Segnali di luce A.S. 2010/2011. Guglielmino Paolo & Mariani Alessandro

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1 Segnali di luce Guglielmino Paolo & Mariani Alessandro A.S. 2010/2011 Tecnologie di trasmissione digitale delle informazioni attraverso l uso di fibre ottiche. Studio delle problematiche di sincronizzazione, di trasmissione e forme di dispersione del segnale. Esempio pratico di trasmissione dati in digitale tra due personal computer, attraverso rso l uso del microcontrollore Arduino e di una fibra ottica prodotta artigianalmente utilizzando una resina poliestere. Istituto Tecnico Industriale Enea Mattei Indirizzo Informatica ABACUS

2 Indice Premessa... Pag Introduzione alle tecnologie di trasmissione dei dati... Pag Costituzione della fibra ottica... Pag Principi di funzionamento... Pag Dispersione e attenuazione del segnale... Pag Tipologie... Pag Soluzioni tecniche... Pag Uso della fibra nelle telecomunicazioni... Pag Finestre di trasmissione... Pag Installazione e problemi di giunzione... Pag Cenni storici sull uso della fibra ottica... Pag Trasmissione dati con Arduino e fibra ottica... Pag Il microcontrollore Arduino... Pag Fibra ottica home-made... Pag Schema del progetto... Pag Codifica e sincronizzazione del segnale... Pag Codice sorgente... Pag Programma Arduino... Pag Software C#... Pag Risultati e conclusioni... Pag. 18 Bibliografia... Pag. 19

3 PREMESSA L argomento di questa tesina è una delle maggiori tecnologie per la trasmissione di informazioni utilizzate oggi. Abbiamo deciso di trattare questa forma di comunicazione per evidenziare l evoluzione delle tecnologie di trasmissione dei dati, che con l implementazione su fibra ottica hanno raggiunto livelli di velocità ed affidabilità un tempo impensabili. Per prima cosa abbiamo trattato l argomento in forma teorica, dal punto di vista elettronico e matematico parlando dei fenomeni di rifrazione della luce e delle caratteristiche dei materiali utilizzati, dimostrando le migliori modalità e tecniche di trasmissione da adottare. Inoltre abbiamo brevemente accennato lo sviluppo e l evoluzione delle tecnologie di trasmissioni ottiche nel corso della storia, fino ad arrivare a parlare dell utilizzo della fibra ottica nello specifico campo delle telecomunicazioni. Abbiamo deciso di concludere la trattazione con un piccolo progetto a scopo dimostrativo da noi creato, il quale consiste in una semplice dimostrazione di trasmissione di un file di testo tra due PC, utilizzando la tecnologia di comunicazione sopra descritta, creando un modello in scala di un cavo in fibra ottica, realizzato artigianalmente con materiali che possiedono caratteristiche simili a quelli realmente utilizzati nelle telecomunicazioni. 1

4 1. INTRODUZIONE ALLE TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE DEI DATI La trasmissione delle informazioni attraverso le reti di fonia/dati comporta una scelta del mezzo trasmissivo più idoneo, che fornisca buone prestazioni ma che allo stesso tempo sia in grado di contenere i costi. I costi iniziali devono essere controbilanciati dalla capacità di far fronte alle richieste di prestazioni sempre più elevate, in modo da fornire un sistema di collegamento flessibile e disponibile a supportare le innovazioni tecnologiche del mercato. Un parametro fondamentale da prendere in considerazione nella scelta del mezzo trasmissivo è la prestazione che si intende ottenere, che possono variare da poche centinaia di bps (bit per secondo) a miliardi di bps. Il cavo che assicura le prestazioni migliori è un mezzo poco dispersivo e poco dissipativo. Sia il trasmettitore che il ricevitore devono adattarsi alle caratteristiche del mezzo trasmissivo per ottimizzare la trasmissione dei dati, quindi aumentare il più possibile il rapporto potenza ricevuta/potenza trasmessa. I mezzi trasmissivi si dividono in tre categorie: Elettrici Ottici Wireless Nella prima categoria troviamo mezzi come il doppino telefonico o il cavo coassiale, nella seconda troviamo la fibra ottica e nell ultima ponti radio, satelliti, dispositivi bluetooth e in generale tutte le trasmissioni via etere. Date le grandi necessità di banda trasmissiva e di affidabilità della comunicazione, il mezzo più diffuso oggi è la fibra ottica, che assicura una grande velocità, affidabilità e immunità ai disturbi elettromagnetici. La fibra è usata principalmente dalle aziende e dagli ISP per la creazioni di dorsali ad alta capacità, tuttavia recentemente l uso di questa tecnologia di trasmissione si sta diffondendo anche tra le piccole aziende ed i privati. TIPOLOGIE DI MEZZI TRASMISSIVI 2

