Microcontroladores e FPGAs

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1 Microcontroladores e FPGAs Aplicações em Automação Edward David Moreno Ordonez Cesar Giacomini Penteado Alexandre César Rodrigues da Silva Novatec Editora

2 Sumário Dedicatória Agradecimentos Sobre os Autores Prefácio Parte I Apresentação e Comparação de Microcontroladores...17 Capítulo 1 Microcontrolador PIC16F628, da Microchip Principais Características do Microcontrolador PIC16F Principais Características dos Periféricos do PIC 16F Seleção de Osciladores do PIC 16F Modos de Reset do PIC 16F POR (Power-On Reset) BOD (Brown-Out Detect) OST (Oscillator Start-up Timer) WDT (Watchdog Timer) Interrupções do PIC 16F Módulo CCP (Capture/Compare/PWM) Timers Temporizadores Modo SLEEP...29 Capítulo 2 Microcontrolador MC68HC908, da Motorola Principais Características do MC68HC908JL MON (Módulo Monitor ROM) Módulo KBI (Keyboard Interrupt Module) Módulo TIM (Timer Interface Module) Módulo SIM (System Integration Module) Módulo COP (Computer Operating Properly) Módulo LVI (Low Voltage Inhibit) Módulo BREAK Módulo OSC...40 Capítulo 3 Microcontrolador COP8CCE9, da National Características do Microcontrolador COP Economia de Energia Modos HALT e IDLE Detector de Condições Ilegais Timers Temporizadores Timer Tx: Processor Independent PWM Mode do COP8CBE Timer Tx: External Event Counter Mode do COP8CBE Timer Tx: Input Capture Mode do COP8CBE Conjunto de Portas...48

3 Microcontroladores e FPGAs 3.6 Multi-Input Wake-Up Virtual EEPROM In-System Programming Microwire/Plus ISP Interrupções Monitor Watchdog/Clock...54 Capítulo 4 Microcontrolador AT89C51, da Atmel Características do AT89C Modos de Oscilação Registradores de Funções Especiais SFR Timers/Counters Temporizadores e Contadores Clock de Saída Programável Programmable Watchdog Timer SPI do AT89S Interrupções do AT89S Estrutura de Nível de Prioridade Modo Idle e Modo Power Down...64 Capítulo 5 Periféricos de Microcontroladores Principais Periféricos de Microcontroladores Microcontroladores Java...68 Parte II Desenvolvimento de Aplicações com Base em Microcontrolador...71 Capítulo 6 Introdução a Sensores e Conversores A/D Teoria Básica sobre Sensores Exemplos de Sensores Usados em Automação Sensor de Fim de Curso (chave-limite) Sensor Indutivo Sensor Capacitivo Sensor Fotoelétrico Sensor Ultra-Sônico Condicionamento de Sinal e Conversor A/D Condicionamento de Sinal Conversão Analógica para Digital Conversor A/D do Microcontrolador HC Desenvolvimento do Programa para o Microcontrolador Interface entre o Microcontrolador e o Dispositivo Atuador...96 Capítulo 7 Sistema de Estufa para Pintura de Peças Introdução Módulo para o Posicionamento da Peça para a Pintura Acionamento do Motor de Passo Estágio de Potência para o Acionamento do Motor de Passo Sensor de Infravermelho para Indicar o Posicionamento da Peça Módulo para o Controle da Pintura e do Nível de Tinta do Reservatório Módulo para o Controle de Temperatura e Secagem da Peça Conversor A/D Sensor de Temperatura Condicionamento do Sinal para o Sensor de Temperatura Conversão Hexadecimal para Decimal Circuito com Estágio de Potência Aquecedor e Resfriador Controle e Tomada de Decisão Código-Fonte dos Módulos Desenvolvidos...118

