PROGETTO E REALIZZAZIONE DI UN SISTEMA DI COMUNICAZIONE IN FONIA E DATI BASATO SULLO STANDARD BLUETOOTH E SUE EVOLUZIONI.

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1 Università degli Studi di ROMA La Sapienza Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria delle telecomunicazioni Laurea specialistica PROGETTO E REALIZZAZIONE DI UN SISTEMA DI COMUNICAZIONE IN FONIA E DATI BASATO SULLO STANDARD BLUETOOTH E SUE EVOLUZIONI di Massimo Andreozzi Matr ( ) Relatore: Ch.mo Prof. Roberto Cusani Correlatore: Ing. Alberto Caredda a.a. 2006/2007

2 A me, ai miei genitori, a mia sorella e a chi ci ha creduto! Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 2 / 57

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4 INDICE INDICE 1 Sommario Introduzione Il problema del cable replacement Lo standard Bluetooth Il sistema di comunicazione in fonia e dati basato su Bluetooth I REQUISITI E LE SPECIFICHE DI PROGETTO SCELTE DI PROGETTO Architettura funzionale Architettura funzionale SEZIONE ANALOGICA IWA Architettura funzionale SEZIONE ANALOGICA HWA Associazione delle funzioni al software e all hardware (scelta della piattaforma realizzativa) Microcontrollore ARM Chip Bluetooth Codec PCM SCHEMA SEZIONE LOGICA IWA SCHEMA SEZIONE LOGICA HWA FIRMWARE/SOFTWARE DI GESTIONE REALIZZAZIONE EFFETTIVA E VALIDAZIONE Realizzazione del prototipo Confronto e verifica delle prestazioni in ambienti disturbati Sottoparagrafo Conclusioni Sottoparagrafo RINGRAZIAMENTI BIBLIOGRAFIA... 1 Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 1 / 57

5 SOMMARIO 1 Sommario La presente tesi, proposta per il conseguimento della laurea specialistica (secondo livello) in Ingegneria delle Telecomunicazioni, ha per oggetto la progettazione e la realizzazione prototipale di un sistema di comunicazione wireless a 2.4 GHz per il trasporto di fonia e dati, basato sulla tecnologia Bluetooth. Verranno presi in considerazione gli scenari operativi ed industriali in cui intervengono tali collegamenti e gli accorgimenti tecnici e pratici adottati per le interfacce progettate. Verranno descritte le architetture funzionali, lo schema realizzativo del software di gestione ed infine il prodotto finito. Un ultima parte, ma non meno importante, verrà dedicata alla verifica delle prestazioni del core dell apparato messe in risalto dall utilizzo di un banco di test in varie situazioni operative. Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 1 / 57

6 INTRODUZIONE 2 Introduzione 2.1 Il problema del cable replacement Come progettista impiegato nella società Larimart Selex Communications ho avuto modo di occuparmi dello sviluppo hardware e software di apparati radio in ambito militare. Da un primo avvicinamento alla problematica WIFI, il trend di ricerca si è spostato verso i collegamenti in fonia e dati punto-punto coperti dallo standard Bluetooth a 2.4 GHz. Lo sviluppo di apparati in ambito industriale e soprattutto militare introduce tutta una serie di limitazioni e fattori determinanti che il mercato consumer non prende nemmeno in considerazione (es. funzionamento in range esteso di temperatura, altissimo MTBF, rispetto di specifiche funzionali tipicamente militari ). Rimane comunque il fatto che una richiesta importante, da parte del settore industriale e militare, è la seguente: far sì che un collegamento wireless (o meglio cordless, inteso proprio come eliminazione e sostituzione di un cavo con un collegamento senza filo) possa, in maniera semplice e intuitiva per un eventuale operatore, prendere il posto (o semplicemente esserne la ridondanza per un funzionamento efficiente) di un cavo mantenendone (e a volte anche superando) le prestazioni sia in fonia che in dati. La sostituzione con apparati ergonomici e sicuri ha la finalità di migliorare le condizioni operative in ambienti tipicamente angusti come, per esempio, l interno di un carro armato. In questa tesi di laurea specialistica si affronterà il problema della sostituzione, tramite un collegamento wireless, di un cavo che trasporta fonia e dati. Verranno, per prima cosa, prese in considerazione le caratteristiche principali dello standard di comunicazione wireless Bluetooth a 2.4 GHZ utilizzato e quindi verranno analizzate le esigenze tecniche ed operative dell apparato da progettare. Quindi si passerà ad illustrare le scelte di progetto (hardware e software) e verranno messe in luce le prestazioni dell apparato riportando i risultati ottenuti grazie all utilizzo di un banco di test in varie situazioni operative. Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 1 / 57

7 INTRODUZIONE 2.2 Lo standard Bluetooth Bluetooth è essenzialmente una standard wireless di cable replacement. Nasce, e sta trovando molto spazio, soprattutto nel mercato consumer (collegamenti in dati fra computer e stampante, fra telefono cellulare e computer, collegamenti in fonia fra telefono cellulare e accessorio auricolare ). Gli strati chiave dello stack sono riportati di seguito: RFCOMM L2CAP AUDIO LMP HCI (Host Controller Interface) BASEBAND RADIO - RADIO: lo standard utilizza un frequency hopping su 79 frequenze (da GHz a GHz) distanziate fra loro di 1 MHz e con un rate di 1600 hop/s; il trasmettitore può appartenere a 3 diverse classi di potenza: - CLASSE 1: potenza massima in trasmissione di 20 dbm per un range di copertura di 100 metri circa. - CLASSE 2: potenza massima in trasmissione di 4 dbm per un range di copertura di 10 metri circa. - CLASSE 3: potenza massima in trasmissione di 0 dbm per un range di copertura di poco più di 1 metro. La modulazione utilizzata è la GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) dove i bit sono così rappresentati: 1: deviazione positiva di frequenza; 0: deviazione negativa di frequenza; Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 1 / 57

