Il numero di gambe può esseregrande a piacere, se è vero cheall’aumentare del numero digambe l’equilibrio dinamico èmaggiormente garantito èanche vero che i gradi di ridon-danza del sistema da gestirecontemporaneamente annulla-no, di fatto, l’utilità di avernecosì tante.Le scelte possibili si riduconoquindi a robot bipedi, a trezampe, quadrupedi, esapodi edottapodi; ma di questi ultimi

non ne esistono molti.I robot bipedi hanno ancoragrandi problemi legati alla dina-mica del camminamento cheimplica molto di più del muoverei piedi in modo da metterli unodavanti all’altro e quindi il lorocampo di studio è ancora nellafase di ricerca di laboratorio.I robot a quattro zampe per-mettono la stabilità statica dellamacchina, ma non l’uniformitàdel movimento per via del fattoche il margine di stabilità è nor-malmente piuttosto ristretto.I robot esapodi garantisconoinvece più facilmente sia la sta-bilità statica (in ogni momentoalmeno tre appoggi sono garan-titi) che quella dinamica, mag-giore flessibilità nel passo dicamminamento, ma sono sicu-ramente più onerosi sia in termi-ni di costo che di controllo alivello di problemi di coordinate.I robot ottapodi rivestonoattualmente una categoria par-ticolare per applicazioni dove

sono richieste doti di mobilità edi direzionalità, hanno inoltre ilgrande pregio di poter mano-vrare normalmente in spaziristretti.

Vista la natura tridimensionaledi ognuno dei giunti ci si puòrendere conto come una sem-plificazione è strettamentenecessaria, pena l’aumentodella difficoltà del controllo deigradi di libertà che si moltiplicacon il numero delle gambe e deltipo di interazione che devonoavere tra loro.Fissiamo l’attenzione su di unarto in particolare. I gradi di libertà dell’anca, adesempio, che permettono uncosì ricco set di movimenticome quelli fisiologici vengonoridotti sulla base del tipo dicompito e quindi del tipo diimplementazione meccanicautilizzata per quel giunto, per ilquale il robot è progettato. Ungiunto che permetta la comple-

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ROBOMANIA108

Figura 4: Tipologie di articolazioni

ta mobilità dell’arto può venirerealizzato a patto di modificareperò completamente quelle chesono le caratteristiche dell’ispi-razione biologica dalle quali sivuole trarre spunto. I fattoristessi che mantengono a con-tatto e stabilizzano i capi artico-lari sono pressoché impossibili

da replicare artificialmente: ilegamenti e i fasci muscolarilavorano secondo una logicadifficile da ricostruire con le tec-niche ed i materiali che abbia-mo a disposizione a livellocostruttivo.Dal punto di vista della sempli-ce cinematica (figura 4) queste

articolazioni possono dividersiin: articolazioni a superfici piane(artrodia), a superfici sferiche(enartrosi), a superfici ellissoida-li (condilartrosi), a superficiecurvilinea convessa e concava(articolazioni a sella) ed infine asuperficie di contatto cilindrica(ginglimi laterali ed angolare).

ROBOMANIA 109

ROBOMANIA

Il robot WABIAN (WAseda BIpedal humANoid) dell’università giapponese di Waseda è unamacchina alta 1.66m, pesa 107kg e prevede due gambe antropomorfe per un totale di 43gradi di libertà. È capace di trasportare carichi fino a 2kg ad una velocità di 20cm/s. Èmovimentato utilizzando 15 motori a corrente alternata e ben 28 a corrente continua. Ilconsumo di questi attuatori non è stato dichiarato dai costruttori, ma è facile immaginarecome solo la parte di potenza comporti richieste energetiche non indifferenti.

Centaurob 1 della Paderborn University è un robot capace di trasportare fino a 50kg afronte di un peso proprio di 90kg.È altro 1.7m e consuma 200W, è capace di raggiungere una velocità massima di 1cm/s.

