Interface com Sensor Ultrassônico de Distância Versão 2016 RESUMO Esta experiência tem por objetivo desenvolver um circuito que realiza a interface com o sensor ultrassônico de distância HC-SR04. A implementação será desenvolvida com o dispositivo programável Altera Cyclone II EP2C35F672C6. OBJETIVOS Após a conclusão desta experiência, os seguintes tópicos devem ser conhecidos pelos alunos: Medida de distância; Sensor ultrassônico; Máquina de estados; Projeto em FPGA. 1. ESPECIFICAÇÃO DO PROJETO Uma trena é um equipamento de medida de distâncias. Elas podem variar desde uma fita métrica, passando pelas trenas com fitas de aço, até as trenas digitais com medidas a laser (figura 1.1). Figura 1.1. Alguns medidores de distância. O sensor de distância é um componente essencial das trenas digitais. Tais sensores normalmente emitem um sinal eletromagnético para realizar a medida, conforme ilustrado na figura 1.2. Este sinal emitido reflete no objeto de interesse e depois é detectado pelo medidor. O intervalo de tempo entre a emissão e a recepção do sinal determina a distância entre a trena e o objeto. Figura 1.2. Esquema do processo de medida de distância com um sensor ultrassônico (adaptado de [Vahid, 2008]). Interface com Sensor Ultrassônico de Distância (2016) 1
Caso seja adotado um sensor ultrassônico de distância, o medidor emite um sinal com frequência ultrassônica que trafega na velocidade do som (aproximadamente 340 m/s a 15 o C 1 ). Assim, a distância entre o sensor e o objeto de interesse D pode ser obtida pela expressão abaixo. D T 58,82 onde a distância D é medida em centímetros e o intervalo de tempo T, em microssegundos. 1.1. Interface do HC-SR04 O projeto desta experiência deve realizar a interface com o sensor ultrassônico de distância HC-SR04. A figura 1.3 abaixo ilustra os sinais de entrada e saída do sensor. Além dos pinos de alimentação (VCC e GND), o HC-SR04 possui um sinal de entrada TRIGGER e um sinal de saída ECHO. Convém notar que a especificação do sensor mostra que os sinais de sua interface seguem os níveis de tensão TTL, com VCC=5V. Figura 1.3. Sensor ultrassônico HC-SR04. O acionamento do sensor é realizado pelo envio de um pulso com 10µs de largura no pino TRIGGER. Em seguida, o sensor envia oito pulsos ultrassônicos para o processo de medida. Depois da recepção dos pulsos refletidos, o sinal de saída ECHO apresenta um pulso de resposta, cuja largura é proporcional à distância. Este processo de medida é ilustrado na figura 1.4 abaixo. Figura 1.4. Sinais do processo de medida com HC-SR04. 1 A velocidade do som se caracteriza pelo fato de depender de alguns fatores, em particular, da temperatura ambiente. Embora seja comum adotar o valor de 340 m/s como a velocidade nominal de propagação do som na atmosfera, ela varia desde 319 m/s a -20 o C até 355 m/s a 30 o C. Interface com Sensor Ultrassônico de Distância (2016) 2
1.2. Interface do Circuito O circuito deve somente iniciar sua operação com o acionamento do sinal MEDIR. Após o seu acionamento, o circuito deve gerar o pulso TRIGGER e aguardar o sinal de resposta ECHO. Em seguida, deve-se medir a largura do pulso de resposta em microssegundos e apresentar a MEDIDA na saída e ativar o sinal PRONTO. A figura 1.5 apresenta os principais sinais do circuito. medir reset clock Interface com HC-SR04 MEDIDA pronto Trigger Echo Figura 1.5. Interface do circuito de interface com o sensor HC-SR04. Os sinais trigger e echo devem ser ligados ao sensor HC-SR04, e a saída medida deve ser apresentada em displays de 7 segmentos na placa DE2. 