8 INTRODUZIONE Il prodotto BT è 0.5 e l indice di modulazione compreso fra 0.28 e 0.35; il ricevitore può arrivare ad una sensibilità di -70dBm con un BER dello 0.1% e, a seconda dell RSSI (Receiver Signal Strenght Indicator) ricevuto, può determinare un aggiustamento della potenza in trasmissione dell altro capo del collegamento andando a scambiare con esso messaggi di strato LMP. - BASEBAND: due o più dispositivi Bluetooth che sono in comunicazione fra loro utilizzano la stessa sequenza di hopping e quindi, in ogni istante, la stessa frequenza. Ciò li porta a formare quella che è detta PICONET. In tale rete la sequenza di hopping è determinata dall indirizzo Bluetooth (48 bit) del master che ha aperto la comunicazione e la fase, nella sequenza, è determinata dal clock dello stesso master. Un hop si verifica ogni 625µs (che è la time slot base essendo 1600 hop/s). Esistono due tipi di collegamenti in una piconet: - SCO: (Synchronous Connection-Oriented) che sono utilizzati per lo scambio simmetrico punto-punto di fonia fra un master ed uno slave; in tal caso i pacchetti non sono mai ritrasmessi e sono utilizzati per il trasporto di fonia codificata a 64 kbit/s. - ACL: (Asynchronous Connection-Oriented) che sono utilizzati per lo scambio punto-punto o punto-multipunto (fra un master e anche più slave) di pacchetti nelle time slot non riservate ai collegamenti SCO; Si evince facilmente dalle due descrizioni che fra un master ed uno slave è possibile, contemporaneamente, data la natura Time Division dei pacchetti, sia un link SCO in fonia che un link ACL in dati. - LMP (Link Manager Protocol): è lo strato che, in ogni dispositivo Bluetooth, si occupa del setup del link (potenza in trasmissione ), dell autenticazione, dell associazione fra dispositivi, di gestione del criptaggio fra dispositivi autenticati e degli stati di Power Save (come Hold Mode, Park Mode, Sniff Mode). - L2CAP: fondamentalmente si tratta di uno strato dello stack che si occupa della multiplazione dei pacchetti avvenuta a livelli superiori dello stack Bluetooth (es. allo strato RFCOMM), della segmentazione dei pacchetti e della qualità di servizio fra le due unità Bluetooth in comunicazione. Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 2 / 57

9 INTRODUZIONE - RFCOMM: è lo strato dello stack che realizza l emulazione delle porte RS232 poggiandosi sullo strato L2CAP sottostante. Nel caso di utilizzo dello stack Bluetooth fino allo strato RFCOMM, un architettura di comunicazione fra due endpoint che utilizzano applicativi che sfruttano collegamenti seriali sarà del tipo: Applicativo che utilizza porte RS232 Applicativo che utilizza porte RS232 Stack Bluetooth dallo strato radio allo strato RFCOMM Collegamento Bluetooth wireless Stack Bluetooth dallo strato radio allo strato RFCOMM Endpoint 1 Endpoint 2 L RFCOMM emula i 9 segnali di un interfaccia RS232: SIGNAL COMMON TRANSMIT DATA RECEIVED DATA REQUEST TO SEND CLEAR TO SEND DATA SET READY DATA TERMINAL READY DATA CARRIER DETECT RING INDICATOR TD RD RTS CTS DSR DTR CD RI Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 3 / 57

10 INTRODUZIONE - AUDIO: una codifica-decodifica PCM a 64kbit/s è applicata ad un audio analogico ed i dati sincroni generati vengono passati direttamente allo strato baseband che li invia e riceve mediante un collegamento SCO. Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 4 / 57

11 INTRODUZIONE Dopo aver considerato le caratteristiche principali dello standard Bluetooth utili alla trattazione che segue, andiamo a definire le esigenze relative al sistema di comunicazione da progettare. 2.3 Il sistema di comunicazione in fonia e dati basato su Bluetooth All interno di tipico veicolo militare, la comunicazione audio fra i vari membri dell equipaggio a bordo è assicurata da un sistema centralizzato il quale connette, mediante un opportuna cablatura, tutte le postazioni operative del mezzo in un unico canale audio condiviso. Per entrare a far parte della comunicazione, ogni utente è dotato di una cuffia-microfono che, in genere, ha le seguenti caratteristiche: - adeguata protezione dal rumore esterno generato dalle parti in movimento e dal motore acceso del carro; - comando di PTT per permettere all utente, attraverso il sistema di comunicazione, di andare in trasmissione su una radio situata nel carro; - Cavo di connessione alla postazione operativa, tipicamente diviso in due tratti: o Un cavo lungo a spirale; o Un cavo corto; I due cavi sono connessi fra loro mediante un connettore a strappo utilizzato per permettere all utente il distacco rapido in caso di necessità/emergenza. Ogni utente possiede una sua postazione interconnessa con le altre, grazie al canale audio condiviso del sistema centralizzato. La situazione è schematizzata in figura: Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 5 / 57

12 INTRODUZIONE ptt Cuffiamicrofono dell utente i-1 connettore Cuffiamicrofono dell utente i+1 ptt Cavo corto mic Cavo corto mic Postazione i Cavo a spirale Cavo a spirale Postazione i+1 Postazione i-1 Nodo centrale Didascalia: schema interno carro La cuffia di ogni utente è connessa alla sua postazione tramite un cavo a spirale che è innestato in un opportuno connettore e che trasporta le seguenti informazioni: - audio analogico (TX dal microfono della cuffia) verso il sistema; tale audio si immette nell unico canale audio condiviso da tutte le postazioni; - audio analogico (RX dal canale audio condiviso) per la cuffia; - informazione di PTT (Push To Talk in TX) verso il sistema centralizzato (in sostanza si tratta di un segnale che viene riconosciuto dal sistema e che attiva la trasmissione dell audio su radio); E ovvio che in tale scenario risulta molto difficile per un utente allontanarsi dal mezzo (anche per una semplice ricognizione a pochi metri dal veicolo) e continuare a rimanere connesso in audio con i componenti dell equipaggio collegati al sistema centralizzato. Inoltre, all interno del carro il movimento di ogni componente è molto limitato a causa dello spazio angusto e della presenza dei cavi a spirale. Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 6 / 57

13 INTRODUZIONE Anche se il sistema illustrato schematicamente in figura si è rivelato per anni molto duttile, si è sentita, col tempo e con l esperienza, la necessità di svincolare ogni utente dal cavo di connessione alla sua postazione e di dotarlo di un sistema wireless di comunicazione in fonia e dati. L oggetto della seguente tesi è proprio lo studio, la progettazione e la realizzazione di tale sistema. Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 7 / 57

