Este documento describe el diseño de un sonómetro portátil mediante el uso de sistemas embebidos. Propone implementar un micrófono de medición, un preamplificador, un convertidor analógico-digital y un sistema embebido BeagleBoard para capturar señales de audio, convertirlas a datos digitales y mostrar resultados. El sonómetro portátil permitiría realizar mediciones acústicas sin necesidad de un ordenador o sonómetro comercial.

1. DISEÑO DE SONÓMETRO MEDIANTE EL USO DE SISTEMAS EMBEBIDOS<br />Mario Esteban Eraso Rosada<br />e-mail: meraso@academia.usbbog.edu.co<br />Estefanía Riveros Ramírez<br />e-mail: eriveros@academia.usbbog.edu.co<br />RESUMEN<br />Un sistema embebido es una estructura de computación diseñada para realizar funciones específicaspara lo cual se tiene un diseño especializado frecuentemente en un ordenador de computación en tiempo real. A diferencia de un PC, el sistema embebido se dota con los módulos estrictamente necesarios para su función,de ahí su rendimiento óptimo.<br />La incorporación de estos sistemas proporciona a un producto un valor añadido importante que lo distingue claramente de los productos de la competencia,tales como un costo reducido en el proceso de fabricación y mejora en el tiempo de diseño.Sin embargo se enfrenta al problema de que un fallo en un elemento implica la necesidad de reparar la placa íntegra. <br />La practicidad que ofrecen dichos sistemas lleva a pensar su aplicación al campo de las mediciones acústicas, con el diseño de un sonómetro portátil que permita un control rápido de una situación usando un micrófono de medición sin necesitad de un ordenador con el software que procese datos ni la compra de un sonómetro como tal.<br />Cabe resaltar, la relevancia que han ganado las mediciones de sonido en todos los campos de la acústica musical, arquitectónica y ruido comunitario, entre otros. Por ejemplo, la importancia del monitoreo de las condiciones sonoras de un ambiente laboral reduce el estrés y enfermedades causadas por malas condiciones acústicas o exceso de ruido, mejorando la inteligibilidad de la palabra y evitando enmascaramiento.<br />2. OBJETIVOS<br />2.1 Objetivo General<br />Implementar los sistemas embebidos para el diseño de un sonómetro.<br />2.2 Objetivos Específicos<br />Diseñar e implementar un sistema de pre amplificación para micrófono.<br />Diseñar e implementar una fuente de alimentación phantompower que sea capaz de entregar la alimentación que un micrófono de condensador necesita (48 V)<br />Programar un software que se encargue de captar la señal recibida y mostrar resultados de los mismos.<br />Implementar el producto en un sistema embebido, para este caso se utilizara la Beagle Board.<br />3. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA<br />Dada la importancia que cobra el conocimiento y posterior control de los niveles del ruido, se pretende construir un sonómetro que permita un reconocimiento rápido de las condiciones acústicas de algún recinto o espacio abierto. Por tanto se recurre a la implementación de un sistema que cumpla o se aproxime las características de un sonómetro tipo 3, mediante la integración de un micrófono de medición y un montaje de hardware y software capaz de transformar los valores de voltaje entregados por el micrófono en valores de SPL reconocibles y utilizables en el diagnostico acústico.<br />4. MARCO TEÓRICO<br />4.1 Sistema Embebido<br />Es un sistema de computación diseñado para realizar una función dedicada pueden ser usados para controlar y operar equipos, dispositivos, máquinas, aparatos domésticos, instrumentos electrónicos entre otros, y se caracterizan por ser pequeños sistemas que salen de la definición tradicional de un computador, con la diferencia de que en un sistema embebido la mayoría de los componentes se encuentran incluidos en la placa base (la tarjeta de vídeo, audio, módem, etc.) aunque muchas veces los dispositivos no lucen como computadoras, llegando a ser una tarjeta programable directamente en el lenguaje ensamblador del micro controlador incorporado