EPUSP PCS 2021 Laboratório Digital II. Sistema de Radar

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1 Sistema de Radar Versão 2015 RESUMO Esta experiência tem por objetivo desenvolver um circuito que realiza a detecção de objetos próximo com um sensor ultrassônico de distância e um servo-motor. A implementação será desenvolvida com o dispositivo programável Altera Cyclone II EP2C35F672C6. OBJETIVOS Após a conclusão desta experiência, os seguintes tópicos devem ser conhecidos pelos alunos: Deteção de objetos; Medida de distância; Sensor ultrassônico; Posicionamento com servo-motor; Máquina de estados; Projeto em FPGA. 1. ESPECIFICAÇÃO DO PROJETO Um sistema de radar pode ser caracterizado com um sistema que tem como função principal a detecção de objetos a uma certa distância. Inicialmente, o termo radar foi criado para ser o acrônimo da expressão em inglês radio detection and ranging que, em tradução livre, poderia significar algo como detecção e localização por rádio. Esta detecção pode ser realizada através de ondas eletromagnéticas que são emitidas pelo radar, refletidas nos objetos distantes e recebidas por sensores. A detecção destes objetos permite a localização e a medida de sua distância. Dependendo do sinal eletromagnético usado, um sistema de radar pode ser nomeado de forma diferente. Por exemplo, no caso dos submarinos, usam-se ondas acústicas para propagação na água, e seu sistema é chamado sonar (sound navigation and ranging). Dependendo da frequência acústica usada temos sistemas infrassônicos (baixas frequências) ou sistemas ultrassônicos (altas frequências). Sistemas veiculares autônomos em desenvolvimento podem usar outros tipos de sistemas de radar. Uma das alternativas é o lidar (light detection and ranging). Neste sistema, a distância a objetos é verificada com uso de um laser Interface do Circuito O projeto desta experiência visa desenvolver um circuito digital que permite rastrear objetos e realizar a medida de sua distância. A interface do circuito deve seguir os sinais apresentados na figura 1.1. O processo de medida de distância é executado com auxílio de um sensor específico. LIGA CLOCK Radar MEDIDA modo_atual sinais de controle de de condição servo motor sensor HC-SR04 Figura 1.1. Interface do sistema de Radar. Sistema de Radar (2015) 1

2 O servo-motor deve posicionar o sensor de distância para a localização de objetos. A montagem deve permitir a variação em um ângulo total de 180º. A figura 1.2 ilustra uma possível montagem física. Figura 1.2. Uma possível montagem do servo-motor com o sensor ultrassônico. A figura acima também apresenta os principais elementos do projeto e sua interação durante seu funcionamento Descrição do Funcionamento O circuito deve somente iniciar sua operação com o acionamento do sinal LIGA. Em qualquer momento, o desacionamento do sinal LIGA deve interromper o funcionamento do sistema. No modo de localização, o sistema deve continuamente realizar o rastreamento e a medição de distância a uma taxa de 1 medida/segundo. O modo atual de funcionamento do circuito deve ser apresentado no led Modo_atual. A saída MEDIDA do circuito é composto por dois valores: o ângulo e a distância ao objeto nesta posição. Esta saída deve ser transmitida por um sinal RS232-C em formato ângulo,distância., usando caracteres ASCII. Por exemplo, uma saída indicando um objeto a 1,5m de distância na posição a 45º deve ser composta pela sequência de caracteres ASCII 45, Interface Gráfica do Sistema de Radar A saída do sistema de radar deve ser apresentada através de uma interface gráfica com o usuário (GUI) no computador. Esta interface foi desenvolvida com o software livre processing [Processing, 2015]. A figura 1.3 ilustra a aparência da interface gráfica. Figura 1.3. Interface gráfica do sistema de radar com processing. Além da tradicional descrição radial de informações de localização de objetos à distância, a interface apresenta na parte inferior a presença ou não de um objeto e as informações de posicionamento (ângulo) e distância medida. Sistema de Radar (2015) 2

3 1.4. Restrições de Projeto Segue abaixo algumas considerações sobre o desenvolvimento do projeto do circuito do sistema de radar. A implementação do circuito do Radar deve ser realizada na placa DE2 da Altera 1. Os alunos devem levar em consideração o uso de técnicas de projeto síncrono, conforme estudados anteriormente [Midorikawa, 2012]; Máquina de estados da Unidade de Controle: o circuito deve ser decomposto em fluxo de dados e unidade de controle. O funcionamento do circuito deve ser controlado pela UC e esta deve ser especificada através de um diagrama ASM; VHDL: a implementação deve ser realizada usando principalmente a linguagem de descrição de hardware VHDL. Deve-se adotar a estratégia de descrição estrutural para a interligação dos principais módulos do projeto Circuitos Integrados para Interfaceamento É comum em sistemas digitais incluir componentes que são alimentados com tensões diferentes. As tensões de alimentação podem variar desde tensões da ordem de 1V com circuitos LVCMOS (Low Voltage CMOS) ou 3,3V para LVTTL até tensões de cerca de 15V para componentes CMOS. Isto faz com que seja necessário o uso de componentes que realizam a conversão de níveis de tensão. Normalmente o uso de circuitos com saída em coletor aberto (TTL) ou dreno aberto (CMOS) realizam esta tarefa [Wakerly, 2006] como mostrado na figura 1.4. Figura 1.4. Interfaceamento com saída com coletor aberto. Atualmente, outras alternativas são permitidas. Esta seção apresenta dois circuitos integrados que serão usados nesta experiência. O primeiro é o 74LS365 que contém 6 buffers ou drivers de linha com capacidade de corrente alta. Uma saída TTL da série LS possui os parâmetros de corrente I OL e I OH iguais a 8 ma e - 0,4 ma, respectivamente. Já o circuito 74LS365 apresenta valores iguais a 24 ma e -2,6 ma, respectivamente. A figura 1.5 mostra a pinagem deste circuito integrado Figura 1.5. Circuito integrado 74LS365. A alta capacidade de corrente permite que este circuito possa ser usado em vias de dados onde várias cargas podem ser conectadas entre si. Nesta experiência ela deve ser usada para ligar saídas LVCMOS da placa DE2 que possuem valores até 3,3V para os componentes ligados no painel de montagens alimentados com Vcc=5V. 1 O grupo deve usar o painel de montagens experimentais para ligar os circuitos para a conversão dos níveis de tensão para a interligação da placa DE2 e o servo-motor e o sensor HC-SR04. Sistema de Radar (2015) 3