14 SPECIFICHE DI PROGETTO 3 I REQUISITI E LE SPECIFICHE DI PROGETTO Quello che si chiede ad un sistema wireless di cable replacement come quello progettato e che ci apprestiamo a descrivere è la facilità di utilizzo da parte degli operatori, permettendo un semplice upgrade delle dotazioni individuali con minimo impatto sulle abitudini dell equipaggio. E ovvio che questo costringe il progettista elettronico a soddisfare tutta una serie di requisiti all interno di un mercato estremamente complesso come quello militare -industriale. I requisiti principali da soddisfare sono i seguenti: 1. minimo impatto sulle dotazioni già fornite; 2. minimo ingombro e peso: quello che era un semplice cavo ora deve essere rimpiazzato da un sistema di peso e dimensioni ridotte e l operatore deve poter utilizzare facilmente il sistema soprattutto in contesti critici di guerra: 3. resistenza alle vibrazioni: un carro armato in movimento comporta frequenti urti e oscillazioni; 4. funzionamento in range di temperatura esteso (-30 / +70 in modalità operativa, -46 / +85 in storage); 5. facile ricarica delle batterie che devono consentire una lunga autonomia; 6. affidabilità del trasferimento audio e dati sotto controllo anche in ambienti elettromagneticamente disturbati come sono i veicoli militari, dotati di apparati ricetrasmittenti; 7. distanze di copertura del segnale radio idonee: il sistema wireless deve permettere all utente anche di allontanarsi dal carro pur rimanendo connesso al canale audio del sistema a bordo condiviso con gli altri membri dell equipaggio; 8. criptaggio dell audio per evitare intercettazioni da parte di un eventuale nemico; 9. facile estensione del sistema al trasporto di dati sempre più complessi. Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 1 / 57

15 SPECIFICHE DI PROGETTO Analizziamo ora a grandi linee, punto per punto, i requisiti di sistema per poi approfondire solo i punti relativi alla scelta del CORE della piattaforma hardware e software realizzate. 1. Minimo impatto sulle dotazioni già fornite: per rispondere a tale requisito si è scelto di rimpiazzare il cavo a spirale già fornito (v. in figura vecchia situazione corded, i.e. con cavo di connessione) Cuffia-microfono ptt Cavo corto mic Vecchia situazione corded : DOTAZIONE - Cuffia-microfono dotata di cavo corto; - cavo lungo a spirale di prolunga necessario per la effettiva connessione al sistema centralizzato Cavo lungo a spirale Postazione i con due scatole di dimensioni ridotte che vengono usate come in figura: Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 2 / 57

16 SPECIFICHE DI PROGETTO Cuffia-microfono ptt Cavo corto mic HWA Nuova situazione cordless : DOTAZIONE - cuffia microfono dotata di cavo corto; - HWA: (Headset Wireless Adapter): interfaccia wireless Bluetooth per la cuffia microfono - IWA: (Intercom Wireless Adapter): interfaccia wireless Bluetooth per la postazione Link wireless IWA Postazione i Come descritto in figura, sono state introdotte due scatole di piccole dimensioni denominate rispettivamente: - HWA (Headset Wireless Adapter): su tale scatola, solidale con l utente ed alimentata a batteria, viene innestato il cavo corto; - IWA (Intercom Wireless Adapter): tale scatola viene innestata sul connettore della postazione del sistema che provvede anche alla sua alimentazione (quando acceso); L HWA, come interfaccia, farà sì che la cuffia-microfono funzioni come se fosse connessa fisicamente ad una postazione. L IWA, come interfaccia, farà sì che la postazione funzioni come fosse connessa fisicamente una cuffia microfono. L introduzione delle due scatole esterne alla cuffia-microfono e alla postazione elimina la necessità di modificare queste ultime per fornirle della nuova funzionalità Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 3 / 57

17 SPECIFICHE DI PROGETTO wireless e sposta il problema sull interfacciamento dei segnali (livelli e impedenze) all interno dell HWA e dell IWA. Si vede come il nuovo sistema di comunicazione sarà progettato con la finalità di trasferire fonia (opportunamente adattata ai livelli corretti per l elettronica interna) e dati, senza filo, fra HWA e IWA le quali agiranno da ponte verso i rispettivi apparati (cuffia microfono per l HWA e postazione fissa per l IWA). Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 4 / 57

18 SPECIFICHE DI PROGETTO 2. Minimo ingombro e peso: quello che era un semplice cavo ora deve essere rimpiazzato da un sistema di peso e dimensioni ridotte e l operatore deve poter utilizzare facilmente il sistema soprattutto in contesti critici di guerra: L HWA sarà solidale con l operatore e sarà facilmente legata al suo giubbetto attraverso un semplice gancio. L IWA potrà essere una dotazione dell operatore stesso o un accessorio già presente nel veicolo. Si è mantenuto un peso ed un ingombro ridotti grazie all utilizzo di plastiche leggere ed impermeabili per quel che riguarda le meccaniche, e di componenti SMD (Surface Mount Device) di piccole dimensioni (case 0603, case v. Appendice) per quel che riguarda l elettronica interna. E ovvio che l HWA risulta l interfaccia più pesante ed ingombrante fra le due in quanto dotata di batteria interna. 3. Resistenza alle vibrazioni: un carro armato in movimento comporta frequenti urti e oscillazioni: Il requisito è soddisfatto mediante l adozione di tecniche realizzative, tipiche degli apparati militari, che comportano l uso di materiali e strutture meccaniche idonee. Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 5 / 57

19 SPECIFICHE DI PROGETTO 4. funzionamento in range di temperatura esteso (-30 / +70 in modalità operativa, -46 / +85 in storage); L interno di un carro militare può raggiungere temperature molto variabili, dalla più fredda (durante l inverno gli apparati possono anche rimanere all interno del mezzo stesso) alla piu calda (lamiere infuocate d estate). Per questo tutti i componenti elettronici e meccanici utilizzati nel progetto sono garantiti nel funzionamento (secondo datasheet) all interno di un range esteso di temperatura. 5. Facile ricarica delle batterie che devono consentire una lunga autonomia: La batteria che è stata scelta è agli ioni di litio (ridotto quasi a zero l effetto memoria), ha un elevata capacità (2.6Ah) rispetto ai consumi dell apparato misurati durante il periodo di massimo assorbimento (mentre si trova in trasmissione verso l IWA prescelto al collegamento i consumi dell HWA si attestano intorno ai 120mA e si discostano poco al variare della temperatura e della classe di potenza prescelta per il collegamento). Ciò comporta che l autonomia di un utente in collegamento continuo (fonia e dati) con l IWA, ad una distanza media di 5 metri dalla sua postazione, è di circa 20 ore. 6. affidabilità del trasferimento audio e dati sotto controllo anche in ambienti elettromagneticamente disturbati come sono i veicoli militari, dotati di apparati ricetrasmittenti; Le scelte dei componenti da utilizzare per la realizzazione delle due unità HWA e IWA sono state influenzate molto da riscontri sul campo : il componente più critico, ossia il chip Bluetooth utilizzato per la comunicazione wireless, è stato testato proprio su un veicolo blindato utilizzando due evaluation board del componente dotate di cuffia. Si è cercato di capire se la struttura metallica del veicolo disturbasse o meno il collegamento andando ad inficiare l intelligibilità audio o il BER. Si è notato che sia l audio che il BER sono dipendenti solo dalla distanza e che anche in una situazione di carro armato completamente chiuso, con una scheda evaluation all interno ed una all esterno, non vengono deteriorati. Il comando di PTT, se si rimane all interno del range di distanza specificato per la classe di potenza prescelta, viene correttamente trasferito. Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 6 / 57

