GÖZCÜ ROBOTU İÇİN SAYISAL HABERLEŞME ARAYÜZÜ TASARIMI VE PROTOTİP ÜRETİMİ

Transkript

1 T.C. KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü GÖZCÜ ROBOTU İÇİN SAYISAL HABERLEŞME ARAYÜZÜ TASARIMI VE PROTOTİP ÜRETİMİ Hakan CEYLAN Muhammed Ömer YAŞAR Nida KONUKSEVER Öğr. Gör. Oğuzhan ÇAKIR Haziran 2013 TRABZON

2 LİSANS BİTİRME PROJESİ ONAY FORMU Hakan CEYLAN, Muhammed Ömer YAŞAR ve Nida KONUKSEVER tarafından Öğr. Gör. Oğuzhan ÇAKIR yönetiminde hazırlanan Gözcü Robotu için Sayısal Haberleşme Arayüzü Tasarımı ve Prototip Üretimi başlıklı lisans bitirme projesi tarafımızdan incelenmiş, kapsamı ve niteliği açısından bir Lisans Bitirme Projesi olarak kabul edilmiştir. Danışman : Öğr. Gör. Oğuzhan ÇAKIR Jüri Üyesi 1 : Yrd. Doç. Dr. Salim KAHVECİ Jüri Üyesi 2 : Yrd. Doç. Dr. Kadir TÜRK Bölüm Başkanı : Prof. Dr. İsmail Hakkı ALTAŞ

3 ÖNSÖZ Günümüzde, güvenlik ihtiyacının karşılanmasında, insan gücüne yardımcı olarak akıllı makineler de kullanılmaktadır. Basit veya karmaşık yapıdaki gözcü robotları kullanılarak, gözetleme yapılmaktadır. Bu çalışmada, uzaktan bilgisayar kontrollü bir gözcü robotu için gerekli olan sayısal haberleşme arayüzü tasarlanmış ve üretilmiştir. Çalışmalarımız boyunca bize değerli zamanını ayıran ve verdiği fikirler ile bizi yönlendiren hocamız Sayın Öğr. Gör. Oğuzhan ÇAKIR a teşekkür ederiz. Ayrıca bu çalışmayı destekleyen Karadeniz Teknik Üniversitesi Rektörlüğü ne Mühendislik Fakültesi Dekanlığına ve Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölüm Başkanlığına içten teşekkürlerimi sunarım. Hayatımız boyunca her türlü maddi ve manevi desteklerini hiçbir zaman esirgemeyen ailelerimize şükranlarımızı sunarız. Hakan CEYLAN Muhammed Ömer YAŞAR Nida KONUKSEVER Haziran 2013 II

4 İÇİNDEKİLER LİSANS BİTİRME PROJESİ ONAY FORMU II ÖNSÖZ III İÇİNDEKİLER IV ÖZET V SEMBOLLER VE KISALTMALAR VI 1. GİRİŞ 1 2. TEORİK ALTYAPI Beyaz Gürültü Sözde Rastgele Gürültü PN Dizisinin Özellikleri M Dizisi M Dizilerinin Temel Özellikleri Barker Kod Gold Kodları Hadamard-Walsh Kodları Çapraz Korelasyon Otokorelasyon Normalize Çapraz Korelasyon Genlik Kaydırmalı Anahtarlama FSK Modülasyonu Faz Kaydırmalı Anahtarlama TASARIM DENEYSEL ÇALIŞMALAR SONUÇLAR YORUMLAR ve DEĞERLENDİRME 21 KAYNAKLAR 22 EK 1 23 ÖZGEÇMİŞ 24 III

5 ÖZET Günümüzde yarı iletken teknolojisindeki gelişime paralel olarak mikrodenetleyicilerin çeşitliliği artmış ve maliyetleri azalmıştır. Elektronik devrelerde mikrodenetleyici kullanımı, akıllı cihazların düşük maliyetlerle üretimine imkân vermiştir. Otonom hareket yeteneğine sahip gözcü robotlar bu tür akıllı cihazlara örnek olarak verilebilir. Bu çalışmada, gözcü robotu için gerekli olan sayısal haberleşme arayüzünün tasarımı, üretimi ve testi yapılmıştır. Arayüz için gerekli olan ana kart Eagle editörü kullanılarak hazırlanmış ve transfer kâğıdı tekniği ile üretilmiştir. Uygulama yazılımı MPLAB editörü kullanılarak Hi-Tech derleyicisinde geliştirilmiş olup, kayıpsız veri iletimi için PN dizileri kullanılmıştır. Son olarak sistem test edilmiş ve tespit edilen aksaklıklar giderilmiştir. IV

