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AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL MICROCONTROLADA PARA TRANSMISSÃO DE DADOS VIA REDE ELÉTRICA Fernando Hilton Teixeira Ferreira Natal - RN 2012 Número de Ordem do PPgEEC: M355 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA E COMPUTAÇÃO

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AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL

MICROCONTROLADA PARA TRANSMISSÃO

DE DADOS VIA REDE ELÉTRICA

Fernando Hilton Teixeira Ferreira

Natal - RN

2012

Número de Ordem do PPgEEC: M355

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA E COMPUTAÇÃO

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FERNANDO HILTON TEIXEIRA FERREIRA

AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL

MICROCONTROLADA PARA TRANSMISSÃO

DE DADOS VIA REDE ELÉTRICA

Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de

Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Computação

(PPGEEC) da Universidade Federal do Rio Grande do

Norte (UFRN), área de concentração: Automação e

Sistemas, como parte dos requisitos para a obtenção do

título de Mestre em Ciências de Engenharia Elétrica e

Computação.

Orientador: Prof. D.Sc. Anderson Luiz de Oliveira

Cavalcanti

Natal - RN

2012

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Seção de Informação e Referência Catalogação da Publicação na Fonte. UFRN / Biblioteca Central Zila Mamede

Ferreira, Fernando Hilton Teixeira. Automação residencial microcontrolada para transmissão de dados via rede elétrica / Fernando Hilton Teixeira Ferreira. - Natal, 2015. 70f: il. Orientador: Anderson Luiz de Oliveira Cavalcanti. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Computação. 1. Protocolos - informática. 2. Automação Residencial. 3. Protocolo de comunicação. 4. Microcontrolador. I. Cavalcanti, Anderson Luiz de

Oliveira. II. Título.

RN/UF/BCZM CDU 004.057.4

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Aos meus Pais,

José Ferreira Filho e

Maria do Carmo Teixeira Ferreira.

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AGRADECIMENTOS

A meu Deus, que me fez existir e confiar em Sua força que me faz perseverar nesta vida.

A meus pais, Zê de Zuza e Maria do Carmo, que me fizeram fruto de um amor e me

educaram para ser o que sou hoje.

À minha esposa, Gláucia, por seu carinho e pela compreensão diante das dificuldades.

À minha irmã, Maria José, pela força que me deu para realizar este sonho.

Ao professor Anderson Cavalcanti, meu orientador, que, com muita calma e serenidade,

caminhou comigo construindo o conhecimento.

Ao professor Antônio Campos, pela grande colaboração que, com toda a sua experiência,

me norteou o conhecimento.

Aos meus colegas do MINTER pela parceria, pelos encontros e pelas dificuldades e

alegrias por que juntos passamos, em especial a Marcos Meira e Marcílio de Paiva Onofre

Filho, que, juntamente com o professor Dr. José Bezerra de Menezes Filho, se esforçaram

para que este MINTER acontecesse.

Ao magnífico reitor do IFPB, João Batista de Oliveira Silva, por todo o seu empenho.

Ao professor Dr. Wilson Guerreiro Pinheiro, pela acurada revisão final desta dissertação.

A todos aqueles que, direta ou indiretamente, contribuíram para a realização deste

trabalho.

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RESUMO

Este trabalho trata da especificação e da implementação de um protocolo para controlar a

comunicação entre dois microcontroladores (PICs), utilizando como meio de transmissão a

rede elétrica, tornando a comunicação mais segura e economicamente viável. O Protocolo foi

implementado em linguagem de programação C, tendo como referência alguns protocolos

desenvolvidos para uso automobilístico. Foi implementado também um circuito para testar a

comunicação PLC e o Protocolo.

Palavras-Chaves: Automação Residencial. Protocolo. PLC. PIC.

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ABSTRACT

This work deals with the specification and the implementation of a protocol for controlling

communication between two programmable interface microcontrollers (PIC), using power

line communication (PLC), making communication more secure and economically viable.

The Protocol was implemented in C language, with reference to some protocols developed for

automotive use. A circuit to test the communication between the PLC and the Protocol was

also implemented.