5 2. COSTITUZIONE DELLA FIBRA OTTICA La fibra ottica è composta da due strati concentrici di materiale trasparente estremamente puro: Nucleo cilindrico centrale (core) Mantello (cladding), che avvolge il core Il core ha un diametro molto piccolo (circa 10µm per le fibre Monomodali e 50µm per le Multimodali), il cladding ha un diametro di circa 125µm. I due strati sono composti da materiali con indice di rifrazione leggermente diverso, il cladding ha un indice di rifrazione minore rispetto al core, tipicamente gli indici sono rispettivamente 1,475 e 1,5. Oltre a questi due strati principali, la fibra ottica è rivestita da un terzo strato chiamato buffer, che deve avere uno spessore maggiore della lunghezza di smorzamento dell onda evanescente 1, in modo da catturare la luce che non viene riflessa nel core. La fibra ottica funziona come uno specchio tubolare, la luce entra con un certo angolo e viene continuamente riflessa nel core fino a raggiungere l estremità opposta. La parte esterna della fibra è rivestita da una guaina protettiva polimerica detta jacket che serve a proteggere la fibra ottica dagli stress fisici, dalla corrosione e evita il contatto tra la fibra e l ambiente esterno. Le fibre si distinguono in base al diametro del core, agli indici di rifrazione, alle caratteristiche del materiale e al drogaggio (aggiunta di piccole quantità di altri materiali per modificare le caratteristiche ottiche). 1. Core 10µm 2. Cladding 125µm 3. Buffer 250µm 4. Jacket 400µm Il core e il cladding possono essere realizzati in silice oppure in polimeri plastici. Silice La fibra ottica consiste in una sola fibra di vetro. Le fibre vengono costruite partendo da silice purissima, che viene ottenuta dalla reazione fra il tetracloruro di Silicio e l Ossigeno. Il Silicio destinato a formare il core viene drogato con del Germanio (sottoforma di tetracloruro di Germanio) in modo da aumentare l indice di rifrazione senza variare l attenuazione. Nel Silicio che andrà a formare il cladding viene aggiunto del Boro per ridurre l indice di rifrazione. Le fibre realizzate con questo procedimento hanno un diametro estremamente ridotto, perciò sono molto fragili e hanno un apertura numerica molto piccola (NA 0.16) oltre ad essere difficili da raccordare. Polimeri La fibra è costituita interamente da una materia plastica. La dimensione del core di questo tipo di fibra è molto più grande (1 mm) rispetto alla fibra in silice, questo comporta un apertura numerica più elevata e la possibilità di realizzare fibre multimodali. Inoltre questo tipo di fibra risulta facile da maneggiare, tuttavia ha un attenuazione abbastanza elevata e una scarsa resistenza termica. 1 Onda evanescente: particolare tipo di onda elettromagnetica piana non uniforme, fondamentale nello studio di fenomeni quali la riflessione totale 3

6 3. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO Lo studio della propagazione della luce all interno delle fibre ottiche si effettua con l ipotesi di validità delle leggi che regolano l ottica geometrica. Le fibre ottiche trasmettono il segnale ottico sfruttando il fenomeno della riflessione totale interna. Un raggio luminoso che incide su una superficie di interfaccia tra due materiali con indici di rifrazione diversi viene in parte riflesso e in parte rifratto, secondo la nota legge di Snell: n1*sen(α) = n2*sen(β) α è l angolo di incidenza del raggio rispetto alla normale, cioè alla retta perpendicolare alla superficie di incidenza. β è l angolo che il raggio rifratto forma con la stessa normale nel secondo materiale. In una fibra ottica n1 sarà l indice di rifrazione del core, e n2 quello del cladding. Poiché n2 < n1, β tende ad aumentare al crescere di α, fino ad arrivare alla condizione per cui si ha β = π/2, ovvero l assenza di raggio rifratto. In questa situazione si ha il fenomeno della riflessione totale, grazie al quale il raggio di luce resta totalmente dentro il core della fibra e lo percorre fino all altra estremità. L angolo di incidenza della luce oltre al quale si ha l assenza di rifrazione è αl = arcsin(n2/n1), chiamato angolo limite. 4

