Autores: José Luís Calvo y Oscar Sáchez (A Coruña)

1. DESCRIPCIÓN DEL MONTAJE Y UTILIDADES

1.1 INTRODUCCIÓN

El siguiente diseño trata a cerca de la implementación de una interface entre un lector de tarjetas magnéticas y un PC, para así poder controlar y gestionar el acceso a un determinado local o servicio.

El lector de tarjetas magnéticas obtiene la información procedente de una Tarjeta, esta información es recogida por un microcontrolador, almace­nada en tablas y posteriormente decodificada, y enviada a un PC por medio de una transmisión serie, utilizando el protocolo de comunicación RS-232.

Por otra parte una vez identificado el usuario que pretende acceder al servicio a controlar, el software asociado a este proyecto («ACCESO CONTROLADO Ver, 1.O») realiza una búsqueda en la base de datos de usua­rios autorizados para comunicar al microcontrolador si debe permitir o rechazar el acceso de dicho usuario, esto se realiza enviando una señal de control a la etapa de potencia que es la encargada de la habilitación. En el caso de ser afirmativo el mencionado software registrara la fecha y la hora de acceso del usuario, para así poder confeccionar un historial de accesos, Los historiales de que se podrá disponer son: último día, por una fecha concreta o el listado total. El programa también permite realizar altas, con o sin tarjeta, bajas de usuarios, también se podrán recuperar usuarios borrados ya sea voluntariamente, o por accidente. El programa también posee las opciones de imprimir estos historiales y comprobar tarjetas que puedan tener posibles errores sin tener que dar de alta al poseedor de la tarjeta.

De esta forma las prestaciones más relevantes del equipo son las siguientes:

• –      El sistema permitirá o rechazará el acceso de personas a un determinado local según estén o no autorizadas.

• –      El administrador del sistema podrá realizar altas, bajas así como consultas de accesos de los usuarios.

• –      El rango de temperatura de funcionamiento será de O a 75 °C y una humedad entre el 10 y el 95%RR

Las prestaciones desde el punto de vista físico son:

• – Será lo más versátil y manejable posible permitiendo el que se pueda implementar en diferentes y varias aplicaciones posible de forma sencilla.

• – Bajo consumo.

• – Indicación de fallo de red.

 

1.2. DIAGRAMA DE BLOQUES

La constitución en bloques del sistema se muestra en la figura. Como se puede observar el sistema se divide en cuatro grandes bloques: Lector de tarjetas de banda magnética, unidad de control, potencia y alimentación.

El lector de tarjetas será un lector de banda magnética comercial y es­tándar, este será el encargado de obtener la información procedente de las tarjetas.

La unidad de control se divide en dos grandes bloques: el microcontrolador y la parte de comunicación serie. El micro almacena y decodifica la información procedente del lector que será enviada al PC por medio del canal serie.

La etapa de potencia será la encargada de gobernar el mecanismo de apertura del local al que se desea controlar el acceso.

1.2.1. UNIDAD DE CONTROL

La parte hardware correspondiente al microcontrolador es muy sencilla, pues muchas de las conexiones a componentes son las necesarias indicadas por el fabricante para un determinado funcionamiento. De esta forma se tiene:

• –      La alimentación positiva del micro se aplica a la patilla 14, así como la masa a la 5.

• –      El circuito necesario para provocar un reset cuando se desee es conectado al terminal 14.

• –      Se acondiciona un reloj de cuarzo de una frecuencia de 4 Mhz, entre los terminales 15 y 16, con los correspondientes condensadores recomendados.

     Las conexiones especificas de este diseño se comentan seguidamente:

     Los terminales del lector de tarjetas de la pista 1 CLD1, RCL1 y RDT1 se conectan respectivamente a los pines RBO, RB1 y RB2 del microcontrolador. En el primer terminal cuando se pasa la tarjeta, para indicar el comienzo de la transmisión se provoca un flanco de bajada, dando lugar a una interrupción en el micro, en la que se leerán los datos transmitidos desde el lector por la línea RDT1, y sincronizados por los pulsos del terminal RCL1.

–      En los terminales RB4 y RB5 del microcontrolador se implementa una comunicación serie con el ordenador para la gestión de los datos obtenidos de la tarjeta, previo acondicionamiento de las señales TTL al protocolo RC-232.

