Intel Edison Lab 02 Conexão com um Oxímetro de pulso via Bluetooth LE

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1 Intel Edison Lab 02 Conexão com um Oxímetro de pulso via Bluetooth LE Intel Edison e Oximetro Bluetooth Neste Lab iremos tratar da conexão entre o Intel Edison e um Oxímetro de pulso utilizando o bluetooth como meio de comunicação. Explicaremos o funcionamento do Bluetooth LE (Low Energy) e como iremos efetivar a engenharia reversa para descobrir o protocolo de comunicação do Oxímetro. Oxímetro de Pulso A oximetria de pulso é a maneira de medir quanto oxigênio o sangue está transportando. O nível de oxigênio mensurado com um oxímetro é chamado de nível de saturação de oxigênio, (%SpO2) que é a porcentagem de oxigênio que o sangue está transportando, comparada com a máxima capacidade de transporte. Idealmente, mais de 89% das células vermelhas devem estar transportando oxigênio. É importante saber o nível de oxigênio sanguíneo pois, quando

2 este nível é baixo, as células do corpo podem ter dificuldade de trabalhar apropriadamente. Em curtas palavras, o oxigênio é o gás que faz o corpo funcionar. Segundo a SBPT (Sociedade Brasileira de Pneumologia e Tisiologia), ter um nível muito baixo de oxigênio sanguíneo pode sobrecarregar o coração e o cérebro de um indivíduo. Funcionamento de um Oxímetro de Pulso Os aparelhos comerciais para medição do nível de oxigenação sanguínea utilizam a Lei de Beer-Lambert que relaciona a concentração de um soluto com a intensidade de luz que pode ser transmitida através deste soluto e, por este motivo, é possível aplicar esta técnica à medição de saturação. Na figura abaixo podemos ver um diagrama simples que exemplifica esta lei. Lei de Beer-Lambert Quando uma fonte de luz de comprimento de onda específico é direcionada aos capilares dos tecidos, parte dela é absorvida pela hemoglobina. A parte não absorvida é capturada por um sensor que varia sua tensão de acordo com a quantidade de luz recebida. O sinal é filtrado e tratado, obtendo então à aquisição do percentual de saturação de oxigênio.

3 Dinâmica de captura do sinal A hemoglobina desoxigenada tem alta absorbância em um valor próximo do comprimento de onda da luz vermelha, ou seja, 650 nm (nanômetros), enquanto que em seu estado saturado, possui baixa absorbância na faixa do espectro infravermelho, próximo de 950nm. Nessa faixa do espectro, entre 650 e 950 nm, pode-se definir entre um percentual aceitável ou não de saturação de oxigênio de um indivíduo. A figura abaixo, retirada do site howequipamentsworks, exemplifica a dinâmica da relação de absorção da luz pela hemoglobina com a concentração de oxigênio. Dinâmica de absorção Um diagrama típico que ilustra os componentes necessários para

4 este tipo de equipamento está ilustrado abaixo. Funcionamento de um Oxímetro Engenharia reversa do Oxímetro de Pulso O principal objetivo deste trabalho é estabelecer a comunicação entre o Oxímetro e o Intel Edison. Para isso, precisamos conhecer como foi implementado o protocolo de comunicação bluetooth, utilizado no Oxímetro, para comunicação com o aplicativo MyOximeter. Este aparelho e o aplicativo para celular foram desenvolvidos pela empresa Jumper Medical.

5 Aplicaivo myoximeter Análise da comunicação Como o dispositivo comunica-se somente com o aplicativo disponibilizado pela empresa fabricante, desconfiamos que algum tipo de protocolo estava presente na comunicação. Uma das maneiras de analisar o fluxo de dados no canal Bluetooth do celular, dados de entrada e saída, pode ser utilizando a função de sniff que o Android disponibiliza na área Opções do desenvolvedor no item Registro de investigação.

6 Habilitação do registro bluetooth Um arquivo é gerado dentro da pasta \Android\Data, geralmente com o nome btsnoop_hci.log. Particularmente, o software de análise de protocolos chamado WireShark foi utilizado para entender a dinâmica entre o celular e o Oxímetro. Na imagem abaixo, observamos alguns detalhes da análise preliminar feita utilizando este software. Observação: O termo UUID significa Universally Unique Identifying Information. Este número identifica um serviço particular oferecido pelo dispositivo bluetooth. É similar a uma notação de portas utilizadas na internet.