sobre el mismo para una aplicación concreta y por esa razón es posible realizar un desarrollo de forma ajustada a las necesidades, implicando un bajo tamaño, reducido costo y alta repitibilidad. Tienen entonces un gran campo de aplicación, por ejemplo las comunicaciones, el transporte, la domótica, la medicina, la robótica, entre otros. [1]<br />4.2 Sonómetro<br />El sonómetro es un instrumento de medida que sirve para medir niveles de presión sonora (de los que depende la amplitud y, por tanto, la intensidad acústica y su percepción, sonoridad). Existen sonómetros que son capaces de promediar linealmente la presión sonora cuadrática a lo largo del tiempo, se conocen como sonómetro-integrador<br />En concreto, el sonómetro mide el nivel de ruido que existe en determinado lugar y en un momento dado. La unidad con la que trabaja el sonómetro es el decibelio. Si no se usan curvas ponderadas (sonómetro integrador), se entiende que son (dBSPL). [2]<br />Figura 1. Diagrama de bloques de un sonómetro<br />Los sonómetros se clasifican según su precisión, siendo:<br />Sonómetro de clase 0: se utiliza en laboratorios para obtener niveles de referencia.<br />Sonómetro de clase 1: permite el trabajo de campo con precisión.<br />Sonómetro de clase 2: permite realizar mediciones generales en los trabajos de campo.<br />Sonómetro de clase 3: es el menos preciso y sólo permite realizar mediciones aproximadas, por lo que sólo se utiliza para realizar reconocimientos.<br />4.3 Micrófono de Medición<br />Es un micrófono de condensador, que se caracteriza por tener baja emisión de ruido eléctrico, respuesta casi plana en todas las bandas de frecuencia, y consta de un diafragma pequeño, lo que configura un comportamiento omnidireccional para la captura de señal. Su respuesta en frecuencia y su direccionalidad, hacen de este tipo de micrófonos un ideal para la realización de mediciones acústicas como tiempo de reverberación, respuesta al impulso, calibración de sistemas para amplificación en vivo, ecualización de salas, etc. Un ejemplo de dichos micrófonos es el Behringer ECM 8000.<br />Figura 2. Micrófono de medición Behringer ECM 8000<br />4.4 Pre Amplificador<br />Un preamplificador es un tipo de amplificador electrónico utilizado en la cadena de audio, durante la reproducción del sonido. Su finalidad es aumentar el nivel de la señal y, para ello, actúa sobre la tensión de la señal de entrada.<br />Cuando las señales salgan del preamplificador, habrán alcanzado el nivel de línea, estandarizado en los 0dB. Este se encarga de nivelar la tensión eléctrica que le llega de las distintas fuentes de audio (cada equipo tiene una tensión de salida diferentes), para luego, una vez igualadas, enviarlas, como señal de entrada, a otro equipo (generalmente, una etapa de potencia).<br />La relación entre nivel de salida y de entrada es la ganancia. Así, la ganancia, expresada en decibelios, indica el grado de amplificación de una señal.Algunos equipos preamplificadores poseen controles que les permiten, además de regular la tensión de salida, regular el tono, el balance, etc. [3]<br />4.5 ADC<br />Un conversor analógico-digital,(o también ADC del inglés quot;
Analog-to-Digital Converterquot;
) es un dispositivo electrónico capaz de convertir una entrada analógica de voltaje en un valor binario. Se utiliza en equipos electrónicos como ordenadores, grabadores de sonido y de vídeo, y equipos de telecomunicaciones. La señal analógica, que varía de forma continua en el tiempo, se conecta a la entrada del dispositivo y se somete a un muestreo a una velocidad fija, obteniéndose así una señal digital a la salida del mismo.<br />Estos conversores poseen dos señales de entrada llamadas Vref+ y Vref- y determinan el rango en el cual se convertirá una señal de entrada.