DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE AQUISIÇÃO E ARMAZENAMENTO DE DADOS PARA MEDIÇÕES OCEANOGRÁFICAS. Rafael Mazza Buchmann

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1 DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE AQUISIÇÃO E ARMAZENAMENTO DE DADOS PARA MEDIÇÕES OCEANOGRÁFICAS Rafael Mazza Buchmann Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Eletrônica e de Computação da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro. Orientadores: Carlos José Ribas D Ávila Fábio Nascimento de Carvalho Rio de Janeiro Março de 2014

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3 Buchmann, Rafael Mazza Desenvolvimento de um Sistema de Aquisição e Armazenamento de Dados para Medições Oceanográficas/Rafael Mazza Buchmann. Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, XIV, 89 p.: il.; 29, 7cm. Orientadores: Carlos José Ribas D Ávila Fábio Nascimento de Carvalho Projeto de Graduação UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de Engenharia Eletrônica e de Computação, Referências Bibliográficas: p Instrumentação Eletrônica. 2. Aquisição de Dados. 3. Microcontrolador. 4. MSP430. I. D Ávila, Carlos José Ribas et al. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Eletrônica e de Computação. III. Título. iii

4 iv Endure and Survive.

5 Agradecimentos Agradeço à minha família pela estrutura e incentivo, em especial meus pais Mario Buchmann (in memoriam) e Vera Lucia Rocha Mazza Buchmann. Agradeço à minha namorada e dupla na graduação Mayara Cunha Cagido pelo infinito carinho, amor, paciência e dedicação. Agradeço aos colegas e grandes amigos que fiz durante a graduação. Agradeço a todos os bons professores e profissionais os quais tive o prazer de conviver, em especial meus orientadores Carlos José Ribas D Ávila e Fábio Nascimento de Carvalho. v

6 Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Eletrônico e de Computação. Desenvolvimento de um Sistema de Aquisição e Armazenamento de Dados para Medições Oceanográficas Rafael Mazza Buchmann Março/2014 Orientadores: Carlos José Ribas D Ávila Fábio Nascimento de Carvalho Curso: Engenharia Eletrônica e de Computação Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um módulo de baixo consumo para uso submarino, capaz de ler e digitalizar dados medidos por sensores, armazenandoos e transmitindo-os para uma unidade central. Através do estudo de arquiteturas para processamento de dados, protocolos de comunicação digital, aplicações de amplificadores operacionais e conversores A/D, foi modelada a solução teórica para o ambiente e seus requisitos de autonomia, proteção mecânica e baixo consumo de corrente. A partir deste anteprojeto, implementou-se um protótipo capaz de fazer a leitura e armazenamento dos dados. Após a realização de uma pesquisa para buscar o microcontrolador mais adequado, definiu-se a utilização do MSP430, fabricado pela Texas Instruments, trazendo ao módulo versatilidade e eficiência. Palavras-chave: Instrumentação Eletrônica, Aquisição de Dados, Microcontrolador, MSP430. vi

7 Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Engineer. DEVELOPMENT OF A DATA ACQUISITION AND STORAGE SYSTEM FOR OCEANOGRAPHIC MEASUREMENTS Rafael Mazza Buchmann March/2014 Advisors: Carlos José Ribas D Ávila Fábio Nascimento de Carvalho Course: Electronic Engineering This work presents the development of a low-power module for subsea use, capable of reading and digitalize data measured by sensors, storing and transmitting it to a central unit. Through the study of architectures for data processing, digital communication protocols, operational amplifiers and ADC s applications, the theoretical solution for the environment and autonomy requirements, mechanical protection and low current consumption was modeled. From the outline, a prototype capable of reading and storing data was implemented. After the initial search for the most suitable microcontroller, the Texas Instruments MSP430 brings versatility and efficiency to the module. Keywords: Electronic Instrumentation, Data Acquisition, Microcontroller, MSP430. vii

8 Lista de Siglas A/D Analógico para Digital ADC Analog-to-Digital Converter ANSI American National Standards Institute ARM Advanced RISC Machine CCS Code Composer Studio CI Circuito Integrado CMRR Common Mode Rejection Rate COPPE Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia DEL Departamento de Engnharia Eletrônica e de Computação EB USB Experimenter s Board MSP-EXP430F5529 FET Field-effect Transistor FPGA Field-programmable Gate Array GPIO General Purpose Input/Output HDL Hardware Description Language HDMI High-definition Multimedia Interface I2C Inter-Integrated Circuit IDE Integrated Development Environment LED Light Emitting Diode LIOc Laboratório de Instrumentação Oceanográfica LSB Least Significant Bit viii

9 MCU Microcontroller Unit MSB Most Significant Bit PC Personal Computer PGA Programmable-gain Amplifier PGIA Programmable-gain Instrumentation Amplifier PIC Programmable Interface Controller ppm Partes por Milhão RISC Reduced Instruction Set Computer RTI Referred to Input RTO Referred to Output SAR Successive Approximation Register SBC Single-board Computer SINAD Signal-to-noise and distortion ratio SisCAT Sistema de Controle, Aquisição e Telemetria SO Sistema Operacional SPI Serial Peripheral Interface SPS Samples per Second THD Total Harmonic Distortion TJB Transistor de Junção Bipolar UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter USCI Universal Serial Communication Interface VHSIC Very High Speed Integrated Circuits ix

10 Sumário Lista de Figuras Lista de Tabelas xii xiv 1 Introdução Tema Delimitação Justificativa Objetivos Metodologia Descrição Análise Comparativa Requisitos do Sistema Estado da Arte FPGA (Field-programmable Gate Array) SBC (Single-board Computer) Microcontrolador Escolha da Tecnologia Unidade Principal do Módulo Micromint: MicroBolt Arduino Microchip: PIC Escolhido Texas: MSP430 LaunchPad Anteprojeto Considerações Iniciais Relação Um-para-um Comunicação Serial Principais Componentes Sensor Pré-Amplificador x

11 3.2.3 Conversor Analógico/Digital Controle Armazenamento de Dados Rede Sugestão de Implementação Cuidados Adicionais Alimentação Ruído Proteção Mecânica Protótipo USB Experimenter s Board MSP-EXP430F5529 (EB) Componentes da Placa Operação do Módulo Código em Linguagem C Relógio: Clock.c Medição: Medir.c Armazenamento: Armazenar.c Programa Principal: main.c Testes Material Utilizado Consumo de Corrente Obtenção de Dados Potenciômetro Sinal Senoidal Sinal Quadrático Sinal Dente-de-Serra Análise dos Resultados Conclusão Trabalhos Futuros Referências Bibliográficas 74 A Código 79 A.1 Programa Principal (main.c) A.2 Rotina de Medição (Medir.c e Medir.h) A.3 Armazenamento de Dados no Cartão microsd (Armazenar.c e Armazenar.h) xi

12 Lista de Figuras 2.1 Chip FPGA Altera Stratix IV EP4SGX Kit para Iniciantes em FPGA Altera Cyclone V GX SBC Micromint Electrum 100, Utilizado em um dos Projetos Atuais do LIOc BeagleBone Black (a) e Raspberry Pi (b) Microcontrolador MSP430F5529, da Texas Instruments ArduinoPro (a) e Wireless SD Shield, Periférico para Utilização de Tecnologia Sem Fio e Cartão de Memória (b) Micromint MicroBolt Microchip PICkit Launchpads da Texas Instruments: MSP-EXP430G2 (a) e MSP-EXP430F5529LP (b) USB Experimenter s Board MSP-EXP430F5529, da Texas Instruments Exemplo de Sistema de Medição Subaquática Conexão para o Módulo e o Sensor em uma Linha de Fundeio Diagrama de Blocos Geral Amplificador Subtrator Amplificador de Instrumentação Circuito Básico do Amplificador de Carga Circuito Básico do Amplificador Logarítmico Gráfico Exemplo de uma Função Linearizada por Logaritmo Pinos Acessíveis do Microcontrolador no LaunchPad Logotipo da Plataforma Code Composer Studio BoosterPack para Utilização de Cartão MicroSD Cartão microsd e Compartimento na USB Experimenter s Board MSP-EXP430F Diagrama de Blocos da Sugestão de Implementação do Módulo de Aquisição e Armazenamento de Dados FuelTank, o BoosterPack para Alimentação do LaunchPad Caixa com Proteção IP-68 da Empresa CFW Elétrica xii

13 3.16 Prensa cabo IP-68 da Empresa Cemar Legrand Experimenter s Board MSP-EXP430F5529 Utilizada para o Protótipo em Laboratório Principais Componentes da EB Tela Inicial do Módulo Formato dos Dados Armazenados no Cartão microsd Parte da Janela do software Code Composer Studio, IDE da Texas Instruments Erro Apresentado no LCD pela Ausência do Cartão microsd Variação de Tensão no Potenciômetro: Dados do Cartão de Memória Sinal Senoidal com Amplitude 2.5 Vpp e Frequência 100 Hz: Captura de Tela do Osciloscópio Sinal Senoidal com Amplitude 2.5 Vpp e Frequência 100 Hz: Dados do Cartão de Memória Sinal Quadrático com Amplitude 2.5 Vpp e Frequência 100 Hz: Captura de Tela do Osciloscópio Sinal Quadrático com Amplitude 2.5 Vpp e Frequência 100 Hz: Dados do Cartão de Memória Sinal Dente-de-Serra com Amplitude 2.5 Vpp e Frequência 100 Hz: Captura de Tela do Osciloscópio Sinal Dente-de-Serra com Amplitude 2.5 Vpp e Frequência 100 Hz: Dados do Cartão de Memória xiii

14 Lista de Tabelas 2.1 Características dos SBCs Comparativo entre as Tecnologias Características dos LaunchPads MSP Potenciômetros Digitais Resolução dos ADCs xiv

15 Capítulo 1 Introdução 1.1 Tema Este trabalho consiste no desenvolvimento de um sistema de aquisição e armazenamento de dados para sensores submarinos. Sua composição é embasada pelos conceitos de instrumentação eletrônica, principalmente o estudo de aplicações de amplificadores operacionais, conversores A/D e microcontroladores. 1.2 Delimitação A criação deste módulo tem como principal demanda sensores sem armazenamento próprio de dados, presentes tanto em cadeias de medição oceanográficas como em sistemas com apenas um elemento para medição. Por se tratar de um equipamento marinho, a especificidade do ambiente impõe como principais requisitos a autonomia e a proteção mecânica. Para este projeto de graduação, o desenvolvimento teórico da solução apresenta comparativos e resultados conhecidos de sistemas de medição semelhantes e atuais. Neste primeiro desenvolvimento, o protótipo está limitado ao módulo principal de processamento, composto pelo microcontrolador MSP430, e ao armazenamento de dados em um cartão microsd, não sendo especificado nenhum sensor e não incluindo o comportamento do módulo em rede. 1