7 Depuração utilizando o WireShark Apesar de termos tantas informações provindas do WireShark, ainda não era possível estabelecer a comunicação entre o Oxímetro e o Intel Edison. Uma outra alternativa foi fazer um debug dos dados que trafegavam entre o módulo bluetooth e o microcontrolador do Oxímetro. Na figura abaixo, podemos ver os componentes internos do Oxímetro. Componentes internos do Oxímetro Fizemos um mapeamento da conexão entre o microcontrolador e o

8 módulo Bluetooth para descobrirmos qual o padrão de comunicação entre os dois (SPI, Serial, I2C, etc) e em qual pino exatamente o sinal estaria disponível. A figura abaixo mostra os pinos que estão ligados diretamente as portas do microcontrolador e suas respectivas designações importantes para este trabalho. Mapeamento das conexões do módulo bluetooth Os fios soldados na imagem acima foram ligados a um analisador de protocolos, como observado na figura abaixo. Conexão com o analisador de protocolos O resultado da análise nos mostrou que o módulo Bluetooth somente recebe dados em sua porta RX, mesmo quando o dispositivo estava pareado com um celular. A outra linha de

9 dados que alterava seu estado era a conectada ao pino PB12, onde alternava para o nível baixo toda vez que um trem de pulsos era enviado ao módulo Bluetooth pelo microcontrolador. Abaixo, indicamos o byte de start dos dados de absorbância e o próprio payload de absorbância. Análise dos dados Absorbância Na próxima figura, são indicados o start byte e os dados vitais enviados pelo Oxímetro. Análise dos dados Dados vitais Na figura abaixo temos um apanhado geral da dinâmica de comunicação entre o microcontrolador e o módulo Bluetooth, todos contidos dentro do aparelho de oximetria.

10 Dinâmica dos pacotes de dados Com todos esses dados, chegamos a mais uma conclusão: o módulo bluetooth não transmite nenhum dado ao microcontrolador, ou seja, nenhum dado de requisição de envio de pacotes é enviado pelo celular (através do aplicativo oficial disponibilizado pelo fabricante) ao Oxímetro. Esta informação facilita ainda mais a construção de uma biblioteca para gerenciar esta comunicação, abrindo o leque de aplicações/integração com outros dispositivos. No entanto, ainda assim não conseguíamos receber os dados utilizando o Intel Edison. Iniciamos um novo trabalho de investigação utilizando um outro aplicativo chamado nrf Master Control Panel, que foi utilizado para complementar as informações necessárias para estabelecer a comunicação.

11 Aplicativo utilizado para depurar os dados Ao conectar o celular com o Oxímetro, um log de informações também é gerado. O aplicativo oferece a opção de enviar este log de dados para um , assim uma análise mais detalhada pode ser feita. Duas informações muito importantes foram retiradas deste arquivo: 1. Quais UUID s do módulo Bluetooth deveriam receber valores para iniciar a comunicação; 2. Qual protocolo exatamente estava sendo utilizado na comunicação entre o celular e o Bluetooth. Um detalhamento das informações importantes obtidas no log do aplicativo está indicado na figura abaixo.

12 Análise dos dados gerados pelo aplicativo Com todas estas informações em mãos, a comunicação com o módulo, utilizando o Intel Edison, pode ser efetivada. Preparação e programação do Intel Edison O Bluetooth Low Energy (BLE ou Bluetooth Smart) é uma tecnologia WPAN (Wireless Personal Area Network) que foi desenvolvida com o objetivo de inovar a aplicação sem fio para dispositivos aplicados a Healthcare, fitness, rastreamento de dispositivos indoor (beacons), segurança, entretenimento doméstico e aplicações industriais. Comparado aos Bluetooth clássicos, estes dispositivos possuem um baixo consumo de energia e custo, enquanto mantêm as mesmas características de alcance de comunicação. Para trabalhar com o BLE utilizando o Edison, algumas bibliotecas devem ser instaladas. Os detalhes são expostos a seguir. Instalação da biblioteca GATT GATT (Generic Attribuit Profile) é um padrão de serviços disponibilizados para comunicação utilizando Bluetooth no modo Low Energy. Ela define como os atributos serão agrupados para

13 estabelecer o serviço de comunicação entre dispositivos LE. Para instalar esta biblioteca no Edison, precisamos do pacote de aplicações para comunicação Bluetooth denominado BlueZ Insira os seguintes comandos na linha de comandos do Intel Edison. [crayon-5a60f21e0afb /] Para que possamos iniciar a ferramenta gatttol de qualquer local, insira o código abaixo na linha de comandos do Edison. [crayon-5a60f21e0afd /] Encontrando dispositivos Bluetooth 1. Habilite o Bluetooth do Intel Edison [crayon-5a60f21e0afdb /] 1. Inicie a ferramenta de controle do bluetooth. [crayon-5a60f21e0afe /] 1. Encontre o MAC do dispositivo e desligue o scan [crayon-5a60f21e0afed /] Na figura abaixo, observamos o MAC address do Oxímetro Bluetooth. Imagem do MAC do Bluetooth

14 Utilizando o gatttool para ler os dados A ferramenta gatttool será utilizada para ler os dados provindos do Oxímetro e mostrá-los na tela. Digite os comandos da mesma forma que descrita abaixo. Para que possamos utilizar a ferramenta gatttool de qualquer local, digite o comando abaixo. [crayon-5a60f21e0aff /] Vamos iniciar o gattool no modo interativo utilizando o MAC address do Oxímetro. [crayon-5a60f21e0b /] Conecte ao dispositivo, habilite a comunicação configurando o handle 0x000e com o valor 0x0200 e no handle 0x0022 com o valor 0x0100. [crayon-5a60f21e0b /] O Oxímetro irá se conectar ao Intel Edison e a troca de dados iniciará automaticamente, como observado na imagem abaixo. Leitura dos dados utilizando o gatttool Instalando pip e os módulos necessários Para executar os scripts em Python usando o módulo pexpect, pexpect deve ser instalado, o que é fácil de se fazer utilizando o gerenciador de pacotes para Python chamado pip. Pip não é instalado no Intel Edison por padrão e não está

