Sistema de Aquisição de Dados

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1 Sistema de Aquisição de Dados Versão 2013 RESUMO Nesta experiência será desenvolvido o projeto de um sistema de aquisição e armazenamento de dados analógicos em formato digital. O sinal de um sensor de temperatura (LM35) deve ser coletado em formato digital com uso do conversor A/D integrado ADC0804. Os dados digitais devem ser armazenados na forma de sinais de áudio com modulação FSK. Por fim, os sinais modulados deverão ser apresentados em um terminal serial com uma conversão de dados para caracteres ASCII imprimíveis 1. OBJETIVOS Após a conclusão desta experiência, os seguintes tópicos devem ser conhecidos pelos alunos: Sensor de temperatura; Conversor A/D integrado; Aplicação de modem; Sistema de aquisição de dados. 1. Especificação do Sistema de Aquisição Um sistema de aquisição de dados é responsável pela coleta, armazenamento e visualização de dados. Estes dados podem ser obtidos através de sensores, que coletam grandezas variadas (como temperatura, luminosidade, humidade do ar, velocidade do vento, etc). Estas grandezas, que são normalmente variáveis analógicas, devem ser amostradas e digitalizadas de forma a permitir sua manipulação por circuitos digitais. A figura 1.1 apresenta um diagrama de um sistema de aquisição de dados genérico: o sistema de sensores coleta dados variados que, após um processamento inicial, são transmitidos pelo sistema de comunicação até o sistema de armazenamento. Este armazenamento é responsável pelo arquivamento dos dados para posterior recuperação. O sistema de monitoração e visualização dos dados acompanha o processo de coleta e armazenamento e também permite a visualização e análise dos dados previamente coletados. Figura 1.1 Diagrama simplificado de um sistema de aquisição de dados. 1 Um caractere imprimível é um caractere que é representado como um símbolo que pode ser visualizado no terminal, como por exemplo, os dígitos, as letras e os sinais de pontuação. Os caracteres não imprimíveis são compostos basicamente pelos caracteres de controle. Sistema de Aquisição de Dados (2013) 1

2 O sistema de aquisição de dados a ser projetado é mostrado na figura 1.2. Este sistema monitora a temperatura de um ambiente através de um sensor de temperatura. O sinal de um sensor de temperatura (LM35) deve ser coletado em formato digital com uso do conversor A/D integrado ADC0804. Os dados digitais devem ser armazenados na forma de sinais de áudio com modulação FSK. Por fim, os sinais modulados deverão ser apresentados em um terminal serial com uma conversão de dados para caracteres ASCII imprimíveis. SENSOR LM35 CONVERSOR A/D ADC SISTEMA MÓDULO DE DE ARMAZENAMENTO TRANSMISSÃO DE DADOS DE DADOS ARMAZENAMENTO AMOSTRA ARMAZENA VISUALIZA CONTROLE VISUALIZAÇÃO Figura 1.2 Diagrama de blocos do sistema de aquisição de dados a ser projetado. O funcionamento do circuito é descrito a seguir. Há apenas três sinais de controle: AMOSTRA é um sinal ativo em ALTO, proveniente de um botão, que sinaliza um comando para amostragem de um valor de temperatura. ARMAZENA é um sinal ativo em ALTO, que controla o armazenamento dos dados amostrados. Quando em nível ativo, permite o armazenamento no formato modulado como um sinal de áudio (conforme especificado posteriormente). VISUALIZA é um sinal ativo em ALTO, que controla a visualização dos dados amostrados. Quando em nível ativo, permite a visualização das amostras armazenadas em um terminal serial em formato de caracteres ASCII imprimíveis. A aquisição do sinal de entrada do sensor LM35 é feita conectando sua saída na entrada analógica do conversor A/D ADC0804. A saída digital do conversor é composto por um código de 8 bits. A figura 1.3 apresenta estes componentes. Figura 1.3 Sensor de temperatura LM35 e conversor A/D integrado ADC0804. O armazenamento dos sinais amostrados de temperatura deve ser realizado como um arquivo de áudio no sistema de armazenamento, que deve ser implementado por um microcomputador com entradas de placa de som. Sistema de Aquisição de Dados (2013) 2