16 1.3 Justificativa O Laboratório de Instrumentação Oceanográfica (LIOc/COPPE/UFRJ) conta com projetos, atuais e futuros, envolvendo a aquisição de dados de sensores submarinos. O estudo e desenvolvimento de um módulo versátil e econômico tornou-se necessário para o melhor entendimento deste tópico e expansão da área de eletrônica e computação do laboratório. 1.4 Objetivos O objetivo principal deste trabalho é criar um módulo capaz de medir diversos tipos de sensores (e.g. temperatura, pressão hidrostática) em ambiente submarino, com a finalidade de promover as condições iniciais para a confecção de um produto confiável, que possa integrar projetos futuros do laboratório. Após a realização de uma pesquisa prévia, concluiu-se que é adequado criar uma solução dedicada para o ambiente submarino e que, para este projeto, há produtos que atendem às especificações de consumo com razoável capacidade de armazenamento e precisão de medição, gerando uma implementação satisfatória. Como benefícios complementares, há o know-how adquirido sobre arquiteturas de processamento, o envolvimento prático direto do aluno com a área de instrumentação e a expansão do tópico de pesquisa em microcontroladores para o laboratório, originando novos trabalhos que abordam este tema. 1.5 Metodologia A partir da necessidade do laboratório pelo sistema de aquisição de dados, foram estabelecidos os requisitos do projeto. Posteriormente, foi feita a pesquisa das possíveis tecnologias a serem aplicadas e o microcontrolador MSP430 foi escolhido como centro de processamento. Em seguida, foram avaliados os componentes periféricos necessários para a modelagem do módulo completo. 2

17 Com o intuito de produzir resultados preliminares, um protótipo contendo a parte de aquisição e armazenamento dos dados foi montado e, através de medições (e.g. consumo de corrente), os dados obtidos reforçaram a boa escolha do microcontrolador MSP430 para este projeto. A pesquisa foi feita majoritariamente em sites de grandes fabricantes de componentes eletrônicos, artigos produzidos por estes fabricantes, consultas aos profissionais da área (professores e pesquisadores), projetos de graduação e livros das diversas áreas de interesse (e.g. instrumentação eletrônica, hardware, sistemas operacionais). 1.6 Descrição A etapa inicial consiste na análise comparativa das tecnologias, apresentada no capítulo 2, especialmente os sistemas presentes em cadeias submarinas atuais, buscando entender seu funcionamento e definir características utilizadas no projeto. Visando menor perda de energia, simplicidade de implementação e versatilidade, a abordagem do sistema foi estudada e o componente principal do módulo especificado. O capítulo 3 desenvolve o anteprojeto do sistema completo, constituído do centro de processamento (microcontrolador MSP430) e seus periféricos necessários (préamplificador, conversor A/D, cartão microsd). No capítulo 4, apresenta-se um módulo funcional do sistema, capaz de obter e armazenar dados e o software necessário para a aplicação, utilizando preferencialmente rotinas econômicas para configuração de intervalos de medição e armazenamento de dados em cartão de memória. A partir do protótipo, foi feita a obtenção de medidas de consumo e dados válidos em ambiente de laboratório, descritos no capítulo 5. Ao final, as conclusões e propostas de trabalhos futuros, no capítulo 6, encerram o trabalho. Para os principais pontos de decisão o texto estará em negrito, possibilitando a compreensão das partes fundamentais do projeto e uma leitura resumida, caso desejado. 3

18 Capítulo 2 Análise Comparativa Considerando a demanda caracterizada na seção 1.2, o objetivo deste capítulo é escolher, dentre as diversas opções presentes no mercado atual, a arquitetura e o componente principal do sistema, responsável pelo gerenciamento do módulo de medição. Após descrever as características das tecnologias selecionadas, determina-se a opção adotada através da realização de uma análise comparativa entre os principais aspectos considerados para o desenvolvimento deste trabalho. 2.1 Requisitos do Sistema Os principais requisitos são: Baixo consumo (menor que 10 ma com 3.3 V cc de alimentação); Capacidade de Processamento; Memória suficiente para programação do módulo e armazenamento de dados; Grande autonomia: Funcionamento por bateria, visando longos períodos (maior que 2 meses) de autonomia; 4

19 Relógio interno: Armazenamento de data e hora das medições; Leitura de sinal analógico ou digital: O sinal a ser medido pode ser analógico (vindo do sensor), convertido posteriormente pelo módulo desenvolvido ou digital, convertido previamente por dispositivo externo; Amplificador de ganho ajustável: Como o sistema pode ser utilizado por sensores genéricos, o sinal de entrada deve ser ajustado para melhor aproveitamento; Conversor A/D de 12 bits ou mais, podendo ser necessária a inclusão de componente externo ao módulo principal; Possibilidade de rede para comunicação com um sistema central; Proteção adequada ao ambiente marinho e profundidades superiores a cinquenta metros. 2.2 Estado da Arte Após orientação inicial, buscou-se definir quais as tecnologias que poderiam se adequar ao desenvolvimento. Além de atender os requisitos da seção 2.1, o comparativo tem como foco também os seguintes pontos: Ferramentas para a pesquisa e desenvolvimento: Variedade de modelos; Kits de desenvolvimento; Literatura acessível; Ambientes online para discussões e soluções; 5

20 Facilidade de implementação e continuidade à pesquisa: Adequação ao perfil do atual e dos futuros desenvolvedores, integrantes da equipe de eletrônica do LIOc, constituída majoritariamente por estagiários da graduação em engenharia eletrônica e da computação da UFRJ. Das tecnologias pesquisadas, as que se mostraram mais apropriadas foram: FPGA, SBC e microcontrolador. A seguir, apresenta-se uma descrição objetiva de cada uma destas e suas características consideradas na escolha FPGA (Field-programmable Gate Array) O FPGA é um chip contendo um arranjo (ou matriz) programável de portas lógicas (figura 2.1). Utilizando a porta lógica como bloco base, pode-se então construir qualquer sistema digital, desde que o FPGA possua portas suficientes [1]. Com a atual tecnologia de semicondutores, existem chips com possibilidade de milhões de portas lógicas [2], tornando possível a realização de estruturas cada vez mais complexas e poderosas. Figura 2.1: Chip FPGA Altera Stratix IV EP4SGX230 [3]. 6

21 Atualmente, o FPGA pode ser empregado como o centro de processamento configurável do sistema ou atuar como controle e interface para um microprocessador de maior porte, combinando a robustez da execução sequencial de um processador com o paralelismo possibilitado pelas diversas unidades lógicas do FPGA [4]. Assim como o processamento, o mesmo pode ser feito também com blocos de memória e interfaces de conexão, ou seja, o FPGA pode ser configurado para desempenhar estas funções, ou atuar como controle, possibilitando a utilização de blocos periféricos dedicados [5]. Quanto ao consumo médio, com a necessidade de especificação de cada componente e a infinidade de aplicações do FPGA, essas informações não são fornecidas pelos fabricantes pesquisados, já que o consumo de corrente é totalmente dependente do circuito gerado Programação O comportamento do FPGA é modelado nas linguagens de descrição de hardware (HDL - Hardware Description Language), tornando-o totalmente dedicado e otimizado para a aplicação designada, com o custo de que todas as ações possíveis do sistema devem ser levadas em consideração pelo projetista. Assim, projetar o sistema requerido envolve descrever desde a estruturação das interfaces seriais e geração das referências de clock até o comportamento geral do módulo, como por exemplo, medir e entrar em estado de espera [6]. Atualmente, uma alternativa à HDL reside em interfaces gráficas, aonde o sistema é construído por diagrama de blocos e seu código correspondente é gerado automaticamente. Softwares com tal capacidade, como por exemplo o LabVIEW, da National Instruments, são pagos e podem necessitar de treinamento especializado [7]. 7

22 Plataformas Para o desenvolvimento inicial, é interessante o uso de kits vendidos pelos próprios fabricantes, proporcionando confiabilidade e minimizando erros oriundos da utilização de material de desenvolvedores independentes. Com componentes periféricos (e.g. LEDs, displays) que auxiliam o andamento do trabalho, o projetista modela o FPGA e, posteriormente, pode criar seu próprio circuito, com somente o chip principal e os periféricos voltados para sua aplicação. A série Cyclone, da Altera Corporation, é descrita como de baixo custo e baixo consumo [5] e algumas variantes da série (SE, SX e ST) apresentam um processador ARM Cortex-A9 MPCore integrado à placa. Um exemplo de kit de desenvolvimento é o modelo Cyclone V GX Starter Kit (figura 2.1). Figura 2.2: Kit para Iniciantes em FPGA Altera Cyclone V GX [5]. Características: Cyclone V GX Starter Kit FPGA modelo Cyclone V GX 5CGXFC5C6F27C7N; 77 mil elementos lógicos programáveis; Memória interna: 4884 kb; Conexão USB para programação; 8

23 GPIO: 2x20 pinos; Barramentos de memória: SRAM 16 bits de 4 MB e LPDDR2 32 bits de 4 GB; Conexão HDMI (High-definition multimedia interface) compatível com DVI 1.0 e HDCP v1.4; CODEC de Áudio: 24 bits; LEDs, 4 displays de 7 segmentos, push-buttons e switches; Alimentação: 12 VDC; Cartão microsd; SBC (Single-board Computer) [8] Diferente do FPGA, o SBC já é um computador completo, dotado de memória, processador, interfaces de vídeo, entrada e saída (I/O), sistema operacional e tudo que pode ser visto também em computadores pessoais (PCs), sendo construído em apenas uma placa de circuito impresso (figura 2.3). Em geral, um SBC é limitado por seu espaço físico, possui consumo reduzido em relação ao PC e portabilidade, o que o torna uma boa escolha para sistemas embarcados. Figura 2.3: SBC Micromint Electrum 100, Utilizado em um dos Projetos Atuais do LIOc [9, 10]. 9

