Desenvolvimento de uma Prancha Eletrônica Portátil para Comunicação Alternativa Aumentativa (CAA) para crianças com deficiência

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1 Desenvolvimento de uma Prancha Eletrônica Portátil para Comunicação Alternativa Aumentativa (CAA) para crianças com deficiência Gustavo Moura Costa *, Xisto Lucas Travassos Júnior **, Cleber Vinícius Ribeiro De Almeida*** * Bolsista de Iniciação Tecnológica da Faculdade de Tecnologia SENAI CIMATEC, mcostagustavo@hotmail.com, ** Engenheiro Eletricista, Doutor em Engenharia Elétrica, Orientador de Iniciação Científica da Faculdade de Tecnologia SENAI CIMATEC, lucas..travassos@fieb.org.br *** Engenheiro Eletricista, Mestre em Engenharia Elétrica, Orientador de Iniciação Científica da Faculdade de Tecnologia SENAI CIMATEC. cleber.vinicius@fieb.org.br Resumo O projeto Sistema Eletrônico Portátil Baseado na Comunicação Alternativa Aumentativa (CAA) para Portadores de Necessidades Especiais, viabilizado pelo Edital 008/2008 Apoio a Projeto em Temas Estratégicos, da FAPESB, visa o desenvolvimento de um dispositivo eletrônico que facilite a comunicação e o aprendizado de portadores de necessidades especiais. Até o momento, têm-se o software de comunicação testado e validado por pacientes do CEPRED. Na fase atual, pretende-se desenvolver o hardware da versão final e comercial do dispositivo supracitado. Este é o objetivo principal das atividades desenvolvidas ao longo deste trabalho. Serão descritas a seguir as atividades desenvolvidas, bem como os resultados obtidos. Este artigo está estruturado em três tópicos: uma Introdução, com uma breve contextualização do problema e do projeto como um todo, a Metodologia, onde serão descritas as tarefas realizadas e os resultados alcançados, e, encerrando o documento, uma Conclusão. Palavras chave: Projeto de Sistemas Embarcados, Tecnologias Assistivas, Comunicação Alternativa Aumentativa, tablets. 1. Introdução O projeto consiste no desenvolvimento de um sistema eletrônico, portátil, adaptável, dinâmico, interativo e acessível de Comunicação Alternativa Aumentativa (CAA), aplicável em situações de comprometimento da expressão e compreensão lingüística associado à deficiência intelectual, transtornos específicos da linguagem, problemas sensoriais e/ou motores. Conta com o apoio da FAPESB (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado da Bahia) e as parcerias do SENAI CIMATEC, do CEPRED (Centro Estadual de Prevenção e Reabilitação de Deficiências), da Faculté Polytechnique de Mons (Bélgica) e da empresa Distak Computadores Ltda. O sistema facilitará o desenvolvimento lingüístico, emocional, cognitivo e social de pessoas com transtornos comunicativos e/ou linguagem de natureza congênita, adquirida, degenerativa ou temporária.essas portadoras de necessidades especiais normalmente precisam de auxílio para executar tarefas básicas do dia-a-dia. Visando aumentar a inserção na sociedade destas pessoas o projeto propõe um equipamento inovador e de baixo custo baseado na comunicação alternativa e aumentativa para diminuir a dependência e aumentar a auto-estima objetivando uma maior inclusão na sociedade. A técnica atual baseia-se na confecção de pranchas de papel com figuras do padrão PCS (Picture Communication Symbols) ilustradas na 1