15 presente no repositório padrão opkg. Digite as linhas de comandos descritas abaixo para fazer o download do pacote. 1. Use o editor de textos vi para editar o arquivo basefeeds.conf. [crayon-5a60f21e0b /] 2. Digite os endereços para download. [crayon-5a60f21e0b01c /] Download do pacote necessário Digite esc + :wq para gravar e sair do editor. [crayon-5a60f21e0b /] Update opkg e instale o módulo Python-pip. [crayon-5a60f21e0b02d /] Na imagem abaixo, observamos o download dos arquivos descritos anteriormente. Comando update 1. Instale a ferramenta pip. [crayon-5a60f21e0b /]

16 Instalação do módulo pexpect Teste da comunicação Crie um novo arquivo para inserirmos o script necessário para comunicação e decodificação dos dados enviados pelo Oxímetro. 1. Digite o comando para criar o arquivo na extensão Python. [crayon-5a60f21e0b /] 1. Copie e cole o script de comandos indicado abaixo. [crayon-5a60f21e0b /] Digite esc + :wq para gravar e sair do editor. [crayon-5a60f21e0b /] 1. Digite novamente os comandos para habilitar o Bluetooth, acessar a ferramenta gatttool e execute o script acima descrito. [crayon-5a60f21e0b05b /] A figura abaixo mostra o resultado final de todo o trabalho, a comunicação e conversão dos dados Bluetooth enviados pelo Oxímetro.

17 Resultado da comunicação com o Oxímetro Conclusão Nesta aplicação efetivamos a conexão entre o Intel Edison e um Oxímetro de pulso, por meio do canal de comunicação Bluetooth LE. A dinâmica da análise do protocolo descrita neste Lab permite que qualquer dispositivo Bluetooth, com as mesmas características de comunicação, possa trocar informações com o Edison de forma efetiva. Na próxima aplicação, estes dados serão enviados para um servidor na internet e o conceito de Health IoT estará consolidado para este projeto. Intel Edison Lab 01 Configurações iniciais, WiFi

18 e Bluetooth Intel Edison Neste Lab iniciaremos a configuração do Intel Edison. Trataremos da instalação do Linux embarcado na versão 159.devkit da distribuição Yocto Linux, configuração de acesso a uma rede Wifi e, por fim, a configuração do módulo bluetooth utilizando o método Serial Port Profile (SPP). Intel Edison O Intel Edison pode ser considerado um computador de tamanho muito reduzido que contém periféricos úteis para comunicação com o mundo exterior em um único encapsulamento. Possui toda a robustez de um minicomputador com um processador Intel Atom SoC (System on the Chip) dual-core de 500MHz, Wifi a/b/g/n, Bluetooth de baixo consumo (Low Energy) e 70 pinos de entrada e saída, distribuídos com múltiplas funções, sendo que somente 40 pinos estão disponíveis para o usuário modificar seus estados. Apresenta também uma antena otimizada para comunicação Bluetooth e Wifi (Comunicação simultânea) além de um mini conector para uma antena externa.

19 Componentes Módulo Toda a versatilidade desta plataforma permite que técnicos, engenheiros ou pessoas interessadas por tecnologia embarcada possam prototipar plataformas eletrônicas de média a alta complexidade em tempo e custo reduzido comparado a antigas tecnologias como o Z80 e o Intel 8051, por exemplo. Outra grande vantagem é a variedade de linguagens e softwares que podem ser utilizados para projetar aplicações que envolvam acesso a periféricos e comunicação, já que podem ser feitos em linguagem C, C++, Python, dentre outras. A compatibilidade com os módulos do Arduino permite que Shields, já desenvolvidos para aplicação com versões anteriores do Arduino, possam ser utilizados também com uma maior capacidade de processamento utilizando o Edison.

20 Arduino breakout board Pesando apenas 8 gramas, baixo consumo de energia e um pouco maior do que uma moeda de R$ 1,00, a filosofia principal do Edison é para aplicações em IoT (Internet of Things) e vestíveis (Weareble Computing). Comparação com uma moeda O diagrama de blocos do Edison (sem nenhuma conexão externa) pode ser observado na figura abaixo. Muito cuidado deve ser tomado nas tensões de entrada e saída do módulo, já que o mesmo, sem qualquer conversor de nível de tensão externa, opera somente em 1,8 V. Diagrama de blocos Intel Edison

21 Informações mais detalhadas sobre esta plataforma podem ser encontradas na página oficial da Intel. Montagem do módulo instalação dos softwares. e Preparação do Hardware Inicialmente, vamos alimentar o Intel Edison. Se sua opção foi adquirir a placa de expansão compatível com Arduíno, instale o módulo no local correto e aperte levemente as duas mini porcas disponíveis para fixação. Alimente a placa utilizando uma fonte externa de tensão DC de 7 a 15V no conector J1. Montagem do módulo Se todo o setup estiver correto, aguarde até que o LED verde DS3 fique aceso, e assim a placa estará alimentada corretamente.