1.3. Alguns Módulos do Projeto O projeto do circuito de interface com o sensor HC-SR04 pode ser projetado com o uso de alguns módulos, a saber: um gerador do pulso de Trigger de 10 microssegundos e um medidor da largura do pulso de resposta Echo em microssegundos. Estes módulos devem fazer parte do Fluxo de Dados do circuito digital e podem ser acionados pela Unidade de Controle conforme a sequência apresentada na figura 1.4. A interface do primeiro módulo é apresentada na figura 1.6 abaixo. O módulo gera um pulso em nível alto com 10 microssegundos de largura a partir do acionamento do sinal de entrada ENVIA. O sinal de saída PRONTO é acionado por um período de clock para indicar o término do pulso de saída. Tal sinal tem o propósito de sincronizar o funcionamento do circuito de controle. DICA DE PROJETO: este módulo deve ser projetado tendo como base um sinal de clock de 50MHz (que possui um período de 20 nanosssegundos). O tempo de 10 microssegundos pode ser analisado em função do período do sinal de clock. envia clock Gerador do pulso de Trigger trigger pronto Figura 1.6. Interface do circuito gerador do pulso Trigger do sensor HC-SR04. O segundo módulo apresenta na saída MEDIDA a largura do pulso de entrada PULSO em microssegundos a partir do acionamento de MEDIR_LARGURA. Ao final da medida, o sinal de saída PRONTO indica que o resultado da medida está disponível para armazenamento ou processamento. DICA DE PROJETO: este módulo pode ser projetado tendo como base o circuito da experiência Um Projeto em VHDL com algumas alterações. A unidade de controle do módulo deve tratar o acionamento do sinal MEDIR_LARGURA e da saída PRONTO. Além disto, o uso de um sinal de clock de 50 MHz deve ser considerado para o processo de medida. pulso medir_largura clock Medidor da largura do pulso de Echo medida pronto Figura 1.7. Interface do circuito medidor da largura do pulso Echo do sensor HC-SR04. Interface com Sensor Ultrassônico de Distância (2016) 3
A unidade de controle do circuito de interface com o sensor ultrassônico de distância HC-SR04 deve acionar os sinais de controle dos módulos apresentados aqui e verificar os respectivos sinais de status. DICA DE PROJETO: a figura 1.8 a seguir apresenta um diagrama ASM de alto nível do circuito de interface. O grupo deve considerar este diagrama para a elaboração do diagrama ASM da unidade de controle do projeto. Figura 1.8. Diagrama ASM de alto nível para o projeto da unidade de controle. Interface com Sensor Ultrassônico de Distância (2016) 4
1.4. Restrições de Projeto Seguem abaixo algumas considerações sobre o desenvolvimento do projeto da experiência. A implementação do circuito de interface deve ser sintetizada na placa DE2 da Altera. Os alunos devem levar em consideração o uso de técnicas de projeto de circuitos digitais síncronos, conforme estudado anteriormente; A implementação deve conter componentes usando a linguagem de descrição de hardware VHDL; A descrição VHDL do circuito deve ser feita com uma descrição estrutural, decomposta em fluxo de dados e unidade de controle; Máquina de estados da Unidade de Controle: o funcionamento do circuito deve ser controlado pela UC e esta deve ser especificada através de um diagrama ASM; O planejamento deve incluir um diagrama de blocos onde a interligação dos componentes deve ser documentada. 