Il robot HITBWR-III (Harbin Inst. of Tech. Biped Walking Robot, cinese) segue una certa ispi-razione biologica, modellando le articolazioni come giunti rotazionali accoppiati tra loro.Si muove ad una velocità di 20cm/s e consuma 400W. È alto 1m, pesa 40kg ed è capacedi trasportare fino a 5kg.

Altri tipi di macchine prendono invece ispirazione da altra natura biologica, per cui le arti-colazioni vengono modellate diversamente. Sono un esempio lo Spring Flamingo del LegLaboratory dell’MIT ed il Meltran II, giapponese.

Particolare cenno meritano poi alcuni robot la cui ispirazione biologica dall’uomo vuoleessere particolarmente spinta. Esempi ne sono lo Shadow biped, del gruppo ShadowRobot Project, e l’Honda Human Robot, della Honda Motor Company.

Tabella 1: Alcune realizzazioni di Robot antropomorfi

Per questo, in ambito robotica,si limita la funzionalità di ognigiunto sulla base del compitoche l’arto deve svolgere, che ilpiù delle volte è quello del purocamminamento pianoIn tabella 1 potete notare alcu-ne realizzazione di robot antro-pomorfi.

PROGRAMMAZIONE DI UNROBOTProgrammare un robot vuoldire (specialmente in ambitoindustriale) dare ad esso tuttele istruzioni necessarie affinchécompia una certa azione,magari mantenendo un certoorientamento, di aprire o chiu-dere una pinza, di attendere unsegnale di consenso e questo

può essere effettuato in modotale da seguire una traiettoriaben precisa oppure una di tipocasuale.Esistono diversi metodi adatti aprogrammare un robot, ingenere si usa distinguere i meto-di di programmazione in duetipi fondamentali; quelli di istru-

zione manuale e quelli program-

mati con apposito linguaggio.

L’istruzione manuale, dettaanche programmazione perautoapprendimento, consistenel portare l’arto interessato(usualmente la mano) delrobot nei vari punti chedovranno essere raggiunti, nelfar memorizzare al sistema dicontrollo tutte le posizioni

desiderate e la velocità chedovrà essere mantenuta.Il primo metodo di program-mazione è stato quello Teach-in

mediante tastiera: programma-zione per autoapprendimanto.Si fa eseguire al robot lo spo-stamento desiderato memoriz-zandone gli spostamenti e lavelocità.

Dallo schema si vede comedurante la fase di apprendi-mento la pulsantiera in posi-zione 1 comanda l’attuatoreinteressato. Raggiunto la posi-zione desiderata il trasduttoredi posizione, mediante il pul-sante di memorizzazione,viene collegato alla memoriacosi da registrare i dati relativi

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ROBOMANIA110

Figura 5: Principio della logica di autoapprendimento Teach-in

alla posizione. Commutando ilselettore nella posizione 2 ilrobot può passare all’esecuzio-ne cioè svolgerà i programmiutilizzando come segnali diriferimento le posizioni prece-dentemente memorizzate.Con una tastiera di un pc puòessere programmato un robotin grado di muovere un soloasse alla volta.Nel caso in cui vi sia più assi damovimentare contemporanea-mente tale metodo non è piùidoneo. Può ad esempio essereimpiegata la programmazionemediante joystick. In presenzadi robot non cartesiani, tipoquelli articolati si può procede-re ad una programmazioneper autoapprendimento affer-rando l’estremità del bracciodel robot e guidandolo inmodo che esso si posizioni ovedesiderato. Una volta raggiun-ta la posizione i trasduttori diposizione dei singoli assi,mediante l’azionamento di unpulsante per la memorizzazio-ne vengono collegati tramitescheda A/D con la memoriacosì che questa possa registra-re i dati relativi alla posizione.