7 Affinché il generico raggio incida sempre, sulla discontinuità tra core e cladding, con angolo superiore ad αl, è necessario che esso venga introdotto ad una estremità ottica entro un certo angolo di accettazione della fibra (ricavabile utilizzando sempre la legge di Snell): L ampiezza del cono di accettazione è uguale a 2* фl. фl = arcsin( (n1 2 n2 2 )) Un eventuale raggio iniettato nella fibra al di fuori del cono di accettazione, andrà poi ad incidere sulla separazione core-cladding con angolo inferiore al valore critico e quindi si perderà nel mantello a seguito della rifrazione. Una grandezza molto importante nello studio delle fibre ottiche è l apertura numerica (N.A.). L'apertura numerica, N.A., NA AN o A N in ottica è un parametro, un numero adimensionale che indica il massimo angolo utile al sistema per ricevere od emettere luce. Nelle fibre ottiche l'apertura numerica indica il numero di modi in cui la luce si può propagare attraverso la fibra. Esso è anche strettamente legato all'ampiezza del cono di accettazione. L apertura numerica è definita come: N.A. = (n2 2 n1 2 ) Il suo valore in genere varia tra 0,1 e 0,3. 5

8 4. DISPERSIONE E ATTENUAZIONE DEL SEGNALE Le perdite delle fibre ottiche si possono classificare in quelle che deformano il segnale d ingresso (dispersione) e in quelle che ne determinano l attenuazione. Lo studio delle caratteristiche delle fibre ottiche è importante per determinare la capacità del canale trasmissivo e la massima distanza copribile tra trasmettitore e ricevitore senza l utilizzo di ripetitori. 4.1 Tipologie Il rapporto tra la potenza trasmessa e quella ricevuta definisce l attenuazione della fibra, che è funzione della lunghezza d onda, del tipo di fibra e delle eventuali sollecitazioni meccaniche che agiscono sulla fibra. Le cause di attenuazione possono essere intrinseche ed estrinseche. Le prime sono insite nella struttura fondamentale del materiale e non possono essere eliminate, le seconde possono invece ricondursi alla presenza di impurità ed essere ridotte affinando il processo produttivo. Il coefficiente di attenuazione è misurato in decibel: db = 10*log 10 (P in /P out ) Occorre tener conto dell attenuazione introdotta da connettori e giunzioni. Un connettore installato correttamente introduce un attenuazione compresa tra 0,3 e 0,7 db. Una giunzione invece presenta solitamente un attenuazione che varia da 0,1 a 0,3 db. Inoltre bisogna considerare l attenuazione dell inserzione del diodo trasmettitore nella fibra, che vale 0dB se si tratta di un diodo laser, mentre statisticamente vale 13dB per un diodo led. Infine è presente anche un attenuazione all inserzione fibra-ricevitore, che diventa trascurabile quando la superficie del ricevitore è maggiore di quella del core della fibra. In definitiva è possibile calcolare statisticamente l attenuazione di un tratto di linea in fibra ottica con questa formula: A TOT = A tx + n conn * A conn + l * A fibra + n giunz * A giunz + A rx Dispersione Modale Tipologia di dispersione dovuta al fatto che il raggio luminoso non percorre sempre lo stesso cammino all interno della fibra, ma può seguire diverse strade (derivanti dalla legge di Snell). Ci sono modi attraverso i quali il raggio arriva più velocemente a destinazione, altri invece che lo fanno arrivare più tardi. Il primo caso limite è il raggio che percorre la fibra ottica completamente dritto, senza alcuna riflessione sul cladding; il secondo caso limite è il raggio che entra nella fibra con angolo uguale all angolo limite di accettazione, e deve quindi compiere un numero molto alto di riflessioni. Questo fenomeno comporta la dilatazione della forma del segnale originario, e se la frequenza è troppo alta può arrivare a confondersi con l impulso seguente, impedendo di leggere il segnale originario. Dispersione Cromatica Fenomeno dovuto al fatto che la luce che viene trasmessa si compone di fasci di luce di colore diverso, con lunghezza d onda e velocità di attraversamento diverse. Quindi ci si riconduce al problema della dispersione modale, perché può capitare che il fascio di luce di colore rosso (più veloce) si confonda con il fascio di colore violetto (più lento) dell impulso inviato in precedenza. 4.2 Soluzioni Per risolvere i vari problemi di dispersione nelle fibre ottiche si utilizzano diverse tipologie di fibre. Per ovviare al problema della dispersione modale è possibile utilizzare fibre multimodali graded index, oppure delle fibre monomodali. Le prime sono costituite da diversi materiali disposti in modo concentrico attorno al core con diversi indici di rifrazione, più precisamente a decrescere dall interno della fibra verso l esterno; in questo modo il raggio che percorre la fibra subirà delle continue rifrazioni attraverso i diversi materiali, fino a percorrere la fibra in modo rettilineo. Il vantaggio delle fibre graded index sta nel fatto che i raggi luminosi che percorrono più strada sono più veloci, perché viaggiando all esterno attraversano materiali meno densi. La seconda tipologia di fibra ottica (fibre monomodali) è caratterizzata da un diametro del core molto ridotto (circa 10 µm) allo scopo di ridurre il cono di accettazione, quindi i raggi interni alla fibra tendono a viaggiare in modo rettilineo. Il problema della dispersione cromatica è facilmente risolvibile utilizzando led monocromatici per la trasmissione della luce. 6

