DTMF Tabanlı Kablosuz Haberleşme Sistemi Tasarımı

DTMF Tabanlı Kablosuz Haberleşme Sistemi Tasarımı

DTMF Tabanlı Kablosuz Haberleşme Sistemi Tasarımı
DTMF Based Wireless Communication System Design
Yavuz EROL
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü
Fırat Üniversitesi, Elazığ
e-posta: [email protected]
Özet
Bu çalışmada DTMF üreteci ve DTMF kod çözücü
kullanılarak bir optik haberleşme sistemi tasarlanmıştır.
Tasarlanan sistem ile 7-8 metre mesafeden kablosuz veri
iletişimi gerçekleştirilebilmektedir. Verici devresinde
bulunan 3x4’lük tuş takımı yardımıyla yaklaşık 50
metrekarelik bir alanda 12 farklı kontrol işlemini
yürütmek mümkün olmaktadır.
Şekil 1: Kızılötesi verici
Anahtar sözcükler: DTMF üreteci, DTMF kod çözücü,
Kablosuz haberleşme
Abstract
In this study, an optical communication system were
designed by using of DTMF generator and DTMF
decoder. Wireless data transmission was provided with
this designed system in 7-8 meters away. It is possible
to control 12 different process with helping of 3x4
keypad in transmitter circuit in about 50 square meter.
1. GİRİŞ
Literatürde DTMF tabanlı iletişim sistemlerinin
tasarımı konusunda pek çok çalışma bulunmaktadır [1,
2, 3]. Genellikle mikro denetleyiciler veya özel
kodlayıcı/kod çözücü entegreler yardımıyla kızılötesi
sinyal iletimi gerçekleştirmektedir [4, 5]. Bu çalışmada
önerilen tasarımda veri iletişimi DTMF sinyalleri
yardımıyla yapılmaktadır. İki tonlu çoklu frekans (Dual
Tone Multi Frequency) anlamına gelen DTMF sistemi
sayesinde tuş bilgisini güvenli bir şekilde kablosuz
iletmek mümkün olmaktadır.
Şekil 2: Kızılötesi alıcı
DTMF üreteci, tuş takımı üzerindeki tuşlardan
hangisine basıldığını algılayıp uygun bir ton çifti
üretmektedir. Üretilen bu sinyal, iki farklı frekanstaki
sinyalin toplamından oluşmakta olup, her bir tuş için
farklı dalga şekline sahiptir. Tablo 1’de, 3x4’lük tuş
takımı üzerindeki rakam ve karakterlere ait frekans
değerleri görülmektedir.
Tablo 1: Frekans değerleri
2. VERİCİ VE ALICI BİRİMLERİ
Kızılötesi haberleşme sisteminin çalışma mantığı şekil
1 ve 2’de görülmektedir. Verici kısmında 3x4’lük tuş
takımı, KS58006 DTMF üreteci, LM311 karşılaştırıcı
opamp, NE555 kare dalga osilatörü ve kızılötesi LED
bulunmaktadır. Alıcı kısmında ise TK19 kızılötesi alıcı
modül ve CM8870 DTMF kod çözücü entegresi yer
almaktadır.
Tablodaki değerlere göre, 1 tuşuna basıldığında DTMF
üreteci 697 Hz ve 1209 Hz frekanslı iki sinüsoidal
sinyalin toplamından oluşan bir sinyal üretir. Benzer
şekilde DTMF kod çözücü entegresi, bu iki frekans
bileşenini algıladığı takdirde 1 tuşuna basıldığını anlar.
2.1. DTMF Üreteci
DTMF üreteci olarak bilinen entegreler yardımıyla
DTMF sinyalleri kolayca üretilebilmektedir. Bu
çalışmada, DTMF üreteci olarak 18 bacaklı DIP kılıfa
sahip KS58006 entegresi kullanılmıştır. Üretilen sinyal
çok düşük harmonik bozulmaya sahiptir. Entegrenin 8
adet bacağı tuş takımı bağlantısı için kullanılmaktadır.
1-4 nolu bacaklar tuş takımının satırlarına, 15-18 nolu
bacaklar ise tuş takımının sütunlarına bağlanmaktadır.
Entegrenin çalışabilmesi için 8 ve 9 nolu uçlara 3.5795
MHz’lik bir kristal bağlanması gerekmektedir. Üretilen
analog DTMF sinyali, entegrenin 12 nolu bacağından
alınmaktadır [6].
KS58006’nın çıkışından alınan DTMF sinyali, bir
DTMF kod çözücü entegrenin girişine uygulandığı
takdirde tuş bilgisini tekrar oluşturmak mümkündür. İki
entegre arasındaki bağlantı bir çift kablo ile
yapılabileceği gibi uygun bir elektronik devre
yardımıyla kablosuz olarak da yapılabilmektedir. Bu
çalışmada verilen tasarımda, analog DTMF sinyali, bir
kızılötesi
LED
yardımıyla
optik
sinyale
dönüştürülmekte ve 7-8 metre uzağa iletilmektedir.
