Painel Luminoso com LEDs Versão 2007 RESUMO Esta experiência consiste no projeto e na implementação do circuito de controle de um painel luminoso composto por LEDs (diodos emissores de luz). Através da programação de um conjunto de efeitos, o painel luminoso deve apresentar vários padrões de luz. Para o seu desenvolvimento, será introduzida a memória 74189. 1. INTRODUÇÃO TEÓRICA Memórias são dispositivos que permitem armazenar dados digitais, sendo muito utilizados em uma grande variedade de circuitos digitais, tais como, computadores, calculadoras, telefones celulares, fornos de microondas e até brinquedos. A operação básica de um circuito de memória é praticamente a mesma, independentemente do seu tipo (ROM, RAM, etc). Todo sistema de memória possui pinos de entrada e saída de dados, pinos de endereçamento e pinos de controle para realizar as seguintes funções (Tocci et al. 2007): a) Selecionar o endereço na memória que está sendo acessado por uma operação de leitura ou de escrita; b) Selecionar uma operação de leitura ou de escrita para ser realizada; c) Fornecer os dados de entrada para serem armazenados na memória durante a operação de escrita; d) Manter os dados de saída vindos da memória durante uma operação de leitura; e) Habilitar (ou desabilitar) a memória de modo que ela responda (ou não) às entradas de endereço e ao comando de leitura ou de escrita. A figura 1.1 mostra um diagrama simplificado de uma memória de 32x4 que armazena trinta e duas palavras de quatro bits. Como a palavra é de quatro bits, existem quatro pinos de entrada de dados (D0 a D3) e quatro pinos de saída (O0 a O3). As trinta e duas posições de memória são determinadas pelos cinco pinos de endereçamento (A0 a A4). A operação a ser realizada é especificada pelo pino R/ W e a habilitação de funcionamento da memória é especificada pelo pino CE. D0 a D3 A0 a A4 R/W 4 5 Memória 32x4 4 O0 a O3 CE Figura 1.1 Diagrama simplificado de uma memória de 32 x 4 bits. Caso seja necessário, por exemplo, aumentar a largura da palavra de memória para 8 bits, basta realizar a associação de duas pastilhas de memória. De forma similar, caso se deseje aumentar o número de palavras para 64, uma outra forma de associação é necessária. Para mais informações consulte as referências (Tocci et al 2007) e (Fregni e Saraiva 1995). Painel Luminoso com LEDs (2007) 1
1.1. Memória de Acesso Aleatório 74189 (RAM) O circuito integrado 74189 é uma memória de 64 bits organizados em 16 palavras de 4 bits. Os sinais de controle e dados são mostrados na figura 1.2, onde tem-se que: D 0 a D 3 - dado de entrada (4 bits); A 0 a A 3 endereço da palavra (4 bits); CE - sinal de seleção da pastilha (chip-enable); WE - sinal de controle para armazenamento (write-enable); O - saída de dados (4 bits, tri-state); D3 D2 O 3 D1 D0 O 2 A3 A2 O 1 A1 A0 CE WE O 0 () - sinais tri-state. Figura 1.2 - Circuito Integrado 74189. Para realizar uma leitura de uma posição de memória, deve-se primeiro colocar o endereço nas entradas A 0 a A 3 e depois colocar o sinal CE em "0", mantendo WE em 1. Para realizar uma escrita em uma posição, além de endereçar a palavra e colocar o sinal CE em "0", deve-se colocar o dado a ser escrito nas entradas D 0 a D 3 e a seguir gerar um pulso negativo na entrada WE. A figura 1.3 mostra o diagrama de tempos para um ciclo de leitura e um de escrita. LEITURA ESCRITA DADO ENDEREÇO CE WE SAÍDA Figura 1.3 - Diagrama de Tempos dos sinais do circuito 74189 para um ciclo de leitura e um de escrita. OBS: Existem diferenças entre as memórias 7489, 74189 e 74289. Consulte os respectivos manuais. Painel Luminoso com LEDs (2007) 2
2. PARTE EXPERIMENTAL 2.1. Familiarização com o 74189 Este item tem como objetivo a familiarização com a operação do circuito de memória 74189. a) Monte um contador de 4 bits, ligando o botão B1 na entrada de clock e as quatro saídas em um display (D3). Ligue os demais sinais de entrada do contador de forma conveniente e teste o funcionamento desta parte. b) Efetuar, em seguida, a ligação dos seguintes sinais: Ligar os 4 bits da saída do contador acima nas 4 entradas de endereço do 74189 (mantendo a saída no display D3); Ligar as chaves C0 a C3 nas entradas de dados do 74189 e as saídas D 0 a D 3 em leds (L8 a L11); Ligar os sinais /CE e /WE nas chaves C6 e C7, respectivamente. c) Acionando o botão B1 e as chaves C6 e C7 de maneira adequada, execute operações de gravação de um conjunto de dados na memória. d) Execute posteriormente a leitura dos dados que foram gravados na memória. e) Anote como é o funcionamento da memória. 