6 SEMBOLLER VE KISALTMALAR ASK : Genlik Kaydırmalı Anahtarlama BPSK : İkili Faz Kaydırmalı Anahtarlama CDMA : Kod Bölmeli Çoklu Erişim FSK : Frekans Kaydırmalı Anahtarlama kbps : saniyede bin bit MHz : Mega Hertz RF : Radyo Frekansı PN : Sözde Gürültü PSK : Faz Kaydırmalı Anahtarlama SSRG : Basit Kaydırmalı Kaydedici Üreteci QPSK : Karesel Faz Kaydırmalı Anahtarlama WGN : Beyaz Gauss Gürültüsü 3D : Üç boyutlu V

7 1. GİRİŞ Bu çalışmada gözcü robotu için sayısal haberleşme arayüzünün tasarımı, üretimi ve testi yapılmıştır. Öncelikle gerçekleştirilmesi düşünülen arayüzün tasarımı yapılmış ardından gerekli malzeme listesi tespit edilmiştir. Kullanılacak malzemelerin temininden sonra sistemin şematik ve baskı devre şemaları Eagle editörü kullanılarak hazırlanmıştır [1], [2]. Arayüz devresinin baskı devre kartı transfer kağıdı yöntemi ile üretilmiş ve malzeme montajı yapılmıştır. Hazırlanan donanım test edilmiş ve yazılım aşamasına geçilmiştir. Arayüz devresi için gereken uygulama yazılı MPLAB editörü kullanılarak Hi- Tech C derleyicisinde geliştirilmiştir [3], [4], [5]. Yazılım donanıma yüklenerek gerekli düzeltmeler yapılmış ve son hali verilmiştir [6]. Kayıpsız veri iletimi için her bit PN dizileri şeklinde yollanmış ve alıcı tarafta hatalı bitler düzeltilmiştir. Son olarak, gistem donanım ve yazılım olarak tamamlanmış ve test edilmiştir. Test esnasında karşılaşılan arızalar giderilerek sayısal haberleşme arayüzü başarı ile tamamlanmıştır. Çalışma takvimi tüm döneme yayılmıştır. Projenin Mayıs ayına kadar tamamen sonuçlanması hedeflenmiştir. Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1. Çalışma takvimi İş Şubat Mart Nisan Mayıs Gerekli malzemelerin tespiti ve temini Baskı devre şemasının çizimi Baskı devre üretimi Montaj ve test Sistem yazılımının hazırlanması Sistemin test edilmesi Bitirme tezinin yazımı 1

8 2. TEORİK ALTYAPI Bu kısımda hedeflenen sistemin gerçekleştirilmesinde kullanılacak tekniklerden kısaca bahsedilecektir. PN dizileri, korelasyon işlemi ve sayısal modülasyon teknikleri hakkında özet bilgiler sunulacaktır Beyaz Gürültü Sıfır ortalamalı beyaz gauss gürültüsü bütün frekanslarda aynı spectral güç yoğunluğuna sahiptir. Beyaz sıfatı elektromanyetik radyasyonun görünür bandı içinde tüm frekanslarda eşit miktarda beyaz ışık içerdiği için kullanılır. Beyaz gürültünün (WGN, White Gaussian Noise) otokorelasyon fonksiyonu güç spektral fonksiyonunun ters fourier çevrimi ile bulunur. (1) Otokorelasyon fonksiyonu =0 da sıfırdır. Bunun anlamı WGN nin zaman ekseninde yakınlığını önemli olmayan herhangi iki farklı örnek aldığımızda korelasyonları olmadığıdır. Bu gürültü sinyali WGN( ), da tüm zaman ekseninde korelasyon oluşturmaz. (2) 2.2. Sözde Rastgele Gürültü PN kodu dizisi sinyalin enerjisini bant genişliğine yayarak taşıma görevini yapan gürültü gibi davranırlar. Kodu iyi seçmek önemlidir çünkü kodun tipi ve uzunluğu sistem kapasitesini sınırlar. PN kodu dizisi 1 ve 0 ların oluşturduğu sözde gürültü ya da sözde rastgele dizidir fakat periyodik olduğu için aslında tam olarak rastgele değildir. Rastgele sinyaller öngörülemez. PN dizisinin otokorelasyonu (özilintisi) beyaz gürültü ile benzer özellikler gösterir. 2