24 Programação De maneira análoga a um PC, o SBC opera e é configurado por meio de um sistema operacional (SO). Geralmente, os SBCs presentes no mercado (descritos a seguir) são soluções de código aberto (Linux e derivados), completamente programáveis através de linguagens de alto nível [11]. Para a customização do SO, a estrutura do sistema segue padrões semelhantes em diferentes placas, existindo amplos fóruns para discussão e pessoas pelo mundo trabalhando conjuntamente em busca de soluções comuns, como, por exemplo, nos fóruns Stack Overflow e VivaLinux [12, 13] Plataformas No caso do SBC, não há kits de desenvolvimento e prototipagem posterior, pois a placa adquirida já é um produto final e não deve haver alteração posterior em hardware. Dos diversos tipos de SBCs disponíveis no mercado, dois modelos se sobressaem pelo foco em baixo consumo e popularidade [14]: o BeagleBone Black Rev. A5B, da BeagleBoard.org Foundation [15], e o Raspberry Pi Rev. B, da The Raspberry Pi Foundation [16]. A tabela 2.1 apresenta as características principais destas placas. 10

25 (a) (b) Figura 2.4: BeagleBone Black [15] (a) e Raspberry Pi [16] (b). Tabela 2.1: Características dos SBCs [14] BeagleBone Black Raspberry Pi Processador 1 GHz TI Sitara AM MHz ARM1176JZFS ARM Cortex A8 RAM 512 MB 400 MHz 512 MB 400 MHz Armazenamento 2 GB on-board emmc, MicroSD SD Vídeo 1 Micro-HDMI 1 HDMI, 1 Vídeo Composto Áudio Stereo (HDMI) Stereo (HDMI ou 3.5 mm) SO Padrão Angstrom Raspbian Consumo V V GPIO 65 pinos 8 pinos 1 USB Host 2 USB Hosts Periféricos 1 Mini-USB Client 1 Micro-USB Power 1 10/100 Mbps Ethernet 1 10/100 Mbps Ethernet Conector para RPi camera 11

26 2.2.3 Microcontrolador Aplicado amplamente em soluções mais usuais, com boa capacidade de processamento e facilidade de elaboração, o microcontrolador (figura 2.5) também é um computador, porém sua simplicidade e a ausência de certos componentes (e.g. sistema operacional) o tornam mais econômico e compacto que o FPGA e o SBC. Figura 2.5: Microcontrolador MSP430F5529, da Texas Instruments [17] Programação As rotinas de comportamento do microcontrolador são gravadas no chip através de softwares que utilizam linguagem de programação e armazenadas em memória interna disponível. As linguagens mais comuns são de alto nível, derivadas de C ANSI, mas ainda é possível encontrar microcontroladores programáveis em linguagens de baixo nível. Algumas plataformas, como por exemplo o Arduino [18], desenvolvem seu software para a gravação do código, construindo funções e rotinas que possam simplificar o desenvolvimento do projeto. 12

27 Plataformas Da mesma maneira que o FPGA, visando facilitar a elaboração de projetos, grandes empresas produzem kits de desenvolvimento modulares (figura 2.6), compostos por uma placa de circuito impresso com o microcontrolador como componente principal, pinos de fácil acesso aos terminais do microcontrolador, componentes de interação com o usuário como conectores, botões, LEDs sinalizadores e qualquer outro mecanismo que torne mais simples, rápida e eficiente sua utilização. A maioria dos kits possui ainda módulos periféricos, expandindo a capacidade da placa principal com conectores específicos, interfaces de comunicação, painéis LCD, tornando o projeto mais voltado para um objetivo específico. (a) (b) Figura 2.6: ArduinoPro [19] (a) e Wireless SD Shield, Periférico para Utilização de Tecnologia sem Fio e Cartão de Memória [20] (b). A primeira plataforma estudada foi o Arduino [18], que utiliza microcontroladores ATmega, da Atmel [21], devido ao uso prévio do autor durante a graduação e a proposta de facilidade de implementação. Para a comparação inicial entre tecnologias, as características consideradas foram do Arduino Pro (figura 2.6), descrito como destinado à instalação semi-permanente em objetos ou exposições [19], enfatizando sua aplicação em sistemas ativos por longa duração. 13

28 Características: Arduino Pro [19] Microcontrolador ATmega168 ou ATmega328; Tensão de Operação: 3.3 V ou 5 V; Tensão de Alimentação: V ou 5-12 V; I/O Digital: 14 (sendo 6 saídas do PWM); Entradas Analógicas: 6; Corrente DC: 40 ma; Memória: Flash: 16 kb (ATmega168) ou 32 kb (ATmega328), sendo 2 kb usado para inicialização (bootloader); SRAM: 1 kb (ATmega168) ou 2 kb (ATmega328); EEPROM: 512 bytes (ATmega168) ou 1 kb (ATmega328); Velocidade do Clock: 8 MHz (Versão 3.3 V) ou 16 MHz (Versão 5 V) Escolha da Tecnologia Analisando as três opções e seus exemplos, considerados para uma visão geral de cada tecnologia, conclui-se que todas podem ser empregadas na construção de um sistema de aquisição de dados que preencha a maioria dos requisitos citados na seção 2.1. A tabela 2.2 apresenta um resumo das particularidades. 14

29 Tabela 2.2: Comparativo entre as Tecnologias FPGA SBC Microcontrolador Programação Descrição de Sistema Operacional Alto Nível hardware (Linux) (C/C++) Plataformas de Kit Fixo Kit desenvolvimento Modular Limitação Número de Configuração Chip principal portas lógicas preestabelecida Vantagem Personalização Estrutura completa Facilidade Desvantagem Programação (HDL) Consumo Simplicidade Analisando os requisitos definidos e as considerações no início da seção 2.2, constatou-se o seguinte: Especificações não atendidas: Consumo médio: Pelas especificações nominais, o SBC Raspberry Pi apresenta consumo nominal mínimo (140 ma) cerca de três vezes maior que o Arduino- Pro, com 40 ma, possuindo um excedente de 30 ma da corrente requisitada para o projeto. O Raspberry Pi foi o SBC encontrado com menor consumo nominal, enquanto que para o microcontrolador, foram encontrados, posteriormente, componentes com consumo nominal na ordem de 2.5 ma, como é o caso do MSP430, da Texas Instruments [22]; Facilidade e praticidade de implementação: Destacam-se o microcontrolador e o SBC, com programação mais acessível, já que as linguagens de alto nível são mais exploradas e utilizadas pelo desenvolvedor e os possíveis usuários futuros do módulo de aquisição. Exclui-se então o FPGA, já que a HDL exige um amplo aprendizado inicial e possui lógica diferente das linguagens de programação de alto nível, utilizadas no microcontrolador e SBC; 15

30 Componentes: Com possibilidade de desenvolvimento modular e específico, o FPGA e o microcontrolador se mostram superiores ao SBC, que possui construção fixa, com partes excessivas para este projeto. Assim, descartam-se o SBC pelo consumo e o FPGA pela dificuldade de configuração. Apesar destes possuirem capacidade de processamento, quantidade de memória e recursos adicionais superiores, o baixo consumo do microcontrolador, atendendo às necessidades de gerenciamento das medições feitas, se sobressai como solução para o desenvolvimento do módulo de aquisição e armazenamento de dados. Escolhe-se então o microcontrolador como unidade principal do sistema de aquisição de dados. Cabe ressaltar ainda a existência de diversos fabricantes consagrados, inúmeros kits de desenvolvimento, dos mesmos grandes fabricantes ou de produção independente, uma forte comunidade presente na Internet com dúvidas, soluções, discussões, sistemas semelhantes e sugestões de decisões. Considera-se também viável a evolução deste trabalho em um futuro produto final, já que a partir do kit de desenvolvimento, o circuito pode ser extraído e otimizado, visando consumo ainda menor, área diminuída e expansão do projeto. 16

31 2.3 Unidade Principal do Módulo Tão grande quanto o universo de tecnologias de processamento digital visto na seção 2.2 é o número de microcontroladores no mercado [23], cada um possuindo ainda diversos modelos com características particulares. Indicações de professores e pesquisadores da UFRJ, pesquisas na Internet e o conhecimento adquirido ao longo do curso de graduação trouxeram nomes dos fabricantes conhecidos e os chips mais utilizados. Novamente, o objetivo desta seção é apresentar as principais características que apontaram o módulo escolhido para o anteprojeto apresentado no capítulo 3 e prototipado no capítulo 4. Os módulos baseados em microcontroladores cotados para o projeto foram o MicroBolt, da empresa Micromint [24], o Arduino [18], plataforma baseada em controladores da Atmel Corporation [21], o PIC, da Microchip Technology [25] e o LaunchPad MSP430, da Texas Instruments [26], escolhido ao final da análise. Para tornar a análise simples e objetiva, será apresentado apenas a motivação para utilizar o módulo e a(s) razão(ões) de seu descarte como opção Micromint: MicroBolt Motivação: A primeira ideia para o módulo do microcontrolador foi checar o fabricante Micromint. O recente projeto SisCAT [10], do LIOc, é desenvolvido no SBC Electrum 100 (figura 2.3), da Micromint, e a possibilidade de permanecer com plataformas de mesma origem é uma prática comum, pois o relacionamento com a empresa para suporte e pesquisas é mantido. Descarte: Baseado em um microcontrolador NXP LPC2106 ARM7, com consumo nominal de 200 mw [24], o MicroBolt (figura 2.7) foi o módulo encontrado que mais se aproximou do desejado. Apesar do bom trabalho prévio com produtos desta empresa, os seguintes fatores descartam a Micromint: 17

32 Necessidade de uma solução que atendesse melhor aos requisitos de consumo de corrente; Ausência de uma forte comunidade para auxílio na pesquisa e desenvolvimento; Inexistência de periféricos modulares. Figura 2.7: Micromint MicroBolt [24] Arduino Motivação: A plataforma Arduino vem se popularizando nos últimos anos. Com a proposta de soluções fáceis e robustas, é amplamente utilizada em projetos acadêmicos de todo tipo [18]. Baseado em microcontroladores ATmega da Atmel, o módulo Arduino (figura 2.6) possui diversas interfaces disponíveis, comunicação via USB, módulos periféricos de encaixe (chamados de Shields) e programação simples através de interface própria, baseada em linguagem C. Descarte: Infelizmente, os controladores usados e as soluções não são moldadas visando baixo consumo e não há nenhuma solução Arduino com consumo dentro do requisitado por este projeto [27]. 18

33 2.3.3 Microchip: PIC Motivação: Pioneiro no conceito de microcontroladores, o PIC vem se atualizando e ainda é muito referenciado. Descarte: Pelas limitações dos kits de desenvolvimento encontrados (figura 2.8), necessitando de hardware adicional e poucas interfaces, com soluções melhores elaboradas somente por terceiros, o tradicional PIC acaba se mostrando ultrapassado quando avaliado pela facilidade de desenvolvimento e aprendizado inicial. Figura 2.8: Microchip PICkit 3 [28] Escolhido Texas: MSP430 LaunchPad A Texas Instruments, grande fabricante de circuitos integrados, traz ambientes de desenvolvimento bastante didáticos e facilitados para a aplicação de suas tecnologias. Para microcontroladores, são oferecidos atualmente sete kits de desenvolvimento, denominados LaunchPads, com arquiteturas e focos variados [29]. O LaunchPad é uma plataforma baseada em Arduino, com entrada USB para interface com computador, LEDs auxiliares, contatos (jumpers) com configurações rápidas de hardware, botões com exemplos de funcionamento e acesso aos pinos do microcontrolador. 19