2.2. Projeto do Painel Luminoso de LEDs O painel luminoso de LEDs deve apresentar um conjunto variado de efeitos luminosos a partir da programação de um padrão na memória interna. Um conjunto de seis LEDs estará disponível. O circuito deve ter dois modos de operação: Modo de configuração (MODO=0): permite a programação do efeito luminoso, através da gravação dos dados das chaves na memória, acionando-se o botão B2 (PROXIMO); Modo de execução (MODO=1): inicia a execução do efeito luminoso programado na memória do circuito. O projeto básico do circuito do painel luminoso de LEDs deve seguir o Diagrama de Blocos apresentado na figura 2.1. Os blocos envolvidos são os seguintes: CONTADOR: fornece o endereço de acesso da memória. MEMÓRIA: armazena os dados programados no Modo de Configuração. UNIDADE DE CONTROLE: controla o funcionamento do circuito do painel luminoso nos Modos de Configuração e de Execução. 2.2.1. Sinais do Circuito do Painel Luminoso Os sinais do circuito são os apresentados abaixo, classificados como sinais de entrada, sinais de saída e sinal de controle interno. a) Sinais de Entrada: DADOS (CH0 a CH5) chaves que correspondem aos dados a serem programados. MODO (CH7) seleciona o modo de operação do circuito (0 = modo de configuração e 1 = modo de execução). RESET (B1) inicialização do sistema em cada um dos modos de operação (pulso em nível alto). PROXIMO (B2) usado na programação dos dados na memória. CLOCK sinal do gerador externo para sincronismo do controle. b) Sinal de Saída: MODO_SISTEMA (LED 0) indica o modo de operação do circuito (0 = modo de segurança e 1 = modo de execução). c) Sinais de Controle Internos: SINAIS DE CONTROLE DA MEMÓRIA utilizados para controle de operações de leitura e gravação de dados na memória. SINAIS DE CONTROLE DO CONTADOR utilizados para controlar a operação do contador (incremento e reinicio da contagem). Painel Luminoso com LEDs (2007) 3
CONTADOR Dados (CHAVES) MEMÓRIA Painel Luminoso Sinais de controle do contador Sinais de controle da memória MODO (CH7) RESET (B1) PROXIMO (B2) CLOCK UNIDADE DE CONTROLE MODO_SISTEMA (L0) Figura 1. Diagrama de Blocos do Painel Luminoso. 2.3. Montagem em Laboratório A montagem do circuito do Painel Luminoso de LEDs deverá seguir as etapas abaixo: 1. Modo de Configuração Nesta etapa, deverão ser montados os módulos contador e memória e parte da lógica de controle, referentes ao funcionamento do Modo de Configuração. A equipe deve planejar os passos necessários para esta etapa, mostrando os testes que devem ser efetuados para apresentar um circuito funcionalmente correto. 2. Modo de Execução Aqui, deve ser montado a parte da lógica de controle, referente ao funcionamento do Modo de Execução. A equipe deve planejar os procedimentos adequados para a demonstração do funcionamento correto do circuito. 3. Teste do circuito completo Nesta etapa, o circuito completo deverá ser avaliado para se verificar o seu pleno funcionamento. 2.4. Operação do Circuito Nesta etapa, o circuito completo deverá ser avaliado. A seqüência normal de utilização deverá ser testada pela equipe: inicialmente, um padrão luminoso deverá ser programada, e depois, ao menos dois casos, serão apresentados. O uso do sinal RESET também deverá ser levado em conta. Painel Luminoso com LEDs (2007) 4
PERGUNTAS: 1. O que ocorre no circuito projetado, caso o usuário tente inserir mais de 16 dados quando estiver gravando dados na memória? 2. Como a ocorrência de bounce das chaves foi levada em consideração no projeto do circuito? 3. O que ocorreria na operação do circuito caso o botão B1 fosse substituído por uma chave (sinal RESET)? 2.5. Pequena Modificação A especificação inicial do projeto do Painel Luminoso com LEDs com apenas seis LEDs foi devido ao fato de se dispor apenas de oito chaves no painel de montagens experimentais. Como o projeto do Painel Luminoso com LEDs pode ser modificado para, mantendo o uso de apenas seis chaves para a programação dos efeitos luminosos, fazer uso de 8 LEDs (fig. 2.2)? Projetar esta modificação a partir do projeto inicial do circuito da figura 2.1. Explique o funcionamento do circuito modificado. CONTADOR 8 Dados (CHAVES) 6 Sinais de controle do contador MEMÓRIA Sinais de controle da memória Painel Luminoso (8 leds) MODO (CH7) RESET (B1) PROXIMO (B2) CLOCK UNIDADE DE CONTROLE MODO_SISTEMA (L0) Figura 2.2 Modificação no circuito original do Painel Luminoso com LEDs. Monte esta modificação e teste o circuito, mostrando ao menos 2 padrões luminosos. Painel Luminoso com LEDs (2007) 5
3. BIBLIOGRAFIA 1. FREGNI, Edson e SARAIVA, Antonio M. Engenharia do Projeto Lógico Digital: Conceitos e Prática. Editora Edgard Blücher Ltda, 1995. 2. TOCCI, R. J.; WIDMER, N. S.; MOSS, G. L. Digital Systems: principles and applications. 10 th ed., Prentice-Hall, 2007. 4. MATERIAL DISPONÍVEL Circuitos Integrados TTL - 7400, 7404, 7408, 7410, 7432, 7474, 7486, 74161, 74163, 74189 (se for necessário, verifique a disponibilidade de outros componentes). 5. EQUIPAMENTOS NECESSÁRIOS 1 painel de montagens experimentais. 1 fonte de alimentação fixa, 5V ± 5%, 4A. 1 osciloscópio digital. 1 multímetro digital. 1 gerador de pulsos. Histórico de Revisões E.T.M./2006 primeira versão da experiência. E.T.M./2007 revisão do texto. Painel Luminoso com LEDs (2007) 6