20 SPECIFICHE DI PROGETTO 7. distanze di copertura del segnale radio idonee: il sistema wireless deve permettere all utente anche di allontanarsi dal carro pur rimanendo connesso al canale audio del sistema a bordo condiviso con gli altri membri dell equipaggio; Un chip Bluetooth, come già evidenziato, è caratterizzato da una classe di potenza in trasmissione. Le classi possibili sono tre: - classe 1 (20dBm): il raggio di copertura del dispositivo in tal caso è di 100 metri; - classe 2 (4dBm): il raggio di copertura è di 10 metri. - classe 3 (0dBm): il raggio di copertura è poco più di un metro. Per rendere il sistema modulare, si è scelto un chip con classe di potenza definito a seconda delle esigenze e delle applicazioni; anche via software è possibile scegliere una diversa potenza in trasmissione. 8. Criptaggio dell audio per evitare intercettazioni da parte di un eventuale nemico: La necessaria conversione analogico-digitale (PCM lineare a 13 bit) dell audio nelle due scatole HWA e IWA per renderlo adatto alla trasmissione porta alla possibilità di applicare su di esso degli algoritmi di criptaggio anche proprietari mediante l utilizzo di dispositivi DSP installati nella scatole stesse. 9. facile estensione del sistema al trasporto di dati sempre più complessi. Risulta implicito che l utilizzo di uno standard di comunicazione come il Bluetooth porta all aprirsi di nuove prospettive per quel che riguarda le potenzialità di comunicazione di un operatore all interno di un mezzo militare come ad esempio l utilizzo del collegamento wireless anche per il trasferimento di file verso un eventuale sistema di comunicazione centralizzato di nuova generazione. Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 7 / 57

21 4 SCELTE DI PROGETTO 4.1 Architettura funzionale Vista la natura di interfaccia vera e propria che hanno sia l HWA che l IWA, esse saranno composte, dal punto di vista funzionale, da due macroblocchi: - SEZIONE LOGICA (o PROCESSING); - SEZIONE ANALOGICA; UTILIZZATORE SEZIONE ANALOGICA SEZIONE PROCESSING - SEZIONE ANALOGICA: è la sezione di vera e propria interfaccia verso l UTILIZZATORE che può essere la cuffia-microfono o la postazione del sistema centralizzato; - SEZIONE PROCESSING: è la vera e propria sezione operativa del sistema; nelle due unità IWA e HWA, le sezioni processing presentano numerosissime analogie, come verrà illustrato nel seguito. Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 1 / 57

22 L IWA sarà rappresentata dalla seguente architettura funzionale: Postazione sistema centralizzato Sezione analogica Sezione logica IWA Mentre l HWA: Sezione logica Sezione analogica Cavo corto Cuffiamicrofono HWA Il sistema di comunicazione wireless avrà quindi l architettura funzionale come illustrato nella pagina seguente: Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 2 / 57

23 Postazione sistema centralizzato Sezione Analogica IWA IWA Sezione Logica IWA LINK WIRELESS Sezione Logica HWA HWA Sezione Analogica HWA Cavo corto Cuffiamicrofono Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 3 / 57

24 Occupiamoci ora delle due diverse sezioni analogiche e mettiamo in risalto le funzioni svolte: Architettura funzionale SEZIONE ANALOGICA IWA La sezione analogica IWA avrà le seguenti caratteristiche: - sarà alimentata direttamente dalla postazione; - fornirà alimentazione alla sezione logica; - gestirà dei led di stato (visibili per un operatore esterno) su diretto comando della sezione logica; - gestirà le pressioni di un pulsante-esterno multifunzione da parte di un operatore e invierà l informazione di pressione alla sezione logica; - invierà alla postazione l eventuale comando di PTT ricevuto dalla HWA remota connessa attraverso la sezione logica; - farà da interfaccia di segnale audio fra sezione logica e postazione; - farà da interfaccia-dati seriali fra sezione logica e postazione per quel che riguarda la traslazione dei livelli (TTL RS232); Lo schema a blocchi è alla pagina successiva: Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 4 / 57

25 Pulsante multifunzione Alimentazione da postazione Alimentazione locale Pressione pulsante Segnale di pressione pulsante esterno Alimentazione per sezione logica Dati seriali RS232 per postazione Dati seriali RS232 per cuffia Audio analogico da postazione per cuffia Audio analogico per postazione da cuffia PTT ON/OFF Per postazione Segnali scambiati con la postazione Adattamento TTL RS232 PTT adattamento GESTIONE BLINK DEI LED Dati seriali TTL per postazione Dati seriali TTL per cuffia Audio analogico da postazione per cuffia Audio analogico per postazione da cuffia PTT ON/OFF da sezione logica Led ON/OFF da sezione logica Led indicatori di stato Segnali scambiati con la sezione logica Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 5 / 57

26 4.1.2 Architettura funzionale SEZIONE ANALOGICA HWA La sezione analogica HWA avrà le seguenti caratteristiche: - Prenderà alimentazione dalla batteria al litio; - fornirà alimentazione alla sezione logica; - gestirà le pressioni di un pulsante-esterno multifunzione da parte di un operatore e invierà l informazione di pressione alla sezione logica; - invierà alla sezione logica l eventuale informazione di pressione del comando di PTT; - gestirà, attraverso due pulsanti di volume (VOL+ e VOL-), i livelli di segnale da inviare ai padiglioni della cuffia per adattare l audio ascoltato dall operatore a tutte le situazioni di rumore esterno; - farà da interfaccia di segnale audio (per quel che riguarda i livelli e le impedenze) fra sezione logica e postazione; - farà da interfaccia-dati seriali fra sezione logica e cuffia per quel che riguarda la traslazione dei livelli (TTL RS232); Lo schema a blocchi è alla pagina successiva: Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 6 / 57