22 LED alimentação Posicione a micro chave para o lado dos conectores mini USB e conecte um cabo USB, na porta próxima a micro chave, e ao computador. Microchave e conector USB Se você escolheu a Mini Breakout Board, apenas monte o módulo e conecte os dois cabos USB ao seu PC. Mini Breakout board Instalação dos Softwares Quando o Edison foi lançado no mercado, a forma de se instalar a distribuição Linux era um pouco trabalhosa, onde tínhamos

23 que copiar o arquivo da distribuição no flash driver do Edison, abrir o terminal de comandos e executar o boot via terminal. Agora, uma ferramenta que facilita a instalação de todos os driver s e IDE s necessárias (Intel XDK, Eclipse, Phone Flash Tool Lite e a IDE do Arduino) para o desenvolvimento com o Edison, está disponível no site da Intel. Escolha o sistema operacional e instale o executável. Instalação das ferramentas Inicie o executável, e escolha as IDE s e softwares a serem instalados. Para instalação completa, o tempo médio é de 30 minutos dependendo do PC, conexão e sistema operacional. Imagem do Instalador

24 Configurando o WiFi Após a instalação de todas as ferramentas e do Linux utilizando o instalador da Intel, baixe o software Putty, de acordo com o sistema operacional, para que possamos estabelecer uma conexão via terminal com o Edison. Instalador do Putty Identifique qual é o número da porta serial a qual o módulo está instalado. Basta ir em Device -> Ports (COM &LPT) -> USB Serial Port (COM4). Identificação da porta Serial Inicie o Putty, escolha a opção Serial, configure o número da porta COM e a velocidade de comunicação em bps. Selecione a tecla Open e a janela do Putty se abrirá em modo de linhas de comando.

25 Imagem configuração Putty Selecione a tecla Open e a janela do Putty se abrirá. Aperte a tecla Enter do seu teclado para habilitar a conexão e inserir os comandos. Tela inicial Putty Digite root + Enter e estaremos prontos para configurar o módulo. Digite no prompt de comando configure_edison setup + Enter. Um assistente de configuração iniciará. Primeiro, digite uma senha para que o seu módulo possa ser acessado remotamente

26 pela internet. Imagem configurações iniciais Dê um nome ao seu módulo. No meu caso, escolhi o chamar de MyEddy. Aperte y + Enter e novamente para a configuração do Wifi. Configurando o nome do módulo Uma pesquisa das redes Wifi próximas ao seu módulo será feita e basta inserir o número da rede relacionado ao SSID e a senha.

27 Identificação das redes Wifi próximas Um número de IP será atribuído ao módulo. Anote este número pois iremos acessar o Edison utilizando o modo SSH na porta 22, via internet, utilizando o Putty. Feche o terminal e abrao novamente e configure as opções como abaixo. Acessando o Edison via SSH Login utilizando o usuário padrão root e a senha configurada anteriormente. Desta forma, estaremos aptos a acessar o módulo Edison remotamente.

28 Tela de comandos no modo SSH Configurando o Bluetooth no Edison Bluetooth é uma tecnologia utilizada para troca de dados em curto alcance, utilizando rádio de alta frequência (Aproximadamente 2.4 GHz) e que vem sendo utilizado por aproximadamente 20 anos. Muitas versões e especificações foram criadas ao longo do tempo para padronizar a comunicação. Esta tecnologia é largamente utilizada nos dias atuais. É encontrada em Smartphone, tabletes, computadores e agora no Intel Edison! carros, acessórios, O Edison inicia seu funcionamento com o módulo Bluetooth desligado para economizar energia. Toda vez que for necessário iniciar o uso deste módulo, devemos digitar os comandos necessários para habilitá-lo novamente. Se desejamos que o Bluetooth inicie automaticamente quando o módulo for religado, uma boa opção é adicionar um script de comando na área de startup. O primeiro passo para habilitar o Bluetooth é utilizar o comando rfkill. # rfkill unblock bluetooth -> Habilita o módulo Bluetooth # rfkill list -> Comando para conferir se foi habilitado

29 Comandos iniciais para configurar o Bluetooth O comando bluetoothctl abre o controle das funções do módulo. O comando show Bluetooth. mostra as atribuições do controlador Atribuições do controlador bluetooth Se observarmos na seção dos UUID s, não iremos encontrar o

30 UUID responsável pelo Serial Port. Para resolver este problema (Um problema muito grave e que não permite que o Edison se conecte a um telefone), devemos instalar uma biblioteca chamada SPP-loopback.py no diretório /root/bluetooth. Utilizaremos a forma mais fácil de copiar este arquivo no diretório interno ao Intel Edison. O software WinSCP utiliza o protocolo SCP (Secure Copy) para transferir este arquivo para ambientes Linux. Execute a instalação, abra o aplicativo, configure da mesma forma como está na janela abaixo e aceite o aviso sobre a conexão. Tela de login do software WinSCP Mensagem de notificação do WinSCP Acesse o diretório /root, crie uma nova pasta denominada bluetooth, copie e cole o arquivo SPP-loopback.py dentro da pasta Bluetooth.