<br />El dispositivo establece una relación entre su entrada (señal analógica) y su salida (digital) dependiendo de su resolución. Esta resolución se puede saber, si se conoce el valor máximo que la entrada de información utiliza y la cantidad máxima de la salida en dígitos binarios. [4]<br />4.6 RS 232<br />Recommended Standard 232, es una interfaz que designa una norma para el intercambio de una serie de datos binarios entre un DTE (Equipo terminal de datos) y un DCE (Data CommunicationEquipment, Equipo de Comunicación de datos), aunque existen otras en las que también se utiliza la interfaz RS-232.<br />En particular, existen ocasiones en que interesa conectar otro tipo de equipamientos, como pueden ser computadores. Evidentemente, en el caso de interconexión entre los mismos, se requerirá la conexión de un DTE (Data Terminal Equipment) con otro DTE. Para ello se utiliza una conexión entre los dos DTE sin usar módem, por ello se llama: null módem ó módem nulo.<br />El RS-232 consiste en un conector tipo DB-25 (de 25 pines), aunque es normal encontrar la versión de 9 pines (DE-9), más barato e incluso más extendido para cierto tipo de periféricos (como el ratón serie del PC).<br />4.7 Beagle Board <br />Es una tarjeta de bajo costo sin refrigeración por aire que presenta desempeño similar a un PC portátil (laptop), y capacidad de expansión sin la incomodidad por tamaño, producido por Texas Instruments en asociación con Digi-Key. El BeagleBoard fue diseñado pensando en el desarrollo de código abierto, y se desarrolló con la intención de enseñar hardware de código abierto en las universidades de todo el mundo. Se vende al publico bajo la Licencia Creative Commons GNU Free Documentation License Mide 3x3 pulgadas (sobre 76.2 x 76.2 mm) y pesa solo 36g. <br />Su procesador es un OMAP3530 de Texas Instruments, basado en el ARM Cortex-A8 que se ejecuta a 500MHz (puede llegar a 600MHz), acompañado de un DSP TMS320C64x ~430MHz y un procesador gráfico Imagination SGX 2D/3D. Además incorpora 256MB de Flash y otros 256MB de SDRAM DDR (en algunas versiones 128MB de RAM) en un mismo chip que se monta encima del procesador (tecnología PoP o Package On Package).<br />Figura 3. Placa Beagleboard<br />En cuanto a periféricos, se tiene salida DVI mediante un conector HDMI, salida de video analógico, entrada y salida de audio, JTAG, puerto de expansión (I2C, SPI, GPIO, etc.), lector de tarjetas SD/MMC, botón de usuario, etc. Posee tambien USB OTG y USB Host de alta velocidad, por lo que es posible conectarle un adaptador WiFi, bluetooth, cámaras, ratones, teclados, etc.<br />Cabe destacar la gran potencia de este procesador, que gracias al DSP integrado y su procesador gráfico, es capaz de ejecutar aplicaciones con OpenGL sin problema. Pero aún mejor que su potencia y prestaciones es su precio. [6]<br />5. DESARROLLO INGENIERIL <br />5.1 Diseño del Hardware<br />Figura 4. Diagrama de Bloques HW<br />El diagrama de bloques que se muestra en la figura 4, contiene el flujo de procesado de la señal. La captura se datos sonoros se realizará por medio del micrófono de condensador ECM 8000 de Berhinger, utilizado para mediciones acústicas; mediante un cable XLR se conectara al preamplificador de la figura 5, que se encargara de enviarle la alimentación necesaria para su funcionamiento (phantom power de la figura 6) y de convertir su señal a nivel de línea.<br />Figura 5. Circuito del Pre-amplificador<br />Nota: Con el fin de lograr una pre-amplificación óptima, esto es, menor ruido y sin recorte de señal, se optó por reemplazar la tierra del pin 4 del amplificador operación TL741 por una segunda alimentación, es decir –Vcc.<br />Figura 6. Circuito PhantomPower<br /> Un conversor análogo digital será implementado con el fin de discretizar la señal de audio en datos manejables por la computadora. La comunicación entre el ADC y la maquina se realizara a través del PIC, que permite conectarse con la misma a través de su puerto serial y un conector RS232.<br />REFERENCIAS<br />[1] www.electrolinux.cl/doku.php/embebidos/conceptos01<br />[2] www.ehu.es/acustica/espanol/ruido/inmes/inmes.html<br />[3] www.es.wikipedia.org/wiki/Preamplificador<br />[4] www.es.wikipedia.org/wiki/Conversor_anal%C3%B3gico-digital<br />[5]www.es.wikipedia.org/wiki/RS-232<br />[6]www.mipixel.com/electronica/beagleboard<br />