Keywords: Home Automation. Protocol. PLC. PIC.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1 PIC 16F877A ........................................................................................................ 18

Figura 2.1 Espectro de frequência .......................................................................................... 24

Figura 2.2 Espectro FDM convencional e OFDM ................................................................. 29

Figura 2.3 Subcanal de um sistema OFDM ........................................................................... 29

Figura 2.4 Representação da organização do microcontrolador PIC ..................................... 31

Figura 2.5 Quadro de mensagem do CAN 2.0A (Standard) .................................................. 35

Figura 2.6 Quadro de mensagem do formato CAN 2.0B (Estendida).................................... 35

Figura 2.7 Formato de uma Mensagem LIN .......................................................................... 37

Figura 3.1 Transmissão Simplex ............................................................................................ 40

Figura 3.2 Transmissão half-duplex ....................................................................................... 40

Figura 3.3 Transmissão full-duplex ........................................................................................ 41

Figura 3.4 Dados da UART .................................................................................................... 42

Figura 3.5 Protocolo implementado ....................................................................................... 42

Figura 3.6 Fluxograma do PIC Transmissor .......................................................................... 43

Figura 3.7 Fluxograma do PIC Receptor ................................................................................ 44

Figura 3.8 Circuito de Simulação ........................................................................................... 46

Figura 4.1 Diagrama de blocos do Sistema ............................................................................ 47

Figura 4.2 Resposta de frequência do filtro ........................................................................... 48

Figura 4.3 Acoplamento ......................................................................................................... 49

Figura 4.4 Modulador FSK .................................................................................................... 49

Figura 4.5 Banda de frequências utilizadas ............................................................................ 50

Figura 4.6 Demodulador FSK ................................................................................................ 51

Figura 4.7 Circuito do PIC ..................................................................................................... 52

Figura 4.8 Forma de onda do Sinal de Entrada e do Sinal de Saída....................................... 53

Figura 4.9 Módulo de Comunicação ...................................................................................... 53

Figura 4.10 Sistema completo ................................................................................................ 54

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LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 Faixa de frequência para transmissão de dados .................................................... 25

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

A/D Analógico-Digital

ACK Acknowlegde

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line [= Linha de assinante digital

assimétrica]

AM Amplitude Modulation [= Modulação de amplitude]

ANATEL Agência Nacional de Telecomunicações

ASK Amplitude-Shift Keying [= Modulação por chaveamento de

amplitude]

BCZM Biblioteca Central Zila Mamede

CAN Controller Area Network [= Rede da área do controlador]

CCS Custom Computer Services

CD Collision Detection [= Detecção de colisão]

CEBus Consumer Electronics Bus [= Barramento para produtos

eletrônicos de consumo]

CENELEC Comité Européen de Normalisation Électrotechnique (francês)

[= European Committee for Electrotechnical Standardization

(inglês) = Comitê Europeu de Padronização Eletrotécnica]

CLP Controlador Lógico Programável

CPU Central Processing Unit [= Unidade Central de Processamento]

CRC Cyclic Redundancy Check [= Verificação de redundância cíclica]

CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection [=

Acesso múltiplo por sensoriamento de portadora com detecção

de colisão]

CT Centro de Tecnologia

DEP Densidade Espectral de Potência

DES Data Encryption Standard [= Padrão de encriptação de dados]

DLC Data Length Code [= Código de comprimento de dados]

DPL Digital Power Line [Tecnologia para transmissão de dados pela

rede elétrica a 1 Mbps desenvolvida pela Nortel Networks na

década de 1990.]

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DSSS Direct-Sequence Spread Spectrum [= Espalhamento espectral

por sequência direta]

EDIFURB Editora da Fundação Universidade Regional de Blumenau

EEPROM Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory [=

Memória ROM programável e apagável eletricamente]

EOF End of Frame [= Fim de quadro]

FDM Frequency Division Multiplexing [= Multiplexação por divisão

de frequência]

FHSS Frequency-Hopping Spread Spectrum [= Espalhamento espectral

por salto de frequência]

Fig. Figura

FM Frequency Modulation [= Modulação de frequência]

FSK Frequency-Shift Keying [= Modulação por chaveamento de

frequência]

GLP Gás Liquefeito de Petróleo

GMSK Gaussian Minimum Shift Keying [= Chaveamento por

deslocamento mínimo gaussiano]

IDE Identifier Extension [= Extensão do identificador]

IFPB Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba

IFS Inter-Frame Space [= Espaçamento entre quadros]

I/O Input/Output [= Entrada/Saída]

ISBN Abreviação do inglês International Standard Book Number [=

Número Padrão Internacional de Livro]

LED Light Emitting Diode [= Diodo emissor de luz]

LIN Local Interconnect Network [= Rede de interconexão local]

MCM Multi-Carrier Modulation [= Modulação multiportadora]

