Trena Digital Versão 2014 RESUMO Esta experiência tem por objetivo desenvolver um circuito que realiza a medida de distância para um objeto. 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 projeto desta experiência visa desenvolver um circuito digital que permite realizar a medida de distâncias. A interface do circuito deve seguir os sinais apresentados na figura 1.2. O sistema digital completo deve conter circuitos digitais para o processamento, armazenamento e visualização das medidas. O processo de medida de distância é executado com auxílio de um sensor específico. LIGA MODO MEDIR GRAVAR PRÓXIMO CLOCK Trena Digital MEDIDA INDICE Modo_atual Figura 1.2. Interface da Trena Digital. Trena Digital (2014) 1
1.1. Descrição do Funcionamento O circuito deve somente iniciar sua operação com o acionamento do sinal LIGA. Em qualquer momento, o desacionamento do sinal LIGA deve interromper o funcionamento do sistema. No modo de MEDIÇÃO do circuito (MODO=0), a trena digital deve efetuar uma medida com o acionamento do botão MEDIR e o valor medido deve ser apresentado nos displays MEDIDA. O número de sequência da medida é apresentado na saída INDICE. A medida efetuada pode ser armazenada em uma memória interna com o acionamento do botão GRAVAR. O modo atual de funcionamento do circuito deve ser apresentado no led Modo_atual. O outro modo de funcionamento (modo MEMÓRIA) permite verificar o conteúdo da memória interna de medidas. As saídas são apresentadas nos displays MEDIDA e INDICE. Os valores armazenados podem ser visualizados com o acionamento do botão PRÓXIMO. 1.2. Restrições de Projeto Segue abaixo algumas considerações sobre o desenvolvimento do projeto do circuito de Trena Digital. A implementação do circuito da Trena Digital pode ser realizada na placa DE2 da Altera 1. Os alunos devem levar em consideração o uso de técnicas de projeto síncrono, conforme estudados anteriormente [Midorikawa, 2012]; Máquina de estados da Unidade de Controle: o circuito deve ser decomposto em fluxo de dados e unidade de controle. O funcionamento do circuito deve ser controlado pela UC e esta deve ser especificada através de um diagrama ASM; VHDL: a implementação deve conter ao menos um módulo usando a linguagem de descrição de hardware VHDL. 1.3. Alternativas para Funções Adicionais O funcionamento básico do circuito de Trena Digital pode se estendido para incluir outras funções. A seguir apresentamos uma lista com algumas alternativas possíveis. Ajuste e calibração: permite ajustes da medida apresentada em função da posição do aparelho ou outras diferenças no circuito ou sensor; Unidades de medida: outras unidades de medida podem ser disponíveis aos usuários; Laser de apoio: para apontar ou posicionar corretamente o medidor, um laser de apoio pode ser incluído na montagem; Operações aritméticas: possibilidade para realização de algumas operações aritméticas com as medidas efetudas (p.ex. soma ou subtração de duas medidas consecutivas); Cálculo de volume: as três últimas medidas podem ser usadas para calcular o volume de um ambiente; Multiplexação dos botões: modos diferentes do circuito podem compartilhar botões quando estes podem desempenhar múltiplas funções; Modo de medida contínua: modo em que medidas podem ser efetuadas sem necessidade do acionamento de um botão de início de medida; Temporização ajustável: certas medidas em posições difíceis podem necessitar de um modo de medida com temporização ajustável; Sinal sonoro: o usuário pode se beneficiar de um sinal sonoro que indica quando uma medida é realizada ou quando há a ocorrência de um erro; Levar em consideração as dimensões do invólucro do aparelho: a medida pode se feita a partir do sensor de medida de distância ou a partir do corpo do aparelho. Os aparelhos comerciais permitem que a medida seja feita posicionando o aparelho no ponto de medida (p.ex. na parede de uma sala). Cabe ressaltar que a lista acima não é exaustiva e outras modificações são possíveis. 1 Caso o grupo optar por implementar o circuito no painel de montagens experimentais com componentes discretos, o grupo deve adaptar a atribuição dos sinais de entrada e saída para os elementos disponíveis no painel (chaves, botões, leds e displays de 7 segmentos). Trena Digital (2014) 2
1.4. 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 1.3. Figura 1.3. 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 1.4 mostra a pinagem deste circuito integrado Figura 1.4. Circuito integrado 74LS365. 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 1.5 abaixo apresenta a interface deste circuito. Figura 1.5. 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 da placa Altera DE2. Trena Digital (2014) 3
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 será usado. 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. Figura 2.1. Sensor ultrassônico HC-SR04. b) Após a realização da familiarização, responda (com os valores experimentais medidos): Quais são os valores mínimo e máximo de distância que podem ser medidos? Qual é a precisão da medida (diferença mínima distinguível)? O tempo de medida é fixo ou depende da distância medida? Explique como. O sensor funciona corretamente quando alimentado com Vcc=3,3V? Qual é seu comportamento? c) Desenvolva o projeto do circuito de Trena Digital, conforme especificação apresentada na seção 1. Apresente as decisões de projeto e detalhes do seu funcionamento. Acrescente com formas de onda das simulações do sistema digital e de suas partes. d) Desafio. Implemente alguma função adicional na Trena Digital. Explique seu funcionamento e documente o projeto. e) Elabore um Manual de Usuário para o projeto, e indique no documento: Valores limites de medida do projeto (mínimo e máximo); Capacidade de armazenamento da memória interna; Detalhamento da função adicional implementada. 2.2. Montagem Experimental do Projeto f) Se o circuito projetado for implementado na placa DE2 da Altera, deve-se seguir a seguinte designação mínima de sinais: LIGA: chave SW0; MODO: chave SW17; MEDIR: botão KEY0; GRAVAR: botão KEY1; PROXIMO: botão KEY3; MEDIDA: displays HEX3 a HEX0; INDICE: displays HEX5 e HEX4; Modo_atual: led LEDG0; CLOCK: clock interno. 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. g) Programe o projeto sintetizado na placa DE2 no Laboratório Digital e teste o circuito. h) Relate quaisquer ocorrências experimentais. i) Desafio. Apresente o funcionamento da função adicional proposta pelo grupo. DICA: lembrem-se que os botões na placa DE2 são ativos em baixo. O projeto deve levar isto em consideração. Use a tabela de designação de pinos da placa DE2. Trena Digital (2014) 4
2.3. Atividades Pós-Laboratório j) Após a conclusão das atividades experimentais, responda as perguntas abaixo. 1. Com uso de outro medidor de distância avalie a exatidão do circuito projetado. Qual é o valor do erro da medida obtida pelo projeto? Ela depende do valor medido ou é fixo? Compare com valores de medidores comerciais. 2. Avalie também a precisão da medida. Qual é a menor diferença de distância que pode ser medida? Ela depende da distância? Compare com valores de medidores comerciais. 3. Cite limitações de projeto e/ou de operação do circuito de Trena Digital do grupo. Explique. Como estas limitações podem ser superadas (se possível)? 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 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. Histórico de Revisões E.T.M./2014 versão inicial Trena Digital (2014) 5