DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE MEDIAO DE SINAIS DE SOLDAGEM - PARTE 2: CIRCUITO DE AQUISIÇÃO DE DADOS

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1 DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE MEDIAO DE SINAIS DE SOLDAGEM - PARTE 2: CIRCUITO DE AQUISIÇÃO DE DADOS EDSON MACEDO COSTA 1, AMÉRICO SCOTTI 2. RESUMO Há alguns poucos anos foi introduzida nos microcomputadores uma nova porta de comunicação serial com dispositivos, a conhecida porta USB (Universal Serial Bus), mas muitas pessoas ainda desenvolvem projetos utilizando as portas paralela e serial. Analisando as vantagens da porta USB, verifica-se que a nova tendência é que os novos microcomputadores já saem de fábrica sem suporte às portas paralela e serial, como é o caso de grande parte dos notebooks. Visando esta tendência, o propósito deste trabalho é mostrar o estudo e a viabilidade de implementar um sistema de aquisição de sinais de processos de soldagem e enviar os respectivos dados a um microcomputador através da porta USB. Neste trabalho descreve-se todas as etapas do projeto. Concluí-se sobre o desempenho que o sistema pode atingir. Palavras-Chave: USB, aquisição, dados, soldagem, microcontrolador. 1 Faculdade de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Uberlândia, Campus Santa Mônica, CEP , Uberlândia, MG, macedoeletrica@yahoo.com.br (relatório referente à bolsa de IC processo CNPq no /2004-0, no período de Agosto de 2005 a Setembro de 2006) 2 Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Uberlândia, Campus Santa Mônica, CEP , Uberlândia, MG, ascotti@mecanica.ufu.br (processo CNPq no / Bolsa por Cota por Orientador)

2 1 ABSTRACT Recently, it was introduced in the microcomputes world a new serial port for device communication, the USB port (Serial Universal Bus). Despite of the potentiality of the USB use, a lot of people still develop projects using the parallel and serial port. Analyzing the advantages of the USB port, it was verified that the current tendency is that the new microcomputers already leave leave factory without support to the parallel and serial port, as it is the case of great part of the laptops. Following this tendency, the purpose of this work is to show the study and viability of implementing a system for signal acquisition of welding processes and sending the respective data to a microcomputer through it USB port. It is also described the whole stage of the project. It is concluded the system is feasibly. Keywords: Welding, voltage, current, speed.

3 2 1. INTRODUÇÃO O objetivo desse trabalho é demonstrar as etapas de construção de um circuito que possa realizar a aquisição de dados de um sistema de medição de soldagem desenvilvido anteriormente no LAPROSOLDA. O sistema permite realizar as medidas de tensão, corrente e velocidade de alimentação do arame. Uma vez que estes sinais dos experimentos são adquiridos, os mesmos são enviados a um microcomputador através da porta USB. O referido sistema pode realizar a aquisição de até oito canais analógicos, sendo quatro canais de tensão, dois canais de corrente, um de velocidade de alimentação e um último canal que pode ser utilizado por outro sensor qualquer, desde que usando um circuito adequado de condicionamento do sinal. Figura 1 - Diagrama geral do sistema A figura 1 ilustra o modelo resumido do sistema de aquisição de dados. Num primeiro momento os valores de cada canal são condicionados e logo após são introduzidos nas devidas entradas analógicas do conversor AD do microcontrolador usado, para que posteriormente possam ser convertidos em valores digitais e assim possam ser enviados para o computador através da porta USB. 2. MATERIAL E MÉTODOS Para realizar a aquisição dos dados foram utilizados o microcontrolador PIC16F877 da MICROCHIP e o módulo conversor Paralelo USB da DLP-DESIGN, baseado no chipset FT245BM. Em um primeiro momento, através dos sensores de tensão, corrente e velocidade os sinais analógicos são condicionados através dos circuitos de condicionamento de sinais apresentados na parte 1 do trabalho. Em seguida, estando os sinais analógicos numa faixa entre 0 e 5 volts, são convertidos de sinais analógicos para sinais digitais de 10 bits, após a conversão os dados são transmitidos a um microcomputador através da porta USB.