4 Sumário Capítulo 8 Medida de Pressão na Faixa das Intracranianas Medições de Pressão PIC Definição do Problema Medição da Pressão (Manômetro de Coluna de Água) Tipos de Referência de Pressão Unidade de Medida de Pressão Sensor de Pressão MPX5100 da Motorola Especificação do Sensor de Pressão Sistema de Transmissão Kit de Desenvolvimento com o Microcontrolador M68HC11EVBU Programa de Gerenciamento do Sistema Equação do Circuito de Condicionamento de Sinal Funcionamento do Sistema Validação do Manômetro Descrição dos Programas Código Assembly para Aquisição de Dados do Sensor Programa para Aquisição de Dados Código C++ para Porta Serial COM2 do Computador Capítulo 9 Projeto de um Inclinômetro para Veículos Off-Road Introdução Definição do Problema Sensor ADXL-105JQC (Acelerômetro) Especificação do Acelerômetro Princípio de Funcionamento do Acelerômetro Inclinômetro Completo para Veículo Off-Road Descrição do Software Desenvolvido Capítulo 10 Medidor de Temperatura com Uso de Termostato Digital Programável Introdução Termostato Digital Programável DS1821 da Dallas Características do Sensor DS Protocolo 1-Wire da Dallas Comunicação Mestre-Escravo Medidor de Temperatura Completo Descrição do Software Desenvolvido Parte III Integração entre Microcontroladores e FPGAs Capítulo 11 Compilador PicBasicPro Breve Apresentação do PICBASIC Sintaxe das Declarações do PICBASIC Direção das PORTAS Variáveis Aliases Arrays Constantes Constantes Numéricas Pinos INCLUDE DEFINE DEVICE Operadores Matemáticos

5 Microcontroladores e FPGAs 11.3 Sintaxe dos Principais Comandos do PICBASIC ADCIN ASM... ENDASM BRANCH BUTTON CALL CLEAR CLEARWDT COUNT DISABLE INTERRUPT DTMFOUT END FOR... NEXT FREQOUT GOSUB GOTO HPWM HSERIN HSEROUT I2CREAD I2CWRITE IF.. THEN INPUT LCDOUT LOOKDOWN LOOKDOWN LOOKUP LOOKUP NAP ON INTERRUPT OUTPUT OWIN OWOUT PAUSE PAUSEUS PEEK PEEKCODE POKE POKECODE POT PULSIN PULSOUT PWM RANDOM READ READCODE RESUME RETURN REVERSE SELECT CASE SERIN

6 Sumário SERIN SEROUT SEROUT SHIFTIN SHIFTOUT SLEEP SOUND STOP SWAP TOGGLE WHILE... WEND WRITE XIN XOUT Programas Básicos Programas Avançados Capítulo 12 Conceitos de VHDL e FPGAs Estrutura Interna de um FPGA Roteamento e Configuração de um FPGA VHDL Descrição Estrutural e Comportamental Exemplo dos Estilos de Descrições em VHDL Descrição Algorítmica Descrição de Fluxo de Dados Descrição Estrutural Elementos Sintáticos do VHDL Exemplos de Circuitos em VHDL Porta AND Multiplexadores Decodificadores Comparadores Estatísticas de Recursos Usados em FPGAs Capítulo 13 Periféricos de Microcontroladores em FPGAs Principais Periféricos de Microcontroladores Periféricos Descritos em VHDL e Implementados em FPGA Código VHDL do Periférico PWM Código VHDL do Periférico de Captura Código VHDL do Periférico de Timer Código VHDL do Periférico de Prescaler Capítulo 14 Arquiteturas Alternativas para Microcontroladores Arquitetura I: Um Microcontrolador Educacional Arquitetura II: Uma CPU Auxiliar Arquitetura III, Unidade de Processamento para Emular Periféricos Arquitetura IV, UPEMs Paralelas Análise Qualitativa das Arquiteturas Propostas Capítulo 15 Arquitetura Interna de uma UPEM Especificação das UPEMs Definição do Conjunto ISA Arquitetura para Cada Unidade de Processamento Código VHDL da CPU da UPEM

7 10 Microcontroladores e FPGAs Capítulo 16 Integração de Microcontroladores com Projetos em FPGAs Programas de Emulação em uma UPEM: do PICBASIC ao VHDL UPEMs: Recursos utilizados no FPGA XC2S Ambiente de Testes e Validações Práticas Primeiro Teste Real: Função de um Periférico de Timer Segundo Teste Real: Função de um Periférico de Captura Terceiro Teste Real: Função de um Periférico de Transmissão Serial Quarto Teste Real: Função de um Periférico Gerador de PWM Quinto Teste Real: Duas UPEMs em Paralelo Sexto Teste Real: Uma UPEM Enviando um Texto ao Display LCD Sétimo Teste Real: Integração entre uma UPEM e um PIC16F Apêndice A Lista de Termos, Abreviaturas e Siglas Apêndice B Referências Bibliográficas