9 5. USO DELLA FIBRA OTTICA NELLE TELECOMUNICAZIONI L uso della fibra ottica trova buone possibilità di applicazione nel campo delle telecomunicazioni, infatti tutte le dorsali principali della rete telefonica e di Internet, compresi i collegamenti intercontinentali sottomarini, sono già da tempo in fibra ottica e hanno sostituito il cavo coassiale. Principali vantaggio della fibra ottica rispetto ai cavi: Bassa attenuazione, permette la trasmissione su lunghi tratti senza ripetitori Ampia capacità di banda e conseguente velocità di trasmissione elevata Immunità del cavo da interferenze elettromagnetiche Bassi valori di BER 2 Ottima resistenza a condizioni climatiche avverse 5.1 Finestre di trasmissione Nelle comunicazioni in fibra ottica, lo spettro trasmissivo è descritto in termini di lunghezza d onda; combinando i diversi fattori di attenuazione, rifrazione e dispersione, si possono individuare tre finestre trasmissive particolarmente adatte all uso nelle telecomunicazioni, in quanto forniscono prestazioni elevate. Prima finestra: nm (nel campo del visibile), usata con economici diodi laser con luce multimodale. Permette di realizzare collegamenti di 275m su fibre 62.5/125 e di 550m su fibre 50/125. La fibra raggiunge un attenuazione di circa 5dB/km. Seconda finestra: nm, usata con laser multimodali o monomodali. Permette di realizzare collegamenti di 5-10km su fibre monomodali. L attenuazione è di circa 1dB/km per le fibre multimodali ad indice graduale, 0,5dB/km per le fibre monomodali. Terza finestra: 1550nm, usata con laser monomodali. Questa finestra consente di coprire le distanze maggiori, con collegamenti fino a 100km. Sfruttando questa lunghezza d onda una fibra monomodale raggiunge un attenuazione nell ordine degli 0,2-0,25 db/km. 2 BER: Bit Error Ratio, è il rapporto tra i bit non ricevuti correttamente e i bit totali trasmessi. BER = n.errori / n.totale. 7