4 3 A porta USB foi escolhida como meio de transmissão dos dados devido à facilidade e a comodidade para o usuário em simplesmente conectar o equipamento ao computador e o mesmo ser reconhecido automaticamente pelo sistema e bastando simplesmente instalar o driver necessário e utilizar normalmente o sistema de aquisição através de um software especializado. Outra grande vantagem reconhecida que fez a diferença na utilização da porta USB é que os computadores mais modernos já vem com duas ou mais portas USB disponíveis enquanto as portas serial e paralela num futuro muito próximo deixarão de serem usadas. compatível com as anteriores, mas com alguns aperfeiçoamentos que permitiam que a mesma atingisse velocidades de transmissão na ordem de 480Mbps, o que equivale a 60 milhões de bytes por segundo. O barramento USB permite a conexão de até 127 dispositivos em uma única porta. Para que isto ocorra é necessário utilizar HUBs conectados em cascata. Normalmente cada HUB USB dispõe de 4 a 8 portas onde podem ser conectados mais HUBs ou dispositivos. Os HUBs são componentes na topologia de uma rede USB. Eles fornecem novos canais físicos para que mais dispositivos possam ser conectados a rede INTRODUÇÃO AO BARRAMENTO USB O USB (Universal Serial Bus) surgiu em 1995 com uma parceria entre várias empresas de alta tecnologia (Compaq, HP, Intel, Lucent, Microsoft, NEC e Philips). As primeiras versões foram a 1.0 que alcançava velocidades de transmissão na ordem de 1,5Mbps (Low-Speed) e a 1.1 a qual alcançava velocidades entre 1,5Mbps a 12Mbps, sendo a mesma conhecida como Full- Speed. No ano 2000 foi lançada a versão 2.0 conhecida como high-speed Figura 2 - Exemplo de um HUB USB

5 4 Os HUBs costumam ser ligados à rede elétrica para suprir alimentação aos seus circuitos internos e ao mesmo tempo fornecer corrente elétrica aos dispositivos conectados ao mesmo. No entanto existem alguns HUBs que alimentam-se do próprio barramento USB, daí a necessidade de se verificar se os dispositivos conectados a este tipo de HUB requerem muita alimentação do barramento USB, pois a porta USB possui um limite máximo de fornecimento de corrente elétrica. Na maioria dos casos, a porta USB pode fornecer uma corrente máxima de 500 ma, se porventura algum HUB ou dispositivo tentar consumir mais corrente a máxima corrente que a porta puder fornecer, o mesmo permanecerá conectado fisicamente à porta USB, porém não poderá comunicar-se com a mesma. São através dos HUBs que o Host/controlador tem o poder de detectar se um dispositivo foi removido ou inserido do sistema, como também saber se o mesmo operará em baixa ou alta velocidade. HUBs também fornecem energia através de suas portas secundárias à dispositivos que também se alimentam do barramento USB. Num sistema USB só existe um controlador (HOST), os demais componentes são HUBs e dispositivos. Na figura 3 temos um exemplo de uma topologia típica de rede USB. Também é importante salientar que o cumprimento máximo do cabo USB é de 5 metros, devendo portanto a distância entre um HUB e um dispositivo ser limitada a esta medida. Figura 3 - Topologia de uma rede USB Numa rede USB conforme já foi dito, tem-se somente um controlador HOST e podendo ser conectados vários HUBs e dispositivos. Dispositivos como: Impressoras, Modem ADSL e Webcam, consomem muita banda do sistema, isto quer dizer que ao conectarse mais dispositivos a uma rede o desempenho da mesma será diminuído, isto pode ser notado para barramentos USB versão 1.0 e 1.1 (12 Mbps max).