34 Para a adic a o de componentes perife ricos, os chamados BoosterPacks (semelhantes aos Shields do Arduino) sa o placas que se encaixam ao LaunchPad, contendo componentes especı ficos como carto es de memo ria, conectores, protoboards, entre outros. Com consumo nominal me dio menor que 100 µa/m Hz, ADC interno, software pro prio para programac a o em alto nı vel, comunidade online e vasta documentac a o disponı vel [22], a Texas apresenta dois mo dulos de desenvolvimento com foco em baixı ssimo consumo, os LaunchPads MSP-EXP430G2 e MSP-EXP430F5529LP (figura 2.9), ambos baseados no microcontrolador MSP430. (a) (b) Figura 2.9: Launchpads da Texas Instruments [29]: MSP-EXP430G2 (a) e MSPEXP430F5529LP (b). 20

35 Tabela 2.3: Características dos LaunchPads MSP430. MSP-EXP430G2 MSP-EXP430F5529LP Pinos de acesso ADC 10 bits 12 bits Frequência de operação 16 MHz 25 MHz Memória Flash 16 kb 128 kb Memória RAM 512 B 8 kb Timers 2 (16 bits) 4 (16 bits) Interfaces 1 I2C, 2 SPI, 1 UART 2 I2C, 4 SPI, 2 UART Para uma experiência ainda mais completa, há o USB Experimenter s Board MSP-EXP430F5529 [30], um kit de desenvolvimento contendo o MSP430F5529 (o mesmo do LaunchPad da figura 2.9b) e diversos componentes adicionais integrados em uma mesma placa, além de oferecer acesso aos pinos do microcontrolador (figura 2.10). Figura 2.10: USB Experimenter s Board MSP-EXP430F5529, da Texas Instruments [30]. 21

36 Características: USB Experimenter s Board MSP-EXP430F5529 Microcontrolador MSP430F5529: Memória: Flash: 128 kb; SRAM: 8 kb (10 kb desabilitando a USB); USB 2.0; Arquitetura: RISC 16 bits (até 25 MHz); Timers: 3 tipo A, 1 tipo B (descrição detalhada no manual da série MSP430x5xx [31]); USCI: 2 UART/SPI/I2C; Conversor A/D: 12 bits, 16 canais; Comparador: 12 canais; I/O: 63; Desenvolvimento via USB; 5 touchpads capacitivos (função botão ou slider); Cartão microsd (1 GB incluso); Display LCD: 102x64, preto e branco; Botões: 4 push buttons (2 configuráveis, 1 Reset, 1 USB Bootstrap descrição detalhada no manual da série MSP430x5xx [31]); LEDs: 3 para uso geral, 5 nos touchpads capacitivos, 1 indicador de alimentação; Potenciômetro (Thumb Wheel); Suporte à tecnologia RF da Texas; 22

37 Tecnologia ex-fet para Spy-By-Wire (JTAG 2 fios) para programação e debug; Cabeçalho JTAG completo (4 fios); Alimentação: USB, JTAG, Baterias, Fonte Externa; Acesso aos pinos de I/O do F5529. Com especificações melhores do que o MSP-EXP430G2 (tabela 2.3) e a possibilidade de desenvolvimento do protótipo tanto com o LaunchPad, quanto com a Experimenter s Board, o MSP430F5529 foi escolhido para a construção do módulo de aquisição de dados. O emprego das principais capacidades e particularidades desse circuito serão descritos ao longo do trabalho. 23

38 Capítulo 3 Anteprojeto O projeto completo de um sistema de aquisição de dados com os restritos requisitos apresentados e discutidos no capítulo 2, partindo desde a escolha da tecnologia até a concepção de um produto completo em placa própria, programação total do comportamento do módulo e todos os resultados necessários para sua validação foi entendido como além do escopo de um projeto de graduação. Decidiu-se, então, limitar a parte prototipada, mostrando resultados iniciais e apresentar o desenvolvimento teórico da solução através de um estudo preliminar, ou seja, um anteprojeto. 3.1 Considerações Iniciais Para a realização de medidas debaixo d água, uma possível configuração apresenta uma boia com um conjunto de sensores em linha sob o nível do mar (figura 3.1). Um exemplo da utilização desta configuração está presente no SisCAT [10], projeto atual do LIOc. 24

39 Figura 3.1: Exemplo de Sistema de Medição Subaquática. Uma cadeia subaquática é então formada pelos diversos sensores, de vários tipos e ainda com singulares modos de operação. Baseado nessa diversidade, optouse por apresentar um módulo versátil e de simples configuração para a aquisição e armazenamento de dados Relação Um-para-um Conforme ilustrado na figura 3.2, optou-se por cada módulo ser responsável por um sensor, podendo ser diretamente acoplado a ele física e eletricamente, desde que não interfira nas medições. Por sua vez, o conjunto é preso à linha de fundeio, que liga a cadeia à boia na superfície. Havendo necessidade de associação dos módulos em rede, um cabo paralelo à linha de fundeio faz essa conexão. 25

40 Figura 3.2: Conexão para o Módulo e o Sensor em uma Linha de Fundeio. A escolha de um módulo para cada sensor estabelece compromissos a serem considerados: Independência: O mau funcionamento de um componente não interfere na cadeia; Possibilidade de configurações sem boia, já que todo o equipamento necessário estará acoplado ao sensor. Simplicidade: Sem rotinas concorrentes; Funcionamento dedicado; A proximidade entre o módulo e o sensor reduz a impedância do cabo, fonte comum de problemas [32]. 26

41 Contras: Com muitos módulos, o consumo e custo total aumentam; Subaproveitamento de componentes que possuem diversos canais (e.g ADC) Comunicação Serial Quando dois circuitos digitais são conectados, é necessário que a comunicação entre eles utilize o mesmo tipo de barramento, para que não haja conflitos na transmissão e recepção dos dados. Atentando para o diagrama da figura 3.3, enquanto blocos como Conversor A/D, Armazenamento e Rede, geralmente apresentam apenas um tipo de saída, voltada para o melhor desempenho do componente, é desejado que um dispositivo central, como o microcontrolador, seja capaz de interpretar mais de um padrão. Para todos os microcontroladores estudados [19, 24 26], o emprego da comunicação serial é maior em comparação à paralela, já que utiliza menos pinos, o que minimiza problemas por conexões e espaço físico. No caso do MSP430, estão disponíveis as seguintes conexões digitais [31]: GPIO (General Purpose Input/Output): Sem uso direcionado, cada pino é programável (inclusive pode ser usado como UART, I2C ou SPI) e, geralmente, utilizado de maneira mais simples, como Enable, Reset ou transmissão de dados brutos; UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter): Constituído de dois pinos, transmissor (Tx) e receptor (Rx), o sinal é transmitido de maneira assíncrona. Apesar de antigo, é amplamente aplicado, devido à simplicidade e compatibilidade com padrões RS-232, RS-485; 27

42 SPI (Serial Peripheral Interface): Também conhecido como SSI (Synchronous Serial Interface), este barramento síncrono estabelece obrigatoriamente a relação mestre/escravo, aonde o dispositivo mestre é responsável pelo pulso de sincronismo e por designar qual escravo receberá a mensagem, quando necessário. Para isso, o barramento utiliza de 4 pinos: SCLK (Serial Clock); MOSI (Master Output, Slave Input); MISO (Master Input, Slave Output); SS (Slave Select É especificado como CS no diagrama de pinagem do MSP-EXP430F5529LP da figura 3.9). I2C ou I 2 C(Inter-Integrated Circuit): É um barramento com apenas dois fios: Serial Data Line (SDA), para transmissão e recepção de dados, e Serial Clock (SCL), enviado pelo dispositivo mestre, para o sincronismo. A descriminação dos escravos é feita por endereços nas mensagens. Além dos barramentos de comunicação digital, o MSP430 apresenta entradas analógicas (Analog In), referentes aos canais de um conversor A/D interno ao chip. 3.2 Principais Componentes A figura 3.3 mostra o diagrama de blocos da solução proposta, aonde o módulo é composto por um pré-amplificador, conversor A/D, controle, armazenamento e rede. 28

43 Figura 3.3: Diagrama de Blocos Geral. Definição dos Componentes do Módulo: Sensor: Transforma a grandeza medida em tensão; Pré-Amplificador: Ajusta adequadamente a amplitude do sinal e remove componentes ruidosas; Conversor A/D: Quantifica o sinal analógico, possibilitando armazenamento em memória digital; Controle: Recebe os dados devidamente tratados, controla os ciclos de medições, envia e recebe dados da memória externa ou pela rede, gerencia consumo; Armazenamento: Guarda os dados em memória de maior capacidade; Rede: Possibilita a comunicação com a terra ou entre módulos. 29

44 A ideia inicial era que, para cada aplicação particular, bastaria que fossem modificados poucos parâmetros (e.g. ganho do amplificador, tempo de aquisição, tempo em espera) por software e o módulo estaria pronto para o especificado. No entanto, ao longo deste estudo, foi constatado que as etapas de amplificação e digitalização são completamente dependentes do comportamento do sensor (e.g. resposta em frequência, impedância, fundo de escala, sensibilidade), impossibilitando a escolha de apenas um amplificador e um conversor A/D para qualquer tipo de sensor submarino. Os tópicos e 3.2.3, referentes à essas etapas, apresentam algumas soluções possíveis, ressaltando pontos positivos e negativos, visando referenciar estudos futuros mais detalhados e direcionar cada aplicação. Desta forma, não apenas serão especificados componentes para um módulo versátil, como também serão apresentadas, de forma introdutória, abordagens para soluções mais específicas. Para atender a maioria dos tipos de sensores, o Amplificador de Instrumentação AD8422 e o Conversor A/D de 12 bits, interno ao MSP430 modelo F5529, são suficientes para o bom condicionamento de um sinal bem comportado, ou seja, com frequência baixa (menor que a máxima do ADC e respeitando o Teorema da Amostragem de Nyquist [33]), amplitude maior que o ruído e baixa impedância em relação à de entrada do amplificador. Conforme orientação, os circuitos integrados de amplificadores, potenciômetros e conversores indicados foram retirados do catálogo online da Analog Devices, onde também se encontram os datasheets dos quais as especificações técnicas apresentadas foram obtidas [34]. 30