Il programma ottenuto, utiliz-zando uno dei molti linguaggi

di programmazione ad altolivello, può essere inserito scri-vendo le opportune istruzionidirettamente nella memoriadell’elaboratore di controllo.Le istruzioni variano a secondadel linguaggio di programma-zione utilizzato e contengonole informazioni sulle posizionida raggiungere, sul tipo ditraiettoria da seguire, sullavelocità da mantenere durante

lo spostamento… quindi perscrivere un programma dilavoro di un robot occorre uti-lizzare un linguaggio di pro-grammazione che metta a dis-posizione una serie di istruzio-ni che gli permetta di indivi-duare dei punti e angoli nellospazio e che siano in grado digestire le informazioni prove-nienti dai sensori e dai tra-sduttori.I metodi per raggiungere taliobiettivi sono usualmente due:quello di utilizzare un linguag-gio di programmazione giàesistente e adattarlo al nuovosistema robotizzato, oppurequello di ideare un nuovo lin-guaggio.La creazione di un linguaggiototalmente nuovo è, in ambitoindustriale, il metodo finorapiù seguito (soprattutto acausa della scarsa adattabilitàdei linguaggi esistenti ad assu-mere il controllo di macchinetanto diverse tra loro, qualiquelle attualmente disponibiliin commercio).Volendo scendere ancora neldettaglio c’è da dire che i lin-guaggi di programmazione adalto livello sono distinti tenen-do conto del metodo cheviene utilizzato dal sistema dicontrollo per comandare imovimenti delle articolazioni.La classificazione usualmenteutilizzata è quella che indivi-dua i diversi livelli:

• Livello dei giunti: si deveconoscere l’entità degli spo-stamenti eseguiti dagli attua-tori che muovono appunto igiunti.

• Livello della mano: si deve

conoscere la posizione ed irelativi spostamenti nellospazio (esempio: “portare lamano nel punto di coordina-te X1, Y1, Z1”).

• Livello dell’oggetto: il pro-gramma comunica al con-trollore quali sono gli ogget-ti interessati e quindi il robotdeve possedere anche unsistema sensoriale in grado didistinguere gli oggetti.

• Livello del compito: oltre allecapacità precedenti il robotdeve essere in grado di com-prendere e interpretare leimmagini.

In ambito sempre industriale,pur in presenza di svariati pro-blemi di non facile soluzione,l’utilizzazione dei linguaggi diprogrammazione diviene indi-spensabile per coordinare tuttii movimenti dei robot gestitida un cospicuo numero di sen-sori e trasduttori.

CONCLUSIONISiamo così giunti a termine diquesta “Introduzione allaRobotica”. Con questo articolosi conclude un percorso dovesi sono analizzate le principalicaratteristiche che identificanoquesto fantastico e vasto setto-re di tecnologia moderna.L’argomento è molto com-plesso ed io ho cercato di dareun’idea e suscitare interesse incoloro che intendono avvici-narsi alla robotica con unminimo di approccio sistema-tico.Ringrazio tutti i lettori chehanno inviato messaggi diapprezzamento per il lavorosvolto.

ROBOMANIA 111

ROBOMANIA

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database esterno semplificando la stesura di ordini,preventivi ecc. CadLogix consente di esportare lalista delle connessioni in differenti formati per l'im-piego con altri software quali ad esempio quelli peril disegno dei PCB.

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a

IN VETRINA112

CadLogix costituisce un potente strumento per la progettazione

elettronica. Dispone di funzioni avanzate per il disegno di simboli e

schemi elettrici di alta qualità, per la gestione delle librerie di componenti

e per la realizzazione dei modelli di simulazione. Include un simulatore

analogico in standard SPICE e un simulatore digitale interattivo.

librerie utilizzando gli strumentimessi a disposizione dal software. Sipossono realizzare simboli dinamici.I simboli dinamici hanno la proprie-tà di poter cambiare forma. Adesempio, il simbolo di un display asette segmenti può essere realizzato in modo chesia possibile, una volta posizionato il simbolonello schema, selezionare il numero visualizzatosul display.