6 5 No entanto para versões 2.0 a queda de performance é imperceptível uma vez que a banda do barramento 2.0 (480 Mbps) é extremamente superior à versão 1.1. O Host USB se comunica com os dispositivos através do seu controlador (Chipset e outros componentes). O controlador Host pode ser encontrado na própria estrutura base da placa-mãe do computador, ou pode ser adicionada num dos slots do barramento PC. É função do controlador Host: detectar a inclusão e remoção de dispositivos, gerenciar o fluxo de dados entre os hubs e dispositivos conectados, fornecer tensão e corrente aos dispositivos conectados e monitorar os sinais do bus USB. Um circuito controlador consiste de duas partes: o Driver de controle do Host, que é um software básico fornecido pelo fabricante e um controlador Host (circuito que processa eletronicamente os sinais do barramento USB). É no Host onde o driver (software) do controlador é executado, dividindo o processamento. Tanto a camada de software quanto a de hardware, estão acomodadas num único Host (hospedeiro). Este Host tem que ser um computador, porém já existem dispositivos portáteis com características e poder de Host, ou seja, podendo acomodar a camada de software e hardware, funcionando assim como se fosse um PC. Figura 4 - Detalhes da placa controladora O cabo USB é composto por quatro fios e uma malha para eliminação de ruídos simples. Desses, dois são utilizados para transportar energia para alimentar os dispositivos. Essa energia é fornecida pela controladora e gerenciada pelo driver do controlador Host. O cabo USB usa cores padrões para os fios, sendo assim, o fio de cor vermelha é chamado Vbus (5V), ou seja é o fio positivo de fornecimento de energia. O fio de cor preta é o GND (0V). Este é o pino negativo do fornecimento de energia. O bus USB pode fornecer no máximo 5V de tensão

7 6 e 500mA de corrente elétrica, isto para cada porta. Os outros dois fios D+ (dado+) e D- (dado-) são usados pelo sistema USB para transferência entre o Host, Hub e dispositivos. Todos os sinais de dados trafegam apenas por esses dois fios. que um novo dispositivo foi conectado ao sistema e também para informar que o dispositivo irá se comunicar com o Host em alta velocidade. Para dispositivos que se comunicam em baixa velocidade o resistor de pull-up deve ser conectado ao sinal D- ao invés do sinal D+. Figura 5 - Interior do cabo Outro detalhe importante é que internamente os fios D+ e D- são entrelaçados com o objetivo de diminuir as interferências eletromagnéticas. Na figura 6 tem-se uma configuração física entre o Host e o dispositivo. Observa-se que no dispositivo há um resistor de pull-up de 1k5 ohm ligado desde o sinal D+ e uma tensão de 3,3V. Esta tensão é facilmente conseguida através de um regulador de tensão ligado ao Vbus e ao GND do bus USB. Este resistor de pull-up é muito importante, e serve para avisar o Host Figura 6 - Configuração de alta velocidade Para que o Host detecte a presença de um dispositivo, é necessário que a tensão que circule entre o resistor de 1k5 até o D+ ou D- persista por mais de 2,5 microssegundos. Já a desconexão de um dispositivo é detectada pela ausência da tensão que circula pelo resistor de pull-up, por mais 2,5 microssegundos. Esta configuração é a base para o funcionamento do sistema plug-and-play do bus USB. Outra característica muito importante do barramento USB que deve ser mencionada é que há dois tipos

8 7 de interface que um dispositivo USB pode trabalhar: Bus-Powered e Self- Powered. No Bus-Powered o dispositivo recebe toda a alimentação necessária da própria porta USB através dos pinos Vbus e GND. Já o tipo Self- Powered o dispositivo não consome energia do barramento, possuindo fonte própria. Para que um equipamento possa trabalhar no modo bus-powered ou self-powered o desenvolvedor deve configurar o circuito eletrônico de forma a trabalhar na forma desejada. No caso do projeto da interface de aquisição de dados o modo escolhido foi o self-powered. Uma das partes mais importantes do funcionamento do sistema USB é o protocolo, é através dele que um ou mais dispositivos conversam e trocam informações com o Host. No Host a pilha do protocolo está disponível em forma de drivers de arquivos.sys, dll, drv, exe, etc. Já no dispositivo o protocolo pode ser encontrado dentro de um microcontrolador específico, como por exemplo um PIC que disponha de certa quantidade de memória. Nesse caso o protocolo é escrito com base na norma USB, em alguma linguagem especifica como por exemplo C, Assembler ou outra linguagem qualquer, depois é compilado e gravado na memória do microcontrolador. Esta é uma forma extremamente trabalhosa e a menos recomendada, no entanto há microcontroladores que já dispõem de todo o protocolo internamente em sua memória como é o caso do PIC18F4450 da MICROCHIP. Uma outra maneira é através de um chipset que carrega dentro de si toda a funcionalidade do protocolo USB, livrando o microcontrolador de todo o trabalho pesado, esta por sua vez será o método utilizado para o projeto em questão. Diferente da porta paralela e serial onde simplesmente através dos sinais elétricos dos pinos e um programa básico é possível se comunicar com um dispositivo. Na porta USB isso só é possível se o dispositivo carregar o protocolo USB num chipset ou mesmo dentro de um microcontrolador. Assim, conclui-se que o combustível do sistema USB é seu protocolo, sem ele não há troca de informações entre os dispositivos. Será utilizado o chipset FT245BM da FTDI, o mesmo possui todo o protocolo USB implementado internamente. O FT245BM provê um método eficiente de baixo custo para transferir dados de um periférico a um PC através da porta USB. Este chipset permite transmitir até 1 Megabyte por segundo, sua arquitetura permite que o mesmo seja conectado a qualquer