10 5.2 Installazione e problemi di giunzione Per realizzare un collegamento in fibra ottica è necessario seguire determinate procedure nella messa a terra del cavo, prestando attenzione alle sue caratteristiche e ai suoi limiti fisici. La recente tecnica di messa in posa tramite scavo in minitrincea permette una drastica riduzione dei tempi e dei costi di costruzione dei cavi in fibra ottica. Lo scavo deve essere rettilineo con raggi di curvatura ridotti al minimo, deve essere largo da 5 a 15 cm e profondo da 30 a 45cm. La minitrincea è una tecnica utilizzata per la posa di 4 monotubi su strade periferiche o provinciali, i tempi di posa e asfaltatura sono limitati ad alcune ore per diversi chilometri di cavo. Il costo per la fornitura e posa di infrastruttura fino a 3 tubi da 40mm in minitrincea è di circa 20 /metro, per ogni metro occorrono da 6 a 9 tubi, mentre un cavidotto tradizionale a un metro di profondità ha un costo di 1000 /metro. Una linea in fibra ottica si compone in genere di più pezzi di fibra giuntati tra loro. Due tratti di fibra ottica dello stesso tipo possono essere giuntati mediante fusione, una giunzione ben eseguita comporta un ottimo accoppiamento del core. L operazione di giunzione è effettuata in modo semiautomatico mediante apparecchiature che allineano i cladding e i core ed eseguono la fusione. Una giunzione eseguita correttamente genera un attenuazione inferiore a 0,05 db. Nell uso pratico, un collegamento bidirezionale viene realizzato utilizzando una coppia di fibre, una per ciascuna direzione. Le fibre ottiche sono collegate agli apparati di comunicazione, trasmettitore e ricevitore, tramite connettori che allineano il core della fibra con il laser trasmettitore ed il ricevitore. I cavi in fibra vengono installati all interno di impianti di cablaggio strutturato, vengono attestati su panneli di permutazione. Un collegamento comporta quindi l uso di almeno due cavi di permuta (da ciascun apparato connesso al pannello di permutazione), e quindi di 4 connettori. Cablaggio strutturato Il cablaggio è un insieme di componenti passivi posati in opera: cavi, connettori, prese, permutatori opportunamente installati e predisposti per poter interconnettere vari apparati attivi. Un cablaggio si dice strutturato se segue opportune specifiche che ne definiscono i vari aspetti, quali la tipologia dei componenti, la loro certificazione, la posa in opera, la certificazione di tutta la rete, la schermatura e la messa a terra. I sistemi strutturati di cablaggio si dividono in: Proprietari, come IBM Cabling System o Digital DEConnect. Standard (conformi a standard nazionali o internazionali), come TIA/EIA 568, ISO/IEC IS 11801, pren

11 6. CENNI STORICI SULL USO DELLA FIBRA OTTICA Lo studio dei fenomeni ottici risale ai tempi di Archimede e del trattato Catottrica 3. In epoca vittoriana il principio della riflessione totale interna venne utilizzato per illuminare le fontane pubbliche. Il successivo sviluppo, nella metà del XX secolo, si concentrò sullo sviluppo di un fascio di fibre volto alla trasmissione di immagini, il cui primo impiego fu il gastroscopio medico. Il primo gastroscopio a fibra ottica semi-flessibile fu brevettato da Basil Hirschowitz, C. Wilbur Peters e Lawrence E. Curtiss nel Nel processo di sviluppo del gastroscopio 4, Curtiss produsse fisicamente la prima fibra ottica. Presto si susseguirono una varietà di altre applicazioni per la trasmissione di immagini. Nel 1965 Charles K. Kao e George A. Hockham furono i primi a capire che l attenuazione delle fibre contemporanee era causata dalle impurità, che producevano il fenomeno dello scattering 5. Queste impurità potevano però essere rimosse. Essi dimostrarono che le fibre ottiche potevano essere un mezzo pratico per la comunicazione, nel caso in cui l attenuazione fosse stata ridotta al di sotto dei 20dB/km. La prima fibra ottica che rispettava queste caratteristiche fu realizzata nel 1970 dai ricercatori Robert D. Maurer, Donald Keck, Peter Schultz e Frank Zimar, impiegati presso la Corning, azienda statunitense produttrice di vetro situata a Corning (New York). Costruirono una fibra con 17dB di attenuazione ottica per chilometro, drogando il silicio del vetro con il titanio. L'amplificatore ottico drogato con erbio, che ridusse il costo per i sistemi a fibra ottica per le lunghe distanze eliminando il bisogno dei ripetitori ottico-elettronico-ottico, fu inventato da David Payne dell'università di Southampton, nel Il primo cavo telefonico transatlantico ad usare la fibra ottica iniziò ad operare nel Negli ultimi vent anni i progressi relativi allo sviluppo della fibra ottica sono stati enormi, anche se la traduzione del segnale elettrico al segnale luminoso non permette ancora di sfruttare appieno la larghezza di banda tipica della fibra ottica. Questo è dunque il punto chiave sul quale l industria della fibra si sta concentrando. 3 Trattato Catottrica: trattato di Archimede sul quale si hanno informazioni indirette. Alcuni sostengono che si trattava di un opera voluminosa che studiava l ingrandimento ottenuto con specchi curvi e il fenomeno della rifrazione. 4 Gastroscopio: è un endoscopio ad uso medico, utilizzato per esaminare direttamente l interno del lume delle vie digestive superiori (esofago, stomaco, duodeno) con l esame detto gastroscopia. 5 Scattering: in fisica lo scattering si riferisce ad un ampia classe di fenomeni in cui onde o particelle vengono deflesse (cambiano traiettoria) a causa della collisione con altre particelle. 9