45 3.2.1 Sensor Considera-se, para este trabalho, que o sensor é um elemento genérico fornecido. Os sensores que utilizarão deste módulo são, em geral, transdutores que obtêm as informações desejadas (e.g. temperatura, pressão) e as convertem para tensão analógica. A tensão produzida pela conversão é diferencial e de baixa amplitude (da ordem de milivolts), tornando a leitura direta analógica ou sua digitalização imediata impraticável, devido a ruídos externos ou oriundos do próprio módulo. Como característica adicional, soluções comerciais de sensores que já fornecem saída digital através de algum protocolo de dados serial (e.g. EIA RS-232) podem ser diretamente interpretadas pelo MSP430. Neste caso, a ligação é feita diretamente do sensor ao microcontrolador, por entradas digitais disponíveis, para transmitir e receber dados de acordo com o protocolo do sensor, não necessitando dos estágios de pré-amplificação e conversão A/D Pré-Amplificador Para ser enviado ao módulo de controle, o sinal analógico do sensor deve ser previamente tratado. Neste tópico são propostas as possibilidades para a amplificação do sinal analógico vindo do sensor. As soluções são baseadas na utilização de Amplificadores Operacionais, pela construção simples, alta confiabilidade, bom desempenho para a aplicação e existência de uma ampla gama de circuitos integrados [35, 36] Amplificador Previamente Fornecido pelo Fabricante do Sensor Visando maior facilidade para o usuário, fabricantes podem disponibilizar o préamplificador para seus sensores ou indicar como construí-lo em seus manuais. Esta solução já condiciona o sinal para ser digitalizado pelo ADC e interpretado pelo microcontrolador. 31

46 Observação: PGA (Programmable-gain Amplifier) Interno ao MSP430 Versões do MSP430 com ADC Sigma-Delta de 24 bits contam também com um estágio de amplificação na entrada, constituído de um PGA. Como não foram encontradas informações detalhadas sobre esses, o uso do circuito não pode ser recomendado Amplificador de Instrumentação - Amp. Int. Com o sinal vindo do sensor de maneira diferencial, o amplificador subtrator é indicado para utilização (figura 3.4). Figura 3.4: Amplificador Subtrator [37]. A tensão de saída é dada pela equação 3.1 a seguir: ( ) ( ) (Rf + R 1 )R g Rf V out = V 2 V 1 (R g + R 2 )R 1 R 1 (3.1) para R f /R 1 = R g /R 2, a equação 3.1 fica: V out = R f R 1 (V 2 V 1 ) (3.2) 32

47 Uma melhoria da configuração diferencial muito popular é o chamado amplificador de instrumentação, apresentado na figura 3.5. Com a possibilidade de ganho elevado, ajustado por apenas um resistor (R gain ), o Amp. Int. possui grande rejeição a tensões de modo comum (CMRR), baixo ruído, baixo drift e impedância de entrada elevada. Com essas características e a existência de circuitos integrados, o Amp. Int. se torna uma solução superior ao subtrator, na maioria dos casos. Figura 3.5: Amplificador de Instrumentação [37]. A equação 3.3 apresenta a tensão de saída do amplificador de instrumentação: V out = (V 2 V 1 ) ( 1 + 2R ) 1 R3 (3.3) R gain R 2 Em CIs, os resistores R 1, R 2 e R 3 são fixos, deixando R gain externo para controle do ganho. Neste caso, uma boa conduta é usar um potenciômetro digital, controlado pelo MSP430. Na tabela 3.1 são vistos CIs com opções de interface de comunicação serial (I2C ou SPI), 1024 posições e memória não volátil. Dessa forma, o ganho do amplificador é configurável por software e não há necessidade de mudanças no circuito caso seja feita a troca do sensor. 33

48 Tabela 3.1: Potenciômetros Digitais. Part# #Canais Valor Nominal (kω) Interface AD , 50, 100 SPI AD , 50, 100 I2C AD I2C AD , 250 SPI Os CIs de amplificadores de instrumentação que apresentaram boas características de alta impedância de entrada, baixo consumo, ampla faixa de frequência, rail-to-rail e baixo ruído foram: AD627, AD8223, AD8422 e sua versão de melhor performance DC, AD8422BRZ. Pode-se ainda considerar os Amplificadores de Instrumentação de Ganho Programável (PGIA) AD625 e AD8557, com ganho configurável diretamente por interface digital própria. Características: AD627 Consumo: 85 µa máximo; Alimentação: +2.2 V a ±18 V ; Ganho (G): 5 a 1000; Saída rail-to-rail; Performance DC: Acurácia do ganho: 0.03% (G=5)(AD627A); Drift do ganho: 10 ppm/ C (G=5); Offset máximo na tensão de entrada: 125 µv (AD627B dual supply); Drift máximo do offset na tensão de entrada: 1 µv/ C; Corrente máxima de polarização: 10 ηa; Ruído: 38 ηv/sqrthz RTI a 1kHz (G=100); 34

49 Especificações AC: CMRR: mínimo de 83 db (G=5); Largura de banda: 80 khz (G=5); Tempo de estabilização (settling time): 135 µs (G=5, degrau de 5 V) Amplificador de Carga Hidrofones podem possuir impedância muito elevada (capacitiva, da ordem de microfarads), sendo percebida pelo amplificador como uma grande capacitância com pequena variação de carga. Para que essa variação apresente-se como tensão na saída, o amplificador de carga é um circuito indicado [38, 39]. Figura 3.6: Circuito Básico do Amplificador de Carga. Neste caso, a tensão na saída será: V out = Q C 2 = V C C C 2 (3.4) e as frequências de corte inferior (f 1 ) e superior (f 2 ): f 1 = f 2 = 1 2π R 1 C 1 (3.5) 1 2π R 2 C 2 (3.6) 35

50 Como cada aplicação demanda componentes diferentes, não há CIs comerciais para amplificadores de carga completos. Os amplificadores operacionais sugeridos para esta aplicação utilizam transistores FET, para aumentar a impedância de entrada. São exemplos o AD745, sua versão mais atual ADA e AD8067. Características: ADA Alimentação: ±5 V a ±15 V ; Offset de Tensão: 200 µv máximo; Offset drift: 1 µv/ C; Corrente de polarização na entrada: 5 ρa máximo; Produto Ganho-Banda (GBW): 79 MHz; Ruído de tensão na entrada: 6.1 ηv/ Hz a 1 khz; Slew rate: 170 V/ηs; Ganho em malha aberta: 120 db; CMRR: 116 db Amplificador Logarítmico Sinais de temperatura variam pouco ao longo do tempo, podendo ser considerados com pequena faixa de frequência ou até como nível DC, para a maioria dos tipos de medição. Em casos mais complexos, como por exemplo, a resposta de um hidrofone à passagem de uma embarcação com motor em funcionamento, o sensor apresentará na saída um sinal com diversas componentes em frequência e variadas amplitudes. 36

51 A percepção e distinção das componentes de menor amplitude são tratadas neste trabalho de duas formas: 1. Utilizando um conversor A/D de alta resolução, mostrado posteriormente no tópico 3.2.3; 2. Amplificando a parcela de menor amplitude com ganho maior e a de maior amplitude com ganho menor, considerando também o limite superior de excursão do sinal de saída. Para o segundo caso, deseja-se um amplificador cujo ganho seja inversamente proporcional à amplitude do sinal de entrada, de maneira que o sinal resultante possua toda a informação, porém com tensões na mesma ordem de grandeza. O circuito que pode produzir este comportamento é o Amplificador Logarítmico, representado na figura 3.7. Figura 3.7: Circuito Básico do Amplificador Logarítmico. Explorando o comportamento exponencial da corrente de coletor do TJB [40]: no circuito da figura 3.7: I C = I SO (e V BE/V T 1) I SO e V BE/V T (3.7) ( ) IC V BE = V T ln I SO (3.8) V BE = V out (3.9) I C = V in R (3.10) 37

52 a tensão de saída do amplificador logarítmico é dada por: ( ) Vin V out = V T ln I SO R (3.11) onde: V T : Tensão térmica do transistor; I SO : Corrente de saturação da junção base-emissor do transistor; Com a saída sendo uma função não linear da entrada, o sinal fica comprimido pelo fator logarítmico. Reescrevendo a tensão de saída em termos genéricos: V y = V T log n (e) (3.12) V x = I SO R (3.13) ( ) Vin V out = V y log n (3.14) V x e pela figura 3.8, nota-se a compressão do sinal através do comportamento linear do gráfico com o eixo x em escala logarítmica. Figura 3.8: Gráfico Exemplo de uma Função Linearizada por Logaritmo. 38

53 Desta forma, arbitrando, por exemplo, V x = V y = 1, n=10 e V in um sinal entre 1 µv e 100 mv, a amplitude do sinal de saída será: V out (min) = log( ) = 6 V (3.15) V out (max) = log( ) = 3 V (3.16) mostrando que o sinal de 1 µv a 100 mv pode ser amplificado e comprimido em uma faixa de -6 V a -3 V. Dadas as dificuldades do emprego deste circuito (e.g. valores negativos ou infinitos, oriundos da função logaritmo) e considerando também que, para o caso do transistor, V T e I OS são muito dependentes da temperatura, os integrados de um amplificador logarítmico possuem circuitos de ajuste e compensação (datasheet do AD8310 [34]). Esta solução é indicada apenas em aplicações específicas cuja precisão será sobreposta à versatilidade do projeto. Além disso, o sinal de saída estará com a informação desejada, porém codificada pelo fator logarítmico, necessitando decodificação, que se traduz em pós-processamento. A complexidade desta solução gera maior consumo de corrente, consideração fundamental para este projeto. CIs que podem ser considerados para estudo futuro são: AD8310, AD8307, AD640 e AD641. Características: AD8310 Alimentação: 2.7 V a 5 V; Consumo de corrente: 8 ma típico; Faixa de operação: DC a 440 MHz; Tempo de subida: < 15 ηs; 39