MINTER Programa de Apoio à Realização de Cursos de Pós-Graduação

Stricto Sensu Interinstitucionais [modalidade Mestrado]

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing [= Multiplexação

por divisão de frequência ortogonal]

PB Parity bit [= bit de paridade]

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PDA Personal Digital Assistant [= Assistente pessoal digital]

p. ex. por exemplo

PIC Programmable Interface Controller [= Controlador de interface

programável]; Peripheral Interface Controller [= Controlador de

interface periférica]

PLC Power Line Communication [= Comunicação via rede elétrica]

PLL Phase-Locked Loop [= Malha de captura de fase]

PPGEEC Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e

Computação

PSK Phase-Shift Keying [= Modulação por deslocamento de fase]

QAM Quadrature Amplitude Modulation [= Modulação de amplitude

em quadratura]

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying [= Chaveamento de fase em

quadratura]

RAM Random-Access Memory [= Memória de acesso aleatório]

RF Radiofrequência

ROM Read-Only Memory [= Memória só de leitura]

RTR Remote Transmission Request [= Requisição de transmissão

remota]

Rx Recepção de dados

SCM Single-Carrier Modulation [= Modulação com portadora única]

SOF Start of Frame [= Início de quadro]

SRR Substitute Remote Request [= Substituto de Requisição Remota]

SST Spread Spectrum Technology [= Tecnologia de espectro

disperso]

TV Televisão

Tx Transmissão de dados

UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter [= Transmissor/

Receptor Assíncrono Universal]

UFRN Universidade Federal do Rio Grande do Norte

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v. veja

V. Veja

VCO Voltage-Controlled Oscillator [= Oscilador Controlado por

Tensão]

VCT Vulcano Communication Technology

WiMAX Worldwide Interoperability for Microware Access

[= Interoperabilidade mundial para acesso de micro-ondas]

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LISTA DE SÍMBOLOS

Bt Largura de banda total, em hertz, do canal do sistema OFDM

C1, C2, ..., C6 Capacitores

D0, D1, ..., D7 Data bits [= bits de dados]

f frequência

f0 frequência de saída do VCO

f1, f2, ... , fN Frequências das portadoras de um sistema OFDM

|H(f)| Função de transferência de um sistema OFDM

Hz Hertz

kHz quilohertz

kΩ quilo-ohm

MHz megahertz

ms milissegundo

mV milivolt

N Número de subcanais de um sistema OFDM

nF nanofarad

P Stop bit [= bit de parada]

pF picofarad

R1, R2, ..., R8 Resistores

s segundo

S Start bit [= bit de partida]

V Volt

VCC Tensão de alimentação do circuito do PIC

∆f Largura de banda, em hertz, de um subcanal do sistema OFDM

μF microfarad

Ω ohm

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SUMÁRIO

CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO ........................................................................................... 17

1.1 Motivações ....................................................................................................................... 17

1.1.1 Tipo de arquitetura .................................................................................................. 21

1.1.1.1 Meios de transmissão .................................................................................. 21

1.2 Objetivo ............................................................................................................................ 22

1.3 Organização do Texto ...................................................................................................... 22

CAPÍTULO 2 FUNDAMENTAÇÕES TEÓRICAS ......................................................... 23

2.1 A Tecnologia PLC ............................................................................................................. 23

2.1.1 Histórico .................................................................................................................. 23

2.1.2 Princípio de funcionamento ..................................................................................... 24

2.1.3 Segurança da rede PLC ........................................................................................... 25

2.1.4 Características do canal PLC ................................................................................... 25

2.1.4.1 Ruído ........................................................................................................... 26

2.1.4.2 Atenuação ................................................................................................... 26

2.1.4.3 Impedância .................................................................................................. 26

2.1.4.4 Interferência ................................................................................................ 27

2.1.5 Técnicas de modulação............................................................................................ 27

2.1.5.1 Modulação de portadora única .................................................................... 27

2.1.5.2 Modulação por espalhamento espectral ...................................................... 28

2.1.5.3 Modulação em múltiplas portadoras ........................................................... 28

2.2 Microcontrolador PIC ........................................................................................................ 30

2.2.1 Introdução ................................................................................................................ 30

2.2.2 Características principais ......................................................................................... 31

2.2.3 Memória .................................................................................................................. 31

2.2.4 BUS – Barramento de comunicação ....................................................................... 32

2.2.5 Interface de entrada e saída (I/O – Input/Output) .................................................... 32

2.2.6 Comunicação serial ................................................................................................. 32

