Os Sistemas Electrónicos

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1 Os Sistemas Electrónicos Helena Sarmento 1

2 Sistema Electrónico Equipamento Electrónico Componentes Electrónicos Placa de Circuito Impresso Transístor Lei de Moore Sumário Projecto de Sistemas Electrónicos Projecto de um sistema electrónico para telecontagem 2

3 Sistema Electrónico (1) Um sistema é um conjunto de elementos interrelacionados que em conjunto desempenham duma determinada função. Em electrónica, um sistema é uma montagem com componentes electrónicos, podendo incluir componentes mecânicos bem como software, que em conjunto realizam uma determinada função. O projecto de sistemas electrónicos faz-se a diferentes níveis. 3

4 Sistema Electrónico (2) Um conjunto de circuitos num circuito integrado (SoC - System on Chip), que colaboram na realização de uma função específica, é um sistema electrónico. Projectam-se circuitos integrados 4

5 Sistema Electrónico (3) SoC (System on Chip) para Wi-Fi (CL1300) Incluiu 5 subsistemas [Fonte: Celeno, 2009] 5

6 Sistema Electrónico (4) Um conjunto de circuitos integrados e outros componentes montados numa placa de circuito impresso (PCB Printed Circuit Board), que colaboram na realização de uma função, é um sistema electrónico. Projectam-se de placas de circuito impresso. 6

7 Sistema Electrónico (5) Placa de circuito impresso (PCB) utilizando um microcontrolador da Atmel (SoC) e outros componentes electrónicos. 7 [Fonte: Arduino]

8 Sistema Electrónico (6) Um conjunto de placas de circuito impresso, formando módulo do equipamento, é um sistema electrónico. 8

9 Sistema Electrónico (7) Sistema para acesso a Internet: placa Arduino e placa Ethernet (shield) [Fonte: Arduino] 9

10 Sistema Electrónico (8) Um conjunto de módulos de equipamento, que desempenham uma determinada tarefa, é um sistema electrónico. 10

11 Sistema Electrónico (9) Computador pessoal (PC) [Fonte: HowStuffWorks] 11

12 Sistema Electrónico (10) Uma rede de sensores num veículo automóvel [Fonte: Renesas] 12

13 Equipamento Electrónico SISTEMA MÓDULOS PCB COMPONENTES ELECTRÓNICOS Resistências, condensadores, diodos, transístores, circuitos integrados, etc 13

14 Equipamento Electrónico: Iphone (1) Sistema sistema de periféricos microcontrolador acelerador multimedia conectividade 14 [Fonte: anandtech, 2007] Gestão de potência Controlador LCD Memória

15 Equipamento Electrónico: Iphone (2) Módulos dois PCBs em sanduíche 15 [Fonte: PcWorld, 2007]

16 Equipamento Electrónico: Iphone (3) Placas de circuito impresso (PCB) e módulo dos auscultadores 1 PCB com circuitos das aplicações 3 PCB com circuitos de comunicação sem fios 2 ficha auscultadores e circuitos adicionais 16 [Fonte: PcWorld, 2007]

17 Equipamento Electrónico: Iphone (4) Componentes bateria câmara de video PCB de comunicações sem fios A transceiver GSM (RF) B amplificador de potência C Bluetooth D Wi-fi E banda de base GSM F gestão de potência 17 [Fonte: PcWorld, 2007]

18 Equipamento Electrónico: Iphone (5) Componentes PCB de aplicações A acelerómetro (sensor) B interface DISPLAY (RGB) C codec de audio D processador Apple (ARM) A - acelerómetro (sensor) 18 Memória Flash (4 GB) [Fonte: PcWorld, 2007] 1 Suporte do cartão SIM 2 Memória Flash

19 Equipamento Electrónico SISTEMA MÓDULOS PCB COMPONENTES ELECTRÓNICOS Resistências, condensadores, diodos, transístores, circuitos integrados, etc 19

20 Componentes Electrónicos (1) [Fonte: Made-in-China] 20

21 Componentes Electrónicos (2) resistências condensadores díodos, transístores, LEDs circuitos integrados 21 [Fonte: Made-in-China, Jameco]

22 Componentes Electrónicos (3) Sensores Transformam uma forma de energia num sinal eléctrico: temperatura, magnético, etc. Actuadores Transformam um sinal eléctrico numa outra forma de energia. 22

23 Placa de Circuito Impresso (1) PCBs multicamada com furos montagem superficial flexível [Fonte: rapidsmt] 23 [Fonte: made-in-china]

24 Placa de Circuito Impresso (2) Photoresist placement Photoresist exposure Copper removal Photoresist cleaning 24

25 Placa de Circuito Impresso (3) PCBs com 16 camadas [Fonte: Altera] 25

26 Transístor O transístor (material semicondutor) é o componente básico de todos os sistemas electrónicos: em circuitos analógicos, amplifica o sinal de entrada. O sinal de saída é uma réplica do sinal de entrada, mas com maior amplitude. Em circuitos digitais comporta-se como um interruptor. Primeiro circuito integrado (chip) com um transístor e outros componentes em 1959: Fairchild e Texas Instrument. Primeiro circuito comercial em Actualmente circuitos com milhões de transístores. 26

27 Lei de Moore (1) 1965: Gordon Moore (Fairchild Semiconductor) previu que o número de transístores num chip de computador duplicaria em cada ano (os chips mais avançados tinha cerca de 60 componentes). 1975, Moore (co-fundador da Intel em 1968) reconsiderou sua previsão da taxa de duplicação de aproximadamente a cada dois anos. Até agora, verificaram-se as previsões. Actualmente, o crescimento l está limitado pelo calor produzido e energia consumida nos chips com muitos transístores. 27