DTMF sinyalinin analog yerine dijital olarak
gönderilmesi sayesinde iletişim mesafesi büyük
olmaktadır. Kızılötesi LED’den geçen akımın tepe
değeri ve alıcı devresinde kullanılan IR modülün
hassasiyeti de mesafe değerini etkileyen diğer
parametrelerdir.
belirlemek gerekir. Tuşlardan herhangi biri basılı
tutuldu
Tablo 2: Doğruluk tablosu
ğu sırada, ohm metrenin probları tuş takımı üzerindeki
uçlara dokundurulduğunda düşük direnç görülüyorsa, o
uçlar ilgili tuşa ait satır ve sütun uçlarıdır. Uç tespiti için
üretici firmanın katalog verilerinden de yararlanılabilir
[8].
2.2. DTMF Kod Çözücü
Bu çalışmada DTMF kod çözücü olarak CM8870
entegresi kullanılmıştır. Entegrenin 7 ve 8 nolu
bacaklarına DTMF üretecinde olduğu gibi 3.5795
MHz’lik bir kristal bağlamak gerekir. Entegre, DTMF
sinyalinin kodunu çözdükten sonra Q1-Q4 çıkışlarından
4 bitlik tuş bilgisini üretir. Böylece tuş takımındaki
hangi tuşa basıldığı CM8870’in çıkış uçlarındaki
gerilim seviyesinden anlaşılır. Tuşa basılı tutulduğu
sürece entegrenin 15 nolu StD ucu lojik 1 seviyesinde
kalır. Q1-Q4 çıkışlarındaki ikilik kod, faklı tonlu bir
DTMF sinyali alınıncaya kadar değişmez [7].
Tablo 2’de CM8870 entegresinin doğruluk tablosu
görülmektedir. DTMF sinyalinin içerdiği ton çiftine
göre çıkışta hangi ikilik değerin üretileceği bu tabloya
göre belirlenir. Örneğin, DTMF kod çözücünün girişine
uygulanan sinyal, 697 Hz ve 1209 Hz’lik frekans
bileşenlerini içeriyorsa, 4 bitlik çıkış bilgisi 0001 olur.
Şekil 3: 3x4’lük tuş takımı
2.4. Kızılötesi Alıcı Modül
Alıcı göz olarak da bilinen kızılötesi alıcı modüllerin iç
yapısında foto alıcı, sinyal kuvvetlendirici, band geçiren
filtre ve gün ışığı filtresi bulunmaktadır (şekil 4).
Modüllerin 30 kHz ile 56 kHz aralığında çalışan türleri
vardır [9].
2.3. Tuş Takımı
3x4’lük bir tuş takımı şekil 3’de görülmektedir. Matris
formunda bağlanmış olan tuşların satır ve sütun uçları
baskı devre kartı üzerindedir. Tuş takımını DTMF
üretecine bağlamadan önce bu uçları doğru şekilde
Şekil 4: IR alıcı modülün iç yapısı
Bu çalışmada kullanılan TK19 adlı alıcı modül 38 kHz
frekansa duyarlıdır. Dolayısıyla, vericinin gönderdiği
kızılötesi sinyalin 38 kHz’lik kare dalga sinyal ile
modüle edilmesi gerekmektedir. Alıcı duyarlılığının en
yüksek olduğu dalga boyu 950 nm olduğundan, 940 nm
dalga boyunda ışık yayan bir kızılötesi LED kullanmak
uygun bir seçim olur.
3. ELEKTRONİK DEVRE TASARIMI
3.1. Verici Devresi
Kızılötesi haberleşme sistemine ait verici devresi şekil
5’de görülmektedir. 3x4’lük tuş takımının satır ve sütun
uçları doğrudan KS58006 entegresine bağlıdır.
Şekil 5: Verici devresi
LM311 entegresinin çıkışı NE555 osilatörünün reset
girişine bağlı durumdadır. Böylece, LM311’in çıkışı
+5V iken osilatör devresi 38 kHz frekanslı kare dalga
sinyal üretmektedir. LM311’in çıkışı 0V iken osilatör
çalışmamaktadır. Bu devre sayesinde, analog DTMF
sinyali, şekil 6c’deki gibi darbe dizisi biçiminde bir
sinyale dönüştürülmektedir. NE555’in 3 nolu çıkış ucu,
47 ohm’luk bir direnç üzerinden kızılötesi LED’e
bağlıdır. Kızılötesi LED’den tepe değeri yaklaşık 70
mA olan ve DTMF bilgisini taşıyan bir akım
geçmektedir.
3.2. Alıcı Devresi
Haberleşme sistemine ait alıcı devresi şekil 7’de
görülmektedir. Alıcı modülün çıkışına bağlanan 1.
dereceden yüksek geçiren filtre ile 600 Hz’in altındaki
frekans
bileşenleri
zayıflatılmaktadır.