31 Tela de trabalho do WinSCP Após copiar, feche o WinSCP, volte ao Putty e aplique o comando reboot. O Edison irá reiniciar e a conexão utilizando o Putty deverá ser refeita novamente. Quando reabrir, aplique os seguintes comandos listados abaixo. Comandos para instalar a biblioteca SPP-loopback.py Após o comando show, as atribuições do módulo Bluetooth serão indicadas na tela e agora iremos observar a UUID para o Serial port.

32 Tela do prompt de comando após instalação da biblioteca Instalação do aplicativo e interação com o Edison via Bluetooth O aplicativo mais indicado e, consequentemente o menos complicado, para testar se toda a configuração feita no módulo do bluetooth foi bem executada, para dispositivos Android, se chama Bluetooth Spp pro. imagem aplicativo Bluetooth SPP Para parear e conectar seu celular utilizando o Android ao Edison, basta seguir os comandos listados abaixo.

33 Comandos para habilitar o Bluetooth Abra o aplicativo e selecione o Edison. Imagem aplicativo Conecte ao dispositivo.

34 Imagem conesão com o Edison Abra o terminal no comand line mode e envie uma string para o Edison. No meu caso, enviei a string test. Imagem do Comand line no aplicativo Abaixo, temos um apanhado total dos comandos enviados ao Edison.

35 Lista de comandos utilizados

36 Continuação lista de comandos Conclusão Neste Lab executamos os procedimentos iniciais para trabalharmos com o Intel Edison. Este módulo tem uma grande capacidade de trabalho com sistemas embarcados, IoT e Werables. Apesar de todos os problemas relacionados à arquivos que deveriam ser nativos da distribuição e aos sistemas que ainda não funcionam como deveriam, o time de desenvolvedores da Intel trabalha nas resoluções de acordo com a demanda dos usuários. Nós, pretendemos elaborar aplicações interessantes usando essa ferramenta. DSP Lab 01 Configuração do Software CCS e primeiro teste com LED s Frente e verso da placa

37 Neste Lab trataremos dos passos iniciais no desenvolvimento com a ferramenta TMS320C5515 ezdsptm USB Stick fabricado pela empresa Spectrum Digital. O DSP (Digital Signal Processor) embarcado nesta aplicação é o TMS320C5515 da Texas Instruments e foi projetado para ser de baixo custo e consumo. Apresentaremos também quatro exemplos envolvendo os LED s presentes na placa de desenvolvimento. Introdução A ferramenta de desenvolvimento TMS320C5515 ezdsptm USB Stick foi concebida pele TI para ser de baixo consumo e custo, pequenas dimensões e ser alimentada pela USB de um PC, ou seja, nenhuma fonte de alimentação externa é necessária para desenvolver com os periféricos embutidos na placa. Visão geral Periféricos placa Uma grande variedade de aplicações pode ser testada nesta placa, incluindo gravação e tratamento de áudio, desenvolvimento de equipamentos médicos portáteis e outros produtos de consumo eletroeletrônicos, industriais e segurança. Neste contexto, nós vamos utilizar esta ferramenta para

38 estudar várias aplicações. Primeiramente, precisamos nos familiarizar com o CCS e as bibliotecas disponíveis. Configuração do CCS O CCS (Code Composer Studio) é o ambiente de desenvolvimento para sistemas embarcados de propriedade da TI (Texas Instruments). Sua instalação já foi descrita na série de Lab s sobre o microcontrolador MSP430 e inclusive, descrevemos a instalação do suporte a família de DSP s C55xx. Configuração do Hardware A ferramenta que estamos trabalhando precisa ser configurada no CCS para que a IDE possa saber qual compilador utilizar. Após abrir a IDE, siga os passos descritos abaixo para esta configuração. Vá em View -> Target configurations -> click com o botão direito em User Defined -> New Target Configuration -> especifique o nome e o local para salvar esta configuração -> Finish. Target configuration window Após clicar em Finish, uma nova janela abrirá para inserirmos qual a ferramenta e o emulador à trabalhar.

39 Em Connection selecione Texas Instruments XDS100v2 USB Debug Probe e em Board Device selecione USBSTK5515. Click em Save. Conexão e tipo de placa A conexão com a placa pode ser testada no botão Test Connection. Se toda a configuração foi bem sucedida, uma tela extra abrirá e alguns scripts de teste de comunicação rodarão em sua placa. Janela de teste Baixe e descompacte a biblioteca de arquivos da placa, disponibilizada pela Spetrum Digital, em um diretório específico para os projetos que iremos elaborar neste

40 link. Vá em File -> Import -> Existing CCS Eclipse Project -> aponte para o local especificado onde a biblioteca baixada anteriormente se encontra. Janela para importar os projetos Vá em View -> Project Explorer. Uma lista dos exemplos contidos na pasta é destacada a esquerda da IDE. Click on uled project.