54 Capacidade de corrente: 25 ma; Faixa dinâmica: -91 dbv a +4 dbv (95 db); Linearidade: ±0.4 db; Inclinação (Slope): +24 mv/db; Tempo de inicialização: 100 ηs; Corrente inativa: 1 ma Conversor Analógico/Digital O microcontrolador é um circuito digital, que por sua vez guardará dados em uma unidade armazenamento. Até agora, o sinal vindo do sensor foi amplificado, mas ainda é analógico e, portanto, não pode ser devidamente armazenado em uma memória. O conversor analógico/digital tornará a medida feita pelo sensor interpretável para o microcontrolador, possibilitando seu processamento e a entrega dos dados adquiridos ao usuário. Alguns microcontroladores atuais possuem ADC integrado, facilitando sua utilização e reduzindo ruídos provenientes da interligação de componentes, fonte de problemas para sinais de baixa amplitude. Para aplicações mais específicas, porém, pode ser necessário o ADC externo ao microcontrolador, exigindo então cuidados especiais, relacionados principalmente a ruídos ADC Interno ao Módulo de Controle O microcontrolador MSP430 possui conversor A/D interno. Nos mais de quatrocentos tipos de chips MSP430 são encontradas os seguintes tipos de ADC: Conversores de aproximações sucessivas (SAR) de 10 e 12 bits e do tipo Sigma-Delta (Σ- ) de 16 e 24 bits [22]. A tabela 3.2 mostra a quantidade de níveis discretos e o valor de tensão acrescido a cada nível destes ADCs, considerando fundo de escala de 3.3V. 40

55 Tabela 3.2: Resolução dos ADCs. Bits Níveis Discretos (ND) V (3.3V/(ND-1)) %FS mv 0, µv 0, µv 0, ηv 0, Para a maioria das aplicações, o conversor de 12 bits presente no MSP430-EXPF5529LP do protótipo é suficiente. A economia de um CI no módulo gera menor consumo e exclui eventuais problemas de configuração, intefaceamento e conexões físicas. ADCs de maior capacidade (16 bits ou mais) geram um aumento considerável do consumo do módulo e necessitam de maiores cuidados relacionados a ruídos, explicados no tópico ADC Externo ao Módulo de Controle O uso de um ADC externo tem como principal objetivo evitar a troca do chip microcontrolador e atender especificações não executáveis pelo ADC interno. O maior problema encontrado no estudo dos ADCs externos foi atender aos requisitos do sistema, que serão analisados a seguir. Soluções de maior precisão, mantendo o baixo consumo, acabam não sendo adequadas para alta velocidade, como é o caso do AD7789, um ADC Sigma-Delta de 24 bits, apresentando frequência do sinal de saída de até 16.6 Hz. Por outro lado, o AD1871, também Σ- de 24 bits, utilizado para áudio, opera a 96 khz, mas possui consumo nominal de 40 ma. Outros integrados de conversores avaliados apresentam uma estrutura tão complexa e consumo tão próximo ao do MSP430 que tornam a intenção inicial, de não trocar o controlador, incoerente. Os ADCs de 24 bits avaliados durante a pesquisa só garantem precisão em frequência baixa ou com consumo muito além do desejado. Em altas frequências (na ordem de quilohertz), os ADCs de 24 bits perdem 7 a 8 bits de precisão. 41

56 Considerando o compromisso entre número de bits, frequência do sinal e consumo de corrente, o AD é apresentado como boa opção. Características: AD Alimentação: 2.5 V; Consumo: 700 µw a 100 ksp S; Resolução: 16 bits; Não Linearidade: ±0.6 LSB; SINAD: 91.5 db a 10 khz; THD: -114 db a 10 khz; Interface de Saída SPI. Gerado então o sinal digital, a conexão do ADC externo com o MSP430 é feita através de UART ou SPI Controle Como visto no capítulo 2, o microcontrolador responsável pelo gerenciamento das atividades do sensor foi o MSP430. Com o objetivo de aproximação inicial, familiarização com a tecnologia e desenvolvimento do protótipo, o MSP430F5529, presente no LaunchPad MSP-EXP430F5529LP e na USB Experimenter s Board MSP-EXPF5529, foi o microcontrolador escolhido para o estudo. Ambas as placas são kits de desenvolvimento que possibilitam a fácil interação e acesso do usuário aos pinos do microcontrolador, possuindo também uma interface USB montada para programação e alimentação. Como vantagem, a Experimenter s Board já possui componentes adicionais (cartão microsd, touchpads, display LCD, potenciômetro) integrados à placa de circuito impresso. 42

57 Figura 3.9: Pinos Acessíveis do Microcontrolador no LaunchPad [41]. 43

58 Observa-se a possibilidade futura de utilizar outro MSP430, em especial para beneficiar-se de componentes internos mais poderosos, como o ADC Σ- de 24 bits, necessário para obtenção de dados com maior qualidade de alguns sensores com espectro de frequência mais amplo. Como a estrutura, programação e as interfaces principais são iguais para a maioria dos MSP430, o foco no modelo F5529 não invalida este trabalho como referência para a montagem de um módulo baseado em outro MSP430 ou microcontroladores de estrutura semelhante. O microcontrolador possui diversos pinos de acesso (figura 3.9) para a interligação com os outros componentes do módulo. As conexões externas podem ser feitas de maneira digital, através de GPIO, UART, SPI, I2C ou analógica, através de Analog Inputs. Observação: A Experimenter s Board também permite acesso aos pinos do MCU. As rotinas, configurações de porta e acesso às funções do MSP430 são controladas via programação, descrita a seguir Programação Para programar o comportamento do MCU e a interação com seus periféricos, o microcontrolador possui uma interface USB (presente fisicamente nas placas de desenvolvimento) para comunicação com um PC. O maior cuidado relacionado à programação do módulo reside no pequeno espaço (16 kb kb) para o programa. Falhas ou falta de cuidado na programação, que apresentem vazamento ou alocação de grandes quantidades de memória, acabariam por impossibilitar o funcionamento do dispositivo por longos períodos. As rotinas são então desenvolvidas em código C/C++ e compiladas para o MSP430 [22]. Com a popularidade do MSP430, existem IDEs desenvolvidos, não só pela Texas, que ajudam no desenvolvimento de uma solução completa, com o básico da programação até sugestões de rotinas para melhor uso. As plataformas mais utilizadas são: 44

59 Code Composer Studio (CCS): Principal IDE da Texas, baseada em Eclipse [42]. Reúne vasta documentação e códigos para diversos microcontroladores da empresa. Possui versão de avaliação (90 dias), gratuita limitada ou paga. Recomendada para grandes projetos, pela organização e acessibilidade; Energia: Outra solução atual da Texas, baseada nas plataformas Arduino [18] e Wiring [43]. Com foco no desenvolvimento de protótipos mais simples, possui diversos exemplos de configurações básicas e amostras de funções características do módulo; CrossWorks: Desenvolvido pela empresa Rowley, segue a mesma linha do CCS, contendo mais recursos voltados para gerenciamento de projetos. Também é uma plataforma paga; MSPGCC: Voltado para desenvolvimento em Linux, não pode ser considerado uma IDE, sendo um conjunto de componentes (e.g. compilador, debugger) acionados por linha de comando; Para o desenvolvimento do protótipo, o software CCS apresenta uma interface mais completa. A tomada de decisão e as funcionalidades serão apresentadas no capítulo 4. Figura 3.10: Logotipo da Plataforma Code Composer Studio [17]. 45

60 3.2.5 Armazenamento de Dados Os 128 kb de memória Flash presentes no MSP-EXP430F5529LP, para armazenar a rotina de controle e dados obtidos de um sensor por longos períodos de tempo, limitaria bastante a programação e o possível pós-processamento dos dados. Assim, o uso de um cartão microsd como unidade externa de armazenamento é a solução adequada. Para o LaunchPad, há disponível um BoosterPack (figura 3.11) para esta função, onde a conexão com o microcontrolador é feita através de SPI. Já na Experimenter s Board, o microsd faz parte da placa (figura 3.12). Em uma solução dedicada, não há cuidados específicos em adicionar um slot para o cartão na mesma placa que o MCU. Figura 3.11: BoosterPack para Utilização de Cartão MicroSD [44]. 46

61 Figura 3.12: Cartão microsd e Compartimento na USB Experimenter s Board MSP- EXP430F5529 [17]. Como o tipo de memória (Flash) é o mesmo para o armazenamento externo e interno, a melhor opção é colocar os dados vindos de medições diretamente no cartão e deixar o espaço no microcontrolador somente para sua rotina de execução, instruções e dados fixos ou pouco alterados. Isso evita contato do usuário final do módulo com dados de serviço e proporciona melhor organização do conteúdo Rede Uma vez que o módulo esteja embaixo d água, não é interessante retirá-lo para a obtenção de uma pequena quantidade de dados ou alteração de parâmetros de medição, como por exemplo o sincronismo do relógio. Para isso, cada módulo da cadeia de sensores deve ser ligado à rede, como escravo, havendo também um mestre, que estará apto a realizar essas operações sem remover os sensores do ambiente e fornecer o sinal de sincronismo. 47

62 Opções para uma rede serial são via barramento I2C ou configuração de UARTs para recepção e transmissão, adotando um protocolo adequado para este tipo de rede, como o RS-485. A configuração de um dispositivo mestre para gerenciamento da rede está fora do escopo do projeto, limitando este tópico à relatar a possibilidade do módulo ser integrante da rede, que se traduz na capacidade do MSP430 em se comunicar com outro dispositivo, totalmente viável pela presença do barramento I2C e de UART, configuráveis por software. 3.3 Sugestão de Implementação Concluindo a escolha dos componentes e das interfaces, foi apresentado um conjunto de possibilidades para o módulo de aquisição. Como sugestão para uma solução fechada de um módulo versátil, as escolhas indicadas (figura 3.13) para aquisição de um sensor genérico foram: Amplificador de instrumentação AD627 conectado à entrada Analog In do microcontrolador; Potenciômetro digital AD5270, controlado pelo barramento SPI, para mudança no ganho do amplificador; Microcontrolador MSP430 F5529; Conversor A/D de 12 bits, interno ao MCU; Rede configurada por software utilizando o barramento I2C; Armazenamento de dados em cartão microsd, via SPI. Considerando a tensão de alimentação de +3.3 V cc, o AD627 poderá condicionar o sinal vindo de um sensor com 3.3 mv (G = 1000) até 660 mv (G = 5) de saída. Esta margem de amplitude abrange uma grande gama de sensores submarinos de temperatura e pressão hidrostática. 48

63 Figura 3.13: Diagrama de Blocos da Sugestão de Implementação do Módulo de Aquisição e Armazenamento de Dados. 3.4 Cuidados Adicionais Alimentação O MSP430 pode ser alimentado por tensões de 1.8 V a 3.6 V, ou via USB (5 V), reduzida para 3.3 V por um conversor DC-DC interno, no caso dos kits de desenvolvimento [41]. Considerando que alguns CIs de amplificadores e conversores A/D trabalham com tensão mínima de 5V, a alimentação do módulo deve ser escolhida de maneira a atender todos os integrados, sem que haja necessidade de duas fontes de alimentação ou componentes trabalhando fora da faixa especificada, o que levaria a mau funcionamento e problemas posteriores. Alguns periféricos consomem 49