CM8870
entegresinin 11-14 nolu bacakları 4 bitlik tuş bilgisini
üretmektedir. Böylece, verici devresindeki herhangi bir
tuşa basıldığı esnada 7-8 metre uzaktaki alıcı devresinin
çıkış kodu değişmektedir. 4 bitlik tuş bilgisi ile birlikte
StD biti herhangi bir mikro denetleyici ile işlenerek
uzaktan kontrol işlemi gerçekleştirilmektedir.
DTMF sinyali, entegrenin 12 nolu “tone out” ucundan
alınmaktadır ve şekil 6a’da görüldüğü gibi yaklaşık
3.6V’luk DC bileşene sahiptir. Bu sinyal, kapasitif
kuplaj yapılarak LM311 karşılaştırıcı opamp’ın 2 nolu
girişine uygulanmaktadır. Böylece LM311’in çıkışından
şekil 6b’deki dalga şekli elde edilmektedir. Şekil
6b’deki sinyalin zamana bağlı değişimi analog DTMF
sinyaline benzemese de, sinyalin frekans bileşenleri
DTMF sinyalinin içerdiği ton çifti ile aynıdır.
Şekil 7: Alıcı devresi
4. FFT ANALİZİ
KS58006 entegresinin çıkışından alınan orijinal DTMF
sinyali için Hızlı Fourier Dönüşümü (FFT) yapıldığında
şekil 8’deki sonuçlar elde edilmiştir. Frekans
cevabından görüldüğü gibi DTMF sinyalinin 2 adet
harmonik bileşeni bulunmaktadır.
Şekil 6: Dalga şekilleri
LM311 entegresinin çıkışındaki sinyalin frekans
bileşenlerini incelemek amacıyla FFT analizi
yapıldığında ise şekil 9’daki sonuçlar elde edilmiştir.
Sonuçlardan görüldüğü gibi en yüksek genlikli
harmoniklerin frekansı 697 Hz ve 1209 Hz’dir. 600
Hz’in altındaki harmonikler, alıcı devresindeki yüksek
geçiren filtre ile süzüldüğü için önemsizdir. 1633 Hz’in
üzerindeki frekans bileşenleri ise CM8870 entegresinin
iç yapısındaki band geçiren filtre tarafından
zayıflatıldığı için dikkate alınmaz. Bu frekans cevabı bir
önceki sonuç ile kıyaslandığında her iki işaretin de aynı
harmonik bileşenlere sahip olduğu görülmektedir.
Kaynakça
Şekil 8: KS58006 çıkışındaki sinyalin FFT analizi
Şekil 9: LM311 çıkışındaki sinyalin FFT analizi
5. SONUÇ
Bu çalışmada önerilen DTMF tabanlı kızılötesi
haberleşme sistemi birçok avantaja sahiptir. FFT analizi
sonuçları, DTMF sinyallerinin herhangi bir mikro
denetleyici ile kolayca üretilebileceğini göstermektedir.
Verici kısmındaki elektronik devre, sabit telefon veya
cep telefonu gibi DTMF sinyali üreten cihazlara
uyarlanarak bu cihazlara kızılötesi kumanda özelliği
katılabilir. Sinyal gönderici ve alıcı kısmındaki
kızılötesi LED ve IR alıcı modül yerine, ISM bandında
çalışan RF verici ve RF alıcı modüller kullanılarak uzak
mesafede
kontrol
işlemi
gerçekleştirmek
de
mümkündür.
[1] Wong, E.M.C., “A phone-based remote controller
for home and office automation”, IEEE
Transactions on Consumer Electronics, 40(1): 28 –
34, 1994.
[2] Shatnawi, A.M., Abu-El-Haija, A.I., Elabdalla,
A.M., A digital receiver for Dual Tone
Multifrequency
(DTMF)
signals”,
IEEE
Instrumentation and Measurement Technology
Conference, Vol. 2, 1997, p 997-1002.
[3] Felder, M.D., Mason, J.C., Evans, B.L., “Efficient
dual-tone multifrequency detection using the
nonuniform discrete Fourier transform”, IEEE
Signal Processing Letters, 5(7): 160-163, 1998.
[4] Musayev, E., Optoelektronik Devreler ve Sistemler,
Birsen Yayınevi, İstanbul, 1999.
[5] Bodur, A., Gerçek C., Dinçer G., Optoelektronik
Devre Uygulamaları, Era Bilgi Sistemleri Yay.
Elektronik San. Tic. Ltd. Şti.
[6] http://www.samsung.com/Products/Semiconductor/
SystemLSI/Telephone/CordlessPhone/KS58006/ks
58006.pdf
[7] http://www.cmd.com/products/data/pdf/cm8870.pdf
[8] http://www.tunik.com.tr/products/othersTelefonTus
Takimlari.asp
[9] http://www.vishay.com/docs/80069/80069.pdf