9 8 microcontrolador com portas I/O digitais. A FTDI fornece gratuitamente Dll s que permitem a um software escrito em qualquer linguagem acessar o dispositivo diretamente, isso faz com que se economize tempo no desenvolvimento. utiliza os 8 bits do barramento de comunicação de forma bidirecional, isto é, leitura e escrita na memória DLP-USB245M O trabalho em questão utiliza uma interface de comunicação com a porta USB criada pela DLP-DESIGN que permite conectar os mais variados dispositivos com baixo custo e alta eficiência. O módulo DLP-USB245M é um conversor USB-Paralelo baseado no chipset FT245BM, o mesmo funciona basicamente como uma fila do tipo FIFO (first-in first-out), ou seja as primeiras informações a chegar são as primeiras a sair. A composição do módulo, além do chipset mencionado, é uma memória EEPROM de referência 93C46. A EEPROM possibilita a customização de parte da configuração básica da interface, como a velocidade e forma de comunicação, strings de informações como o PID e VID da interface USB, bem como seu número serial. No caso do FT245BM, ele é responsável por implementar uma FIFO tanto de leitura como de escrita que Figura 7 - Módulo DLP-USB245M Figura 8 - Chipset FT245BM DRIVERS O fabricante do dispositivo disponibiliza dois Drivers para o desenvolvimento de aplicações, sem custo adicional, ou seja, o pagamento de royalities, que propicia o tráfego de dados via porta USB. Um dos drivers, o VCP (Virtual Com Port), faz com que o

10 9 DLP-USB245M se comporte como uma porta serial RS-232 estivesse conectada, o que representa uma comunicação totalmente serial entre os dispositivos conectados ao USB e o Host. Outro driver disponibilizado pela DLP- DESIGN é o D2XX, que é uma alternativa ao driver VCP. Ele permite a criação de softwares através da API disponibilizada pela DLP-DESIGN, bem como a possibilidade do FT245BM de interfacear com as aplicações desenvolvidas em C++, C, Object Pascal, através de uma simples DLL. A arquitetura do driver D2XX é baseada no padrão de drivers propostos pela Microsoft, o WDM ou Windows Model, que nada mais é que um padrão de desenvolvimento de drivers para o sistema operacional Microsoft Windows, isto é, qualquer driver desenvolvido sob esse padrão funcionará em qualquer sistema operacional Windows. Para esse projeto foi escolhido o Driver D2XX, considerando a grande quantidade de funções disponibilizadas pela DLL, o que ajuda no desenvolvimento de uma aplicação para teste do equipamento de aquisição PINOS DO DLP-USB245M O dispositivo DLP-USB245M, possui 24 pinos de comunicação. Destes pinos 8 são reservados para a comunicação bidirecional, formando assim um barramento de 8 bits. Os pinos WR e RD# são pinos de entrada e servem para que um dispositivo externo dispare o ciclo de escrita ou de leitura, respectivamente. Os pinos TXE# e RXF# correspondem aos sinais de saída do módulo. Estes pinos de saída indicam o estado atual da FIFO, ou seja, indicam se a FIFO de transmissão está vazia ou se a FIFO de recepção está cheia, respectivamente. Figura 9 - Indicação dos pinos do DLP- USB245M