–      Por último la patilla RB7 va a ser la encargada de activar la parte de potencia utilizada para habilitar el acceso, uso, etc. de lo que se pretenda controlar, si aquella persona que lo solicita mediante el paso de la tarjeta por la ranura está autorizada. El hardware específico de cada una de estas partes, junto con la fuente de alimentación se comentarán en apartados sucesivos.

1.2.2.  COMUNICACIÓN  SERIE CON EL PC

El puerto serie RS-232C, presente en todos los ordenadores actuales, es la forma mas comúnmente usada para realizar transmisiones de datos entre un ordenador y cualquier dispositivo.

El RS-232C consiste en un conector tipo DB-25 de 25 pines, aunque es normal encontrar la versión de 9 pines DB-9, más barato e incluso más extendido para cierto tipo de periféricos (como el ratón serie del PC). En cualquier caso los PC’s no suelen emplear más de 9 pines en el conector DB-25. Las señales con las que trabaja este puerto serie son digitales, de +12 (O lógico) y -12 (1 lógico), para la entrada y salida de datos, y a la inversa en las señales de control. Él estado de reposo en la entrada y la salida de datos es de -12V. Dependiendo de la velocidad de transmisión empleada, es posible tener cables de hasta 15metros.

Cada pin suele ser de entrada o de salida, teniendo una función específica cada uno de ellos. Las más importantes son:

 

PIN FUNCIÓN

TXD Transmitir Datos

RXD Recibir Datos

DTR Teminal de Datos Listo

DSR Equipo de Datos Listo

RTS Solicitud de Envío

CTS Libre para Envío

DCD Detección de Portadora

Las señales TXD, DTR, RTS, son de salida, mientras que RXD, DSR, CTS y DCD son de entrada. La masa de referencia para todas las señales es SG (Tierra de Señal). Finalmente, existen otras señales como RI (indicador de llamada), y otras poco comunes que no se explican aquí por no ser necesarias para la elaboración del presente DISEÑO.

El ordenador controla el puerto serie mediante un circuito integrado específico llamado UART (Transmisor-Receptor-Asincrono Universal). Normalmente se utilizan los siguientes modelos de este chip: 8250 (bastantes antiguo, con fallos, solo llega a 9600 baudios), 16450 (versión corregida del 8250, llega hasta 115.200 baudios) y 16550 A (con buffers de E/ S). A partir de la gama Pentium, la circuitería UART de las placas base son todas de alta velocidad, es decir UART 16550 A. De hecho, la mayoría de los módems conectables al puerto serie necesitan dicho tipo de UART, incluso algunos juegos para jugar en red a través del puerto serie necesitan de este tipo de puerto. Por eso hay veces que 486 con un Pentium no se comunica con la suficiente velocidad. Los portátiles suelen llevar otros chips: 82510 (con un buffer especial, emulaal 16450) o el 8251 (no es compatible).

Para controlar al puerto serie, la CPU emplea direcciones de puertos de E/S y las líneas de interrupción (IRQ). Mediante los puertos de E/S se pueden intercambiar datos, mientras que las IRQ producen una interrupción para indicar a la CPU que ha ocurrido un evento. La CPU debe responder a estas interrupciones lo más rápido posible, para que dé tiempo a recoger el dato antes de que el siguiente lo sobrescriba. Sin embargo, las UART 16550 A incluye unos buffer de tipo FIFO, dos de 16 bytes (para la recepción y transmisión), donde se pueden guardar varios datos antes de que la CPU los recoja. Esto también disminuye el número de interrupciones por segundo generadas por el puerto serie.

El RS-232 puede transmitir los datos en grupos de 5, 6, 7 u 8 bits, a unas velocidades determinadas (normalmente 9600 bits por segundo o más). Después de la transmisión de los datos, le sigue un bit opcional de paridad (indica el numero de bits transmitidos es par o impar, para detectar fallos), y después 1 ó 2 bits de Stop. Normalmente, el protocolo utilizado suele ser 8N1 (que significa, 8 bits de datos, sin paridad y con un bit de Stop).