41 Tabela project explore Teste da placa Vários são os periféricos disponíveis nesta placa, como pode ser observado na figura abaixo. Neste Lab iremos trabalhar somente com os Color s LED. Descrição periféricos da placa Um simples teste para verificarmos se todas as configurações iniciais foram bem executadas será descrito nesta seção. Os códigos utilizados são os mesmos inclusos no pacote fornecido pela Spectrum Digital e descritos anteriormente.

42 Imagem LED s a serem testados Teste: Deslocamento a Direita dos LED s Abra o arquivo main.c na pasta uled -> prssione o botao Debug na barra de ferramentas (ou pressione F11) -> Aguarde a transferência do firmware para a placa e click no batão Resume. Os 4 LEDs da placa devem piscar da esquerda para a direita, um após o outro, durante 6 ciclos. O código para este teste se encontra abaixo: [crayon-5a60f21e0f67f /] Teste: Deslocamento a Esquerda dos LED s Abra o arquivo uled_test.c na pasta do projeto uled -> modifique o laço loop como no código abaixo: [crayon-5a60f21e0f6a /] Teste: Contador de 4 bits Novamente, abra o arquivo uled_test.c na pasta do projeto uled -> copie e cole o código abaixo e você terá um contador de 4 bits rodando em sua placa de DSP. [crayon-5a60f21e0f6b /]

43 Conclusão Neste Lab obtivemos sucesso no download da biblioteca e na configuração do CCS para ser compatível com a plataforma ezdsp. Também tivemos êxito no primeiro teste com os LEDs da placa. Esta é uma poderosa plataforma de desenvolvimento para aplicações em um nível um pouco mais avançado de conhecimento em programação e hardware. Excelentes projetos serão desenvolvidos ao longo desta série de Lab s com o intuito de despertar o interesse do leitor com as práticas relacionadas ao Processamento Digital de Sinais. Arduino Lab 03 Display LCD TFT 1,44 e RTC MCP79410 Dispositivos a serem utilizados neste Lab Neste Lab iremos discutir o funcionamento do display de LCD

44 TFT de 1,44 e do relógio de tempo real (RTC) MCP Um código será implementado para integração entre estes dois componentes e o Arduíno Nano. Introdução O relógio de tempo real MCP foi desenvolvido pela Microchip para aplicações de baixo consumo. Faz uso de compensação digital de tempo para atingir uma melhor precisão no relógio e no calendário interno. Possui também um pino que pode ser programado como saída de referência de clock ou para dois modos de alarme diferentes entre si. Uma pequena memória não volátil para armazenar dados e uma memória SRAM, alimentada pela bateria de backup, também fazem parte deste CI. Neste Lab iremos utilizar um pequeno módulo contendo o RTC, cristal de Hz, resistores de Pull-up e o soquete de bateria. Módulo RTC MCP O display de LCD TFT utilizado neste Lab faz uso do controlador ILI 9163C, da empresa Ilitek, e possui uma resolução de pixels coloridos (RGB). Seu tamanho reduzido, medindo apenas 1,44 de tela, o faz ideal para aplicações embarcadas.

45 Display LCD -TFT ILI9163C Apenas 4 fios são necessários para estabelecer uma comunicação com este display utilizando o protocolo SPI. Possui também um próprio frame buffer interno para endereçamento dos pixels. Esta característica faz com que este possa ser usado com qualquer tipo de microcontrolador, até mesmo aqueles com pequena memória. O Arduino Nano já é conhecido desta série de Lab s e já foi citado no Arduino Lab 01. Lembrando aos leitores que esta placa é totalmente compatível com o Arduino UNO em relação ao número dos pinos e tamanho das memórias. Arduino Nano

46 Display TFT LCD Display de LCD A constituição de uma tela de LCD simples é caracterizada pela disposição dos compostos de cristal líquido sobre 2 lâminas translúcidas e polarizadas, denominadas substratos. No entanto, essas lâminas formam um eixo perpendicular, como se fossem uma representação de uma matriz. Desse modo, ocorrem polarizações distintas entre ambas. Construção Display de LCD A função das células que compõem os compostos químicos presentes no cristal líquido é a de atuar como guias da luz captada pelo receptor do display. Assim, esta é conduzida até o campo visual, que, assim, reproduzirá a imagem conforme ela foi emitida pelo raio de luz. Esse deslocamento só é possível devido à formação de campos magnéticos nas lâminas, que por sua vez geram impulsos elétricos, os quais irão transportar os pontos luminosos. Aprofundando um pouco mais, uma tensão é aplicada a camada de cristal líquido provocando um giro do cristal. Entre a