27 Pulsante accensione Alimentazione da batteria Gestione accensione Alimentazione locale Alimentazione per sezione logica Dati seriali RS232 per cuffia da postazione remota Dati seriali RS232 da cuffia per postazione remota Adattamento TTL RS232 Dati seriali TTL per cuffia da postazione remota Dati seriali TTL da cuffia per postazione remota Audio analogico da cuffia per postazione remota Audio analogico da cuffia per postazione remota VOL+ VOL- Audio analogico per cuffia da postazione remota PTT ON/OFF Pressione su pulsante cuffia PTT adattamento Gestione pressione pulsante Audio analogico per cuffia da postazione remota PTT ON/OFF per sezione logica Segnale di pressione pulsante esterno Segnali scambiati con cuffia-microfono e batteria Pulsante multifunzione Segnali scambiati con la sezione logica Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 7 / 57

28 4.2 Associazione delle funzioni al software e all hardware (scelta della piattaforma realizzativa) Una volta analizzate le interfacce verso la cuffia e la postazione, passiamo ad analizzare la scelta dei componenti del core di IWA e HWA: la sezione logica. La sezione logica nelle due interfacce è essenzialmente costituita da tre componenti principali: - un microcontrollore ARM; - un chip Bluetooth; - un codec PCM; in figura è riportata una schematizzazione: Comandi e dati Segnali da e per la sezione analogica Microcontrollore ARM Chip BLUETOOTH Audio analogico bidirezionale da e per sezione analogica Codec PCM Flusso PCM bidirezionale Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 8 / 57

29 4.2.1 Microcontrollore ARM Il microcontrollore scelto per la sezione logica di IWA e HWA è un microcontrollore della famiglia LPC2131/2132/2134/2136/2138 prodotto dalla Philips. Le caratteristiche salienti di tale microcontrollore sono le seguenti: - Possibilità di configurare i pin a seconda delle funzioni richieste dall applicazione; di seguito sono riportate le caratteristiche di interesse per la sezione logica delle due interfacce: - Microcontrollore della famiglia ARM7: famiglia scelta per l elevato rapporto qualità prestazionale/prezzo; - Istruzioni a 16 o 32 bit: l occupazione di memoria diventa più semplice da gestire; - Package LQFP64: facilità di debug hardware rispetto ad un case BGA; - Temperatura di storage: (-40 /+125 ); - 32KB di memoria RAM onboard; - 256KB di memoria FLASH onboard; - Clock interno fino a 60 MHz; - 8 canali A/D a 10 bit; - 1 convertitore D/A a 10 bit: può essere quindi gestito anche audio in locale che si può multiplare a quello ricevuto da remoto; - 2 timer a 32 bit: la funzione eseguita dalla sezione logica a seguito della pressione del pulsante multifunzione può dipendere dal tempo di pressione; - Due UART (UART0 e UART1) (16C550) onboard: i dati seriali possono essere gestiti direttamente dalle UART; lo stesso colloquio con il chip Bluetooth sarà gestito attraverso questo livello di trasporto; verrà utilizzata la UART1 perché permette anche l implementazione del controllo di flusso RTS-CTS, mentre la UART0 è composta solo dai due segnali TX/RX; la velocità è garantita, sulle UART, a oltre bps. E ovvio che se si richiede un colloquio con il chip Bluetooth a velocità maggiori è meglio utilizzare uno strato di trasporto USB. - Elevato numero di pin di I/O a disposizione; Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 9 / 57

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31 4.2.2 Chip Bluetooth Nella realizzazione della sezione logica delle due interfacce si è tenuto conto di vari fattori che hanno influenzato la scelta del chip Bluetooth da utilizzare. Il vincolo stringente della potenza adatta in trasmissione a seconda dell applicazione ha portato alla scelta di un chip che potesse coprire tutte e tre le classi di potenza; inoltre si scelto un componente che non potesse fare da collo di bottiglia in un eventuale trasferimento dati fra una postazione ed una cuffia; per quel che riguarda l audio si è cercato di trovare dei compromessi sulla funzione di trasferimento rispetto alla larghezza di banda messa a disposizione dal segnale in fonia di cuffia e postazione; sono state effettuate delle misure sul campo sia per la classe di potenza che per l intelligibilità audio utilizzando delle evaluation board di vari componenti e alla fine è stato scelto un chip della famiglia BLUEGIGA WT12/WT11: - Si tratta di una famiglia di chip Bluetooth 2.0. Questa è la versione del Bluetooth che supporta l EDR (Extended Data Rate), caratteristica che permette il trasferimento dati fino a 3Mbps in aria; - il core del chip (Bluecore04) è della CSR (Cambridge Silicon Radio), azienda leader nel mercato Bluetooth; il core dialoga, localmente sul chip, con un microcontrollore RISC su cui può essere precaricato il firmware di gestione della parte radio; la suddivisione del firmware può essere decisa, in base all applicazione da eseguire, fra il microcontrollore RISC presente sul Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 11 / 57

32 chip ed il microcontrollore host ARM che pilota il chip stesso con il software dell applicazione. PIO utilizzato come pin di I/O per segnalare all host la presenza o l assenza di collegamento ad un chip Bluetooth remoto RADIO RISC microcontroller UART Host ARM con software applicazione PCM Codec PCM Nel nostro caso si è scelto di precaricare tutti gli strati dello stack firmware Bluetooth 2.0 fino all RFCOMM all interno del microcontrollore RISC del Bluecore 04 (firmware iwrap fornito con il chip) e di scegliere quindi, come strato di trasporto per il dialogo fra host e chip, la UART. Il firmware iwrap aggiunge uno strato semplice di riconoscimento di stringhe ASCII ricevute in seriale e permette di dialogare con il microcontrollore RISC ricorrendo a semplicissimi messaggi che l host ARM impartisce al Bluetooth in base agli stati dell applicazione. Allo stesso tempo, il chip Bluetooth, Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 12 / 57

