Sistemas de timers con RFIDZaraos Vazquez Jorge Alejandro , Toala Hernandez Jahaziel,

Rodrıguez Morales Guillermo de Jesus, Mendoza Perez Cristian Uziel

Instituto Tecnologico de Tuxtla Gutierrez, Chiapas

aleh.kz@hotmail.com

angelblack 035@hotmail.com

uziel batery92@hotmail.com

nemesis rmgj@hotmail.com

Resumen – En esta practica utilizaremos unStellaris, donde se quiere manipular la trama dedatos que recibira del RFID, se configuraran lasUART’s, timers, como objetivo principal es man-dar una trama desde el Stellaris y dependiendo delRFID si hay un tag cerca responder con una tramacon lo bits del tag e indicar en que momento llego.

I. INTRODUCCION

UART es el componente clave del subsistema de comunica-ciones series. El UART toma bytes de datos y transmite losbits individuales de forma secuencial. En el destino, un segundoUART reensambla los bits en bytes completos. La transmisionserie de la informacion digital (bits) a traves de un cable unicou otros medios es mucho mas efectiva en cuanto a costo que latransmision en paralelo a traves de multiples cables. Se utilizaun UART para convertir la informacion transmitida entre suforma secuencial y paralela en cada terminal de enlace. CadaUART contiene un registro de desplazamiento que es el metodofundamental de conversion entre las forma serie y paralelo. Latransmision serial es aquella donde la informacion es enviadabit por bit hacia un determinado destino. Es lenta pero muchomas confiable por lo que tiende a usarse para transmisionesa larga distancia que no requieran de altas velocidades derespuesta.

De tal manera el reloj interno del receptor, que conoce lavelocidad de transmision de los bits examina la lınea de tiem-pos y puede reconocer el inicio y fin de una trama. El tiempodel bit de paro puede ser el concerniente a uno o dos bits, quees el tiempo que necesitaran las unidades para sincronizarsede nuevo. Las etiquetas o tags son unos dispositivos pequenos,similares a una pegatina, que pueden ser adheridas o incor-poradas a un producto, un animal o una persona. Contienenantenas para permitirles recibir y responder a peticiones porradiofrecuencia desde un emisor-receptor RFID. Las etiquetaspasivas no necesitan alimentacion electrica interna, mientrasque las activas sı lo requieren. Una de las ventajas del usode radiofrecuencia (en lugar, por ejemplo, de infrarrojos) esque no se requiere vision directa entre emisor y receptor.

II. FUNDAMENTOS TEORICOS

A. Stellaris LM4F120

El stellairs LM4F120 LaunchPad Evaluation Boardes una plataforma de evaluacion de bajo costo paraARM Cortex -M4F basados en microcontroladores deTexas Instrument, el diseno de el LaunchPad stellarisdestaca LM4F120H5QR microcontrolador con un dispos-itivo de interfaz USB 2,0 y un modulo de hibernacion.

El EK-LM4F120XL tambien cuenta con botones pro-gramables de usuario y un LED RGB para aplicacionespersonalizadas, las cabeceras de la apilables Stellaris R©LM4F120 LaunchPad BoosterPack XL hace que sea facily sencillo para ampliar la funcionalidad de la StellarisR© LaunchPad, al conectarse a otros perifericos conStellaris R© BoosterPacks y BoosterPacks MSP430 TM.

El Stellaris R© LM4F120 LaunchPad funciona a bordode emulacion, lo que significa que se puede programar ydepurar sus proyectos sin la necesidad de herramientasadicionales.Compatibilidad del BoosterPackDos de doble-genero, 20-pines de cabeceras apilables ofrecen grandesopciones de conexion de la caja.

Estos 40 pines permiten anadir soporte de pantallas,interfaces inalambricas, sensores y otras capacidades a losproyectos muy facilmente y tambien ofrecen compatibili-dad basica con los actuales MSP430 y C2000 LaunchPad’s.

El microcontrolador Stellaris ofrece una LM4F120H5QR80 MHz, 32-bit ARM Cortex-M4 CPU con pun-to flotante, 256Kbytes de 100.000 FLASH ciclo deescritura-borrado y muchos perifericos tales como ADC1MSPS, 8 UARTs, 4 SPIs, 4 I2Cs, USB y hasta 27timers, algunos configurable hasta 64 bits. Dos in-terruptores de uso general de usuarios, un boton dereinicio, LED de encendido y LED programable RGB.