1.5. Circuitos Integrados para Interfaceamento É comum em sistemas digitais incluir componentes que são alimentados com tensões diferentes. As tensões de alimentação podem variar desde tensões da ordem de 1V com circuitos LVCMOS (Low Voltage CMOS) ou 3,3V para LVTTL até tensões de cerca de 15V para componentes CMOS. Isto faz com que seja necessário o uso de componentes que realizam a conversão de níveis de tensão. Normalmente o uso de circuitos com saída em coletor aberto (TTL) ou dreno aberto (CMOS) realizam esta tarefa [Wakerly, 2006] como mostrado na figura 1.9. Figura 1.9. Interfaceamento com saída com coletor aberto. Atualmente, outras alternativas são permitidas. Esta seção apresenta dois circuitos integrados que serão usados nesta experiência. O primeiro é o 74LS365 que contém 6 buffers ou drivers de linha com capacidade de corrente alta. Uma saída TTL da série LS possui os parâmetros de corrente I OL e I OH iguais a 8 ma e -0,4 ma, respectivamente. Já o circuito 74LS365 apresenta valores iguais a 24 ma e -2,6 ma, respectivamente. A figura 1.10 mostra a pinagem deste circuito integrado. Convém ressaltar a necessidade de acionar as entradas OE1 e OE2 que controlam os buffers da pastilha. Figura 1.10. Circuito integrado 74LS365. Interface com Sensor Ultrassônico de Distância (2016) 5
A alta capacidade de corrente permite que este circuito possa ser usado em vias de dados onde várias cargas podem ser conectadas entre si. Nesta experiência ela deve ser usada para ligar saídas LVCMOS da placa DE2 que possuem valores até 3,3V para os componentes ligados no painel de montagens alimentados com Vcc=5V. O segundo circuito integrado 74HC4050 contém 6 buffers com entradas tolerantes a sobre-tensão, ou seja, é possível que as entradas possuam tensão maior que o valor da alimentação. Esta característica permite sua utilização em aplicações em que é necessário o abaixamento de tensão: por exemplo, no interfaceamento de circuitos com Vcc=5V para circuitos com Vcc=3,3V. Para isto basta alimentá-lo com Vcc=3,3V e ligar suas entradas nos sinais do circuito de 5V. A figura 1.11 abaixo apresenta a interface deste circuito. Figura 1.11. Circuito integrado 74HC4050. Nesta experiência o 74HC4050 será usado para ligar as saídas dos circuitos em 5V do painel de montagens para as entradas LVCMOS com nível de tensão de 3,3V da placa Altera DE2. A figura 1.12 ilustra um esquema de ligação dos buffers. VCC=5V Placa DE2 (GPIO 3,3V) 74LS365 74HC4050 Trigger Echo sensor HC-SR04 (5V) VCC=3,3V Figura 1.12. Ligação dos buffers entre a placa DE2 e o sensor HC-SR04. ATENÇÃO: cuidado com a pinagem do 74HC4050, em especial com os pinos referentes a alimentação do circuito integrado. Documente a numeração dos pinos no diagrama lógico da montagem experimental no Planejamento. Interface com Sensor Ultrassônico de Distância (2016) 6
2. PARTE EXPERIMENTAL 2.1. Atividades Pré-Laboratório Antes da realização do projeto da experiência, recomenda-se a realização da atividade de familiarização do sensor ultrassônico HC-SR04 que poderá ser conduzida nos horários de OpenLab. a) A familiarização do sensor ultrassônico HC-SR04 deve permitir conhecer com detalhes como é o seu funcionamento, limitações e valores extremos. A figura 2.1 apresenta o sensor HC-SR04 com seus sinais de controle. Após a leitura e estudo de sua documentação, elabore uma sequência de teste e verifique seu funcionamento. Documente os resultados obtidos. DICA: os sinais de interface do senso HC-SR04 seguem níveis de tensão TTL com Vcc=5V. Assim, a familiarização pode ser conduzida usando o painel de montagens experimentais usado nas primeiras experiências do semestre e disponível no Laboratório Digital. Visualize os sinais da interface com o uso de um osciloscópio digital. Figura 2.1. Sensor ultrassônico HC-SR04. b) Após a realização da familiarização, responda (com os valores experimentais medidos): 1. Quais são os valores mínimo e máximo de distância que podem ser medidos experimentalmente? 