47 camada polarizada e o cristal líquido, que foi girada, a intensidade da luz de fundo é reduzida em cada célula RGB e, dependendo da tensão aplicada, as cores surgirão como resultado desta polarização, aparecendo uma combinação entre as cores primárias (vermelho (Red), verde (Greem) e azul (Blue)) para formar as imagens. Display de TFT LCD A tecnologia Thin Film Transistor Liquid Crystal Display (TFT LCD) é a tecnologia de telas mais comum usada em celulares, monitores e outros dispositivos eletrônicos. É uma variação do Display de Cristal Líquido (LCD) que utiliza a tecnologia Transistor de Película Fina (TFT) para controlar cada ponto na tela, conhecido como pixel, e não linhas e colunas como era feito nas telas de raios catódicos, oferecendo assim melhor qualidade de imagem e maiores resoluções quando comparado com a geração de telas LCD. Construção LCD-TFT Estes displays necessitam de uma luz de fundo, chamado de backlight, sempre acesa. A matriz TFT controla a passagem das cores primárias da visão vermelho, verde e azul

48 através de filtros dessas cores. Cada pixel tem 3 células, uma para cada cor, que são transparentes em seu estado natural, porém ficam opacas ao receber uma carga elétrica, o que impede a passagem de luz. Pelo fato do preto nessa tela não ser tão intenso, pois é gerado apenas pela opacidade das células, o contraste fica debilitado, pois as cores escuras não ficam vivas. Dados Técnicos do Display Imagem do display em funcionamento O display utilizado neste Lab, como já mencionado anteriormente, é controlado pelo driver ILI9163C. Este driver oferece diversas formas de comunicação com periféricos como microprocessadores e microcontroladores. Algumas das características principais deste display podem ser conferidas abaixo: Interface: 8-bits, 9-bits, 16-bits, 18-bits com MCU série 8080

49 8-bits, 9-bits, 16-bits, 18-bits para MCU série bits, 16-bits, 18-bits RGB interface 3-pin/4-pin Interface SPI Display mode: Full color mode (Standby desligado): 262K-cores Reduced color mode (Standby ligado): 8-colors (3bits MSB bits mode) Arquitetura de baixo consumo: VDDI = 1.65V ~ 3.3 V (interface I/O) VCI = 2.5V ~ 4.0 V (analog) O diagrama de blocos deste controlador está ilustrado abaixo.

50 Diagrama blocos do controlador display Utilizamos neste Lab a interface SPI de 4 vias para comunicação entre o controlador e o Microcontrolador. Os pinos do display utilizados foram: CS (chip enable) D/C (data/ command select) SCL (serial clock)

51 SDA (serial data input/output). O modo de escrita nos registradores do display, que é o modo mais utilizado geralmente nas aplicações, significa que o microcontrolador deseja escrever comandos e dados no driver do LCD. No nosso caso, para a comunicação serial a 4 pinos, os pacotes de dados contêm os bytes de transmissão e os bits de controle que são transmitidos pela linha D/C. Se o pino D/C está em nível baixo Low o byte transmitido pelo microcontrolador é interpretado como sendo comandos dados ao driver do LCD. Já se o pino está em nível alto High, o byte transmitido é armazenado na memória de dados RAM ou no registrador de comandos como parâmetro. Comunicação SPI em4 pinos Qualquer instrução pode ser enviada em qualquer ordem para o driver. O bit mais significativo (MSB) deve ser transmitido primeiro. A interface serial é iniciada quando o pino CS está em nível alto. Neste estado, deve-se haver pulsos na linha de clock SCL ou então a linha SDA não terá nenhum efeito. A borda de descida no pino CS habilita a interface serial e indica o inicia da transmissão dos dados. Quando CS está em nível alto, o clock na linha SCL é ignorado. Na borda de descida de CS, SCL pode está em nível alto ou baixo por ser uma linha de clock. As amostras na linha SDA são feitas na borda de subida da linha CS. O pino D/C indica quando o byte é comando (Low) ou parâmetro ou dados da RAM (High).

52 Um diagrama simplificado de toda a dinâmica de escrita de parâmetros no drive do display está ilustrado logo abaixo. Para aqueles que desejam um aprofundamento na dinâmica de comunicação com este display, o datasheet é uma ótima fonte de informação. Diagrama comunicação SPI Relógio de tempo real RTC Um relógio de tempo real é um dispositivo eletrônico que armazena os dados de hora e data em uma memória interna. A retenção destes dados geralmente é feita utilizando uma bateria de backup de lithium de 3V. Este CI tem a capacidade de continuar o clock de contagem mesmo após o desligamento da alimentação (Bateria mantida). Neste Lab estamos utilizando o MCP da Microchip. O protocolo I2C é utilizado para a comunicação entre o microcontrolador e o RTC. As características mais importantes deste RTC estão descritas abaixo: Gerenciamento automático de dias, meses e anos inclusive bissextos.