9 Sözde rastgele dizi; Kodu bilmeyen kullanıcılar tarafından rastgele olarak görülebilir ancak rastgele değildir. Alıcı ve vericinin her ikisinin de bildiği takdirde bilindik ve periyodiktir. Uzun bir periyoda yayılmış PN kodunu belirlemek zordur ancak gönderilen bilginin tamamını doğru olarak almaya daha yakındır. Beyaz gürültünün istatiksel özelliklerini taşır. Dizi boyu bakımından; Kısa kod; Her bilgi sembolü için aynı pn dizisi vardır Uzun kod; PN dizisinin periyodu sembol periyodundan büyüktür. Bunun sonucunda her sembolle ilişkili farklı kırılma örüntüsü vardır PN Dizisinin Özellikleri Denge özelliği: Dizinin her periyodunda 1 kodunun 0 kodundan farkı farklı olan bir rakam ile belirlenir. Taşıyıcıdaki sözde gürültü kodunun modülasyonunda bir-sıfır denkliği (dc birleşen) oluşabilecek taşıyıcı bastırılmasını sınırlandırabilir. Akış-uzunluk dağılımı: Akış ikili sistemin tek tip dizisidir. Her periyotta dikkat edilmesi gereken durum bir-yarım tipinin uzunluğu 1, bir-dört tipinin uzunluğu iki, birsekiz tipinin uzunluğu üç ve böyle devam eder. Özilinti: Sözde gürültü sinyali ismini beyaz gürültü sinyali gibi özilinti fonksiyonuna sahip olmasından alır. PN dizisinin öz ilinti fonksiyonu ile dizinin bir tam periyodundaki karşılıklı kod uyumunun göstergesidir. (3) Özilinti fonksiyonunun sonucunun senkronizasyon olmayan durumdan daha yüksek olması en iyisidir. PN dizisinin özilintisi iki özdeş dizinin senkronizasyonunda maksimum tepe verir tıpkı beyaz gürültü gibi. Alıcıda ki senkronizasyon en temel özelliktir. 3

10 Frekans tayfı: Periyodik olmasının özelliğinden dolayı PN dizisinin frekans spectrumu dizi boyundaki artış ile birbirine yaklaşan spektrel çizgilerine sahiptir. Kodlama ile datanın yayılım alanı genişler.pn dizisinin bir-sıfır dengesi ile dc birleşen belirlenebilir. Çapraz korelasyon: Çapraz korelasyon ve kodları arasında ki girişimi tanımlar. (4) Çapraz korelasyon iki farklı kod arasında ki uyumun bir ölçüsüdür. Çapraz korelasyonun tüm değerleri için sıfır olduğu zaman kodlar ortagonal olarak adlandırılır. CDMA da birden fazla kullanıcı aynı anda RF bandını kullanır ve eş zamanlı bilgi transferi olur. Kullanıcı kodları ortagonal ise kullanıcılar arasında girişim olmaz ve iletişimin gizliliği her kullanıcı için sağlanmış olur. Pratikte kodlar tamamen ortagonal olamazlar.bu yüzden çapraz korelasyon en fazla kullanıcı olduğunda kullanıcılar arasında ki bozulma derecesini ortaya koyar M Dizisi SSRG (Simple Shift Register Generator) bir kaydırıcının (gecikme hattı) tek bir girişi için döndürülen tüm geri besleme sinyallerini içerir. Geri besleme fonksiyonu, bir modulo-2 toplamı olarak ifade edilebiliyorsa SSRG doğrusaldır. Geri besleme fonksiyonu f(,,, ), geribesleme bağlantı katsayısı ( = 0 = açık, = 1 = bağlantı) ile kaydırmalı kaydedici hücrelerinin bir modulo-2 toplamıdır. L flip-flopları ile SSRG üretilebilir. Bu kayıt uzunluğu L ve geri besleme bağlantı ve geri besleme başlangıç koşullarına bağlıdır. Dizinin periyodu = -1 dir. Bu durumda PN dizisine maksimum uzunluklu dizi ya da sadece bir m-dizisi denir. Doğrusal bir SSRG den oluşturulan bir m-dizisinin uçlarında bir çift sayı vardır. [5,2] = [5,3] =