Fig. 1 Stellaris LM4120 LaunchPad

B. UART

UART son las siglas de Universal AsynchronousReceiver-Transmitter”( en espanol, Transmisor-ReceptorAsıncrono Universal ). Este controla los puertos y dis-positivos serie. Se encuentra integrado en la placa baseo en la tarjeta adaptadora del dispositivo. Un UARTdual, o DUART, combina dos UARTs en un solo chip. Elreceptor / transmisor asıncrono (UART) API universalproporciona un conjunto de funciones para el uso de losmodulos UART Stellaris. Se proporcionan funciones paraconfigurar y controlar los modulos UART, para enviar yrecibir datos, y para gestionar las interrupciones para losmodulos UART.

El Stellaris UART realiza las funciones de conversionesde paralelo a serie y serie-paralelo. Es muy similar en fun-cionalidad a un 16C550 UART, pero no es compatible.Algunas de las caracterısticas de la Stellaris UART son:

Un poco 16x12 FIFO de recepcion y un poco 16x8transmision FIFO.

Generador de velocidad en baudios programable.

Generacion automatica y extraccion de inicio,parada y bits de paridad.

Interfaz serial programable.

5, 6, 7, o 8 bits de datos, par, impar, palo o ningu-na generacion bit de paridad y deteccion, 1 o 2bits de parada generacion generacion de velocidadde transmision, de la CC a procesador clock/16

Este controlador se encuentra en driverlib/uart.c, condriverlib/uart.h que contiene las definiciones de API parael uso de aplicaciones.

Fig. 2 Diagrama Bloques UART

C. Timer

Temporizadores programables se pueden usar para con-tar o tiempo de acontecimientos externos que impulsanlos pines de entrada del temporizador. El modulo tempo-rizador de uso general Stellaris R© (GPTM) contiene seisbloques GPTM 16/32-bit y seis 32/64-bit bloques GPTManchas. Cada bloque GPTM 16/32-bit proporciona dostemporizadores / contadores de 16 bits (denominado tem-porizador Temporizador A y B) que se puede configurarpara funcionar de forma independiente o como tempo-rizadores contadores de eventos, o concatenados para op-erar como un temporizador de 32 bits o de 32 bits de unreloj (RTC) en tiempo real. Cada bloque 32/64-bit AmpliaGPTM ofrece temporizadores de 32 bits para el Timer Ay B del temporizador que puede ser concatenados paraoperar como un temporizador de 64 bits. Temporizadorestambien se pueden utilizar para desencadenar transferen-cias uDMA.

Fig. 3 Diagrama Bloques TIMER

D. Comunicacion Serial Asıncrona

El otro metodo, el utilizado en las computadoras,consiste en agregar marcadores dentro del flujo de bitspara ayudar a seguir cada bit de datos. al introducirun bit de inicio que indica el inicio de un corto flujode datos, la posicion de cada bit puede ser determinadocronometrando los bits a intervalos regulares, enviandobits de inicio al comienzo de cada flujo de 8 bits losdos sistemas pueden no estar sincronizados por unasenal de reloj, lo unico que es importante es que am-bos sistemas esten configurados a la misma velocidad.

Cuando el dispositivo receptor de la comunicacion recibeel bit de inicio comienza un temporizador de corto tiempo.Al mantener los flujos cortos no hay suficiente tiempo paraque el reloj salga de sincronıa. Este metodo es conocidocomo comunicacion asıncrona debido a que las terminalesde la comunicacion no estan sincronizados por una lıneade senal.

Cada flujo de bits es separado en grupos de 5a 8 bits llamados palabras. Usualmente en el am-biente de la computacion se encuentran palabrasde 7 y 8 bits, el primero es para acomodar to-das las letras mayusculas y minusculas del alfabetoen codigo ASCII, con un total de 127 caracteres.

Las palabras de 8 bits son utilizadas para correspondera un byte. Por convencion, el bit menos significativo dela palabra es enviado primero y el mas significativo alfinal. Durante la comunicacion, el transmisor codificacada palabra agregandole un bit de inicio al principioy 1 o 2 bits al final. Algunas ocasiones agregara unbit de paridad entre el ultimo bit de la palabra y elprimer bit de paro, esto es utilizado como como verifi-cacion de integridad de datos. Al paquete de bits quese transmiten usualmente se le llama marco de datos.

Fig.4 Marco de datos de comunicacion serial asıncrona.

E. Interrupciones

La API de controlador de interrupciones proporcionaun conjunto de funciones para hacer frente a la interrup-cion Vectored anidada Controller (CNTV). Se proporcio-nan funciones para habilitar y deshabilitar las interrup-ciones, regıstrese interrumpir manipuladores, y establecerla prioridad de las interrupciones.