2.2.7 Temporizador e contador ......................................................................................... 32

2.2.8 Arquitetura de um microcontrolador ....................................................................... 33

2.2.8.1 Arquitetura Von Neumann .......................................................................... 33

2.2.8.2 Arquitetura Harvard .................................................................................... 33

2.2.8.3 Tecnologia RISC ......................................................................................... 33

2.2.8.4 Tecnologia CISC ......................................................................................... 33

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2.3 Protocolo de Comunicação ................................................................................................ 34

2.3.1 Controller Area Network (CAN) ............................................................................. 34

2.3.1.1 Histórico ...................................................................................................... 34

2.3.1.2 Característica ............................................................................................... 34

2.3.1.3 Formato das mensagens CAN ..................................................................... 34

2.3.2 Local Interconnect Network (LIN) .......................................................................... 36

2.3.2.1 Objetivos do protocolo LIN ........................................................................ 36

2.3.2.2 Características gerais................................................................................... 36

2.3.2.3 Benefícios ................................................................................................... 37

CAPÍTULO 3 PROTOCOLO IMPLEMENTADO .......................................................... 39

3.1 Conceitos Básicos da Comunicação de Dados .................................................................. 39

3.2 Detalhamento ..................................................................................................................... 41

3.3 Metodologia de Testes ....................................................................................................... 45

CAPÍTULO 4 IMPLEMENTAÇÃO .................................................................................. 47

4.1 Circuito Implementado ...................................................................................................... 47

4.2 Acoplamento ...................................................................................................................... 48

4.3 Modulador FSK ................................................................................................................. 49

4.4 Demodulador FSK ............................................................................................................. 50

4.5 Circuito do PIC .................................................................................................................. 51

4.6 Resultados Preliminares .................................................................................................... 52

CAPÍTULO 5 CONCLUSÃO ............................................................................................. 55

REFERÊNCIAS .................................................................................................................... 56

ANEXO A – PROGRAMA PARA O PIC MASTER PRIMÁRIO .................................. 58

ANEXO B – PROGRAMA PARA O PIC MASTER SECUNDÁRIO ............................. 64

ÍNDICE ONOMÁSTICO ..................................................................................................... 70

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CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

Neste Capítulo, apresentam-se as motivações, os objetivos do trabalho e, por último, a

estrutura do texto.

1.1 Motivações

Como qualquer novidade, a automação residencial, inicialmente, é percebida pelo

cliente como um símbolo de status e modernidade. No momento seguinte, o conforto e a

conveniência por ela proporcionados passam a ser decisivos. Por fim, ela se torna uma

necessidade e um fator de economia. A automação residencial não deve ser vista somente sob

a concepção de luxo ou excentricidade, disponível a poucos, com mais recursos financeiros.

Uma residência com essas características, além de ser confortável, pode oferecer melhor

desempenho e maior confiabilidade dos sistemas existentes e, em muitos casos, proporcionar

também benefícios a pessoas com necessidades especiais, bem como a diminuição dos custos

de manutenção, agilidade de operação e segurança aos seus residentes.

O objetivo é oferecer aos proprietários e usuários da residência maior comodidade e

custos mais baixos de operação quando da adoção das facilidades oferecidas pelo sistema de

automação. Também se busca proporcionar uma utilização mais racional dos sistemas de

iluminação, condicionadores de ar, controle de iluminação dos ambientes por abertura das

persianas, utilização dos sistemas de filtragem de piscinas e aeração de aquários, com o

funcionamento desses sistemas subordinados a um microcontrolador. O microcontrolador,

cérebro desse sistema, também pode ser aplicado em sistemas de irrigação automática. Com

ele, é possível programar os horários de irrigação de jardins e viveiros de plantas, ligando e

desligando os diversos setores em tempos determinados com uma simples operação.

Todos esses fatores podem contribuir para uma diminuição do consumo de energia

elétrica e de água potável, havendo, assim, um controle mais racional desses insumos, cada

vez mais escassos nos dias de hoje, gerando economia nas faturas mensais, sem que tais

modificações afetem o conforto dos residentes.

Outro ponto muito importante a ser considerado, devido aos elevados índices de

criminalidade, é o investimento em sistemas de alarme, sensores de movimento e acionadores

de portão que, cada vez mais, têm pesado no custo das residências, além de sistemas de

detecção de vazamentos de Gás Liquefeito de Petróleo (GLP) e de fumaça, o que também

garante uma maior tranquilidade aos moradores.