Una vez que ha comenzado la transmisión de un dato, los bits tienen que llegar uno detrás de otro a una velocidad constante y en determinados instantes de tiempo. Por eso se dice que el RS-232 es asincrono por carácter y síncrono por bit. Los pines que portan son RxD y TxD. Las demás se encargan de otros trabajos: DTR indica que el ordenador esta encendido, DSR que el aparato conectado a dicho puerto esta encendido, RTS que el ordenador puede recibir datos (porque no está ocupado), CTS que el aparato conectado puede recibir datos, y DCD detecta que existe una comunicación, presencia de datos.

Tanto el aparato a conectar como el ordenador (o el programa terminal) tienen que usar el mismo protocolo serie para comunicarse entre si. Puesto que el estándar RS-232 no permite indicar en que modo se está trabajando, es el usuario quien tiene que decirlo y configurar ambas partes. Como ya se ha visto los parámetros que hay que configurar son: protocolo serie (8N1), velocidad del puerto serie, y protocolo de control de flujo. Este último puede ser por hardware (hands-haking RTS/CTS) o bien por software (XON/XOFF). La velocidad del puerto serie no tiene que ser la misma que la de la transmisión de los datos, de hecho debe ser superior. Por ejemplo, para las transmisiones de 1200 baudios es recomendable usar 9600, y para 9600 baudios se pueden usar 38400 (o 19200).

Una de las características principales del protocolo de comunicación RS-232 es la de los rangos de tensiones que utiliza para representar los niveles lógicos. El nivel alto se representa con una tensión comprendida entre -3V y -15V, mientras que el nivel bajo utiliza el rango de +3V y +15V. Existen circuitos integrados que actúan como cambiadores de nivel entre cualquier circuito que use niveles TTL y el canal de comunicación RS-232.

El integrado utilizado se alimenta con una tensión de +5V. En la siguiente figura se puede observar el esquema interno, en el que las entradas no usadas pueden dejarse al aire ya que poseen internamente una resistencia de pull-up de 400KW conectada a Vcc.

Solo se ha empleando uno de los canales disponibles. Una línea de salida del microcontrolador (TXD) aplica la información a transmitir (TTL) por la patilla T UN (11) del integrado 232. Dicha información sale por la patilla R1OUT, pero convertida a niveles RS-232, enviándose por la patilla 3 (TxD) de un conector estándar DB9.

La línea de recepción Rs-232 (TXD) corresponde con la patilla 2 del DB9. La información que se recibe se introduce por la patilla RIIN del chip 232, que la convierte a niveles TTL que salen por TIOUT a otra patilla del PIC.

En el interior del micro existe un programa que gestiona la entrada y salida de la información serie. El esquema de la figura muestra la configuración usada en la elaboración del diseño.

1.2.3. LECTOR DE TARJETAS MAGNÉTICAS

Para leer las tarjetas se utiliza un lector de banda magnética comercial y estándar, en este caso será un lector PANASONIC modelo ZUM1242S1. Con este dispositivo la tarjeta se debe pasar de forma manual a través de la ranura donde está situada la cabeza lectora. En principio, este dispositivo trabaja exactamente de la misma manera en que lo hace cualquier grabador de datos de soporte magnético, con la única diferencia de que la cinta sólo tiene algunos centímetros de longitud y está pegada sobre la tarjeta. De hecho, si deseamos realizar nuestra propia tarjeta podemos cortar una longitud adecuada de cinta magnética de un cásete normal (una cinta de vídeo VHS con el ancho adecuado podrían servir) y pegarla a una tarjeta de plástico. En este caso también necesitaríamos un grabador de tarjeta magnética, o buscar uno en un establecimiento de componentes electrónicos.

El lector de tarjetas magnéticas contiene una pequeña placa de circuito impreso con la electrónica necesaria para la reproducción de dicha banda (amplificador y conformador de pulsos), proporcionando un procesamiento total de las señales TTL de su salida. Existen tres señales para cada pista que se desee leer. Es fundamental saber cómo funciona cada una de ellas para poder extraer la información, estas tres señales son:

• –      CLD (CARD LOAD): Esta señal nos indica mediante un nivel bajo que ha sido introducido una tarjeta en el lector, cuando esta sale del mismo la señal tarda aproximadamente 50 mS en volver a nivel alto.

