Sistema de Monitorização e Alarme (1 a -parte)

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1 1 o -Trabalho de Laboratório - PIC Sistemas Computacionais Embebidos IST /2015 Sistema de Monitorização e Alarme (1 a -parte) 1 Introdução Alguns sistemas embebidos são desenvolvidos sobre plataformas relativamente simples, com escassos recursos, e onde a utilização de sistemas operativos como suporte à aplicação pode não ser viável. Neste tipo de sistemas existe, essencialmente, a necessidade de realizar algum processamento elementar e aceder a diversos dispositivos de entrada / saída (e.g. acesso a sensores para recolha de informação). No entanto, em muitos outros casos, a existência de suporte ao nível de sistema operativo (mesmo que com funcionalidade reduzida) pode facilitar grandemente o desenvolvimento das aplicações. O trabalho de laboratório a realizar (constituído por 2 partes) tem como objectivo fundamental a familiarização por parte dos alunos com o desenvolvimento de sistemas embebidos, tanto de média/baixa complexidade, utilizando microcontroladores, e sem o suporte de um sistema operativo, como utilizando núcleos multitarefa para o desenvolvimento de aplicações concorrentes. Em particular, deverão adquirir alguma sensibilidade na utilização de mecanismos de sincronização e comunicação entre tarefas, no contexto de aplicações concorrentes, e deverão ainda familiarizar-se com outras características de sistemas embebidos tais como aceder a dispositivos utilizando a rede/barramento I2C (Inter Integrated Circuit), a salvaguarda de informação em dispositivos de memória não volátil (EEPROM), a utilização de conversão analógica-digital, e a comunicação série RS232. Deverão adquirir ainda alguma sensibilidade para aspectos relacionados com o consumo de energia, recorrendo a modos de funcionamento que permitam, na medida do possível, aumentar a autonomia do sistema. 2 Descrição do problema O trabalho está decomposto em duas partes distintas, que serão depois interligadas. Esta primeira parte corresponde a um sistema de monitorização e alarme que dispõe de uma interface com o utilizador relativamente rudimentar (interruptores, besouro e LCD). A outra parte, com uma capacidade de processamento e interface com o utilizador mais elaboradas, permitirá o acesso remoto (através de linha série RS232) ao sistema desenvolvido na primeira parte. 1

2 2.1 Sistema de monitorização e alarme Esta parte do trabalho será realizada utilizando a placa de desenvolvimento PICDEM 2 Plus Demonstration Board [1], que inclui um microcontrolador PIC18F452 [2]. A aplicação será programada utilizando a linguagem C ( MPLAB C18 C Compiler [3, 4, 5]) e o ambiente de desenvolvimento MPLAB Integrated Development Environment (IDE) [6] da Microchip. A consulta da respectiva documentação é fundamental para a correcta realização do trabalho. As funções a disponibilizar consistem essencialmente nos seguintes aspectos: Relógio (com manutenção da hora corrente e que permitirá fazer gestão de alarmes e estampilhar temporalmente eventos relevantes). Monitorização do estado do sistema através da inspecção periódica, ou a pedido, dos valores de sensores e eventual geração de alarmes. Guardar em memória não volátil o registo histórico dos eventos relevantes ocorridos. Interface rudimentar com o utilizador. Inclusão de mecanismos de poupança de energia. Suporte a acesso remoto para permitir operações de reconfiguração e transferência de dados (a realizar mais tarde em conjunto com a segunda parte do trabalho). O relógio será construído com base num dos temporizadores disponíveis no PIC, e deverá disponibilizar a hora corrente na forma de horas, minutos e segundos. O sistema monitorizará de forma periódica (período PMON) os valores da temperatura (sensor TC74 [8]) e da luminosidade (emulada pela utilização do potenciómetro existente na placa de desenvolvimento e convertendo o valor obtido em 6 níveis distintos {0,...,5}). Se PMON for igual a zero, não haverá recolha de informação. Dependendo dos valores recolhidos, e caso essa funcionalidade esteja activa, poderão ser gerados alarmes. Caso estejam activos, os alarmes são gerados quando se atinge a hora definida, ou quando o novo valor dos sensores (temperatura ou luminosidade) cruza um limiar pre-definido (tanto a aumentar como a diminuir). A notificação de uma situação de alarme será efectuada através de sinalização no LCD (letras ATL) e da geração de um sinal sonoro ( besouro ) de duração TSOM. Poderá existir um sinal sonoro diferente por cada tipo de alarme. O sistema deverá salvaguardar em memória não volátil (EEPROM externa 24LC256 [9]) o registo histórico dos eventos relevantes ocorridos. Podem ser guardados até NREG registos na forma de um buffer circular (quando o buffer está cheio, os novos registos vão substituindo os registos mais antigos). Para além dos registos propriamente ditos, deverá ser mantida na EEPROM externa a informação necessária à correcta gestão do buffer circular (número de registos máximo NREG, número corrente de registos válidos, índice de escrita, índice de leitura). Cada registo a guardar em memória terá uma dimensão de 8 octetos, sendo o seu conteúdo dependente do tipo de evento. Nos casos em que não se utilizam 8 octetos, os octetos não utilizados ficam com o valor zero. De uma forma geral, um registo terá o seguinte formato: estampilha temporal, tipo de evento, parâmetros dependentes do tipo de evento 2