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Cap. 1 Introdução 18

A automação residencial, como foi dito, gera uma série de economias, o que compensa

o investimento inicial do projeto, tanto que, hoje, a grande maioria dos edifícios já é

construída visando a receber novas tecnologias, o que lhes confere uma maior vida útil.

Os preços podem variar de acordo com a aplicação, entre muitos outros fatores. Hoje,

existem diferentes tecnologias que podem atender prédios e residências de acordo com a

necessidade de cada projeto.

Os Controladores Lógicos Programáveis (CLPs) de pequeno porte têm sido bem aceito

no mercado, principalmente em aplicações simples, em que a demanda por baixo custo é

primordial (BRUNE, 2005), mas, com o surgimento do PIC (Programmable Interface

Controller, originalmente Peripheral Interface Controller), de baixíssimo custo, sua

importância ficou dividida.

Os microcontroladores são circuitos integrados que possuem, num único dispositivo,

como pode ser visto na Fig. 1.1, todos os circuitos necessários para realizar um completo

sistema programável. Logo, para serem utilizados, necessitam ser programados.

(FRANCISCO, 2009). O PIC é considerado como um computador num único chip. Um

microcontrolador é um sistema computacional completo, no qual estão incluídos uma

Unidade Central de Processamento (CPU, sigla do inglês Central Processing Unit), memória

de dados e programas, portas de I/O (Input/Output), módulos de temporização e conversores

A/D, entre outros, integrados no mesmo dispositivo.

Figura 3.1 PIC16F877A.

O imóvel que possuir circuito de automatização terá um maior valor agregado no

mercado imobiliário. Do ponto de vista do proprietário, o interesse seria que os automatismos

fossem projetados com o imóvel ainda na planta, porque, nesse ponto, os custos serão ainda

menores, por não envolverem modificações após etapas já concluídas da obra. Em

residências já construídas, a instalação de circuitos de automação agrega mais valor ao

imóvel, mas com um custo de instalação maior, devido ao fato de as modificações serem de

maior amplitude.

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Cap. 1 Introdução 19

Uma opção para reduzir o custo de instalação de circuitos de automação numa

residência é a utilização da rede PLC (Power Line Communication). As redes PLCs permitem

a utilização da fiação elétrica para a transmissão de dados. Como a rede elétrica está presente

em praticamente todos os lugares de uma residência, não há necessidade de obras para

instalação de cabos adicionais para a transmissão de dados, ficando disponível em qualquer

tomada existente na residência.

A motivação para este trabalho é explorar essas oportunidades de execução de um

circuito de automação residencial de baixo custo, proporcionando as vantagens e reduzindo os

problemas acima descritos.

Um dos grandes desafios atuais visa melhorar a qualidade de vida, de forma a reduzir

o trabalho doméstico, assim como proporcionar um maior conforto, segurança, comunicação e

economia de energia, contribuindo para o desenvolvimento sustentável da sociedade.

Os espaços inteligentes constituem uma realidade, e significam a evolução que as

telecomunicações transportaram para as áreas de eletrotécnica, mecânica e segurança, assim

como uma maior preocupação com o meio ambiente e as gerações futuras.

A palavra domótica advém da fusão da palavra latina “domus”, que significa casa,

com o termo “robótica”, que significa controle automatizado. Assim sendo, pode-se definir

domótica como um conceito que visa à automatização da casa, através de controle e

monitorização, na qual são integrados os diversos sistemas de apoio à sua exploração.

Desse modo, pode-se realçar que, quando devidamente constituída, a instalação de

uma rede domótica terá como objetivo o aumento dos níveis de segurança, conforto e

economia de energia, podendo justificar o investimento efetuado inicialmente.

Nos dias de hoje, porém, com a constante evolução da domótica, existem circuitos

prontos para ser implementados, que controlam, averíguam e comparam as mais variadas

funções, todos com o objetivo de automatizar o ambiente doméstico. Isso requer que, no

ambiente residencial, seja efetuada a interligação dos diversos circuitos, sensores ou

automatismos, quase sempre centrados no CLP, e que têm por missão controlar todos os

circuitos implementados no edifício inteligente ou nas casas robotizadas.

A utilização de um sistema domótico numa residência tem como vantagem a

segurança, a flexibilidade e a valorização da infraestrutura, a rentabilidade de recursos, a

economia de energia, a facilidade de manutenção, a comunicação remota e, por último, a

valorização do imóvel.