• –      RCL (READ CLOCK): Señal de reloj, usada para muestrear la señal datos. El muestreo de los bits se realizará en los flancos de bajada.

• –      RDT (READ DATA): Es la señal que contiene la información que se pretende leer. Esta se obtiene de forma invertida, de modo que un nivel bajo en el tiempo de muestreo significa un “1” y un nivel alto significa un ^“0”.

Las tarjetas que admite el lector utilizado serán tarjetas codificadas según la norma ISO 7810 e ISO 7811, con una densidad de grabación de 210 bits por pulgada (bpi), 79 caracteres y 7 bits por carácter para la pista uno y 75 bits por pulgada 40 caracteres y 5 bits por carácter para la segunda pista. Como ya se mencionó anteriormente este lector tiene la capacidad de leer dos pistas, por lo tanto en el conector de salida hay tres señales mas que son accesibles; RDT2, RCL2 y CLD2, también son accesibles los terminales de masa (SGND, signal GND), y alimentación (+5VDC), hay un noveno terminal (FGND, frame GND) que es la masa de la cabeza lectora.

 

 

1.2.4. CIRCUITO DE CONTROL DE SALIDA

La corriente máxima de salida que puede proporcionar el microcontrolador es de tan solo 25 miliamperios, para solucionar este problema existen varias posibilidades optando en este caso por la utilización de un relé. El uso de este elemento nos brinda la oportunidad de poder controlar cargas mucho mayores (más corriente), porque ahoraestán controladas por los contactos del relé. En la figura se muestra el esquema de gobierno del relé.

Cuando en la línea de salida (RB7 del micro) aparece un nivel alto, se manifiesta en la base del transistor, y este que se encontraba en estado de corte pasa a saturación, como es sabido cuando un transistor se encuentra en el estado de saturación la tensión colector – emisor (Vce) es aproximadamente igual a cero, como además se tiene una tensión de emisor de cero voltios el valor que aparece en el colector es el mismo.

Cuando el transistor se encuentra en corte, la tensión de colector es de +5V, es decir, no hay diferencia de potencial en la bobina del relé. Ahora (con el transistor en saturación) la diferencia es de +5V, efecto que provoca la aparición de una corriente a su través, este efecto se manifiesta en la bobina como un campo magnético que provoca un cambio en el estado de los contactos del relé. Inicialmente se en­cuentra en la posición de reposo, con el led rojo iluminado, que indica que no se puede pasar. Ahora cuando el microcontrolador posea en RB7 un 1 se encenderá el diodo verde, que indica al usuario que está autorizado a acceder al servicio que se pretende controlar.

A la hora de implementar el circuito para la apertura y cierre de una puerta por ejemplo solo sería necesario cambiar los diodos (empleados para emular cualquier sistema para el acceso) por un contacto de apertura de la mencionada puerta.

 

 

1.2.5. LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN

La fuente regulada de voltaje a diseñar tiene como principal función proveer al circuito de un nivel de voltaje de +5VDC estable, aun y cuando se presenten cambios en la carga, en la línea o en la temperatura ambiente. Los cambios en estos parámetros no deben exceder los indicados en las especificaciones del diseño.

Las especificaciones que debe cumplir el diseño son las siguientes:

• –      Voltaje de corriente directa a la salida: +5V.

• –      Comente máxima a la salida: 1 A max.

• –      Corriente mínima a la salida: O A min.

• –      Regulación de Línea: 1%.

• –      Porcentaje de Rizado: 0.5%,

• –      Temperatura de operación: 0°C <Ta <7Q°C

El siguiente es el esquema del circuito que se desea implementar.

Se desea utilizar esta fuente regulada para alimentar circuitos digitales del tipo TTL los cuales trabajan con voltajes de polarización positivos de +5Vdc.

Se justifica el uso del LM7805 con limitador de corriente porque en caso de que ocurra un cortocircuito en la carga, el dispositivo limita la corriente que se le puede suministrar a la carga al valor que se haya determinado en el diseño. Además, el circuito integrado cuenta con una protección térmica que en caso de que la juntura exceda su temperatura máxima de funcionamiento, el dispositivo se desconecta auto­máticamente y deja de regular.