3 A estampilha temporal corresponde à hora corrente, sendo constituída por 3 octetos (horas, minutos, segundos). O tipo de evento ocupa 1 octeto. São os seguintes os eventos a considerar (na 2-parte do trabalho poderão ser adicionados mais eventos): evento código parâmetros descrição EINI 1 temperatura (1) + luminosidade (1) início de execução ERLG 2 nova hora (3) acerto do relógio EDALA 3 hora do alarme (3) definição de alarme relógio EDTMP 4 limiar temperatura (1) definição de alarme temperatura EDLUM 5 limiar luminosidade (1) definição de alarme luminosidade EAALS 6 temperatura (1) + luminosidade (1) activar/desactivar alarmes EARLG 7 temperatura (1) + luminosidade (1) alarme relógio EATMP 8 temperatura (1) + luminosidade (1) alarme temperatura EALUM 9 temperatura (1) + luminosidade (1) alarme luminosidade Devem ainda ser mantidos actualizados na EEPROM interna do PIC os parâmetros relevantes ao correcto funcionamento do sistema (incluindo alarmes), de forma a poderem ser recuperados mesmo que entretanto se tenha desligado temporariamente a alimentação. O valor do relógio também deve ser guardado caso se detecte uma falha na alimentação. O projecto deve ser desenvolvido de forma a que os valores dos parâmetros apresentados a seguir possam ser facilmente configuráveis. Desde que possível (existência de valores correctos e coerentes), serão recuperados a partir da EEPROM interna. Inicialmente tomarão os seguintes valores: NREG 30 número máximo de registos no buffer PMON 5 seg período de monitorização TSOM 2 seg duração sinal sonoro 2.2 Acesso remoto A realizar na 2 a -parte do trabalho de laboratório. 3 Interface com o utilizador 3.1 Sistema de monitorização e alarme A interface com o utilizador, nesta parte do trabalho, é efectuada através de 2 interruptores (S2, S3), um besouro (sinal sonoro), e um LCD (2 linhas de 16 caracteres) [7]. Os interruptores são utilizados para realizar as operações de acerto do relógio, definir alarmes, e seleccionar o modo de funcionamento. O interruptor S3 (RB0) é utilizado para seleccionar a operação a realizar, e o interruptor S2 (RA4) é utilizado para efectuar as alterações dos campos seleccionados, ou a activação da operação pretendida. Mais concretamente, partindo da situação de funcionamento normal, ao pressionar-se S3, colocarse-á o cursor a piscar sobre o primeiro dos campos susceptíveis de ser alterados (horas), podendo nessa 3