11 CICLO DE ESCRITA E LEITURA Como o trabalho é baseado num dispositivo digital, é necessário que se entenda o seu funcionamento de escrita bem como o de leitura de dados. Com o entendimento do funcionamento destes dois ciclos, é possível construir qualquer aplicação envolvendo a porta USB. O DLP-USB245M é dotado de um cristal de quartzo com freqüência de 6 Mhz, através dele é possível realizar os ciclos de leitura e escrita, já que não existe entrada para sinais de clock externos ao módulo. A figura 10 ilustra um ciclo de escrita no dispositivo, bem como os tempos de comunicação definidos pelo fabricante. Figura 10 - Ciclo de escrita Conforme pode ser visto na figura 10 a escrita de um byte na FIFO de transmissão, é feita através do barramento de 8 bits D[7..0] e do sinal WR. Figura 11 - Ciclo de leitura O dado presente no barramento é escrito na FIFO na transição negativa do sinal WR. O sinal TXE# indica quando a FIFO está cheia (TXE# = 1). O ciclo de leitura assemelha bastante com o ciclo de escrita, como pode ser visto na figura 11. Para que a leitura ocorra o sinal de RXF# tem que estar em 0, para indicar que existem bytes a serem lidos. Estando satisfeita esta condição, devese colocar o sinal de RD# para 0, fazendo com que os dados existentes no buffer de recepção sejam lidos. Para que se possa capturar os dados válidos, o

12 11 sinal de RD# deve ficar em 0 por no mínimo 50ns ALIMENTAÇÃO DO DLP- USB245M conectado, não pode exceder o consumo de 100mA. Este tipo de ligação é comumente utilizado quando se esta em fase de teste com o dispositivo. Todo componente eletrônico necessita de alimentação elétrica, e o DLP-USB245M não foge a esta regra. O fabricante deste componente fornece várias configurações de alimentação possíveis para a elaboração de projetos. O projetista é quem deverá escolher a melhor configuração para o seu projeto. Figura 13 - Alimentação via fonte externa (TTL) Figura 12 - Alimentação via barramento USB A figura 12 ilustra a forma de alimentação própria oriunda do barramento USB. Para que este tipo de alimentação ocorra é preciso interligar os pinos (3) RESET#, (10) VCC-IO, (11) EXT-VCC e (12) PORT-VCC. Este tipo de alimentação deve prover +5V ao sistema. O mesmo, ao ser Figura 14 - Alimentação via fonte externa (CMOS) A figura 13 demonstra como alimentar o DLP-USB245M por meio de uma fonte externa de +5V. Para que essa forma de alimentação ocorra é preciso interligar os pinos (3) RESET#,

13 12 (10) VCC-IO, (11) EXT-VCC a uma fonte de +5V. O DLP-USB245M foi feito para trabalhar tanto com a família TTL como com a família CMOS de circuitos integrados. A figura 13 demonstra uma ligação ideal para a utilização com a família TTL, que opera a +5V. Internamente o DLP-USB245M possui um regulador de tensão que faz com que ele trabalhe a +3.3V obedecendo aos padrões da família CMOS. Para que o DLP-USB245M opere a 3.3V é necessário que os pinos (3) RESET#, (10) VCC-IO, (11) EXT- VCC, (12) PORT-VCC sejam interligados e conectados a uma fonte de +3.3V, ver figura 14 Existe ainda outra forma de alimentação via barramento USB utilizando transistores. Este tipo de ligação foge ao foco do projeto em questão, ficando a cargo do manual do fabricante para maiores explicações. A forma de alimentação escolhida para o projeto foi a alimentação externa para família TTL, uma vez que será utilizado uma interface de comunicação com um microcontrolador PIC que faz uso de sinais TTL, ou seja +5V DESENVOLVIMENTO DA APLICAÇÃO HOST A aplicação Hosts será desenvolvida utilizando a IDE Borland C++ Builder 6, para isto serão utilizadas algumas funções fornecidas pelo fabricante através da API correspondente ao Driver D2XX utilizada no projeto. A aplicação deverá realizar basicamente as operações de transmissão e recepção de dados. Através destas operações, incorporadas a interface gráfica, é possível visualizar o tráfego de dados, entre a aplicação e o DLP-USB245M. Para que o aplicativo funcione corretamente é necessário utilizar as seguintes funções disponíveis na API: - FT_ListDevice() - FT_Open() - FT_Close() - FT_GetStatus() - FT_Read() - FT_Write() - FT_ResetDevice() A função FT_ListDevice() é utilizada para informar a existência de um DLP-USB245M conectado ao baramento USB. Dependendo dos parâmetros desta função é possível listar o número de DLP s conectados ao barramento USB, obter todas as informações disponíveis para os dispositivos conectados e outras