11 Geri besleme bağlantılarının (çift numaralı) doğrusal SSRG (görüntü kümesi olmadan) ile üretilen m-dizileri için aşağıda tablo verilmiştir. Her set için [L, k,., p] geri beslemeleri tabloda listelenmiştir. Burada zamanda özdeş dizinin tersi üretilmiş, geri beslemenin bir benzeri set vardır M Dizilerinin Temel Özellikleri Denge: Bir m-dizisi için dizinin tam bir periyodunda 0 dan daha fazla 1 vardır. Burada tane 1-1 tane 0 olmalıdır. Otokorelasyon: M dizisinin otokorolesyon fonksiyonu çip faz kayması τ nun tüm değerleri için -1 dir, çip faz kayma alanı [-1,+1] in dışında, -1 den = doğrusal korolesyon değerini içerir. Otokorolesyonun tepe değeri, m-dizisinin uznluğunun artması ile artar ve beyaz gürültü otokorolesyon fonksiyonuna yaklaşır. Diğer kodlar, m-dizisinin bu performansına eşit ve daha iyi bir performans yapamazlar. Çapraz korelasyon: Çapraz korelasyon, iki farklı kodun birbirlerine uygunluklarının ölçüsüdür. Maalesef, çapraz korelasyon ortak frekans bandı paylaşmak olduğunda, kod dizileri kullanıcılar arasında etkileşimi önlemek için seçilmelidir. Otkorelasyon gibi daha yaralı değildir. Güvenlik: M-dizi kodları doğrusaldır. Böylece transmisyon sistemi anlaşılır olduğu için güvenli değildir. Doğrusal kodlar, bilinen dizilerden çip kısa bir serisinden kolayca çözülebilir. Eğer bilginin kendisi bir şifreli yazımla yani güvenli teknik ile kodlanmış olduğu takdirde genel sistem hala güvenli olabilir Barker Kod SSRG nin içindeki L seviye numaraları aynı zamanda m-dizisi kodlarındaki N c = 2L 1 periyodunu da belirler. Barker kodu, m-dizisinde olduğu gibi değişik uzunluklarda ve benzer otokorelasyon özelliklerinde kodlar verir. 5

12 Tablo 1. M dizileri Uzunluk Geri besleme kısımları Sayısı 3 [2,1] 2 7 [3,1] 2 15 [4,1] 2 31 [5,3], [5,4,3,2], [5,4,2,1] 6 63 [6,1], [6,5,2,1], [6,5,3,2] [7,1], [7,3], [7,3,2,1], [7,4,3,2], [7,6,4,2], [7,6,3,1], [7,6,5,2], [7,6,5,4,2,1], [7,5,4,3,2,1] [8,4,3,2], [8,6,5,3], [8,6,5,2], [8,5,3,1], [8,6,5,1], [8,7,6,1], [8,7,6,5,2,1], [9,7,6,4,3,1], [9,8,7,6,5,3] [9,4], [9,6,4,3], [9,8,5,4], [9,8,4,1], [9,5,3,2], [9,8,6,5], [9,8,7,2], [9,6,5,4,2,1], [9,7,6,4,3,1], [9,8,7,6,5,3] [10,3], [10,8,3,2], [10,4,3,1], [10,8,5,1], [10,8,5,4], [10,9,4,1], [10,8,4,3], [10,5,3,2], [10,5,2,1], [10,9,4,2], [10,6,5,3,2,1], [10,9,8,6,3,2], [10,9,7,6,4,1], 60 [10,9,8,7,6,5,4,3], [10,8,7,6,5,4,3,1] 2047 [11,2], [11,8,5,2], [11,7,3,2], [11,5,3,2], [11,10,3,2], [11,6,5,1], [11,5,3,1], [11,9,4,1], [11,8,6,2],[11,9,8,3], [11,10,9,8,3,1] Gold Kodları M-dizisinin otokorelasyon özellikleri daha fazla geliştirilemez. Fakat çok kullanıcılı ortamlar aynı uzunlukta ve daha iyi çapraz korelasyon özellikleri olan bir kod kümesine ihtiyaç duyarlar. Altın kod dizileri kullanışlıdır çünkü sadece bir çift Feedback tap set kullanmasına rağmen çok sayıda kod üretilebilir. Altın kodlar, aynı uzunlukta iki maksimum boydaki dizi ile özel o-ring tarafından üretilmiş üretim kodlarıdır. Kodlar eşzamanlı olarak eklenir. Çünkü M-dizileri eşit uzunlukta olduğundan bu iki kod üreticileri aynı faz ilişkilerini korur ve üretilen kodlar eklenen iki esas kodlarla aynı uzunluktadır fakat bunlar azami düzeyde değildirler. Üretilen her iki 6