La CNTV proporciona enmascaramiento global deinterrupcion, priorizacion y manejador de enviar. Disposi-tivos dentro la familia Stellaris soporta hasta 154 fuentes

de interrupcion y ocho niveles de prioridad. interrupcionindividual fuentes pueden ser enmascarados, y la inter-rupcion del procesador se pueden mundo enmascaradostambien (sin afectan las mascaras de origen individuales).

La CNTV se acopla perfectamente con el micro-procesador Cortex-M. Cuando el procesador respondea una interrupcion, el NVIC suministra la direccion dela funcion para gestionar la interrupcion directamentea la procesador. Esta accion elimina la necesidad deun controlador de interrupcion global que consulta lainterrupcion controlador para determinar la causa de lainterrupcion y la rama para el controlador apropiado,reduciendo interrumpir el tiempo de respuesta.

F. RFID

RFID (siglas de Radio Frequency IDentification, enespanol identificacion por radiofrecuencia) es un sistemade almacenamiento y recuperacion de datos remotoque usa dispositivos denominados etiquetas, tarjetas,transpondedores o tags RFID. El proposito fundamentalde la tecnologıa RFID es transmitir la identidad de unobjeto (similar a un numero de serie unico) medianteondas de radio.

Las tecnologıas RFID se agrupan dentro de las denomi-nadas Auto ID (automatic identification, o identificacionautomatica) El tipo de antena utilizado en una etiquetadepende de la aplicacion para la que esta disenado y de lafrecuencia de operacion. Las etiquetas de baja frecuencia(LF, del ingles low frequency) normalmente se sirven dela induccion electromagnetica. Como el voltaje inducidoes proporcional a la frecuencia, se puede producir elnecesario para alimentar un circuito integrado utilizandoun numero suficiente de espiras.

Fig.5 Gen 2 Reader RFID

G. TAG

Las etiquetas RFID (RFID Tag, en ingles) sonunos dispositivos pequenos, similares a una pegati-na, que pueden ser adheridas o incorporadas a unproducto, un animal o una persona. Contienen ante-nas para permitirles recibir y responder a peticionespor radiofrecuencia desde un emisor-receptor RFID.

Las etiquetas pasivas no necesitan alimentacionelectrica interna, mientras que las activas sı lo re-quieren. Una de las ventajas del uso de radiofrecuencia(en lugar, por ejemplo, de infrarrojos) es que nose requiere vision directa entre emisor y receptor.

La etiqueta RFID, que contiene los datos de identifi-cacion del objeto al que se encuentra adherido, genera unasenal de radiofrecuencia con dichos datos. Esta senal puedeser captada por un lector RFID, el cual se encarga de leerla informacion y pasarla en formato digital a la aplicacionespecıfica que utiliza RFID.

Fig.6 Etiqueta o TAG

III. DESARROLLO DE LA PRACTICA

Para hacer el desarrollo de una manera entendible esrealizado un diagrama de procesos donde se muestra deforma estructurada como realizamos la practica. Se puedeobservar en la siguiente figura.

Fig.7 Diagrama de procesos.

A. Eleccion de practica

En base en practicas anteriores con avances obtenidosde transmision y recepcion de datos, interrupcionescon times, contador con timer con respecto a eso

se fusiona y crea un unico proyecto designado atransmitir una trama al RFID y recibiendo su re-spuesta dependiendo si la tag esta cerca o lejos.

B. Diseno

Planteamos una propuesta de diseno.

Fig.8 Diagrama de la practica

Para poder configurar las UART’s antes debemos saberen donde estan ubicadas en que perifericos en que pinesrealizamos la busqueda de estos en el datasheet y los plas-mamos en un mapa de pines.

Fig.9 Mapa de pines UART

C. Diagrama esquematico electronico

El diseno propuesto en el punto anterior se pasa a unprograma para generar un diseno en Ares una herramientade diseno y modelado de circuitos electronicos, en el cualse establece las conexiones de los circuitos.

Para la creacion del diseno de nuestra placa primera-mente se hizo un diagrama de las conexiones necesariaspara despues pasarla por una serie de modificaciones,que al concluir se obtuviera un diagrama evolutivo quesatisfaga nuestra necesidad pero sin poner conexionesinnecesarias.