4 O segundo circuito integrado 74HC4050 contém 6 buffers com entradas tolerantes a sobre-tensão, ou seja, é possível que as entradas possuam tensão maior que o valor da alimentação. Esta característica permite sua utilização em aplicações em que é necessário o abaixamento de tensão: por exemplo, no interfaceamento de circuitos com Vcc=5V para circuitos com Vcc=3,3V. Para isto basta alimentá-lo com Vcc=3,3V e ligar suas entradas nos sinais do circuito de 5V. A figura 1.6 abaixo apresenta a interface deste circuito. Figura 1.6. Circuito integrado 74HC4050. Nesta experiência o 74HC4050 será usado para ligar as saídas dos circuitos em 5V do painel de montagens para as entradas LVCMOS da placa Altera DE2. 2. PARTE EXPERIMENTAL 2.1. Atividades Pré-Laboratório a) Desenvolva o projeto do circuito do Sistema de Radar, conforme especificação apresentada na seção 1.1. Apresente as decisões de projeto e detalhes do seu funcionamento. Acrescente com formas de onda das simulações do sistema digital e de suas partes. b) Elabore um Manual de Usuário para o projeto, e indique no documento: Valores limites de medida do projeto (mínimo e máximo); Capacidade de armazenamento da memória interna; Detalhamento da função adicional implementada Montagem Experimental do Projeto c) Se o circuito projetado for implementado na placa DE2 da Altera, deve-se seguir a seguinte designação mínima de sinais: LIGA: chave SW0; MEDIDA: saída serial UART_TXD; Modo_atual: led LEDG0; CLOCK: clock interno. Defina um conjunto de sinais de depuração que podem ser mostrados em leds e displays disponíveis. O planejamento deve conter uma tabela com a designação destes sinais adicionais. d) Programe o projeto sintetizado na placa DE2 no Laboratório Digital e teste o circuito. e) Verifique a precisão das medidas realizadas. f) Relate quaisquer ocorrências experimentais Desafio g) Uma modificação será apresentada ao professor. Implemente, documente e execute uma demonstração de seu funcionamento. h) Prepare uma demonstração e documente seu funcionamento. Sistema de Radar (2015) 4

5 2.4. Atividades Pós-Laboratório i) Após a conclusão das atividades experimentais, responda as perguntas abaixo. 1. Relate os problemas de precisão do projeto desenvolvido. Como estes problemas podem ser solucionados? 2. Como este projeto pode ser modificado para ser utilizado em uma aplicação de segurança? Explique sua aplicação, por exemplo, na detecção de intrusos ou monitoração de bens valiosos. 3. Como o projeto integrado de PCS2021 deste quadrimestre ajudou no seu desenvolvimento como projetista de sistemas digitais? Dê sugestões para melhoria para o próximo ano. 3. BIBLIOGRAFIA ALTERA. DE2 Development and education board user manual Version MENEZES, M.P.; SATO, L.M.; MIDORIKAWA, E.T. Projeto de Circuitos com Quartus II 9.1. Apostila de Laboratório Digital. Departamento de Engenharia de Computação e Sistemas Digitais, Escola Politécnica da USP. Edição de MIDORIKAWA, E.T. Projeto de Sistemas Digitais. Apostila de Laboratório Digital, PROCESSSING. Site do programa processing. Acesso em 07/11/2015. TOCCI, R.L.; WIDMER, N.S.; MOSS, G.L. Digital Systems: Principles and Applications. 11 th ed., Prentice-Hall, VAHID, F. Sistemas Digitais: Projeto, Otimização e HDLs. Bookman, WAKERLY, John F. Digital Design Principles & Practices. 4 th edition, Prentice Hall, MATERIAL DISPONÍVEL Circuitos Integrados para interface: 74LS365 e 74HC sensor ultrassônico HC-SR04 1 servo-motor (software) Sketch processing para interface gráfica do sistema de radar 5. EQUIPAMENTOS NECESSÁRIOS 1 computador compatível com IBM-PC com software Altera Quartus II. 1 placa de desenvolvimento FPGA DE2 da Altera com o dispositivo Altera Cyclone II EP2C35F672C6. Histórico de Revisões E.T.M./2015 versão inicial Sistema de Radar (2015) 5