13 m-dizisinin arasındaki faz pozisyonun değişmesi nedeniyle, yeni dizilerin üretilmesine sebep olur. Herhangi bir iki-kayıtlı altın kod üreticisinin L uzunluğu, toplamda 2L+1 dizi vererek, 2L-1 dizi artı iki temel m-dizisi üretir. Bunların çok fazla sayıda kod üretme avantajlarına ek olarak, altın kodlar sınırlı ve sabit kodlar arasındaki çapraz korelasyon ve otokorelasyon üretici tarafından bir dizi kod üretilmesini mümkün kılması sebebiyle kullanılabilir. Özel seçilen m-dizileri tercih edilen dizilerdir ve altın kodların üç değerli çapraz korelasyonunun üretiminde kullanılır. Tablo 2. Altın kodların üç değerli çapraz korelasyonunun üretimi Uzunluk Normalize Uzunluk Frekans Sıklığı Tek 2L-1 Çift 2L-1 ~ 0,500 ~ 0,250 ~ 0,250 ~ 0,750 ~ 0,125 ~ 0,125 Altın kodlarının bu önemli alt kümesi tercih edilen çift altın kodlarıdır. Var olan birkaç tane kodun içinden sadece bir kod seçmemiz gerektiğinde tahmin edilebilen çapraz korelasyon özellikleri gereklidir. Üretilen altın kodların sadece bir kısmı düzenlidir Hadamard-Walsh Kodları Hadamard-Walsh kodları bir dizi N=2n kod kümesi içinde N=2n uzunluğu ile elde edilir. Üretim algoritması basittir. H N matrisin satırları veya sütunları Hadamard-Walsh kodlarıdır. Her durumda matrisin her ilk satırı tamamen 1s ve diğer her satırın N/2 0s ve N/2 1s ini içerir. N/2 satırı N/2 1s ile başlar ve N/2 0s ile biter. Her çift sıranın arasındaki mesafe tam tamına N/2dir. H8 için herhangi iki sıra arasındaki mesafe 4tür, bu durumda Hadamard kodundaki Hamming uzaklığı da 4 tür. Hadamard-Walsh kodu aynı zamanda 7

14 kanal şifreleyici engelleme kodu olarak kullanılır; n bit in her dizisi matristeki bir satırı tanımlar. Her satır karşılıklı ortogonal olmakla birlikte hepsi i ve j dir. Tablo 3. Uzunluklarına göre altın kodlar L N c =2 L-1 Tercih edilen m-dizisi çiftleri 3-değerli Sınır çapraz [%] korelasyon 5 31 [5,3] [5,4,3,2] [6,1] [6,5,2,1] [7,3] [7,3,2,1] [7,3,2,1] [7,5,4,3,2,1] [8,7,6,5,2,1] [8,7,6,1] [9,4] [9,6,4,3] [9,6,4,3] [9,8,4,1] [10,9,8,7,6,5,4,3][10,9,7,6,4,1] [10,8,7,6,5,4,3,1][10,9,7,6,4,1][10,8,5,1] [10,7,6,4,2,1] [11,2][11,8,5,2][11,8,5,2] [11,10,3,2] (5) Çapraz korolasyonlu olan herhangi iki Hadamard-Walsh iyi bir şekilde senkronrandığında matris kodu sıfır olur. Senkronlanmış CDMA sisteminde, aynı istasyondan gönderilen sinyaller arasında hiçbir parazit olmamasını sağlar. Sadece senkronize olduğunda bu kodlar iyi ortogonal özelliklere sahip olur. Bu kodlar periyodiktir ve bu da otokorelasyona dayanan senkronizasyon temelli problemler ve daha az yayılmış verime yol açar Çapraz Korelasyon İki gerçek sürekli sinyalin çapraz korelasyonu olsun; (t)= (6) Biz bu iki sinyali konvülasyon için karşılaştırdığımızda, 8

15 x(t)*y(t) (7) göreceğimiz çapraz korelasyonda ki tek fark bir fonksiyonun diğerinin tersi olduğudur. Böylece, (t)=x(-t)*y(t) (8) denktir Zaman ekseninde tersine çevirmek frekans ekseninde karmaşık eşleniği almaya =FT[ (t)]=x*(f)y(f) (9) Konvülasyondan farklı olarak çapraz korelasyonda değişim özeliği yoktur fakat (t)= (-t) (10) diyebiliriz. = ile sağlama yapabiliriz. Ayrık eksenlerde, iki tane gerçek zamanlı serinin konvülasyonu (t)= (11) analog denkleminde yerine koyarak =,k=-(m+1),...,0,...,(n-1) (12) denklemini elde ederiz. Bu ayrık denklemimizdir. Matlab da çapraz korelasyon frekans ekseninde çalışan ''xcorr'' fonksiyonu ile hesaplanır. Matlab da korelasyon ayrık denklemi kullanarak yapılır. Denklemin ayrık şeklini almak unutulmamalı. phixy = xcorr(y,x) ile bağımsız değişkenlerinin birinin tersi alınır. xcoor komutu kısa sinyalleri sıfırlar ile doldurarak aynı boya getirir. 9