33 tramite il controllore RISC, restituirà degli eventi ASCII che verranno riconosciuti dall host ARM (utilizzo di semplicissime funzioni C strcmp() nel software applicativo). Es: l host ARM impartisce al Bluetooth il comando di ricerca dei dispositivi Bluetooth presenti nel raggio di copertura della classe di potenza prescelta: il comando ASCII impartito dall host ARM al Bluecore attraverso la UART sarà inquiry 5 il microcontrollore RISC su cui è caricato il firmware iwrap riconoscerà la stringa ASCII ricevuta ed attiverà gli strati inferiori del protocollo. Alla fine della ricerca, il firmware iwrap restituirà una lista di dispositivi trovati con l informazione del loro indirizzo Bluetooth a 48 bit in formato esadecimale. - l host ARM impartisce (attraverso la UART1 a bps) al Bluetooth il comando di connessione ad un dispositivo (il cui indirizzo Bluetooth a 48 bit è espresso in esadecimale da xx:xx:xx:xx:xx:xx) trovato con il comando impartito precedentemente: call xx:xx:xx:xx:xx:xx 1101 RFCOMM Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 13 / 57

34 In una fase di test del dispositivo Bluetooth (precedente al dialogo con ARM), si è utilizzato un semplicissimo terminale da PC (es: Hyperterminal) che ha dialogato, utilizzando un collegamento RS232, con la evaluation board del WT12. Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 14 / 57

35 In figura è rappresentata la suddivisione dello stack firmware/software nelle sezioni logiche. WT11/WT12 Automa a stati riconoscimento stringhe ASCII (iwrap) Dati seriali e Comandi ASCII UART Software applicativo presente su host ARM RFCOMM L2CAP HCI PCM LMP AUDIO PCM/CODEC baseband RAM RISC radio Dati seriali PIO comandi Host ARM Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 15 / 57

36 Attraverso poi una particolare configurazione dei pin di I/O del chip Bluetooth si è riusciti ad estrarre un pin che viene direttamente collegato all host ARM e che riporta l informazione fondamentale di presenza o no di collegamento dati con un dispositivo remoto: PIO=1 -> COLLEGAMENTO REMOTO PRESENTE PIO=0 -> COLLEGAMENTO REMOTO ASSENTE Tale pin verrà letto dall host ARM il quale prenderà delle decisioni a seconda dello stato in cui si trova la sezione logica. Di conseguenza, la sezione logica, per quel che riguarda il dialogo fra host ARM e chip WT11/WT12, si può trovare in due stati distinti: - MODALITA COMANDI (COLLEGAMENTO REMOTO ASSENTE): in tale stato l ARM ed il WT11/WT12 si scambiano stringhe ASCII (COMANDI <-> EVENTI) interpretabili localmente dai due dispositivi, ma tutti i dati che transitano sulla UART di comunicazione non vengono trasferiti a nessun dispositivo remoto; - MODALITA DATI-AUDIO (COLLEGAMENTO REMOTO PRESENTE): in tale stato l ARM parla direttamente con il dispositivo remoto connesso precedentemente ed utilizza il chip WT11/WT12 locale solo come bridge ; Codec PCM Codec PCM ARM WT11/WT12 Link wireless NON PRESENTE WT11/WT12 ARM COMANDI - EVENTI ASCII LOCALI MODALITA COMANDI COMANDI - EVENTI ASCII LOCALI Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 16 / 57

37 Audio SEZIONE ANALOGICA IWA Codec PCM Codec PCM Audio SEZIONE ANALOGICA HWA UART0 ARM WT11/WT12 Link wireless seriale a bps e AUDIO SCO PRESENTE WT11/WT12 ARM UART0 Dati seriali formattati con protocollo proprietario MODALITA DATI-AUDIO Dati seriali formattati con protocollo proprietario COMANDO di PTT per sezione ANALOGICA IWA COMANDO di PTT da sezione ANALOGICA HWA Audio SEZIONE ANALOGICA IWA AUDIO ANALOGICO Audio SEZIONE ANALOGICA HWA DATI DA E PER SEZIONE ANALOGICA IWA UART0 ARM UART1 Dati formattati protocollo proprietario UART1 ARM UART0 DATI DA E PER SEZIONE ANALOGICA HWA COMANDO di PTT per sezione ANALOGICA IWA COMANDO di PTT da sezione ANALOGICA HWA Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 17 / 57

38 Audio SEZIONE ANALOGICA IWA AUDIO ANALOGICO Audio SEZIONE ANALOGICA HWA DATI DA E PER SEZIONE ANALOGICA IWA COMANDO di PTT per sezione ANALOGICA IWA Dati formattati protocollo proprietario DATI DA E PER SEZIONE ANALOGICA HWA COMANDO di PTT da sezione ANALOGICA HWA Si può notare come, con l instaurazione di un collegamento wireless in audio (SCO) e dati (ACL-RFCOMM) si è sostituito completamente il cavo fisico di connessione fra le due sezioni analogiche di postazione e cuffia-microfono; - L antenna può essere integrata (v. chip antenna in figura per la versione in classe 2 ) per le versioni WT12-A in classe 2 e WT11-A in classe 1 (o classe 3 settabile con un comando software), oppure il chip, nella versione WT11E, presenta un connettore UFL che permette l utilizzo di un antenna a dipolo semplice che dà al trasmettitore la possibilità di essere di classe 1 e raggiungere portate anche fino a 300 metri; Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 18 / 57

39 - Il range di temperatura è industriale (-40 /+85 ); - Supporta la coesistenza con lo standard WIFI b mediante l utilizzo dell AFH (Adaptive Frequency Hopping), algoritmo di scelta della sequenza di hopping più conveniente da utilizzare nel caso in cui ci sia un collegamento b nelle vicinanze; - Aggiornamenti del firmware e settaggio dei parametri interni al firmware possibili attraverso interfaccia SPI; - Interfaccia PCM per trasmissione e ricezione continua di audio codificato: il chip offre un interfaccia bidirezionale per l audio digitale che viene direttamente passato allo strato baseband dello stack senza passare attraverso l HCI, riducendo molto l overhead per la gestione della fonia. Attraverso l interfaccia SPI di settaggio dei parametri PCM del chip esso può essere configurato da master o da slave: come master supporta clock in uscita di 128KHz, 256KHz e fino a 512KHz, mentre come slave supporta clock in ingresso fino a 2048KHz. I formati PCM supportati sono lineari a 13 o 16 bit oppure compressi (A-law o µ-law) a 8 bit. Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 19 / 57