Despues de que se obtuvo el diseno final se plasmoel diagrama de nuestra placa aun software, en este casose utilizo Proteus 8 para realizar las conexiones de losdispositivos que se utilizaron y asi se pueda hacer lacreacion fısica de nuestra placa donde se transforma unasenal RS-232 que estara conectado a la placa por mediode un jack rj11 con una salida convertida por el max232a una transmision TTL donde alimentaremos la placa con3.3v

Fig.10 Diseno optimo en herramienta Proteus (ARES)

Fig.11 Diseno optimo en herramienta Proteus (PISTAS)

Fig.12 Diseno utilizado (PISTAS)

D. Diseno y fabricacion del PCB

Para el desarrollo de la placa se utiliza la herramientaProteus ISIS y ARES para hacer las pistas, en esta etapase desarrollaran las pistas para poder imprimirlas en papelcouche se crean las pistas lo mas gruesas posibles para quelas pistas queden bien y no haya ninguna pista quebradao causen algun puente entre ellas.

Para fabricar la placa necesitamos :

•PCB •Papel couche •Impresora laser •Plancha•Cloruro ferrico •Taladro •Broca 1/32 •Acetona•Capacitor 1 mf •Max232 •Jack rj11 •Cautın

Primero que nada para fabricar la placa PCB una vezteniendo el diseno se imprime en una impresora laser y enpapel couche para que despues de eso se planche el papelsobre de el PCB aproximadamente de 15 a 20 minutos.

Fig.13 Planchado de el diseno en el PCB

cuando el papel ya se esta quemando toda la tinta quedapegada ala placa se pasa por agua para retirar todo el papelque tiene

Fig.14 Lavado en agua para retirar papel

Una vez lavado y que se quito la mayorıa del papel sebana de igual forma en cloruro ferrico

Fig.15 Lavado en cloruro ferrico

Para que corroa el cobre y solo donde tiene tinta per-manezca el cobre una vez terminado esto la pasamos al-cohol o acetona para limpiar toda la tinta y solo quede elcobre.

Fig.16 Cobre lavado del PCB

Despues de esto procederemos hacer los orificios con eltaldaro donde introduciremos los componentes de la placasoldamos los materiales y la placa quedara lista.

E. Algoritmo

Ajustar el reloj para que se ejecute desde el cristal Ha-bilitar perifericos de cada UART Habilitar los puertos cor-respondientes de cada UART Establecer pines GPIO Rxy Tx de cada UART Configurarlos los pines como UARTConfigurar la velocidad de transmision de cada UART Ha-bilitamos el FIFO para transmision y recepcion Configu-ramos la interrupcion para UART0 Declaramos cuando vaentrar en la interrupcion Configurar timer Habilitar inter-rupcion del timer Habilitar que entre cada segundo Limpiala direccion base de la UART0 Se verifica si hay datosdisponibles en la direccion de UART Obtiene el dato quehay en la direccion Si hay tag, mandar el tiempo en quellego

•Ajustar el reloj para que se ejecute desde elcristal•Habilitar perifericos de cada UART•Habilitar los puertos correspondientes de cadaUART•Establecer pines GPIO Rx y Tx de cada UART•Configurarlos los pines como UART•Configurar la velocidad de transmision de cadaUART•Habilitamos el FIFO para transmision y recep-cion•Configuramos la interrupcion para UART0•Declaramos cuando va entrar en la interrupcion•Configurar timer•Habilitar interrupcion del timer•Habilitar que entre cada segundo•Limpia la direccion base de la UART0•Se verifica si hay datos disponibles en la direc-cion de UART•Obtiene el dato que hay en la direccion•Si hay tag, mandar el tiempo en que llego

F. Programacion

Como en el algoritmo seguimos los pasos primero quenada ajustamos el reloj para que se ejecute desde el cristal.

Habilitamos los perifericos de cada UART poniendo lapalabra UARTx (x el numero de UART), habilitamos lospuertos correspondientes de las UART’s habilitamos puer-to ”A” para UART0, puerto “B” para UART1, puerto “C”para UART3 y 4, puerto “D” para UART 2 y 6, puerto “E”para UART 5 y 7.

Fig.17 Configuracion de perifericos y puertos UART

Establecemos los pines de UART0 PA0(RX) y PA1(TX)y los establecemos como tipo UART a este y todoslos pines, establecemos los pines de UART1 PB0(RX) yPB1(TX), establecemos los pines de UART2 PD6(RX) yPD7(TX) , establecemos los pines de UART3 PC6(RX)y PC7(TX), establecemos los pines de UART4 PC4(RX)y PC5(TX), establecemos los pines de UART5 E4(RX) yE5(TX),

establecemos los pines de UART6 PD4(RX) y PD5(TX),establecemos los pines de UART7 E0(RX) y E1(TX). Enel caso de UART1, UART2, UART3, UART4, UART5,UART6, UART7 configuramos la resistencias pull-up paraque se habiliten.