12 7. TRASMISSIONE DATI CON ARDUINO E FIBRA OTTICA Il progetto realizzato comprende l uso di due microcontrollori Arduino, due tratti di fibra ottica plastica realizzati artigianalmente e due personal computer. L obiettivo principale è il trasferimento di un file di testo da un PC all altro, utilizzando esclusivamente la fibra ottica come canale di comunicazione, e il microcontrollore come scheda di interfaccia. 7.1 Il microcontrollore Arduino Arduino è una piattaforma elettronica open source 6 basata su delle componenti hardware e software flessibili e di facile utilizzo. Il microcontrollore è stato progettato per artisti, designer, hobbisti e chiunque sia interessato a creare oggetti o ambienti interattivi. Arduino può percepire l ambiente ricevendo input da una varietà di sensori e può agire pilotando dispositivi come luci, motori e altri. Il microcontrollore della board è programmato usando il linguaggio di programmazione Arduino (basato su Wiring 7 ) e l ambiente di sviluppo Arduino (basato su Processing 8 ). I progetti realizzati con Arduino possono essere stand-alone, oppure possono comunicare con i software in esecuzione su un computer. 7.2 Fibra ottica home-made La fibra ottica utilizzata per il progetto è stata Realizzata usando una resina polimerica poliestere, che è stata fatta colare all interno di un tubo in PVC; naturalmente il tratto di fibra realizzato è in scala ingrandita rispetto ad una fibra ottica commerciale, in quanto è stata realizzata a mano senza l ausilio di particolari apparecchiature. La resina è più densa del materiale plastico, quindi funge da core, mentre le pareti del tubo costituiscono il cladding; in questo caso pratico la fibra non è stata rivestita con nessun tipo di jacket, allo scopo di lasciar intravedere i raggi luminosi del diodo LED. Siccome si intende trasmettere nel campo del visibile, più precisamente usando una luce rossa, il ricevitore sarà una foto-resistenza. Le uniche altre parti aggiunte sono dei semplici pezzi di un tubo di plastica di diametro più grosso, allo scopo di facilitare l inserzione della fibra con il diodo ed il ricevitore. 6 Open source: In informatica, open source (termine inglese che significa sorgente aperto) indica un software i cui autori (più precisamente i detentori dei diritti) ne permettono, anzi ne favoriscono il libero studio e l'apporto di modifiche da parte di altri programmatori indipendenti. Questo è realizzato mediante l'applicazione di apposite licenze d'uso. 7 Wiring: è un programma open source per programmazione elettronica I/O. 8 Processing: è un linguaggio di programmazione basato su Java, che consente di sviluppare diverse applicazioni come giochi, animazioni e contenuti interattivi. 10