2 Figura 1. A confecção é feita com xerox das páginas de livros com figuras PCS ilustradas na Figura 2, que posteriormente são recortadas, montadas e coladas em uma folha de papel em branco. É um processo trabalhoso, que resulta em um material facilmente e rapidamente degradável, preto-e-branco e de baixo acamamento. Diferente do sistema eletrônico proposto, o qual fornece o material necessário para a comunicação efetiva e possui uma vida útil estendida. Figura 1 Figuras PCS adaptada do software Editor de Prancha Livre. Figura 2 Livro de figuras PCS. O objetivo é construir uma prancha eletrônica portátil resistente a manuseio abrupto com uma tela sensível ao toque (touchscreen) de 15 polegadas e espessura de 20 milímetros aproximadamente, alimentado por uma bateria de íon de lítio. O dispositivo se assemelha a um tablet, porém mais enxuto no que concernem os recursos de hardware. Antecedendo o período de vigência da bolsa, o desenvolvimento do software da Prancha Eletrônica Portátil de Comunicação (PEPC), proposta neste projeto e que será utilizado no sistema eletrônico a ser projetado, encontrava-se finalizado. O objetivo desse trabalho visa o estudo e concepção dos sistemas e circuitos que atendam aos requisitos mínimos para suprir as necessidades já conhecidas de hardware, de forma a compor as especificações do dispositivo. Assim, criando um sistema portátil. Viabilizando, dessa forma, o desenvolvimento da versão final de um produto de baixo custo e competitivo comercialmente, que possa ser distribuído como mais um dos recursos de Tecnologias Assistivas na rede pública de saúde em unidades como o CEPRED, parceira deste projeto. 2. Revisão bibliográfica Os componentes são organizados na placa de acordo com alguns critérios para evitar interferência entre sinais (crosstalk), bem como facilitar o roteamento. Os componentes são agrupados primeiramente pelo grupo funcional, Ethernet, USB, memória, etc. Depois são posicionados de acordo com o tipo de sinal, digital, analógico, alimentação, e por último são arrumados de modo a colocar os componentes que possuem o mesmo tipo de alimentação, próximos um do outro para poder gerar um plano de alimentação (MONTROSE, 2000). O roteamento, etapa onde são traçadas as trilhas de cobre por onde passaram os sinais do circuito eletrônico, ou seja, a definição de rotas, é uma etapa trabalhosa devido ao fato da quantidade significativa de trilhas e do fato de ser realizado, preferencialmente, de forma manual, aplicando os conhecimentos de compatibilidade eletromagnética (EMC) descritos em (MONTROSE, 2000). Os algoritmos de roteamento automático mais poderosos 2

3 existentes no mercado ainda não superam o discernimento humano (MONTROSE, 2000). Para os sinais de alimentação e terra são gerados planos de alimentação e terra que fornecem um isolamento entre as trilhas evitando a interferência produzida pelo campo magnético gerado pelo fio condutor além de manter o retorno do sinal mais próximo a ele, o que é importante. Existe um plano de terra para cada tipo de sinal, planos de terra analógicos e digitais, e existe um plano de alimentação para cada tipo de alimentação, 3.3V, 5V etc. O layout foi realizado com o auxílio do livro Printed Circuit Board Design Techniques for EMC Compliace, segunda edição, de Montrose publicado em Devido ao fato da tecnologia dos tablets, dispositivo o qual mais se aproxima do dispositivo proposto, ser recente, há ainda uma escassez de literatura técnica de desenvolvimento sobre o tema. 3. Metodologia Seguindo o fluxograma apresentado na Figura 3, as atividades realizadas neste trabalho estão representadas pelos itens destacados em amarelo, os quais correspondem a concepção do hardware do produto final. O projeto consiste de duas placas, a placa principal, onde está posicionado o processador e as memórias, e uma placa secundária, com processador próprio, responsável de gerenciamento de bateria e da alimentação do sistema: monitoramento, carga e descarga da bateria, efetuar os processos de turnon (ligar) e o shutdown (desligamento) do dispositivo. A placa de gerenciamente de baterias foi desenvolvida de acordo com as referências: (IPENS, 1998), (IEEE, 2008), (Electric Vehicles, 2005) e (PASSOLD et al., 2006). Figura 3 Fluxograma do projeto. Uma bancada de múltipla exibição, representada pela Figura 4, foi utilizada para a construção do hardware e criação do layout das PICs (Placas de Circuito Impresso) que 3

4 foram desenvolvidas, além de duas estações de montagem de placa onde os protótipos foram montados sendo uma delas dedicada para componentes BGA (Ball Grid Array), componentes que possuem os pads, terminais no formato de esferas feitas de solda, na parte inferior, representados pelas Figuras 5 e 6. Figura 4 Estação de múltipla exibição utilizada no projeto do hardware e layout da PCI. Figura 5 Bancada de montagem das Placas eletrônicas do protótipo. Figura 6 Estação de retrabalho para BGA. Inicialmente foi feito um estudo de sistemas que possuiam ferramentas semalhantes às que poderiam ser impregadas no projeto com atenção especial a placa dedicadas para desenvolvimento. Após algum estudo e pesquisas de topologias diferentes de sistemas e com algumas considerações de requisitos básicos para o projeto, foram definidos quais serias as especificações necessário para serem implemantados no hardware. Com as especificações do sistema definidas foram criadas bibliotecas dos componentes que fariam parte da mecânica da placa. A biblioteca de componente possui duas partes: o símbolo, representação do componente que o identificará no esquemático do circuito, e o encapsulamento, representação do componente físico no ambiente de desenvolvimento digital. Para o projeto da PCI foi utilizado como ferramenta computacional de CAD (Computer Aided Design) o software EAGLE (Easily Applicable Graphical Layout Editor) da CadService (SENAI CIMATEC, 2008), um software específico para a elaboração do layout de placas de circuito impresso que integra as funções do desenho do circuito elétrico (esquemático) ao projeto da PCI. Após a criação das bibliotecas iniciou-se o desenvolvimento do esquemático do circuito do projeto. O esquemático possui circuitos de alimentação, controlador, memória, configuração de boot e periféricos que incluem uma porta micro usb host e uma USB devise, uma entrada para SD-Card dedicada para boot do sistema e uma outra para utilização normal, comunicação ethernete e serial via RS-232 para comunicação com o módulo GSM e memória RAM de 256Mb. Boa parte do circuito é baseada na placa de desenvolvimento imx515-evk, a qual utiliza o procerssador adotado no projeto (imx515), sugerida pela fabricante Freescale, com algumas adaptações específicas para o atendimento dos requisitos do projeto (Freescale, 2009). A construção do layout da placa iniciou-se com um estudo da mecânica que envolve a placa e os outros componentes que integram o sistema. O componente principal a ser analisado é a tela de LCD (Liquid Crystal Display - Mostrador de Cristal Líquido) que será utilizada no protótipo, pois será a referência dimensional do produto. Baseado nas dimensões da tela definiu-se as dimensões da placa do circuito. Assim, as restrições mecânicas levaram às primeiras considerações para o projeto da placa: quais as áreas 4