14 13 funcionalidades. A Figura 15 ilustra a utilização desta função. Para a sua utilização é necessário informar o identificador do dispositivo que se deseja fechar para o parâmetro fthandle. A figura 17 ilustra o uso dessa função. Figura 15 - Exemplo de utilização da função FT_ListDevices() A função FT_Open() é utilizada para abrir o dispositivo conectado ao barramento USB. Para realizar esta operação, é necessário informar a sua posição, obtida pela função FT_ListDevice(). A figura 16 ilustra um exemplo de utilização desta função. Figura 16 - Exemplo de utilização da função FT_Open() A função FT_Close() é usada para fechar um dispositivo que já está aberto. Figura 17 - Exemplo de utilização da função FT_Close() A função FT_GetStatus é utilizada em diversos trechos de uma aplicação, ela serve para informar o status atual das filas de recepção e transmissão. É através das informações obtidas por esta função que pode-se utilizar com sucesso as funções FT_Read() e FT_Write(). A função FT_Read é utilizada para ler os dados disponíveis no dispositivo que esta sendo utilizado. Para que esta função seja utilizada com sucesso é necessário informar, para o parâmetro fthandle, o identificador do dispositivo que esta sendo utilizado e a variável que irá armazenar as informações recebidas para o parâmetro lpbuffer. A figura 18 ilustra a utilização desta função.

15 14 A função FT_Write() é utilizada para escrever dados na fila de transmissão, do dispositivo. Para que esta operação seja realizada com sucesso é necessário informar o identificador do dispositivo em uso para o parâmetro fthandle e informar qual a variável que contém os dados a serem escritos no DLP. A figura 19 mostra um exemplo de como utilizar esta função corretamente. retornar FT_OK, caso contrário irá retornar o erro correspondente. De posse de todas estas informações, é possível desenvolver um aplicativo que faça uma interface de comunicação com o DLP-USB245M. Figura 19 - Exemplo de utilização da função FT_Write() Figura 18 - Exemplo de utilização das funções FT_GetStatus() e FT_Read() Por fim, a função FT_ResetDevice() é utilizada para resetar o dispositivo em uso. A figura 20 ilustra uma forma de utilização desta função. Todas as funções citadas anteriormente, retornam um valor de status. Se a operação pretendida for realizada com sucesso, a função irá Figura 20 - Exemplo de utilização da função FT_Reset_Device() 2.3. CIRCUITO DE AQUISIÇÃO Para realizar a conversão AD e fazer interface com o módulo DLP- USB245M, foi utilizado o

16 15 microcontrolador PIC16f877 da MICROCHIP. O PIC16F877 apresenta as seguintes características: - 33 pinos de I/O; - 8 k de memória de programa flash; bytes de memória RAM; bytes de memória EEPROM; - Velocidade máxima de trabalho 20 Mhz; - Watchdog timer (WDT); - 3 timers; - 8 canais A/D de 10 bits; - 1 USART síncrona/assíncrona; - Porta paralela escrava (PSP); - Porta Serial síncrona SSP, SPI e I2C. Para programação do PIC foi utilizado a linguagem C com base no compilador CCS e também foi utilizado o software ICPROG para realizar a gravação da memória de programa do PIC16f877. A figura 21 mostra todos os pinos do PIC16F877, com seus respectivos nomes e funções. Os pinos (RA0 a RA5) estão associados a porta A. (RE0, RE1 e RE2) a porta E. (RC0 a RC7) a porta C. (RD0 a RD7) a porta D. E por último, os pinos (RB0 a RB7) associados a porta B. Cada um desses pinos pode ser usado como entrada e saída e são definidos na programação. Observe que a maioria dos pinos possui mais de uma função. Como exemplo tem-se o pino 10 que tem as funções de entrada/saída digital (RE2) e de selecionar um chip SPI (CS); ou a função de um canal A/D (AN7). Figura 21 - Pinagem do PIC16F877 O PIC16F877 é composto de vários módulos como: uma unidade lógica e de controle, memórias RAM e ROM, Portas de entradas e Saídas e também vários periféricos de grande utilidade para a implementação de muitos projetos. No caso do projeto foram utilizados os oito canais de conversão analógico/digital foi configurado através da programação o conversor operando em modo de 10 bits. Justificase esta escolha de operação em 10 bits e não 8 bits devido a necessidade de se ter