13 7.3 Schema del progetto 11

14 7.4 Codifica e sincronizzazione del segnale Quando si vuole trasmettere delle informazioni da una macchina all altra è necessario seguire un protocollo, ovvero un insieme di regole che determina il corretto trasferimento delle informazioni, ad esempio nelle reti di computer si usa TCP/IP, nel caso di comunicazioni seriali a bassa velocità è molto diffuso rs232, ecc. Per trasmettere un segnale è essenziale innanzitutto codificarlo, ovvero rendere l informazione trasportabile sul canale che si sta utilizzando. Un segnale si può codificare in modo analogico oppure digitale, nel caso della fibra ottica il segnale è costituito da impulsi luminosi e il ricevitore ne avverte la presenza o meno, quindi è necessaria una codifica di tipo digitale. Il modo con cui si rappresenta l informazione nel segnale è chiamato codifica di linea. Alcuni esempi sono il codice NRZ, RZ, AMI, HDB3 e il codice MANCHESTER, quest ultimo è particolare in quanto si definisce auto sincronizzante, ovvero integra un sistema di clock al suo interno, indispensabile per la sincronizzazione col ricevitore. Nel caso in cui si vogliano trasmettere esclusivamente dei file di testo (*.txt) il miglior modo per codificare l informazione è prenderla carattere per carattere, e convertirla in codice ASCII su 7 bit. Si stabilisce che la presenza di luce captata dal ricevitore ha valore logico 1, mentre l assenza 0, in questo modo è possibile ricostruire al ricevitore un byte che rappresenta il carattere inviato sulla fibra. Questo tipo di codifica assomiglia molto a NRZ, viene inviato un pacchetto per volta, il quale è composto da i bit della codifica ASCII più altri due bit, uno definito di start (valore logico 0) all inizio del frame, e uno di stop (valore logico 1) posto in coda. Questi due elementi aggiuntivi servono a sincronizzare il ricevitore con il trasmettitore, e permettere quindi la corretta lettura degli impulsi da parte della foto-resistenza. Nei momenti in cui non viene trasmesso alcun segnale, il led viene lasciato a valore logico 1, quindi acceso, in modo da permettere al ricevitore un immediato riconoscimento del bit di start (valore logico 0). 12

15 7.5 Codice Sorgente Il nostro progetto necessita di due programmi distinti, il primo serve a controllare le funzioni del microcontrollore Arduino, che fa da interfaccia tra l hardware ed il software e si trova quindi ad un livello più basso, è possibile paragonarlo ad un device driver 9 in quanto svolge le funzioni più elementari di gestione dei singoli bit. La seconda parte consiste in un software scritto in C# appositamente per la gestione dei file, quindi anche dei flussi di lettura e di scrittura delle informazioni, esso opera ad un livello più alto del precedente, in quanto non si preoccupa di verificare i singoli bit ed i livelli di tensione, ma opera su dei dati che gli vengono già forniti Programma Arduino 9 Device driver: in informatica è detto driver l insieme di procedure, spesso scritte in assembly, che permette ad un sistema operativo di pilotare un sistema hardware. Il driver permette al sistema operativo di utilizzare l hardware senza sapere come esso funzioni, ma dialogandoci attraverso un interfaccia standard. 13

16 Il compito principale del microcontrollore Arduino è controllare trasmissione e ricezione su fibra ottica, e riconoscere quindi gli impulsi ricevuti. Il microcontrollore scompone l informazione di partenza e procede all invio dei singoli bit tramite segali luminosi. In questa parte di codice viene gestita la sincronizzazione della trasmissione e la memorizzazione dei pacchetti di informazioni ricevuti. Il tutto viene poi inviato al PC in ricezione, ed il software in C# provvede alla ricostruzione delle informazioni, in questo caso alla ricostruzione del file di testo. Per gestire la ricezione e la trasmissione, il programma simula il multithreading su Arduino, separando i processi di ricezione e trasmissione con la tecnica del time-sharing. 14