16 Matlab da çapraz korelasyon işlemi eğer gecikme yoksa sıfır yada negatif indis içermez alternatif yol olarak sıfır kullanmadan da çapraz korelasyon işlemini conv komutu ile phixy = conv(y,x(end:-1:1)) şeklinde yapabiliriz Otokorelasyon Otokorelasyon kendisi ile bir çapraz-korelasyon fonksiyonunun bir sonucudur (13) ve [ ] X (14) Parseval teoreminden türetilerek kullanılan enerji ifadesinden bu enerjinin sıfır gecikme otokorelasyon verilerini görebiliriz. dτ (15) 2.9. Normalize Çapraz Korelasyon Sismolojide genellikle seri halinde tekrar edilen benzer sinyalleri aramak için korelasyon işlemi kullanılmaktadır. Ayrıca bu eşleşmiş filtreleme olarakta bilinir. Çünkü iki yüksek genlikli sinyalin korelasyonu büyük değerler vermeye meyillidir ve kimse o sinyallerin sadece çapraz korelasyonunun genliğini göz önünde bulundurarak, iki sinyalin benzerliklerini saptayamaz. İki zaman serisinin normalize edilmiş çapraz-korelasyonu şu şekilde tanımlanabilir: (16) 10

17 Bu değer -1 ve 1 arasında değişmektedir. değerinin 1 e eşit olması, t domenindeki iki zaman serisinin şekillerinin kesinlikle birbirine benzemekte (fakat genlikleri farklı olabilir) olduğunu belirtiyorken bu değerin -1 e eşit olması ise bunların zıt işaretli sinyaller olduğunu belirtmektedir. Bu değerin 0 olması ise, sinyallerin tamamen korelasyonsuz olduğunun işaretidir. Pratikte, gerçel ayrık sinyallerin normalizasyonunda uygulandığı zaman korelasyon katsayısının yaklaşık olarak değerlerinden daha büyük olması oldukça iyi bir eşleme olduğunu gösterir Genlik Kaydırmalı Anahtarlama Genlik Kaydırmalı Anahtarlama (ASK), ikili bilgi işaretlerinin genlik modülasyonuna uygulanmasıdır. (Var Yok) anahtarlama (on-off keying-okk) adı verilir FSK Modülasyonu FSK modülasyonuna, frekans kaydırma modülasyonu ya da frekans kaydırmalı sinyalleşmede de denilebilir. Taşıyıcı işaretinin frekansı veriye göre anahtarlanmaktadır. Gürültü ve çok yolluktan fazla etkilenmemesi yöntemin en önemli üstünlüğüdür. Fakat daha fazla bant genişliğine gereksinim duymaktadır Faz Kaydırmalı Anahtarlama PSK, taşıyıcı sinyalinin fazını değiştirerek bilgi aktarımında bulunulan bir modülasyon tipidir. İşaretin fazı kaydırılarak modülasyon yapılmaktadır. Günümüzde faz modülasyonu dijital iletişimin vazgeçilmez bir parçası haline gelmiştir. PSK modülasyonunda işaret 1 iken işaretin aynısı gönderilirken, işaret 0 iken 1800 gecikmiş hali gönderilir. Örneğin iletmek istediğimiz veri 101 olsun. Bu durumda 1 ler için ayrı bir faz açısı ve 0 lar içinde ayrı bir faz açısı belirtilmektedir. Gönderici tarafta taşıyıcı sinyal üzerine iletilmek istenen dijite göre faz modülasyonu kodlaması yapılır. Kodlanan sinyal alıcıya ulaştığında işlemler tersinden yapılarak data iletimi tamamlanmış olur. Çok seviyeli bir faz modülasyonunda ise gecikmeler farklılaştırılarak gerçekleştirilir. 11

18 Birçok türde PSK modülasyonu yapılmaktadır. Bunlar PSK kısaltmasının başına getirilen harf veya sayı ile faz sayısını ifade edilerek belirtilir. QPSK yı ele alacak olursak taşıyıcı 45, 135, 225 ve 315 derece olmak üzere 4 fazda gönderilmektedir. QPSK da dört olası faz bulunduğundan her zaman diliminde sadece iki bitlik bilgi aktarılabilir. QPSK için bit hızı baud hızının iki katıdır. BPSK ise faz kaydırmalı anahtarlama anlamındadır. Karesel koordinatlarda BPSK sadece +1 ve -1 değerlerini alabilir. 12

19 3. TASARIM Hedeflenen sistem Şekil 1 ve Şekil 2 de de görüldüğü gibi verici ve alıcı modülü olmak üzere iki birimden oluşmaktadır. Verici modülü tuş takımı, mikrodenetleyici, yedi parçalı ekran ve RF verici-alıcıdan oluşmaktadır. Bu birimlerin işlevlerini kısaca açıklayalım: Tuş takımı: Kullanıcının sistemi kontrol etmesini sağlamaktadır. Mikrodenetleyici: Verici modülünün kontrolü sağlamaktadır. Bu birim için gereken uygulama yazılımı MPLAB editörü kullanılarak HiTech C derleyicisinde hazırlanacaktır. Yedi parçalı ekran: Kullanıcının sistemi kontrol etmesinde yardımcı olmak amacıyla birim hakkındaki bazı bilgiler bu ekran aracılığıyla verilecektir. RF verici-alıcı: Verici modülünü alıcı modülü ile kablosuz haberleşme kurmasını sağlamaktadır. 900 HMz frekans bandında 250 kbps veri hızında çift taraflı sayısal haberleşeme yapabilen bir modüldür. Yedi Parçalı Ekran Tuş Takımı Mikrodenetleyici RF Verici-Alıcı Şekil 1. Verici modülü Sistemin ikinci kısmı olana alıcı modülü şu birilerden oluşmaktadır: RF verici-alıcı: Verici modülünde olduğu gibi iki birim arasındaki kablosuz haberleşmeyi sağlamaktadır. Mikrodenetleyici: Alıcı modülünü kontrol etmektedir. 13