40 4.2.3 Codec PCM Il codec scelto è il WINBOND W681360, componente replacement part ROHS compliant del codec MOTOROLA MC presente sulla evaluation board del chip Bluetooth WT12. Il codec si è dimostrato completamente compatibile con l interfaccia PCM del chip Bluetooth e ha portato, nelle prove, ad una funzione di trasferimento dell audio compatibile con la qualità richiesta da cuffia-microfono e postazione. Schema a blocchi CODEC WINBOND W PCM - > audio analogico PCM audio analogico PCM < - audio analogico Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 20 / 57

41 4.2.4 SCHEMA SEZIONE LOGICA IWA Segnale di pressione pulsante esterno Presenza collegamento con dispositivo remoto Dati seriali TTL per postazione locale Dati seriali TTL per cuffia remota Alimentazione da sezione analogica TXUART0 RXUART0 PTT ON/OFF per sezione analogica ARM LPC213X Led ON/OFF per sezione analogica TXUART1 RXUART1 RTSUART1 CTSUART1 Audio analogico da postazione per cuffia Audio analogico per postazione da cuffia PCMSYNC BLUEGIGA WT11/WT12 PCMCLK PCMIN WINBOND W PCMOUT WT11/12 master PCM CODEC slave PCM I/O SERIALE AUDIO/PCM ALIMENTAZIONE INTERRUPT ESTERNO Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 21 / 57

42 4.2.5 SCHEMA SEZIONE LOGICA HWA Segnale di pressione pulsante esterno Presenza collegamento con dispositivo remoto Dati seriali TTL da postazione remota per cuffia Dati seriali TTL per postazione remota Alimentazione da sezione analogica TXUART0 RXUART0 PTT ON/OFF da sezione analogica ARM LPC213X TXUART1 RXUART1 RTSUART1 CTSUART1 Audio analogico da cuffia per postazione remota Audio analogico per cuffia da postazione remota PCMSYNC BLUEGIGA WT11/WT12 PCMCLK PCMIN WINBOND W PCMOUT WT11/12 master PCM CODEC slave PCM I/O SERIALE AUDIO/PCM ALIMENTAZIONE INTERRUPT ESTERNO Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 22 / 57

43 4.2.6 FIRMWARE/SOFTWARE DI GESTIONE Come si evince dai due schemi a blocchi presentati per le sezioni logiche, si può già prevedere che il software di gestione caricato sul microcontrollore ARM sarà molto simile nelle due situazioni IWA e HWA. Il software è stato scritto in C ed stato utilizzato l ambiente di sviluppo KEIL MICROVISION per ARM. La struttura fondamentale di un software di gestione di un sistema embedded a microcontrollore come quello progettato è la seguente: all interno del file main.c del progetto software, dopo una fase di inizializzazione locale della sezione logica, ci sarà un ciclo while infinito (finché c è alimentazione dalla sezione analogica) del tipo: while(1) { } processa i dati ricevuti sulla UART0; processa i dati ricevuti sulla UART1; gestisci il blink dei led (IWA) gestione I/O; PTT premuto? (HWA) gestione I/O; Collegamento wireless con dispositivo remoto attivo? gestione I/O; Pulsante MULTIFUNZIONE premuto? gestione interrupt esterno; Tutte le funzioni eseguite all interno di questo while rispetteranno le velocità del processore (60 MHz di clock interno). Parallelamente verranno gestiti ad interrupt tutta un altra serie di eventi. Cominciamo quindi col considerare le funzioni utilizzate nel main e le relative funzioni firmware di basso livello associate in tutte e due le situazioni IWA e HWA: - funzioni di scrittura e lettura su UART: la lettura e la scrittura di caratteri sulle porte seriali è gestita ad interrupt per sfruttare tutta la velocità messa a Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 23 / 57

44 disposizione dalle porte ed evitare attese inutili dovute alle implementazioni a polling tipiche dell utilizzo di funzioni printf() o scanf() di sistema; è stata scelta la velocità di bps per le seriali e tale velocità si è rivelata corretta e sufficiente per lo strato di trasporto messo a disposizione nel colloquio con il chip Bluetooth; tale velocità si è inoltre rivelata corretta per le richieste di velocità delle applicazioni. Si è scelto, per un applicazione prototipale come quella presentata, di non implementare meccanismi di controllo di flusso hardware (meccanismo RTS-CTS) e quindi i due segnali RTS1 e CTS1 vengono cortocircuitati sulla scheda e non vengono gestiti nel software. A livello di messaggio, invece, viene utilizzato un protocollo proprietario Larimart (dotato di checksum) che analizza sintatticamente e semanticamente stringhe di caratteri. - RXUART1: come si evince dallo schema a blocchi delle sezioni logiche, il microcontrollore ARM riceve sulla UART1 dati dal chip Bluetooth, ogni carattere (8 bit) che arriva fa scattare un interrupt, l ARM salva i dati nello stack e salta subito alla routine di gestione dell interrupt la quale non fa altro che aggiungere il carattere in una coda circolare (dimensionata opportunamente) grazie alla funzione void push_coda_rx_uart1(unsigned char ch) la quale gestisce circolarmente l inserimento in coda del carattere ch passato come parametro ; - TXUART1: per trasmettere caratteri sulla UART1 si prepara per prima cosa un buffer da spedire e quindi lo si passa come parametro alla funzione void invia_a_wt12(unsigned char* appoggio); Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 24 / 57

45 la quale attiva gli interrupt in trasmissione sulla UART1; in questo modo si entra subito nella routine di gestione la quale manda in trasmissione il buffer passato ponendo, un carattere per volta, tutti gli elementi della stringa appoggio nello shift register in trasmissione della UART1; alla fine della stringa passata si disattiva l interrupt in trasmissione; - RXUART0: come nella RXUART1 ci sarà la ricezione ad interrupt di caratteri che verranno messi in una coda circolare dalla funzione void push_coda_rx_uart0(unsigned char ch) - TXUART0: come nella TXUART1 si preparerà un buffer e lo si passerà come parametro ad una funzione void invia_su_uart0(unsigned char * appoggio) la quale attiverà l interrupt in trasmissione fino al completo invio della stringa passata; - una volta messo in evidenza il meccanismo di riempimento delle code seriali ad interrupt, passiamo ad analizzare le funzioni presenti nel main che gestiscono le due seriali: void processa_coda_rx_uart1(void); la funzione viene eseguita continuamente nel ciclo while(1) del main; l algoritmo che la contraddistingue è il seguente: in MODALITA COMANDI tutto quello che viene ricevuto sulla UART1 è da interpretare come comando ASCII ricevuto dal chip WT11/WT12 locale. E per questo che in tale modalità si analizzeranno stringhe ASCII di evento codificate nel firmware iwrap caricato sul chip Bluetooth; a tal Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 25 / 57