17 15

18 Analizzando il codice dell applicativo scritto in C# si può notare che svolge funzioni diverse rispetto al microcontrollore, infatti in questa parte del programma non vi è più il problema della sincronizzazione, in quanto i dati arrivano all applicazione tramite una comunicazione seriale con l Arduino, gestita in modo automatico con delle semplici istruzione predefinite in C#. Questo livello di applicazione si occupa di gestire il flusso di dati in lettura e in scrittura su file di testo, tuttavia anche qui è necessario distinguere i processi di trasmissione e ricezione, ovvero bisogna capire se l utente intende trasmettere o ricevere un file e quindi i due processi vanno separati. La distinzione delle due operazioni è necessaria per via della natura della porta seriale, infatti essa può gestire solo una comunicazione per volta e non è pertanto possibile trasmettere e ricevere nello stesso tempo. Si procede quindi usando il multithreading, dal programma principale si crea un sottoprocesso (Thread rx; riga 15) che si occupa di stare in ascolto sulla porta seriale, attendendo una comunicazione da parte dell Arduino. Il processo viene eseguito in background e interagisce con la Form solo nel caso in cui si sta realmente ricevendo un file dall altro interlocutore, altrimenti è del tutto trasparente all utente. Il programma principale invece si occupa della gestione dell invio di un file; attraverso il pulsante Invia l utente apre il flusso in lettura del file specificato, isola i caratteri del file di testo e invia la loro codifica ASCII al microcontrollore, il quale a sua volta isola i singoli bit e li trasmette sulla fibra ottica. Tutte queste operazioni avvengono in pochi millisecondi, un tempo rapido agli occhi dell utente, tuttavia non è sufficiente per avere una comunicazione ad alta velocità come una linea ADSL, ma è più adatto a scopo dimostrativo. Un altra parte importante dell applicazione è la gestione delle eccezioni, che possono essere dovute alla comunicazione seriale, al flusso di lettura/scrittura dei file e al processo in background. Alcune di queste eccezioni possono essere evitate semplicemente usando il costrutto try catch (ad esempio nelle procedure di ricezione file), altre invece vanno gestite più nello specifico, ad esempio è necessario disabilitare il controllo CheckForIllegalCrossThreadCalls che impedisce la modifica della Form da parte del sottoprocesso, oppure il controllo sull apertura o meno della porta seriale e la chiusura di tutti i flussi di lettura/scrittura al termine del loro utilizzo. Come ulteriore misura di sicurezza all evento di chiusura della Form da parte dell utente vengono chiusi il Thread rx di ricezione e la porta seriale in utilizzo, il flusso di lettura/scrittura file si chiude automaticamente con la Form, in questo modo l utente è sicuro di essere completamente disconnesso e non ci saranno problemi ad una prossima esecuzione dell applicazione. Per quanto riguarda l interfaccia grafica l applicazione fa parte delle WindowsFormApplications e consiste in una finestra con i classici tre bottoni in alto a destra di riduzione a icona, ingrandimento e chiusura, mentre all interno ci sono tutti i comandi necessari come la selezione della porta COM, il Pulsante Invia e le TextBox dove è possibile inserire i percorsi sorgente e destinazione del file da trasmettere. 16

19 Alcune schermate di esempio dell interfaccia grafica dell applicazione 17

20 7.6 Risultati e conclusioni Il progetto a questo punto è in grado di trasmettere in modo efficiente un file di testo tra due PC. Il file viene per prima cosa letto dall applicativo in C#, convertito in ASCII e passato al microcontrollore Arduino, il quale a sua volta procede ad estrarre i singoli bit dalla codifica e li traduce in segnali luminosi. Il ricevente effettua le operazioni inverse e ricostruisce il messaggio originale. Il sistema funziona efficacemente e con una quasi totale assenza di errori di trasmissione, che si presentano raramente e comunque non danneggiano la comprensibilità dell intero messaggio, si tratta perlopiù di alcuni caratteri che vengono ricevuti in modo errato e vengono tradotti come?. Nelle comunicazioni digitali si considera la velocità di trasmissione espressa in bit/sec; dalle misurazioni effettuate si ricava una velocità di trasmissione di circa 17 bit/sec, che è notevolmente inferiore rispetto a quella di una linea in fibra ottica di uso comune, questo a causa di diversi fattori. In primo luogo la struttura della fibra, la qualità dei materiali utilizzati per la costruzione e anche il processo di produzione di tipo artigianale e quindi non molto preciso. Inoltre sono determinanti anche i componenti utilizzati per la trasmissione e la ricezione del segnale luminoso, in questo caso il trasmettitore è un semplice diodo LED rosso ad alta luminosità (molto impreciso rispetto ad un diodo laser) mentre il ricevitore è una semplice resistenza variabile a seconda dell intensità luminosa (possiede quindi una velocità di commutazione molto bassa, nemmeno paragonabile a quella di un fotodiodo ad infrarossi). Nonostante queste difficoltà tecniche siamo riusciti ad ottenere una trasmissione sufficientemente affidabile seppur lenta, quindi non è utilizzabile per scopi commerciali o professionali, ma è molto adatta come dimostrazione di funzionamento di quello che potrebbe essere un sistema di telecomunicazioni molto più complesso. Una foto del progetto finale durante la trasmissione di un breve file di testo. 18

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