Fig.18 Configuracion de pines y resistencias pull-up UART

Configuramos la velocidad de transmision de datos a9600 baudios establecemos nuestros bits de paridad y deparada en cada direccion de UART.

Configuramos timer en su direccion base, lo estable-cemos como de 32 bits, e igualamos una variable aSysctlClockget() que como estamos trabajando a 40MHz estamos igualando esa variable a 40000000, de-spues de esto con una funcion del timer definimos dedonde comenzara y hasta donde terminara el timerdeclaramos que iniciara en timerA=0 hasta la variableque declaramos como SysctlClockget() -1 porque menosuno porque como va empezar desde cero se le resta uno.

Fig.19 Configuracion de timer

Habilitamos la interrupcion para UARTx BASE y paraTIMER y declaramos comova entrar en esas interrup-ciones, para poder hacer que funcionen estas interrupcionestenemos que declararlas dentro del startup ccs.c.

Fig.20 Interrupciones TIMER y UART

Dentro de un ciclo while(1) enviamos caracteres con unafuncion de la UART estableciendo la direccion base de lauart y la trama que nos indicara si hay o no un tag cercano.

Fig.21 Enviar caracteres a cada UART

En la interrupcion de la UART primero que nadalimpiamos el estado de la UART despues de eso con unacondicion le decimos que si tiene algun caracter disponibleen la direccion base de la UART entre en un ciclo, den-tro de ese ciclo obtenemos lo que tiene esa direccion basey de nuevo con una condicion si lo que se obtuvo de esadireccion es una trama de respuesta de que hay un tagcercano que con UARTprintf me imprima en que UARTesta conectada esa antena y en que tiempo llego.

Fig.22 Interrupcion UART

En la interrupcion del timer limpiaremos el timer paraque una vez que salga de la interrupcion vuelve a ejecu-tarse inmediatamente, dentro de esta interrupcion de unsegundo mandara a llamar a un metodo donde una variableincrementara en 1 cada que se ejecute ası de esta forma lounico que haremos es aplicar formulas de conversion parasaber en que hora, minuto y segundo llego.

Fig.23 Interrupcion TIMER

G. Resultados

Ya que en la hyperterminal solo podemos visualizar loque tenemos en UART0 esta UART no la utilizamos comomedio de transmision de datos a las antenas. El contadorde timer siempre se esta ejecutando y mostrandolo en laHyperterminal.

Fig.24 timer: contador

Prueba con una antena conectada a un PCB unico.

Fig.25 primera prueba

Prueba ya con la placa PCB terminada con las antenaspara demostrar la transmicion y recepcion de datos.

Fig.26 Prueba con las antenas

Muestra en la Hyperterminal de la llegada del TAG.

Fig.27 timer: llegada del tag

IV. CONCLUSIONES

El proposito de la proyecto se alcanzo, la comunicacioncon la antena se logro enviar y recibir tramas en hexadec-imal, pudiendo manipular la trama de respuesta de la an-tena, ademas de que con eso se puede hacer el sistemas decompetencias en una prueba de natacion.

Referencias

[1] Stellaris LM4F120H5QR Microcontroller, Data Sheet Texas In-struments Incorporated, 108 Wild Basin, Suite 350 Austin, TX78746

[2] Stellaris peripheral driver library, User’s Guide, Texas Instru-ments Incorporated, 108 Wild Basin, Suite 350 Austin, TX 78746

[3] http://e2e.ti.com/support/microcontrollers/stellaris arm/f/471/t/185704.aspx

[4] http://jmnlab.com/usart/usart.htmlhttp://jmnlab.com/usart/usart.html

[5] http://www.tecnotopia.com.mx/mecatronica/ puertoserialasin-crono.htm

[6] http://www.ti.com/ww/en/launchpad/stellaris head.html

[7] http://www.ti.com/lit/an/spma017/spma017.pdf

[8] http://www.bluesock.org/ willg/dev/ascii.html

[9] http://www.ti.com/tool/ek-lm4f120xl

[10] http://www.kimaldi.com/productos/sistemas rfid/lectores rfidy tags 125 khz/pulseras y llaveros rfid de 125 khz

[11] http://www.egomexico.com/tecnologia rfid.htm