64 também uma corrente considerável em modo de espera, o que diminui a autonomia do módulo. Para evitar esta condição, o circuito periférico (e.g. amplificador) pode ser alimentado por um pino GPIO, ao invés de diretamente pela bateria. Desta forma, o controle sobre o pino ativaria o periférico somente quando desejado. Como sugestão de alimentação para o LaunchPad, há um BoosterPack produzido pela Texas Instruments que utiliza uma bateria recarregável de 3.7 V, 1200 mah, LiPo (Lithium Ion Polymer), apresentado na figura Figura 3.14: FuelTank, o BoosterPack para Alimentação do LaunchPad. Para estimar o tempo de duração desta bateria em funcionamento e designá-la como adequada ao projeto, considera-se o consumo nominal do microcontrolador em standby (I standby ) de 500 ηa e em modo ativo de 100 µa/mhz [22], operando a 25 MHz (frequência máxima do MSP-EXP430F5529LP). O consumo de corrente do MCU, em modo ativo, será: I MCU ativo = 100 µa/mhz 25MHz = 2.5 ma (3.17) Dos datasheets, obtém-se que o AD627 tem o consumo máximo de corrente de 85 µa e o potenciômetro AD5270 consome 1 µa. Considerando que os periféricos são desligados quando o módulo não está medindo, o consumo em standby do módulo será o mesmo do MCU. 50

65 Desprezando o consumo de corrente da rede e considerando que a gravação em cartão já esteja incluída no funcionamento do microcontrolador, o consumo do módulo ativo será: I ativo = 2.5 ma + 85 µa + 1 µa = ma (3.18) será: Para uma medição de 10 minutos ( 1 h) a cada hora do dia, o consumo médio 6 I médio = I ativo + 5 I standby I médio = 6 (3.19) (3.20) I médio = 428 µa (3.21) assim, o tempo estimado de duração da bateria será: 1200 mah t bateria = = 2804 h 428 µa (3.22) t bateria = 2804 h = 117 dias 24 h (3.23) logo, com autonomia de aproximadamente 4 meses, pode-se considerar esta bateria como adequada ao projeto. Outra boa opção para a alimentação do módulo é a bateria de Li-ion (Lithium- Ion), muito comum em aparelhos celulares e dispositivos portáteis, podendo chegar a 3000mAh, dando maior autonomia ao módulo. Optando por uma solução mais simples, a Experimenter s Board usa duas pilhas AA em série, de 1.5 V cada Ruído É sabido que circuitos eletrônicos reais sempre apresentam componentes ruidosas. A partir do conteúdo encontrado em Noise Reduction Techniques in Electronic Systems e Notas de Aula de Instrumentação e Técnicas de Medida [32, 36], pode-se dividir o ruído em três tipos básicos: 51

66 1. Gerado pelo próprio dispositivo; 2. Advindo do sinal de entrada; 3. Externo, que é propagado para dentro do circuito. O estudo de ruídos em circuitos híbridos (com componentes analógicos e digitais) demanda atenção à medida que o projeto exige precisão. A abordagem é feita de maneira preventiva, adotando cuidados na confecção e elaboração da placa. No caso do uso direto do LaunchPad, a simples inserção de um BoosterPack já transmite ruídos oriundos do contato sem solda feito pelas placas. Assim, para a utilização de um ADC de 24 bits, por exemplo, é necessário que todo o módulo esteja disposto em uma única placa, projetada minimizando efeitos ruidosos, com cuidados como: plano de terra, separação física da parte analógica da digital, alimentação regulada e encapsulamento específico. Para este trabalho, o estudo do ruído associado ao sinal, desde sua geração no sensor até o recebimento dos bits pelo ADC, possui pontos críticos na entrada do pré-amplificador, onde o sinal é ainda de amplitude muito baixa e no conversor A/D, onde o ruído gerado pela transição rápida dos bits em um sinal digital de um circuito vizinho (e.g. microcontrolador) pode alterar os bits menos significativos do ADC, caso a precisão do mesmo seja muito alta (16-24 bits). Para minimizar os efeitos no sinal de entrada, o amplificador escolhido deve possuir CMRR alto e introduzir ruído de ordem menor que a amplitude mínima do sinal, sendo descartado na quantização feita pelo ADC. Em relação à inserção de um ADC de bits, indica-se, adicionalmente, que a alimentação do ADC deve ser maior, já que a divisão de uma tensão de apenas 3.3V em 24 bits significa uma variação de ηV no LSB, amplitude que pode ser facilmente sobreposta por um ruído. 52

67 3.4.3 Proteção Mecânica Para o módulo ser submetido à alta profundidade, a proteção adequada à pressão hidrostática, possíveis choques mecânicos e entrada de água deve ser designada. Para isso, a norma ABNT NBR IEC [45] estabelece os graus de proteção para invólucros de equipamentos elétricos (código IP). Para atender às especificações do módulo, a caixa que irá abrigá-lo deve então possuir código de proteção IP-68 (figura 3.15), certificando total proteção contra poeira e imersão contínua em água (devendo ser especificada a profundidade de acordo com o desejado). Figura 3.15: Caixa com Proteção IP-68 da Empresa CFW Elétrica [46]. As conexões externas devem fazer uso de prensa-cabos, também especificados como IP-68 (figura 3.16). Figura 3.16: Prensa cabo IP-68 da Empresa Cemar Legrand [47]. 53

68 Capítulo 4 Protótipo Consolidado o anteprojeto do módulo de aquisição, objetiva-se criar um protótipo para que os problemas e dificuldades práticas do projeto possam ser vistas e analisadas. Como o objetivo principal do trabalho é apresentar um sistema capaz de obter dados de um amplo conjunto de sensores, o foco deste capítulo é o estudo do MSP430 por meio da Experimenter s Board e o desenvolvimento do código em linguagem C a ser gravado no microcontrolador. Para simplificar a explição do projeto, a placa USB Experimenter s Board MSP-EXP430F5529 poderá ser referenciada apenas por EB. 4.1 USB Experimenter s Board MSP-EXP430F5529 (EB) [30] O primeiro contato prático com o MSP430 é feito por meio dos kits de desenvolvimento LaunchPad e Experimenter s Board, que possuem o mesmo controlador: MSP430F5529. Pelo acesso aos pinos do MCU, as placas trazem ao usuário grande simplicidade na montagem do sensor e oferecem as primeiras impressões do processo de configuração de um microcontrolador de uso específico (baixo consumo) e profissional como o MSP

69 Inicialmente, optou-se por utilizar o LaunchPad, com seu tamanho reduzido e a possibilidade de componentes perife ricos especı ficos em BoosterPacks. Pore m, apesar da EB possuir componentes que na o sera o utilizados em um sistema de aquisic a o de dados embarcado (e.g. touchpads), complicac o es burocra ticas na importac a o dos componentes e a dificuldade em encontrar um fornecedor confia vel para o BoosterPack do carta o micro SD impossibilitaram sua aquisic a o imediata. Sendo assim, optou-se pela praticidade e reduc a o da compra a apenas um componente, a Experimenter s Board, disponı vel para pronta entrega no pro prio site do fabricante [30]. A placa utilizada no proto tipo, apresentada na figura 4.1, vem acompanhada de dois cabos USB para a conexa o com o computador e inserc a o do co digo, um manual para inı cio ra pido, um carta o microsd de 1 GB e um compartimento para duas pilhas AA. Por ja possuir a unidade para carta o microsd integrada e o conector para alimentac a o externa, na o houve necessidade de hardware adicional. Figura 4.1: Experimenter s Board MSP-EXP430F5529 Utilizada para o Proto tipo em Laborato rio [17]. 55

70 4.1.1 Componentes da Placa A figura 4.2 ilustra os principais blocos da EB, descritos em seguida. Figura 4.2: Principais Componentes da EB [30]. ez430-fet Emulator: Interface USB para a gravação do código no microcontrolador; PWR SW: Chave seletora de Alimentação (USB superior direita, USB da interface ez-430 FET inferior esquerda ou JTAG/alimentação externa); Ext Pwr: Conectores para alimentação externa; RST: Botão de Reset da placa; Buttons: Dois botões programáveis; microsd: Entrada para cartão; 56

71 RF EVMs: Conectores para inclusão de módulos RF; 102x64 Dot Matrix LCD: Display para interação com o usuário; LEDs: 3 LEDs (vermelho, verde e amarelo) programáveis; Cap-Touch Slider / Buttons: Touchpad capacitivo com LEDs; ez-rf / PIN Acc: Acesso ao módulo RF (se incluso) e aos pinos do MSP430F5529; PIN Access: Acesso aos pinos do MSP430F5529; F5529: Microcontrolador MSP430F5529; Accelerometer: Sensor de aceleração; BSL: Bootstrap Loader para a inicialização do sistema, caso seja desejado que o programa inicialize pelo botão; 5529 USB: Conector USB acessível ao microcontrolador, para comunicação; 5529 JTAG: Interface mais antiga, porém ainda utilizada, para gravação do código no microcontrolador; Thumb Wheel: Potenciômetro ligado ao microcontrolador. Para o protótipo, são utilizados os botões e o potenciômetro na configuração de um relógio apresentado no LCD, a alimentação, feita por duas pilhas AA alcalinas e o sensor, conectado ao pino 7.0, localizado no canto inferior direito da placa. 57

72 4.1.2 Operac a o do Mo dulo O sistema de aquisic a o de dados ira operar da seguinte forma: 1. O mo dulo e iniciado assim que e alimentado; 2. O LCD apresenta um relo gio com data e hora a serem configurados (figura 4.3): O potencio metro altera o valor do campo selecionado; O bota o S1 confirma o valor; 3. Preenchidos todos os campos, o display e apagado e a medic a o e iniciada; 4. Quando desejado, o bota o S2 interrompe a medic a o e o mo dulo retorna para a tela do relo gio (item 2). Figura 4.3: Tela Inicial do Mo dulo [17]. Cada ciclo de medic a o gera um arquivo no carta o de memo ria com o nome DADOSx, onde x e incrementado a cada nova configurac a o do relo gio (DADOS, DADOS1, DADOS2,...). Dentro deste arquivo, esta o armazenados data (mm/dd/aaaa), hora (hh:mm:ss) e valor (0-4095, referente a resoluc a o 212 do ADC) obtido em cada medic a o (figura 4.4), separados por um caracter de espac amento (TAB). A inserc a o do espac ador torna o arquivo legı vel em diversos softwares, como Excel [48], MATLAB [49] ou Octave [50]. 58

