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Elaboração de ferramenta de desenvolvimento paramonitoramento e atuação em sistemas eletrônicos

Mathias Scroccaro CostaFaculdade de EngenhariaElétrica e Computação

UnicampCampinas, São Paulo

Email: mathias.scroccaro@gmail.com

Felipe W. D. PfrimerUniversidade Tecnológica

Federal do ParanáToledo, Paraná

Email: pfrimer@utfpr.edu.br

Leandro Tiago ManeraFaculdade de EngenhariaElétrica e Computação

UnicampCampinas, São Paulo

Email: manera@dsif.fee.unicamp.br

Resumo—Grande parte das grandezas físicas é de naturezaanalógica, sendo necessário conversores AD (analógico paradigital) e DA (digital para analógico) para que possam sermonitoradas e controladas por sistemas eletrônicos digitais. Oobjetivo deste trabalho foi projetar e elaborar um dispositivoUSB (Universal Serial Bus) capaz de digitalizar sinais analógicose atuar de forma digital ou analógica em sistemas externos. Osistema foi projetado de forma a possuir oito entradas analógicas,oito saídas analógicas, oito saídas digitais e uma porta decomunicação USB para conectar o dispositivo a um computador(PC). Gerenciando a ferramenta, existe um microcontroladorprogramado com um protocolo de comunicação que pode serutilizado para acessar os diversos periféricos do sistema. Foiverificada a aplicabilidade do sistema por meio de uma interfacesupervisória, controlando as saídas analógicas e digitais, bemcomo realizando a leitura de canais de entrada analógica. Atravésdesta ferramenta, futuros projetos podem ser desenvolvidossem a necessidade da implementação de hardware adicional deconversão AD e DA, contribuindo para redução do tempo e custoem novas pesquisas.

I. INTRODUÇÃO

A maioria das grandezas físicas é de natureza analógica(contínua). Essas grandezas são, na maioria das vezes, en-tradas e saídas monitoradas e controladas por um sistema.No entanto, os sistemas digitais, que trabalham somente comsinais discretos, não são capazes de lidar com sinais analógicosdiretamente. À vista disso, são necessárias etapas de conversãoque podem ser de dois tipos: analógico-digital (AD) ou digital-analógico (DA).

Projetos de sistemas eletrônicos para o condicionamentoou monitoramento de sinais frequentemente repetem blocoscontendo etapas de conversão AD, processamento digital econversão DA. Alguns exemplos onde esses são implementa-dos são vistos em sistemas para o controle de temperatura [1],comando de motores de passo [2], excitação magnética [3],etc.

Assim, visando a auxiliar na redução de custos e tempo deprodução em projetos de pesquisa, foi projetada e elaboradauma ferramenta de desenvolvimento capaz de digitalizar sinaisanalógicos, comunicar com um computador e atuar de formadigital e analógica em circuitos externos. Para tanto, uma placade circuito impresso foi projetada contendo um microcontro-lador Atmega328p, um DAC (Digital to Analog Conververt)

Figura 1. Esquemático em blocos do sistema desenvolvido

modelo DAC8568 e pinos (bornes) de comunicação, alimen-tação, aquisição e controle de sinais.

II. PROJETO DO DISPOSITIVO

Um diagrama de blocos do todo sistema pode ser visto naFigura 1. Os número indicam: (1) as entradas e saídas, ana-lógicas e digitais; (2) conversor digital para analógico (DAC);(3) microcontrolador gerenciando digitalização das entradasanalógicas e também comunicação com o DAC e interfacesupervisório; (4) conversor de protocolos USB-UART; E porfim, (5) interface do usuário.

Para o projeto da placa de circuito impresso foi utilizado osoftware EDA (Electronic Design Automation) KiCad [4]. Aotodo, foram previstas oito entradas analógicas, oito saídas ana-lógicas e oito saídas digitais. Na alimentação da ferramenta,um circuito de captação da tensão fornecida pela interfaceUSB do computador foi elaborado.

A. O desenvolvimento do Hardware

As entradas analógicas e saídas digitais puderam ser im-plementadas por meio dos periféricos presentes no microcon-trolador Atmega328p, enquanto as saídas analógicas foramadministradas pelo circuito do DAC. Todas as entradas e saídasforam protegidas por resistores de 300 Ω, interfaceando, assim,dispositivos externos e os circuitos integrados da placa.

Convenientemente, o microcontrolador utilizado apresentaoito canais multiplexados de conversão de tensão analógicapara digital (ADC), com resolução de 10 bits, e váriasportas que funcionam como entradas ou saídas digitais [5].Também foi planejado para o microcontrolador controlar asoperações realizadas pelo DAC, por meio de um barramento

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Figura 2. Projeto das trilhas da placa no software KiCad

de comunicação SPI (Serial Peripheral Interface). Este últimocircuito integrado possui oito canais de conversão digital paraanalógica de resolução 16 bits [6].

Para gravação do microcontrolador, foi prevista a utilizaçãoda interface ICSP (In-Circuit Serial Programming), a qualpermite a transferência dos programas ao circuito integradosem a necessidade de retirá-lo da placa.