2. Quantos bits são necessários para que a saída do circuito de interface apresente o valor máximo de distância? 3. Qual é a precisão da medida (diferença mínima distinguível)? 4. O tempo de medida é fixo ou depende da distância medida? Explique como. 5. O sensor funciona corretamente quando alimentado com Vcc=3,3V? Qual é seu comportamento? c) Desenvolva o projeto do circuito de interface com o sensor ultrassônico de distância, conforme especificação apresentada na seção 1.2. Apresente as decisões de projeto e detalhes do seu funcionamento. Acrescente com formas de onda das simulações do sistema digital e de suas partes. 2.2. Montagem Experimental do Projeto d) O circuito projetado deve ser implementado na placa DE2 da Altera, e seguir a seguinte designação mínima de sinais: sinal MEDIR CLOCK RESET TRIGGER ECHO MEDIDA PRONTO pino pino GPIO_1[0] clock interno de 50MHz pino GPIO_1[1] pino GPIO_1[2] pino GPIO_1[3] displays HEX0 a HEX3 led LEDG0 e pino GPIO_1[4] Interface com Sensor Ultrassônico de Distância (2016) 7
Defina um conjunto de sinais de depuração que podem ser mostrados em leds e displays disponíveis. O planejamento deve conter uma tabela com a designação destes sinais adicionais. Incluir também o procedimento de depuração a ser adotado pelo grupo, com a adoção de ferramentas disponíveis (p.ex leds e displays da placa DE2, osciloscópio digital, ferramenta SignalTap II do Quartus II, etc). e) Programe o projeto sintetizado na placa DE2 no Laboratório Digital e teste o circuito. f) Relate quaisquer ocorrências experimentais. 2.3. Desafio g) Uma modificação será apresentada ao professor. Implemente, documente e execute uma demonstração de seu funcionamento. h) Anote os resultados experimentais no relatório. 2.4. Atividades Pós-Laboratório i) Após a conclusão das atividades experimentais, responda as perguntas abaixo. 1. O sensor HC-SR04 apresenta sensibilidade a objetos próximos ao sensor? Como isto pode ser verificado? 2. Faça medidas repetidas para um objeto a uma mesma distância. Qual foi a variação dos resultados obtidos? Explique. 3. Como este projeto pode ser modificado para mostrar o resultado em centímetros? Explique. 3. BIBLIOGRAFIA ALTERA. DE2 Development and education board user manual. 2008. Version 1.42. MENEZES, M.P.; SATO, L.M.; MIDORIKAWA, E.T. Projeto de Circuitos com Quartus II 9.1. Apostila de Laboratório Digital. Departamento de Engenharia de Computação e Sistemas Digitais, Escola Politécnica da USP. Edição de 2011. MIDORIKAWA, E.T. Projeto de Sistemas Digitais. Apostila de Laboratório Digital, 2012. TOCCI, R.L.; WIDMER, N.S.; MOSS, G.L. Digital Systems: Principles and Applications. 11 th ed., Prentice-Hall, 2011. VAHID, F. Sistemas Digitais: Projeto, Otimização e HDLs. Bookman, 2008. WAKERLY, John F. Digital Design Principles & Practices. 4 th edition, Prentice Hall, 2006. 4. MATERIAL DISPONÍVEL Circuitos Integrados para interface: 74LS365 e 74HC4050. 1 sensor ultrassônico HC-SR04. 1 protoboard ou painel de montagens experimentais ou outra plataforma de montagem. 5. EQUIPAMENTOS NECESSÁRIOS 1 computador compatível com IBM-PC com software Altera Quartus II. 1 placa de desenvolvimento FPGA DE2 da Altera com o dispositivo Altera Cyclone II EP2C35F672C6. 1 dispositivo Analog Discovery da Digilent. Histórico de Revisões E.T.M./2014 versão inicial E.T.M./2015 revisão E.T.M./2016 revisão e adaptação Interface com Sensor Ultrassônico de Distância (2016) 8