3 Os dados devem ser armazenados em formato de sinais de áudio com modulação FSK. A tabela 1.1 abaixo apresenta as principais características para a modulação dos sinais digitais para sinais de áudio. Tabela 1.1 Características de modulação. Característica Modo de transmissão dados modulação Frequência de bit 0 Frequência de bit 1 Baud rate Descrição assíncrono 8 bits FSK 1270 Hz 1070 Hz 300 bauds O armazenamento dos sinais modulados em formato de sinal de áudio deve ser realizado com a gravação de um arquivo de áudio em um microcomputador. O sinal deve ser ligado na entrada line-in da placa de som. Para armazenar os dados em um arquivo de áudio no microcomputador, deve ser usado um programa para gravação de sons. A figura 1.4 mostra o programa gravador de som do sistema Windows XP. Figura 1.4 Programa gravador de som do Windows XP. A visualização dos dados envolve o acesso aos arquivos de áudio no microcomputador, a demodulação dos sinais analógicos e a tradução dos dados digitais para caracteres imprimíveis para sua apresentação em um terminal serial. De forma a garantir a correta visualização dos dados no terminal serial, é proposta uma conversão de códigos: um dado digital Cd deve ser traduzido para um código ASCII Ca seguindo a expressão matemática Ca = Cd Assim o dado digital é mostrado como o no terminal serial e o dado 05 16, como o caractere E. A visualização dos dados envolve a reprodução do sinal de áudio gravado pelo programa gravador de som no microcomputador e sua transmissão pela saída line-out da placa de som. Um cuidado deve ser tomado antes de se conectar a saída line-out da placa de som do microcomputador na entrada RC da placa de modem. Deve-se monitorar a forma de onda do sinal de saída e, através do controle de volume, é necessário obedecer a restrição de tensão de pico-a-pico máximo de 1 Vpp. Decisões de projeto A especificação apresentada não limita as opções de projeto. Desta forma, cada grupo pode fazer escolhas diferentes para os vários módulos a serem projetados. Detalhe estas escolhas no planejamento. Sistema de Aquisição de Dados (2013) 3

4 2. PARTE EXPERIMENTAL A parte experimental envolve três etapas sequenciais: inicialmente a familiarização com cada um dos módulos e componentes do projeto, a montagem do projeto e finalmente a operação do circuito de aquisição de dados. Recomenda-se que estas etapas sejam cumpridas na ordem apresentada Atividades Iniciais de Familiarização Antes do início da montagem do circuito projetado, recomenda-se a realização de algumas atividades, a saber. a) [Circuito de interligação de terminais] Inicialmente deverá ser realizada uma montagem do circuito base de interligação de terminais, conforme ilustrado na figura 2.1. A equipe deve inicialmente testar a comunicação do terminal serial, circuitos de conversão de níveis de tensão e a placa de modem. Convém verificar todas as configurações para o uso correto dos componentes. Por exemplo, verificar os sinais de controle do modem Am7910 para o seu correto funcionamento. RX 1488 RD RC PLACA DE MODEM TX 1489 TD /RTS /DTR TC CONVERSORES DE TENSÃO CH1 CH0 Figura 2.1 Circuito base de Interligação de Terminais. b) [LM35] O funcionamento do sensor de temperatura LM35 deve ser verificado. Depois de alimentar o sensor, deve-se monitorar sua saída com um multímetro ou osciloscópio digital. CUIDADO para não inverter os sinais de alimentação (V+ e GND), pois isto pode causar a queima do componente. DICA: procure variar a temperatura medida com auxílio, por exemplo, dos dedos das mãos (aumentar temperatura) e de um spray (diminuir) disponível no laboratório digital. c) [Conversor ADC0804] A familiarização do conversor ADC0804 deve ser realizada com antecedência, ligando-se a saída do LM35 na entrada do conversor. Os sinais de controle devem ser ligados em botões e chaves no painel de montagens. A saída digital deve ser monitorada nos displays D0 e D1 do painel. A figura 2.2 mostra um esquema de aplicação típica do conversor ADC0804. DICA: consulte o manual e outras referências sobre o ADC0804 para escolher a ligação dos sinais de controle. Figura 2.2 Esquema de aplicação típica do conversor ADC0804. Sistema de Aquisição de Dados (2013) 4