PROGRAMMABILEÈ possibile estendere le funzioni del programmamediante il linguaggio di programmazione dellemacro. Ad esempio è possibile creare una proce-dura per importare un disegno memorizzato in unformato per il quale non è fornito un appropriatofiltro d'importazione oppure si può creare unnuovo filtro per l'esportazione della netlist. Il linguaggio di script deriva dal linguaggio C/C++dal quale eredita la grammatica, gli operatori, glielementi di punteggiatura, le parole riservate ecc.Questo consente a chi già conosce il linguaggioC/C++ di programmare direttamente senza doverapprendere un nuovo linguaggio di programma-zione. Non è richiesto alcun sistema di sviluppoesterno. Tutto ciò che serve per la programmazio-ne delle macro è già incluso e totalmente integra-to nell'ambiente di sviluppo di CadLogix.

SIMULAZIONE ANALOGICA, DIGITALE E MISTA CadLogix include un potente simulatore analogicoin standard SPICE e un veloce simulatore di circui-ti digitali consentendo di simulare circuiti con solocomponenti analogici, circuiti misti con compo-nenti sia analogici che digitali e circuiti con solocomponenti digitali. Il simulatore lavora diretta-mente sullo schema (sia a foglio singolo che sud-diviso in più pagine o in più documenti). È suffi-ciente disegnare lo schema e selezionare il tipo dianalisi per vedere immediatamente i risultati. Ogni segnale presente nel circuito può essereriportato in un diagramma semplicemente posizio-nando una sonda di misura sul nodo da analizzare.Al termine della simulazione vengono visualizzatele forme d'onda di tutti i segnali indicati dallesonde di misura presenti nello schema. È possibilevedere tutte le forme d'onda contemporaneamen-

te oppure due o soltanto una.Tramite i cursori si possono effettua-re misurazioni e marcare punti suldiagramma. Sono disponibili funzio-ni di zoom per visualizzare tutto osoltanto una parte del diagramma,

per spostare il cursore sul minimo o il massimo ecc.Non è necessario essere degli esperti di SPICE pereseguire le simulazioni. La sintassi è gestita diretta-mente dal software. Naturalmente per gli utentiesperti è possibile specificare direttamente le istru-zioni ed anche simulare direttamente circuitidescritti solamente tramite una netlist.Il simulatore analogico accetta tutti i modelli svi-luppati in puro standard SPICE. La maggior partedei produttori di componenti sviluppano modelliSPICE per una totale compatibilità con i simulatorianalogici. La libreria SIMDEVICES fornita includeoltre 7000 componenti completi di tutti i parame-tri richiesti per la simulazione. La libreria includecomponenti passivi (resistori, induttori e conden-satori ecc.), semiconduttori (diodi, transistors, FET,MOSFET ecc.), generatori analogici e digitali,amplificatori operazionali, circuiti logici, switches,strumenti di misura ecc.

Simulazione interattivaIl simulatore consente di seguire il funzionamentodei circuiti in un modo totalmente interattivo evisuale. Durante la simulazione è possibile modifi-care lo stato degli ingressi (ad esempio cambiandola posizione di un interruttore, di un potenziome-tro o di un pulsante) ed osservare immediatamen-te la risposta del circuito.

Creazione di nuovi modelliL'ambiente di sviluppo integrato in CadLogix con-sente di realizzare velocemente nuovi modelli disimulazione. Non è richiesto alcun sistema di svi-luppo esterno. Tutto ciò che serve per la program-mazione dei modelli è già incluso e totalmenteintegrato nell'ambiente di sviluppo di CadLogix.

RIFERIMENTIUlteriori informazioni su CadLogix possono esse-re trovate sul sito www.alterlogix.com dove èdisponibile per il download una versione diprova del software.

IN VETRINA 113

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