4 altura o respectivo valor ser incrementado pressionando S2. De cada vez que se pressiona S3 passa-se ao campo seguinte, até voltar de novo à situação de funcionamento normal. Quando se pressiona S2, o valor do campo que está a ser alterado será incrementado módulo a gama de valores correspondentes a esse campo, ou será activada a respectiva função. A informação a mostrar no LCD terá o seguinte aspecto (alguns campos só aparecem no modo de modificação): hh:mm:ss ATL a P tt C M L n A letra P (que só aparece quando em modo de modificação) permite activar o modo de poupança de energia. Nesse modo de funcionamento o LCD estará apagado (e o processador estará, sempre que possível, no modo sleep). Voltará ao modo normal se o utilizador carregar em S3, ou se ocorrer um alarme. As letras ATL (que aparecem em modo de modificação, ou caso tenha ocorrido o respectivo alarme) permitem definir, respectivamente, a hora de alarme (associado ao relógio), e os alarmes correspondentes a um limiar de temperatura e a um limiar de luminosidade. Quando activadas, os valores correntes poderão (ou não) ser modificados utilizando os respectivos campos (relógio, temperatura, ou luminosidade). A letra a (ou A - funciona em modo alternado ( toggle )) indica se os alarmes estão desactivados (ou activos), e em modo de modificação permite activar/desactivar os alarmes. A letra M será mostrada no LCD, na posição indicada (8 a coluna da 2 a linha), quando a ocupação da memória (número de registos salvaguardados e ainda não transferidos) ultrapassar metade da capacidade de armazenamento (NREG / 2). Manter-se-á enquanto durar essa situação. As características dos dispositivos de E/S a utilizar devem ser consultadas no manual da placa [1], ou nos Data Sheets dos respectivos dispositivos. 3.2 Acesso remoto A realizar na 2 a -parte do trabalho de laboratório. 4 Desenvolvimento do projecto No desenvolvimento do projecto, aconselha-se a utilização de uma estrutura modular, com testes faseados. Para o suporte à execução da aplicação na placa alvo PICDEM-2, não existirá nenhum sistema operativo. É da responsabilidade dos alunos estruturarem o programa de uma forma modular de acordo com as várias tarefas a realizar. O suporte à execução dessas tarefas deverá ser organizado na forma de um executivo cíclico, recorrendo ao uso de interrupções nas situações que o justifiquem. Subjacente a toda a realização do projecto, deve estar a preocupação de, sem prejuízo da funcionalidade pretendida, tentar optimizar o consumo de energia, recorrendo à instrução sleep quando possível. 4

5 Em termos de fases de desenvolvimento do projecto, os alunos podem/devem tirar partido da disponibilidade de um simulador do PIC no ambiente de desenvolvimento, e de um emulador da placa PICDEM-2. A utilização directa da placa de desenvolvimento, com a correspondente programação do microcontrolador PIC, poderá apenas ser feita após essa fase inicial de testes. 5 Entrega do trabalho Esta parte do trabalho pode ser entregue até ao dia 13 de Abril de O material a entregar consiste numa cópia em formato digital (ficheiro ZIP) de todos os programas desenvolvidos. Devem ainda juntar 2 ou 3 páginas A4 com a especificação da estrutura de dados, blocos principais, e as partes mais relevantes dos algoritmos (em pseudo-código). Todos estes elementos devem vir identificados com o número do grupo de laboratório e identificação dos alunos que o compõem. A visualização posterior do trabalho será efectuada com base no trabalho entregue. References [1] Microchip Technology Inc. PICDEM 2 Plus Demonstration Board User s Guide [2] Microchip Technology Inc. PIC18FXX2 Data Sheet [3] Microchip Technology Inc. MPLAB C18 C Compiler Getting Started [4] Microchip Technology Inc. MPLAB C18 C Compiler User s Guide [5] Microchip Technology Inc. MPLAB C18 C Compiler Libraries [6] Microchip Technology Inc. MPLAB IDE User s Guide [7] Hitachi. HD44780U (LCD-II) (Dot Matrix Liquid Crystal Display Controller/Driver). [8] Microchip Technology Inc. TC74 - Tiny Serial Digital Thermal Sensor [9] Microchip Technology Inc. 24AA256/24LC256/24FC K I2C CMOS Serial EEPROM