Na Figura 2 é possível observar o projeto das trilhas da placano software KiCad. Nota-se que os resistores, capacitores e cir-cuitos integrados utilizados são do tipo SMD (Surface-MountTechnology), contribuindo para sua redução do tamanho. Ocircuito finalizado foi manufaturado industrialmente e depoisseus componentes soldados manualmente.

B. Software para verificação

Com o objetivo de validar a funcionalidade da ferramentade desenvolvimento, uma interface gráfica foi desenvolvidano software LabView [7]. Por meio de um conversor USB-UART (Universal Serial Bus - Universal Asynchronous Re-ceiver/Transmitter) o microcontrolador manteve comunicaçãocom computador, possibilitando a troca de dados.

Deste modo, os recursos projetados e oferecidos pela pla-taforma foram testados, de maneira que a interface gráficacontrolou as oito entradas e saídas analógicas, bem como asoito saídas digitais.

O algoritmo gravado no microcontrolador permitiu digitali-zar um canal de entrada analógica e enviar os dados via UART,controlar o nível de tensão das saídas analógicas do DAC e dassaídas digitais. Todas estas tarefas tiveram de ser realizadasde forma que uma não comprometesse o funcionamento daoutra, assim, optou-se pelo desenvolvimento do código fonteem forma de máquina de estados.

III. RESULTADOS

Ao todo, três placas idênticas foram produzidas. O detalhede uma delas pode ser visto na Figura 3, cujos bornes deligação e componentes do circuito estão destacados. Todas asplacas foram testadas e seus circuitos corretamente soldados.

A interface gráfica finalizada pode ser observada na Figura4. Nela estão presentes elementos de controle da comunicação

Figura 3. Ferramenta de desenvolvimento finalizada

Figura 4. Interface gráfica desenvolvida no software LabView

UART, indicadores e botões de controle para as saídas digitais,além de um gráfico. Para o sinal exibido na Figura 4, émostrada uma forma de onda senoidal com frequência de1 Hz, captada pela ferramenta através de uma das entradasanalógicas (no caso, a entrada chamada AI0). O sinal foiconcebido por um gerador de funções arbitrárias. Os demaiscanais funcionaram de forma equivalente.

Com a interface foi possível controlar todos os recursosdisponíveis e projetados para ferramenta, incluindo a leiturade todos os canais de amostragem, controle sobre a tensãofornecida nas saídas analógicas do DAC e também sobre asportas digitais.

IV. CONCLUSÃO

O projeto da ferramenta contemplou a construção de cir-cuitos para a manipulação de sinais digitais e analógicos, bemcomo uma solução de controle e monitoramento dessas gran-dezas por meio de uma interface gráfica. Após todo o projeto eprocesso de manufatura, ao todo, três placas foram construídas,com pleno funcionamento dos recursos projetados.

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Por meio destas ferramentas, futuros projetos podem ser de-senvolvidos sem a necessidade da implementação de hardwareadicional de digitalização do sinal, monitoramento, controle desinais digitais e até mesmo valores de tensão. Desta maneira,contribuem para redução do tempo e custos envolvendo novaspesquisas.

AGRADECIMENTOS

O presente trabalho foi realizado com o apoio da FundaçãoAraucária FA - Paraná/Brasil.

REFERÊNCIAS

[1] Y. Sanjaya, A. Fauzi, D. Edikresnha, M. M. Munir and Khairurri-jal. Air temperature regulation in a chamber for rotary forcespinning.2016 International Seminar on Sensors, Instrumentation, Measurementand Metrology (ISSIMM), Malang, 2016, pp. 28-31. doi: 10.1109/IS-SIMM.2016.7803716

[2] Zhihuang Huang, Lin Li and Donghui Guo. Design of stepping motordriving module for automatic microscope system. 2009 3rd Internati-onal Conference on Anti-counterfeiting, Security, and Identification inCommunication, Hong Kong, 2009, pp. 328-331. doi: 10.1109/ICA-SID.2009.5276890

[3] A. F. Restrepo, L. J. Martinez, C. R. Pinedo, E. Franco and H. Cadavid.Design Study for a Cellular Culture Bioreactor Coupled with a MagneticStimulation System. IEEE Latin America Transactions, vol. 11, no. 1, pp.130-136, Feb. 2013. doi: 10.1109/TLA.2013.6502791

[4] Kicad. Site oficial do software EAD KiCad. Disponível em: <http://kicad-pcb.org/>. Acesso em: 13 de julho de 2017.

[5] Atmel. Datasheet Atmega328p. Disponível em:<http://www.atmel.com/images/Atmel-8271-8-bit-AVR-Microcontroller-ATmega48A-48PA-88A-88PA-168A-168PA-328-328P_datasheet_Complete.pdf>. Acesso em: 13 de julho de 2017.

[6] Instruments, T. Datasheet DAC 8568. Disponível em:<http://www.ti.com/lit/ds/symlink/dac8568.pdf>. Acesso em: 13 dejulho de 2017.

[7] Labview. Site oficial do software LabView. Disponível em:<http://www.ni.com/pt-br/shop/labview.html>. Acesso em: 13 dejulho de 2017.

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