28 Lei de Moore (2) º circuito integrado (Texas Instrument) transístor condensador resistência de germânio resistência para limitação de corrente 28 [Fonte: Technology Review, 2008]

29 Lei de Moore (3) º circuito integrado comercial da (Fairchild) transístores 29 [Fonte: Technology Review, 2008]

30 Lei de Moore (4) terra entrada entrada transístores saída saída alimentação resistência 30 [Fonte: Technology Review, 2008]

31 Lei de Moore (5) Processador Pentium (Intel) 3,1 milhões de transístores, 0.8 µm, 294 mm2, 273 pinos, 66 MHz 31 [Fonte: Technology Review, 2008]

32 Lei de Moore (6) Processador I7 (Intel) 731 milhões de transístores, 45 nm, 263 mm 2, 1366 pinos, 2.2 GHz 32 [Fonte: Intel]

33 Lei de Moore (7) Processador Xeon E nm, with transístores, 513 mm 2, 1357 pinos, 2.4 GHz, ($4616) cores [Fonte: Intel]

34 Projecto de sistemas electrónicos (1) O projecto é actualmente realizado num nível elevado e não com componentes básicos. O projecto é focado no fluxo de sinal através do sistema. Projectam-se: SoCs (System on Chip), utilizando IP cores PCBs, utilizando circuitos integrados e outros componentes Sistemas, utilizando PCBs e outros componentes. 34

35 Projecto de sistemas electrónicos (2) Sistemas embebidos Um sistema embebido é um sistema com capacidade de processamento que desempenha tarefas específicas, muitas vezes em tempo real. Tem processador, memória, interfaces tal como os PCs, mas difere destes porque executa tarefas específicas. O sistema embebido pode conter a funcionalidade completa de um sistema electrónico, incluindo hardware e software. 35

36 Projecto de sistemas electrónicos (3) Projecto de sistemas electrónicos utiliza-se em várias áreas de aplicação: Comunicações, Computadores Robótica Automóvel Medicina Aeroespacial Energia etc. 36

37 Projecto de um sistema electrónico para telecontagem (1) Um sistema electrónico: na área de energia, utilizando tecnologias de comunicação 37 [Fonte: [4]] ZBeeMeR A ZigBee Automatic Meter Reading System

38 Projecto de um sistema electrónico para telecontagem (2) A telecontagem nas redes inteligentes (smart grids) Maior controlo sobre o consumo de energia. Permite de modo automático, de hora em hora ou ainda com maior periodicidade, que os contadores registem o consumo de energia. Com base nessa informação, fornecida em tempo real, os consumidores podem tomar opções que reduzam o consumo de energia. 38

39 Projecto de um sistema electrónico para telecontagem (3) As tecnologias de comunicação: Com fios: Power Line Communication (PLC) Comunicação sobre a linha eléctrica Sem fios: Wi-Fi, ZigBee Comunicação com interfaces de rádio 39

40 Projecto de um sistema electrónico para telecontagem (4) A escolha da tecnologia de comunicação: ZigBee: tecnologia de rádio (sem fios) em 2,4 GHz 40 RT Router, ED End Device [Fonte: [4]]

41 Projecto de um sistema electrónico para telecontagem (5) A arquitectura do sistema e os componentes 41 [Fonte: [4]]

42 Projecto de um sistema electrónico para telecontagem (6) O projecto de hardware: componentes electrónicos Rádio ZigBee e microcontrolador: SoC Interface série com o contador (RS-232) Memória RAM adicional 42 [Fonte: [4]]

43 Projecto de um sistema electrónico para telecontagem (7) O projecto de hardware: componentes electrónicos Antenas: e antena Whip (e impressa no PCB) Fonte de alimentação DC: conversor DC-DC e baterias recarregáveis 43 Fichas, resistências, condensadores, etc [Fonte: [4]]

44 Projecto de um sistema electrónico para telecontagem (8) O projecto de hardware: BOM (Bill Of Materials) e aquisição de componentes (procurement), 44 [Fonte: [4]]

45 Projecto de um sistema electrónico para telecontagem (9) O projecto de hardware: o diagrama esquemático 45 [Fonte: [4]]

46 Projecto de um sistema electrónico para telecontagem (10) O projecto de hardware: o projecto da placa de circuito impresso PCB de 4 camadas 46 [Fonte: [4]]

47 Projecto de um sistema electrónico para telecontagem (11) O projecto de hardware: a produção, a montagem, a soldadura e a verificação do PCB 47 [Fonte: [4]]

48 Projecto de um sistema electrónico para telecontagem (12) O software embebido: Linguagem de programação: C 48 [Fonte: [4]]

49 Projecto de um sistema electrónico para telecontagem (13) O software aplicacional de ligação ao sistema central: Linguagens de programação: C/C++, JavaScript, PHP, Perl 49 [Fonte: [4]]

50 Projecto de um sistema electrónico para telecontagem (14) Teste do protótipo laboratorial EMSeN Nó repetidor 50 [Fonte: [4]] Concentrador (ligado à Internet)

51 Bibliografia 51 [1] Melissa J. Perenson, In Pictures: Inside the Apple iphone, PCWorld Jul, Disponível no portal: he_apple_iphone.html [2] Kristina Grifantini, Moore's Law, Technology Review, Dezembro Disponível no portal: [3] PCB Production. Disponível no portal: [4] André Glória, ZBeeMeR -A ZigBee Automatic Meter Reading System, Tese de Mestrado, Outubro Disponível no portal: https://dspace.ist.utl.pt/bitstream/2295/767640/1/dissertacao_ AndreGloria.pdf

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