20 RF-Verici Alıcı Mikrodenetleyici Elektromekanik Arayüz Şekil 2. Alıcı modülü Elektromekanik arayüz: Robotun sayısal haberleşme birimi ile elektromekanik biri arasındaki bağlantıyı sağlamaktadır. Kullanıcı tarafında verici modülü ile yollanan komutların elektromekanik sisteme aktarımını sağlamaktadır. 14

21 4. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Gerçekleştirilen sayısal arayüz devresi verici ve alıcı modülleri olmak üzere iki donanım biriminden oluşmaktadır. Alıcı modülü gözcü robotunun ana kartı üzerinde olduğu için bu kısımda incelenmemiştir. Verici modülünü oluşturan birimleri kısaca açıklayalım. Güç birimi: Modül üzerinde bulunan donanımlar için gerekli olan besleme gerilimini üretmektedir. Şematik çizimi Şekil 3 de verilmiştir. Şekil 3. Güç biriminin şematik çizimi Tuş takımı: Kullanıcının robotu kontrol etmesine imkân vermektedir. Şematik çizimim Şekil 4 de verilmiştir. Şekil 4. Tuş takımının şematik çizimi 15

22 Mikrodenetleyici birimi: Verici modülünün kontrolünü ve robot ile iletişimini sağlamaktadır. Şematik çizimi Şekil 5 de verilmiştir. Şekil 5. Mikrodenetleyici biriminin şematik çizimi Ekran birimi: Robotun vites bilgisini kullanıcıya sunmaktadır. Şematik çizimim Şekil 6 da verilmişitir. Şekil 6. Ekran biriminin şematik çizimi 16

23 RF verici birimi: Kullanıcı tarafından verilen komutları gözcü robotuna iletmektedir. Şematik çizimi Şekil 7 de verilmiştir. verilmiştir. Şekil 7. RF verici biriminin şematik çizimi Verici modülünün şematik ve baskı devre çizimleri Şekil 8 ve Şekil 9 da Şekil 8. Verici modülünün şematik çizimi 17

24 Şekil 9. Verici modülünün baskı devre çizimi Verici modülünün üstten ve alttan görünümü Şekil 10 ve Şekil 11 de verilmiştir. Şekil 10. Verici modülünün üstten görünümü 18

25 Şekil 11. Verici modülünün alttan görünümü 19

26 5. SONUÇLAR Bu çalışmada gözcü robotu için bir sayısal haberleşme arayüzünün tasarımı, üretimi ve testi yapılmıştır. Çalışma sonucunda elde edilen sonuçlar şunlardır: Sayısal bir haberleşme arayüzü tasarlanmıştır. Tasarlanan sistemin şematik ve baskı devre çizimleri yapılmıştır. Donanımın baskı devre kartı üretilmiştir. Baskı devre kartı üzerine malzeme montajı yapılmış ve donanım test edilmiştir. Uygulama yazılımı geliştirilmiş ve donanımla test edilmiştir. Kayıpsız veri iletimi için PN kodlama kullanılmış ve veri düzeltme yapılmıştır. 20

27 6. YORUMLAR ve DEĞERLENDİRME Bu çalışmada gözcü robotlarında kullanılmak üzere sayısal bir haberleşme arayüzünün tasarımı, prototip üretimi ve testi yapılmıştır. Gerçekleştirilen projenin devamı ve geliştirilmesi yönelik aşağıdaki yorum ve önerileri sunabiliriz. Sistemde kayıpsız veri iletimi için PN dizileri kullanılmıştır. Bu amaçla kaynak ve kanal kodlama kullanılarak veri hızı arttırılabilir ve bit hata oranı (BER) azaltılabilir. Üretilen verici modülü için plastik camda bir kutu yapılmıştır. Bunun yerine kutu modellenip, üç boyutlu (3D) yazıcı ile çıkartılabilir. Verici modülünde aracın vites bilgisini veren yedi segment ekran yerine alfanümerik veya grafik ekran kullanılabilir. RF verici gücü yükseltilerek haberleşme mesafesi arttırılabilir. Sistemde verici ve alıcı modülleri arasında tek yönlü haberleşme yapılmaktadır. Bunun yerine iki yollu haberleşme kullanılarak doğrulama yapılabilir. 21