46 proposito si utilizzerà la funzione strcmp() della libreria STDIO del linguaggio C. In MODALITA DATI AUDIO tutto quello che viene ricevuto dal chip Bluetooth viene interpretato e validato secondo un protocollo Larimart con un automa a stati. E ovvio che dopo la ricezione di una stringa corretta, la stessa stringa va subito spedita sulla UART0 verso l utilizzatore (che può essere la sezione analogica di IWA o di HWA) attraverso la funzione invia_su_uart0(). Solo in un caso particolare, oltre alla sintassi, va analizzata la semantica della stringa ricevuta: nel caso di ricezione, da parte della sezione logica di IWA, di un messaggio formattato ed indicante l attivazione o la disattivazione del PTT sulla cuffia remota, non va effettuato il bridge verso la sezione analogica di IWA ma si interviene sul comando di PTT locale. Nella pagina seguente si illustra un diagramma di flusso dell algoritmo di ricezione dati sulla UART1 per IWA: Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 26 / 57

47 Leggi i puntatori di scrittura e lettura della coda circolare in ricezione SCELTE DI PROGETTO Sono diversi? NO SI ESCI Siamo in modalità COMANDI? SI NO APPLICA L AUTOMA A STATI FINITI per riconoscere eventi in ricezione che appartengono al protocollo proprietario Analizza stringhe ASCII eventi da WT11/WT12 ESCI E arrivata una stringa sintatticamente corretta? NO SI ESCI La stringa riguarda il PTT? NO SI Agisci sul comando di PTT Spedisci la stringa corretta su UART0 Con la invia_su_uart0() ESCI ESCI Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 27 / 57

48 Passiamo ora alla UART0: void processa_coda_rx_uart0(void); Il meccanismo applicato è sempre lo stesso: lo svuotamento a polling di una coda circolare riempita ad interrupt; la differenza rispetto alla UART1 è che tutto ciò che si riceve sulla UART0 è un messaggio di protocollo e non vengono previste stringhe ASCII. L algoritmo che contraddistingue la ricezione in tal caso è molto più semplice rispetto a quello della UART1: si deve validare una stringa in ricezione e, in caso affermativo, si spedisce la stringa direttamente al dispositivo remoto utilizzando la funzione invia_a_wt12() che scrive su UART1 (se si è in modalità DATI AUDIO ed il protocollo Larimart lo prevede). - Funzioni di lettura/scrittura dei pin di I/O: abbiamo visto la schematizzazione delle richieste fatte nella funzione main: - gestisci il blink dei led (OUTPUT per tastiera IWA): in tal caso, a seconda dello stato in cui si trova la sezione logica, si provvede a cambiare l uscita (livello ALTO < > BASSO) dei pin che comandano i led che devono blinkare; - PTT premuto? (INPUT da cuffia microfono connessa ad HWA): una volta che nel while (1) si trova lo stato ALTO di questo pin in lettura allora viene chiamata la funzione invia_a_wt12() e gli viene passata come parametro proprio la stringa del protocollo Larimart che segnala la pressione del pulsante PTT all unità IWA remota; sarà quindi cura della sezione logica dell IWA raccogliere tale messaggio e provvedere all attivazione del PTT. - Collegamento wireless con dispositivo remoto attivo?: (INPUT all ARM dal WT12): dopo l inizializzazione del microcontrollore ancora non sarà stato instaurato nessun collegamento wireless ed il pin sarà a 0; la pressione del pulsante multifunzione presente su HWA richiede una Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 28 / 57

49 connessione alla IWA remota e se tale transazione va a buon fine allora la lettura del pin ALTO fa sì che la sezione logica si ponga in modalità DATI-AUDIO; - Routine di gestione interrupt esterno: l interrupt esterno è gestito per la pressione del pulsante multifunzione presente sulle due unità IWA ed HWA; vengono considerati due pin dell ARM settati come ingressi di interrupt: il primo (EINT1) è triggerato sul fronte di discesa, il secondo (EINT2) sul fronte di discesa; un contatto del pulsante viene connesso ad una resistenza di pull up connessa all alimentazione della scheda della sezione logica ed anche ai due ingressi di interrupt. VCC Resist. PULLUP Ingressi di interrupt esterno dell ARM Pulsante multifunzione EINT1 EINT2 ARM GND Come si vede dalla figura, la pressione del pulsante comporterà un fronte di discesa e si entrerà nella routine software di gestione dell interrupt esterno EINT1; in tale routine verrà attivato un timer e resettata una flag di stato che indica che il pulsante è ancora premuto; al rilascio del pulsante si entra nella routine di interrupt dell EINT2 perché è scattato il trigger sul fronte di salita; nella routine viene bloccato il timer e messa ad 1 la flag; a questo punto nella funzione main ci sarà un controllo sul valore della flag la quale, se verrà trovata Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 29 / 57

50 uguale ad 1, porterà ad analizzare il valore del timer. A seconda dei valori che si possono leggere per il registro del timer a 32 bit dell ARM si prenderà una decisione. Tale meccanismo è molto efficiente anche per quel che riguarda l eliminazione dei rimbalzi del pulsante, perché è così possibile settare un valore di guardia per il timer sotto il quale la pressione non viene presa in considerazione. Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 30 / 57

51 REALIZZAZIONE EFFETTIVA E VALIDAZIONE 5 REALIZZAZIONE EFFETTIVA E VALIDAZIONE Una volta messe in risalto le scelte di progetto, passiamo ad illustrare il sistema nella sua realizzazione effettiva e analizziamone le prestazioni, mediante un banco di test, in varie situazioni operative. 5.1 Realizzazione del prototipo In questo paragrafo vengono descritti i prodotti finiti: - IWA: risulta di piccole dimensioni e molto leggera; è dotata di un pulsante esterno MULTIFUNZIONE e di tre led di stato: o rosso: alimentazione dalla postazione presente: se il led non lampeggia allora l IWA è connessa correttamente alla postazione, altrimenti c è stato qualche problema nel riconoscimento; o blu: stato della sezione logica: se il led è spento allora nessun collegamento con HWA è in corso altrimenti, se lampeggia, c è un link attivato con HWA; o verde: led PTT. Questo led si accende quando è attivo il PTT sulla postazione di appartenenza; Connettore per postazione Led di stato Pulsante multifunzione Massimo Andreozzi ( Matr ( ) ) 1 / 57