17 16 maior resolução do sinal. Tem-se a necessidade de se medir uma corrente na faixa de (0 a 500A) logo a resolução do sinal, utilizando uma conversão de 8 bits e outra de 10 bits pode ser visualizada no exemplo abaixo. Conversão em 8 bits: O primeiro circuito idealizado para realizar a aquisição de dados e a transmissão pela porta USB pode ser visto na figura 22, este circuito como pode ser visto é composto de um microcontrolador PIC16F877 e um módulo DLP-USB245M. valoranalógico Re solução = n 2 valoranalógico = 500A n = 8bits 500 Re solução = 2 Isto significa que: 8 = 1,953125A Número binário Valor Analógico equivalente A , A Conversão em 10 bits: 500 Re solução = = 0, A 10 2 Número binário Valor Analógico equivalente A , A De acordo com o exemplo mostrado anteriormente, quanto maior o número de bits utilizados na conversão melhor será a resolução do sinal quando convertido para um número digital. Logo devido a esse fato, foi escolhido a configuração do conversor A/D em 10 bits. Figura 22 - Esquema eletrônico do circuito de aquisição Como pode ser visto na figura 22 o circuito também possui um total de dez chaves seletoras, as quais oito serviriam como seletoras dos canais analógicos a serem adquiridos e outras duas chaves para dar o comando de inicio e fim da aquisição, ou seja, o equipamento permitiria ao usuário selecionar

18 17 manualmente os canais analógicos desejados e posteriormente acionar um comando de inicio e logo após o término do processo de conversão de dados de analógico para digital. Visando minimizar o número de componentes físicos do equipamento, optou-se por retirar todas as chaves do circuito, fazendo com que o controle do fluxo de dados deixe de ser manual e passe a ser feito através de software. Isto quer dizer que através de um software, o usuário enviaria os comandos e opções de canais a serem adquiridos e o respectivo software enviaria estes bytes de comando à placa de aquisição e a mesma realizaria as devidas aquisições. Com base no circuito de aquisição da figura 22, desenvolveu-se o layout da placa de circuito impresso que pode ser visualizado na figura 23, um detalhe importante é que como foi dito anteriormente, optou-se por retirar as chaves seletoras deste circuito, porém mantendo-se a mesma topologia deste circuito. Figura 23 - Layout do circuito de aquisição Figura 24 - Localização dos jumpers do circuito Figura 25 - Foto da placa de aquisição montada

19 18 3. MONTAGEM DO PROTÓTIPO E ANÁLISE DOS RESULTADOS Após desenvolver e montar todas as placas foi necessário a realização de testes para verificar o funcionamento de todos os circuitos e realizar as devidas calibrações para que os valores analógicos de entrada dos sensores ficassem dentro da faixa de zero a cinco volts na saída das placas, para que pudessem ser convertidos e adquiridos logo em seguida pela placa de aquisição de dados. Figura 26 - Vista frontal do protótipo Para teste da comunicação através da porta USB, o fabricante do módulo DLP-USB245M fornece um software livre para testes chamado DLP Design Test Application, o qual pode ser adquirido através do site da mesma. A interface gráfica deste software pode ser visualizada na figura 28, este aplicativo permite abrir e fechar dispositivos FTDI conectados à porta USB, bem como enviar e receber os bytes através dos mesmos. Devido a estas facilidades, optou-se inicialmente em fase de projeto, por utilizar este software para os primeiros testes. Concluído a fase de testes, seria necessário a elaboração de um software em alguma linguagem comercial que atendesse as necessidades do projeto em questão. A fim de se efetuar a comunicação com a porta USB, foi escrito o seguinte programa em linguagem C para o microcontrolador PIC16F877: #INCLUDE <16F877.h> #DEVICE ADC=10 #FUSES NOWDT,PUT,NOPROTECT #USE DELAY(clock= ) Figura 27 - Vista Traseira do protótipo #DEFINE WR PIN_D6 #DEFINE RD PIN_D7 #DEFINE TXE PIN_D5 #DEFINE RXF PIN_D4