53 Trabalha com formato em 12 AM/PM ou 24 horas. Gerenciamento de dias da semana (Domingo, segunda, ) Memória SRAM de 64 bytes que pode ser alimentada pela bateria de backup. Dois alarmes programáveis. Uma saída de dreno aberto para receber sinais de clock (32768 Hz, 8192 Hz, 4096 Hz ou 1 Hz) ou mesmo para a saída do alarme programável. Memória EEPROM de 1 Kbit (8 bytes paginados). Bus I2C para comunicação com o mundo em 100 ou 400 KHz Pode ser alimentado de 1,8 a 5 volts. Pode ser calibrado para atingir precisão de 1 ppm Muda automaticamente entre a alimentação pela bateria de backup e alimentação pelo VCC. Temperatura de trabalho entre -45 a 80 C. A disposição dos pinos deste CI está ilustrada na figura abaixo. Pinagem do RTC Um diagrama de blocos simples sobre a arquitetura deste

54 dispositivo está ilustrado na figura abaixo. Diagrama dos registradores do RTC Na linha de dados do bus I2C, O dispositivo vai ser endereçado utilizando os seguintes endereços listados: Tabela de endereços do RTC Características da transmissão A comunicação entre o RTC e um dispositivo controlador obedece

55 uma sequência de operação ilustrada abaixo: Sequência de operação protocolo I2C As letras destacadas na figura acima contêm os seguintes parâmetros: (A) Bus Not Busy Linha de dados não ocupada: Ambos as linhas de dados e clock permanecem em nível alto. (B) Start Data Transfer Uma transição de nível alto para baixo da linha SDA enquanto a linha de clock (SCL) está em nível alto determina uma condição de start. Todos os comandos devem ser precedidos de uma condição de start. (C) Stop Data Transfer Uma transição de nível baixo para alto da linha SDA enquanto o clock está em nível alto, determina uma condição de Stop. Todas as operações devem terminar com a condição de Stop. (D) Data Valid O estado da linha de dados representa um dado valido quando, após uma condição de start, a linha de dados é estável para a duração de um período de nível alto do sinal de clock. O dado nesta linha deve ser trocado durante o período de nível baixo do sinal de clock. Há somente um bit de dado por pulso de clock. Acknowledge ACK Reconhecimento: Cada dispositivo, quando endereçado, é obrigado a gerar um sinal de ACK após a recepção de cada byte.

56 Mapa de memoria e registradores O MCP79410 possui quatro diferentes blocos de memoria: Os registradores do RTCC, Memória SRAM, EEPROM de 1 Kbit com proteção via software, e uma EEPROM protegida. Os registradores do RTCC e da memória SRAM compartilham o mesmo espaço, acessado atraves do byte de controle X. A regiao de memória EEPROM está em um espaço de endereço diferente e pode ser acessada utilizando o byte de controle X. O RTC não irá reconhecer os locais onde desejamos escrever ou ler dados se o endereço especificado estiver fora do range. Uma figura com o mapa de memória esta ilustrada abaixo. Mapa de memória de RTC Os registradores do RTCC estão contidos no endereço 0x00 até 0x1F. Temos também 64 bytes de memória SRAM para acesso do

57 usuário, localizada no endereço 0x20 até 0x5F. A SRAM é um bloco separado dos dos registradores do RTCC. Todos estes dados são retidos enquanto a bateria de backup estiver os alimentando. Uma tabela mostrando detalhadamente os registradores do RTCC é mostrado logo abaixo. Em nossa aplicação, os principais registradores a serem acessados estão localizados entre os endereços 0x00 e 0x06. Mapa de memórias detalhado RTC Serão descritos detalhadamente, no código feito para o Arduino, o acesso para leitura e escrita deste registradores Teste e montagem Para testar esta pequena aplicação, utilizaremos a biblioteca elaborada pela Limor Fried e fornecida pela Adafruit Industries para estabelecer a comunicação com o controlador do

58 display. Para a comunicação com o RTC, um pequeno e simples código está embutido na aplicação principal, não sendo necessária nenhuma biblioteca extra. Baixe a biblioteca neste link, decompacte Adafruit-GFXLibrary-master.zip e TFT_ILI9163C-master.rar na pasta libraries da IDE do arduino de sua preferência, abra novamente a IDE a carregue o exemplo Nano_Display_rtc_mcp79410 para testar a aplicação. O esquema de ligação entre estes três dispositivos se encontra ilustrado abaixo. Esquema de ligação do projeto O algoritmo para teste do display e do RTC será apresentado abaixo e possui uma explicação detalhada o para melhor entendimento do leitor [crayon-5a60f21e /] Uma imagem da montagem final e teste na protoboard esta é ilustrado abaixo.

59 Montagem final em uma protoboard Conclusão Este pequeno e interessante projeto pode servir como base para grandes aplicações envolvendo displays de LCD-TFT e RTC, onde datalogs podem ser montados, ou até mesmo um aparelho portátil em que o utilizador consiga acompanhar na tela os dados de medições de sensores relacionados a data e hora exatas do dia. As aplicações são infinitas, depende apenas da imaginação do utilizador..