28 KAYNAKLAR [1]. Eagle Easily Applicable Graphical Layout Editor Tutorial, CadSoft Computer, [2]. Eagle Easily Applicable Graphical Layout Editor Tutorial Manual, CadSoft Computer, [3]. MPLAB IDE User s Guide, Microchip Technology Inc., [4]. Getting Started with HI-TECH C for PIC10/12/16 MCUs, Microchip PICDEMTM 2 PLUS Board and MPLABR ICD 2, Microchip Technology Inc., [5]. HI-TECH C for PIC10/12/16 User s Guide, Microchip Technology Inc., [6]. PICkit 2 Programmer/Debugger User s Guide, Microchip Technology Inc.,

29 Karadeniz Teknik Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü STANDARTLAR VE KISITLAR FORMU Tasarım Projesinin hazırlanmasında Standart ve Kısıtlarla ilgili olarak, aşağıdaki soruları cevaplayınız. 1. Projenizin tasarım boyutu nedir? Açıklayınız. Bir sayısal haberleşme sisteminin tasarımı ve üretimi yapılmıştır. Sistem tamamen proje ekibince gerçekleştirilmiştir. 2. Projenizde bir mühendislik problemini kendiniz formüle edip, çözdünüz mü? Hayır. 3. Önceki derslerde edindiğiniz hangi bilgi ve becerileri kullandınız? Elektronik devre çözümleme, devre tasarımı ve programlama. 4. Kullandığınız veya dikkate aldığınız mühendislik standartları nelerdir? Projede asenkron seri haberleşme yapılmıştır. Asenkron seri haberleşme standardı projede temel alınmıştır ve standart gerektiği gibi uygulanmıştır. 5. Kullandığınız veya dikkate aldığınız gerçekçi kısıtlar nelerdir? a) Ekonomi Malzeme seçiminde uygulama için gereken şartları taşıyan, en düşük maliyetli donanımlar seçilmiştir. Sistemin üretim maliyetinin en az olması hedeflenmiştir. b) Çevre sorunları: Projede çevreye zararlı olan kurşun kullanılmamıştır. Tüm montaj işleminde kurşunsuz lehim kullanılmıştır. c) Sürdürülebilirlik: Gerçekleştirilen sistem yeniden programlanmaya ve başka bir donanımla uyumlu çalışmaya açıktır. d) Üretilebilirlik: Gerçekleştirilen sistem ülkemizde kolaylıkla üretilebilir niteliktedir. e) Etik: Sistemin tasarımı tamamen proje ekibince yapılmıştır ve etik kuralları göz önünde tutulmuştur. f) Sağlık: Geliştirilen sistem DC 6 volttun altında çalışmaktadır. Bu gerilim seviyesi sağlık açısından herhangi bir risk taşımamaktadır. g) Güvenlik: Sistem herhangi bir güvenlik riski içermemektedir. h) Sosyal ve politik sorunlar: Gerçekleştirilen ürün sosyal ve politik soruna yol açmayacak niteliktedir. Not: Gerek görülmesi halinde bu sayfa istenilen maddeler için genişletilebilir. Projenin Adı Projedeki Öğrencilerin Adları GÖZCÜ ROBOTU İÇİN SAYISAL HABERLEŞME ARAYÜZÜ TASARIMI VE PROTOTİP ÜRETİMİ Hakan CEYLAN, Muhammed Ö. YAŞAR ve Nida KONUKSEVER Tarih ve İmzalar

30 ÖZGEÇMİŞ Hakan CEYLAN 1989 da Mersin Anamur da doğdu. İlköğrenimini Atatürk İlköğretim Okulu nda, lise öğrenimini Anamur Anadolu Lisesi nde yaptı yılında Karadeniz Teknik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü nde Lisans Programı na başladı. Yabancı dil olarak İngilizce bilmektedir. Muhammed Ömer YAŞAR 1990 da Ağrı Patnos da doğdu. İlköğrenimini Can Aydın İlköğretim Okulu nda, lise öğrenimini Cumhuriyet Lisesi nde yaptı yılında Karadeniz Teknik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü nde Lisans Programı na başladı. Yabancı dil olarak İngilizce bilmektedir. Nida KONUKSEVER 1990 da Adana Ceyhan da doğdu. İlköğrenimini Yaltır Kardeşler İlköğretim Okulu nda, lise öğrenimini Halil Çiftçi Anadolu Lisesi nde yaptı yılında Karadeniz Teknik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü nde Lisans Programı na başladı. Yabancı dil olarak İngilizce bilmektedir.