20 19 void send(int8 thebyte); //Declaração das funções de leitura e escrita int8 read_usb(); void adquire(int8 canal); void main() { int canal0; int canal1; int canal2; int canal3; int canal4; int canal5; int canal6; int canal7; int comando; //configura o conversor AD do PIC setup_adc_ports (all_analog); setup_adc(adc_clock_internal); while(true) { if(input(rxf)==0) { comando = read_usb(); //ler o comando da porta usb, se comando=0xff começa aquisicao if(comando = 0xFF){ canal0 = read_usb(); canal1 = read_usb(); canal2 = read_usb(); canal3 = read_usb(); canal4 = read_usb(); canal5 = read_usb(); canal6 = read_usb(); canal7 = read_usb(); while(input(rxf)==1){ if(canal0 = 0x01) adquire(0); if(canal1 = 0x11) adquire(1); if(canal2 = 0x21) adquire(2); if(canal3 = 0x31) adquire(3); if(canal4 = 0x41) adquire(4); if(canal5 = 0x51) adquire(5); if(canal6 = 0x61) adquire(6); if(canal7 = 0x71) adquire(7); } } } } } //******************************* ******************************** *** void send(int8 thebyte) { //envia o byte atraves da interface USB SET_TRIS_B(0x00);//todos pinos da porta B como saida while(input(rxf)==1);//quando TXE estiver ALTO(1) nao escrever output_b(thebyte); output_low(wr); output_high(wr);

21 20 SET_TRIS_B(0xff);//todos pinos como entrada } //******************************* ******************************** *** int8 read_usb() { int8 data8; send(make8(dado,0));//envia o byte menos significativo da variavel de 16 bits "dado" } while(input(rxf)==1);//esperar dado da USB chegar pelo set_tris_b(0xff);//tudo como entrada output_low(rd); data8=input_b();//ler dado output_high(rd); return data8; } //******************************* ******************************** *** void adquire(int8 canal) { int16 dado; set_adc_channel(canal); delay_us(10); dado = read_adc(); send(make8(dado,1));//envia o byte mais significativo da variavel de 16 bits "dado" Figura 28 - Aplicativo fornecido pela DLP-Design 4. CONCLUSÃO O protótipo desenvolvido apresentou um desempenho aceitável, sendo que os circuitos de medição de tensão, corrente e velocidade, devem ser calibrados antes para funcionarem de forma correta e assim evitar erros de medição.

22 21 O próximo passo a ser realizado com o protótipo, é realizar a aquisição de sinais de experimentos de soldagem, para assim verificar se o sistema funciona adequadamente e atende as expectativas iniciais do mesmo. Caso o sistema se mostre deficiente com relação a precisão e a taxa de amostragem do conversor analógico para digital do PIC, pode-se usar como alternativa um conversor AD externo de melhores características. Também não foi realizado nenhum teste para verificar o tempo de amostragem do sistema de aquisição de dados, sendo que isto constitui-se na próxima meta deste trabalho. 4. AGRADECIMENTOS Os autores deste trabalho agradecem ao LAPROSOLDA pelo espaço físico e equipamentos utilizados e ao CNPQ pela bolsa de Iniciação Científica. 5. BIBLIOGRAFIA Boylestad,R.,Nashelsky,L., Dispositivos Eletrônicos e Teoria dos semicondutores, São Paulo, LTC, Gibilisco, S., Manual de Eletrônica e de Telecomunicações, Reichmann e Affonso Editores, Brasil, Albuquerque, F., Programando em linguagem C, C++ e Turbo C++, Edição 1, Lacerda, E., Implementação de um controlador em FPGA para barramento USB, Pereira, F., Microcontraladores PIC, Programação em C, Edição 1, Axelson, J., USB complete, Edição 2, Datasheet DLP-USB245M, USA, DLP- Design, Datasheet FT245BM, USA, FTDIChip, Datasheet PIC16877, USA, Microchip, Messias, A., Curso USB/Serial, Controle de dispositivos: < acesso em: 20 fev Garret, P.H., Analog I/O desing: acquisition; conversion; recovery. Restom, Malvino, A. P., Eletrônica, Volume 2, 4ª Edição, São Paulo, Makron Books, 1995.