Para que el LM7805 pueda regular correctamente el voltaje de salida, la tensión que debe tener a su entrada debe estar en un rango de: 35 > Vin > 7.5

Para garantizar el funcionamiento se elige un valor de 8V a la entrada del regulador. Una vez definido el mínimo voltaje a la entrada, se debe definir el máximo rizo permitido a la entrada del regulador. Para este caso se toma un valor de 0.5Vpp.

Otro detalle que también es importante considerar es la comente de reposo del dispositivo que es la corriente necesaria para que el dispositivo funcione apropiadamente, esta tiene un valor de 8.5mA.

Se pretende implementar un rectificador de onda completa ya que el nivel de comente directa que se puede obtener a partir del mismo es de mejor calidad que uno de media onda a la hora de que se le el condensador de filtrado (C9=100uF,63v).

Por otra parte, se quiere que el voltaje pico que le llegue a la entrada del regulador sea de 8V. También se sabe que la caída de voltaje en cada diodo es de aproximadamente 0.7V, Con lo anterior se puede obtener cual debe ser el voltaje pico en el secundario del transformador siendo este de 9.4 voltios:

Basando en los valores anteriores se puede seleccionar el puente de diodos B40 C1SOQ/1QOO con un voltaje de pico reverso de 50v.

Para seleccionar un fusible, generalmente se utiliza el criterio de que debe estar dimensionado un 25% más de la corriente máxima que va a circular por el circuito. Como se sabe que la corriente máxima suministrada a la carga es de 1A y la corriente de reposo del LM 7805 es de 8.5 mA se tiene que:

I fuse = I0 + Ia = 1.0085 A

1.0085×1.25 = 1,264

En el mercado el valor más cercano que se encuentra es 1 ,5 A se toma ese valor para el dispositivo. Como se necesitan 9.5 voltios de pico en el secundario que se corresponde con 6.7 voltios eficaces, teniendo además en cuenta que la alimentación de red es de 220 voltios eficaces entonces la relación de vueltas del transformador queda determinada inmediatamente y es de 32:1. Escogiendo el valor comercial que más se aproxime.

 

Para el análisis de potencia se debe considerar el peor caso de operación cuando hay un máximo voltaje a la entrada del regulador de voltaje como 8 voltios eficaces. En la salida del regulador debe existir un voltaje de +5v. La máxima comente que circula a través del circuito en condiciones normales es de 1.0085 A. Por lo tanto la potencia disipada por el dispositivo es:

8V-5V = 3V

I = 1.0085 A

P = V x I

P= 3,0255 watios

2. PROCESO DE MONTAJE Y AJUSTE

En primer lugar se procede a la creación de la placa de circuito impre­so, mediante el método de insolación de la placa, tras el cual se procede al revelado y posterior atacado de la misma en un baño de ácido. Seguidamente se procede al taladrado y limpieza con acetona para facilitar el proceso de soldadura. El soldado de los componentes deberá realizarse teniendo en cuenta la sensibilidad al calor y el tamaño de los mismos, de esta forma se comienza por los más pequeños y resistentes finalizando por los menos resistentes y más grandes. Cabe destacar que el microcontrolador ha de ser grabado con el código adecuado para que realice las funciones citadas previa­mente, antes de insertarlo en el zócalo correspondiente. Como se puede ver en el apartado de diseño de circuitos impresos, se han realizado tres diferentes para evitar interferencias y como no para aprovechar las ventajas ofrecidas por la medularidad, por tanto habrá que interconectarlos. La alimentación se conecta únicamente a la placa de la unidad de control, de la cual se abastecerán tanto el lector de tarjetas, como la unidad de potencia. Para estos dos sub-circuitos se incluyen en la unidad de control dos conectores haciendo más fácil el interconexionado. Para realizar el prototipo inicial se han dispuesto las 4 partes diferenciadas en una placa de baquelita, llevando a cabo la sujeción con tornillos convencionales con sus correspondientes separadores. Dependiendo de la aplicación a la que se destine se ubicará en un soporte adecuado.

3. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS

La alimentación del sistema se hará directamente a la red eléctrica 220v/50hz. La conexión con el PC desde el que se llevará a cabo la gestión se hará con un cable con un conector para la placa tipo DB9. Las tarjetas que se pueden utilizar son todas aquellas que sean compatibles con el lector utilizado.