5 onde não poderiam haver componentes, como superfícies de contato e localização de conectores, as quais podem depender de outro objeto que se juntará a este, e pontos de fixação. Neste protótipo a placa ficará na extremidade inferior do LCD na parte traseira, logo, os conectores só poderão ser disponibilizados externamente se estiverem posicionados na lateral da PCI. As placas eletrônicas foram concebidas utilizando componentes com encapsulamentos (invólucros) para montagem em superfície (Surface Mounted Devices ou SMD), pertencentes à tecnologia SMT (Surface Mounted Technology) em 90% da área, sendo os 10% restantes utilizando a tecnologia convencional ou PTH (Pin-Thought Hole). Foi adotada a estratégia de multilayer (multicamada) para a placa do dispositivo, permitindo o aumento de densidade de componentes e redução das dimensões físicas (MONTROSE, 2000). Os sinais foram separados por funcionalidade em oito camadas: duas de alimentação, duas de terra e quatro de sinal de dados e controle, sendo que em alguns momentos quando há um congestionamento de sinais devido ao número muito grande de trilhas em um mesmo lugar é preciso passar alguns sinais de dados para uma camada de terra. 4. Resultados e Discussão O andamento do projeto se encontra avançado. As bibliotecas de componentes e o esquemático dos circuitos estão prontos, faltando apenas a conclusão do layout da placa. O estudo da mecânica da placa foi feito com sucesso, os componentes distribuídos e as trilhas de sinal roteadas faltando apenas a criação dos planos de alimentação e terra e a revisão geral. A conclusão do layout da placa finaliza a criação do primeiro protótipo da prancha eletrônica de comunicação alternativa aumentativa. Após a aprovação do protótipo algumas alterações já estão previstas para as próximas versões do dispositivo. Será incluído nas versões futuras conexão wi-fi, aumento da memória para 1Gb, atualização do processador e ferramenta GSM integrada. O protótipo utilizado nos teste foi implementado em uma placa de desenvolvimento e apresentava um porte mais robusto como mostra a Figura 7. Figura 7 Protótipo utilizado para testes de software. 5

6 5 Conclusão Neste texto foram descritas as atividades voltadas as desenvolvimento do hardware do dispositivo que constituirá o Sistema Eletrônico Portátil Baseado na Comunicação Alternativa Aumentativa (CAA) para Portadores de Necessidades Especiais. Trata-se de um desenvolvimento complexo, pois sistemas similares aos tablets apresentam um nível de integração de componetes eletrônicos, redução de tamanho e peso e recursos de software elevados. A complexidade da placa requer um sólido conhecimento em layout de PCI e aplicação de muito conceitos de compatibilidade eletromagnética (EMC). A participação nesse projeto agrega experiências relevantes no desenvolvimento de produtos eletrônicos, na programação estruturada, utilzando principalmente a linguagem C/C++, além de noções layout de placa com considerações de EMC. 6. Referências Freescale. i.mx51 Generic Reference Design, 2009, SCH IPENZ Transactions, Vol. 25, No.1/EMCh, 1998 IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 55, n. O 6, June 2008 Journal of Asian Electric Vehicles, Vol. 3, n. O 1, June 2005 MONTROSE, Mark I; Printed Circuit Board Design Techniques For EMC Compliance. 2 ND Ed ISBN PASSOLD, F., POSSA, Paulo Ricardo. Recarregador inteligente de Baterias In: INDUSCON 2006 (Conferência Internacional de Aplicações Industriais), 2006, Recife, PE. Proceedings. Recife: UFPE, SENAI CIMATEC. Layout de Placas Eletrônicas no software CAD EAGLE, Salvador, Bahia, Brasil,