73 Figura 4.4: Formato dos Dados Armazenados no Cartão microsd. A conversão dos valores obtidos em tensão é simples. Se o módulo é alimentado por uma tensão superior a 3 V, o conversor DC-DC interno da placa mantém o nível em 3 V. Sendo 4096 níveis possíveis, o valor em Volts é: V alor(v ) = V alor(nível) (4.1) 4.2 Código em Linguagem C Para executar o algoritmo de operação, o módulo necessita do código referente à rotina de trabalho, que fará com que receba os dados por uma das entradas Analog In e armazene-os no cartão de memória. A IDE Eclipse [42] é utilizada atualmente pela equipe de desenvolvimento do LIOc, o que torna o CCS uma boa escolha para dar continuidade a este trabalho. 59

74 Utilizando a plataforma CCS v5.5 (figura 4.5) em sua versão completa de avaliação de 90 dias, mencionada no tópico , o código em C foi desenvolvido com base nos exemplos da Texas MSP-EXP430F5529 User Experience, que apresenta todas as funcionalidades da EB e MSP430F55xx adc 07, com exemplo de obtenção de dados pelo ADC. Figura 4.5: Parte da Janela do software Code Composer Studio, IDE da Texas Instruments. 60

75 Os códigos fonte usados como referência estão inclusos na instalação do CCS (ou no site da Texas [30]) e permitem a utilização e modificação sob uma declaração de compreensão e utilização de direitos autorais, descrita em todos os arquivos da Texas Instruments. Está declaração está presente nos códigos desenvolvidos pelo autor deste trabalho, presentes no apêndice A. Após a inspeção detalhada e estudo do funcionamento dos exemplos citados, o programa para o sistema de aquisição e armazenamento foi construído. Para entender melhor o funcionamento do módulo, serão descritos os principais arquivos e suas funções. Os códigos criados ou alterados de alguma forma estão dispostos no apêndice A Relógio: Clock.c O arquivo Clock.c faz parte do exemplo da Texas e não foi alterado. Este apresenta um relógio completo com interface gráfica para o display da placa. Para a configuração do módulo de aquisição, optou-se por inserir manualmente a hora antes de cada medição, utilizando-se das seguintes funções: void SetupRTC(void) Função responsável pela inicialização do Real Time Clock, relógio em tempo real do sistema; void SetTime(void) Apresenta o relógio no display, possibilitando sua configuração e armazenando os valores inseridos nas variáveis date e time; void DigitalClockUpdate(void) Atualiza as variáveis date e time, possibilitando sua utilização na construção da string de medição Medição: Medir.c Este arquivo apresenta as funções relacionadas à obtenção do valor digital do ADC e à construção de uma string correspondente. 61

76 uint16 t Sensor getvalue(void) Obtém o valor do ADC (0-4095) referente à entrada analógica (pino 7.0 da placa), considerando a alimentação (3 V) como fundo de escala. Esta é a função principal a ser alterada para definir o comportamento do conversor A/D; char* Sensor getmeasure(void) A partir do valor obtido em Sensor_getValue(), monta-se uma string com a data, hora e valor da medição; char* itoa(int value, char* result, int base) Esta função converte o inteiro value em uma string result, utilizando a base numérica base. Observação: O Tipo uint16_t é um unsigned int definido nos arquivos da Texas Instruments Armazenamento: Armazenar.c O arquivo original SDCard.c contém uma interface interativa para visualizar os dados do cartão microsd no LCD da placa. Como esta não é a intenção do módulo de medição, utilizou-se apenas de uma função de escrita no cartão (WriteFile()). Esta função foi dividida em quatro partes, visando separar o acesso ao cartão, a criação do arquivo, sua escrita e fechamento, etapas que ocorrem em diferentes pontos do programa desenvolvido. FRESULT MountSD(void) Monta e acessa o cartão microsd; FRESULT OpenFile(char filename) Abre o arquivo de nome filename. Se o arquivo não existir, este será criado; FRESULT WriteFile(char* filename, char* text, WORD size) Escreve o texto text, de tamanho size no arquivo filename; FRESULT CloseFile(void) Fecha o arquivo que está aberto no momento. 62

77 Observac o es: O tipo FRESULT e um flag que indica o sucesso ou erro ocorrido durante o acesso ao carta o microsd. O erro de montagem do carta o e apresentado no LCD (figura 4.6), heranc a do arquivo de origem, SDCard.c; O tipo WORD e um unsigned int definido nos arquivos da Texas Instruments. Figura 4.6: Erro Apresentado no LCD pela Ause ncia do Carta o microsd [17] Programa Principal: main.c O programa principal e responsa vel pela inicializac a o dos componentes da placa, como o display, os boto es e o potencio metro e pelo loop principal, constituı do da configurac a o do relo gio, medic a o e armazenamento dos dados. O primeiro ponto a ser observado no programa principal, e sua composic a o ba sica em duas partes: 1. Setup: Fixa, executada uma u nica vez logo que a placa e alimentada; 2. Main Loop: Iterativa, executada repetidamente apo s o Setup. Partindo desta lo gica, recomenda-se a inicializac a o das varia veis na parte 1 e cuidado com o uso da memo ria na parte 2, ja que a alocac a o repetida pode ocasionar o estouro da memo ria disponı vel e o mau funcionamento do mo dulo. 63

78 Inicializações e Configurações do Setup Portas (GPIO); Cristal para referência de clock; Clock principal (25 MHz); Interrupções; Relógio (Real time clock); Display (LCD); Potenciômetro da placa (Thumb Wheel); Variáveis do sensor. Execuções no Loop Principal (na ordem de disparo) Ajustar hora; Montar Cartão microsd; Abrir/Criar Arquivo DADOS ; Desabilitar potenciômetro da placa; Desabilitar Display; Executar Medições; Reabilitar potenciômetro da placa; Reabilitar Display; Fechar Arquivo; Incrementar Nome do Arquivo (DADOS1, DADOS2,...); Reiniciar Loop. 64

79 Capítulo 5 Testes Estabelecidas as conexões para o sensor e a estrutura lógica do módulo, testes foram feitos no laboratório de eletrônica do DEL/UFRJ, para obter valores de consumo de corrente e verificar a qualidade dos dados do módulo. 5.1 Material Utilizado Módulo de aquisição e armazenamento de dados (MSP-EXP430F5529); 2 pilhas AA para alimentação do módulo; Potenciômetro (5 kω), como sensor; Gerador de funções (Minipa MFG MHz DDS Function Generator), como sensor; Osciloscópio Digital (Tektronix TDS1012C-EDU) para a medição do sinal de entrada do módulo; Multímetro Digital (Minipa ET-2650B) para medição de corrente na fonte (pilhas); Notebook (Dell Inspiron 1525) para a leitura dos dados armazenados no cartão; 65

80 5.2 Consumo de Corrente O consumo de corrente é um requisito fundamental do projeto, estabelecido na seção 2.1 como 10 ma para o módulo completo. Para o protótipo desenvolvido, um dos componentes que possui consumo considerável (visto em 3.2.2) não está presente, o pré-amplificador. O módulo possui dois estados básicos, ambos ativos: 1. Inserção de data e hora; 2. Medição. No estado 1, onde o display fica ligado e os botões e o potenciômetro da placa estão ativos, a corrente medida foi de 8.15 ma. Na segunda etapa, o módulo faz a medição e o armazenamento dos dados. A corrente média foi de 7.20 ma. Tendo em vista que este é o primeiro protótipo, soluções para a redução do consumo ainda serão melhor estudadas futuramente. Então, considerou-se que, como o protótipo consume menos que 10 ma nesta etapa inicial, isto atende aos requisitos, mesmo sem a parte de amplificação. 5.3 Obtenção de Dados Para os testes executados relativos aos dados do cartão de memória, o módulo operou com taxa de 1 SPS para a utilização com o potenciômetro e 5700 SPS (taxa máxima conseguida) para os sinais analógicos do gerador de funções. De modo a garantir a fidelidade dos valores medidos, utilizou-se a frequência de 100 Hz para os sinais de entrada, muito abaixo da taxa de Nyquist [33]. Foram aplicados 4 sinais na entrada (pino 7.0) do módulo: 1. Terminal central do potenciômetro de 5 kω com os terminais das extremidades conectados à Terra e +3 V; 66

81 2. Sinal senoidal de frequência 100 Hz, amplitude de 2.5 Vpp e offset de 1.25 V (para o sinal variar de 0 a 2.5 V, pois o ADC foi configurado para apenas valores positivos); 3. Sinal quadrático de frequência 100 Hz, amplitude de 2.5 Vpp e offset de 1.25 V; 4. Sinal dente-de-serra de frequência 100 Hz, amplitude de 2.5 Vpp e offset de 1.25 V Potenciômetro O potenciômetro teve seu valor alterado excursionando a posição do tap central de um extremo ao outro. Após o teste, o cartão foi lido no computador. A aplicação da equação 4.1 e os dados captados originaram a figura 5.1. Figura 5.1: Variação de Tensão no Potenciômetro: Dados do Cartão de Memória. 67

82 5.3.2 Sinal Senoidal Para os sinais periódicos, configurou-se o gerador de funções e observou-se a forma de onda no osciloscópio (figura 5.2). Novamente, após o teste, o cartão foi lido no computador e os dados tratados para a obtenção da figura 5.3. Figura 5.2: Sinal Senoidal com Amplitude 2.5 Vpp e Frequência 100 Hz: Captura de Tela do Osciloscópio [17]. Figura 5.3: Sinal Senoidal com Amplitude 2.5 Vpp e Frequência 100 Hz: Dados do Cartão de Memória. 68

83 5.3.3 Sinal Quadrático O mesmo procedimento foi feito para a onda quadrada, visto nas figuras 5.4 e 5.5. Figura 5.4: Sinal Quadrático com Amplitude 2.5 Vpp e Frequência 100 Hz: Captura de Tela do Osciloscópio [17]. Figura 5.5: Sinal Quadrático com Amplitude 2.5 Vpp e Frequência 100 Hz: Dados do Cartão de Memória. 69

84 5.3.4 Sinal Dente-de-Serra Finalmente, para a onda dente-de-serra, as figuras 5.6 e 5.7 apresentam os dados do osciloscópio e do microsd. Figura 5.6: Sinal Dente-de-Serra com Amplitude 2.5 Vpp e Frequência 100 Hz: Captura de Tela do Osciloscópio [17]. Figura 5.7: Sinal Dente-de-Serra com Amplitude 2.5 Vpp e Frequência 100 Hz: Dados do Cartão de Memória. 70

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