5 d) [Gravação de sinais de áudio] Nesta atividade, deve-se realizar a gravação do sinal proveniente da saída modulada da placa de modem no microcomputador. Recomenda-se a digitação de uma mensagem no terminal serial e a gravação do sinal analógico gerado pelo modem na placa de som. O arquivo gravado deve ser guardado no microcomputador. A figura 2.3 mostra o esquema de montagem a ser usada. Figura 2.3 Esquema de montagem microcomputador (placa de som), modem e terminal. e) [Reprodução de sinais de áudio] A seguir, o arquivo gravado deve ser reproduzido e a saída de áudio deve ser conectada na entrada analógica da placa de modem e os dados devem ser visualizados no terminal serial. Se a mensagem recebida for a mesma que foi gravada anteriormente, então os parâmetros de configuração do modem e de gravação de dados estão corretos. OBS.: os resultados dos itens anteriores devem ser descritos e comentados com detalhes no relatório Montagem do Projeto Nesta etapa, os módulos desenvolvidos para o circuito de aquisição de dados devem ser montados no painel de montagens e integrados aos outros componentes já estudados no item anterior. Recomenda-se usar um processo passo-a-passo e modular para a montagem, teste e depuração de cada bloco. f) Documente o processo de montagem, teste e depuração dos blocos do circuito projetado. g) Descreva cada ocorrência da montagem do projeto. h) Realize testes individuais para as seguintes operações: 1. Amostragem de uma temperatura; 2. Armazenamento de uma sequência de amostras em formato de arquivo de áudio; 3. Reprodução de uma sequência pré-gravada e visualização dos dados codificados no terminal serial. i) Como garantir o correto funcionamento de cada uma das operações testadas no item anterior? 2.3. Análise do Funcionamento Neste item vamos operar o circuito de aquisição de dados desenvolvido. j) Mostrar o correto funcionamento do circuito projetado. k) Como garantir o correto funcionamento do circuito completo? Perguntas 1. É possível fazer o armazenamento de uma sequência de amostras e a visualização de outros dados de forma simultânea? 2. O número máximo de amostras coletadas pelo projeto é limitado por quais fatores? Exemplifique. 3. Há um limite na quantidade de dados enviados para visualização? Explique. 4. Caso se queira desenvolver um sistema de coleta automatizado de várias grandezas (por exemplo, temperatura, umidade do ar e velocidade de vento), o que precisa ser modificado no projeto? Sistema de Aquisição de Dados (2013) 5

6 3. BIBLIOGRAFIA 1. Advanced Micro Devices. Modem Technical Manual - Am79101 WORLD-CHIP Autodial FSK Modem / Am7910 FSK WORLD-CHIP Modem / Am7911 FSK WORLD-CHIP Modem. Sunnyvale, California, FREGNI, E.; SARAIVA, A. M. Engenharia do Projeto Lógico Digital: Conceitos e Prática. Editora Edgard Blücher, HELD, G. Understanding data communications. 6 th ed., New Riders, MARSH, R. M. Computer users tape system. Popular Electronics, March 1976, pages TOCCI, R. J., WIDMER, N. S., MOSS, G.L. Digital Systems: principles and applications. 11 th ed., Prentice-Hall, WAKERLY, J. F. Digital design: principles and practice. 4 th ed., Prentice- Hall, MATERIAL DISPONÍVEL Circuitos Integrados TTL: - Portas lógicas: 7400, 7404, 7408, 7410, 7432, Outros componentes: 7474, 74161, 74163, 74164, 74165, 74175, 74180, 74193, Outros circuitos integrados: 1488, 1489, LM35, ADC EQUIPAMENTOS NECESSÁRIOS 1 painel de montagens experimentais. 1 placa de montagem do MODEM. 1 fonte de alimentação fixa, 5V ± 5%, 4A. 2 fontes de alimentação variável. 1 gerador de funções. 1 osciloscópio digital. 1 multímetro digital. 1 terminal serial ou microcomputador com interface serial e software de emulação de terminais. Histórico de Revisões E.T.M./2012 versão inicial E.T.M./2013 revisão Sistema de Aquisição de Dados (2013) 6