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Cap. 1 Introdução 20

Em relação às desvantagens de possuir um sistema domótico, têm-se o custo do

investimento elevado e a necessidade de recorrer a técnicos especializados. Além disso, caso

se opte por uma tecnologia proprietária, poderá ficar dependente de um fabricante ou de um

instalador.

Para a escolha de um sistema domótico, deve-se ter em conta a expectativa e a

disponibilidade financeira do cliente, avaliar as suas reais necessidades, verificar as condições

da infraestrutura para a implementação e analisar a possibilidade de evolução do sistema.

Os requisitos da solução domótica que estão em constante desenvolvimento são:

flexibilidade, atualização, multidisciplinaridade, acesso remoto e, por último, interpretação

sensorial.

Relativamente à flexibilidade, entende-se a possível alteração da topologia e a

localização dos sensores, enquanto houver a inserção de novos componentes. Neste caso, a

atualização significa a alteração e a inclusão de novas funcionalidades num sistema.

Quanto à interpretação sensorial, podem-se incluir a interpretação de voz, a

interpretação e o processamento de dados biométricos, de forma a conseguir ambientes

personalizados e, por último, o constante ajuste de condições de forma a otimizar o nosso

bem-estar e os níveis de produtividade.

As aplicações domóticas inseridas atualmente na segurança são uma necessidade

primária de qualquer habitação. Um exemplo disso é um sistema de segurança auxiliado por

sensores usado na detecção de intrusos, vazamentos de gás e possíveis incêndios ou

inundações.

Quanto às comunicações aplicadas na domótica, a informação deve estar sempre

disponível. Com o avanço das tecnologias computacionais e de telecomunicações, o fácil

acesso à internet permite, por exemplo, monitorizar a habitação remotamente e visualizar as

diversas partes da casa, podendo interagir com o sistema de modo a, por exemplo, abrir e

fechar cortinas.

Relativamente à climatização, pode-se referir à programação do sistema de modo a

ativar e desativar horários de equipamentos, como aquecedores e ares-condicionados.

Em relação à iluminação, pode-se enquadrar a domótica na utilização de módulos para

economia de energia, controlando a intensidade do fluxo luminoso. Outro exemplo disso é a

utilização de sensores de movimento para detecção de presença, de forma a controlar a

iluminação do ambiente.

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Cap. 1 Introdução 21

Para finalizar, um sistema domótico é um sistema inteligente, distribuído com os

diversos componentes espalhados pela habitação, de forma integrada, no qual há um ou vários

módulos integrados, que se encarregam de monitorizar toda a rede domótica.

1.1.1 Tipo de arquitetura

A arquitetura de um sistema domótico verifica e expõe o modo como os elementos de

uma rede domótica se interligam, e pode ser subdividida numa arquitetura centralizada ou

descentralizada.

A arquitetura centralizada é caracterizada pela existência de um módulo central, no

qual é transmitida toda a informação em relação ao que se passa na rede. A vantagem desse

tipo de arquitetura é ser mais econômico, devido ao fato de retirar a capacidade de

processamento dos diversos dispositivos e centralizar somente num único dispositivo a

capacidade de decisão.

A arquitetura descentralizada não possui nenhum dispositivo central, sendo mais

flexível e sujeita a uma menor probabilidade de falhas. Além disso, caso ocorra uma falha, a

arquitetura permite detectar e isolar o dispositivo, sem interferir com o restante do sistema.

1.1.1.1 Meios de transmissão

O meio de transmissão é o suporte físico por onde ocorre o fluxo de informação dos

diversos dispositivos de uma rede domótica. A rede domótica suporta vários meios de

comunicação, entre os quais se podem destacar: cabeamento, rede elétrica, fibra óptica,

infravermelho e radiofrequência.

A transmissão de dados por cabeamento é utilizada normalmente nas redes telefônicas,

na distribuição de áudio e vídeo, som de alta fidelidade e dados. As vantagens desse meio de

transmissão são confiabilidade e boa velocidade de transmissão. Como desvantagem, há o

grande investimento necessário para a sua aplicação, principalmente se a habitação já estiver

construída e se for necessária uma reforma para adequá-la à nova instalação.

A transmissão por rede elétrica consiste em utilizar a própria rede já instalada na casa.

Nesse caso, utilizam-se sinais modulados em altas frequências, de forma a evitar interferência

com o sinal elétrico da rede. A sua vantagem é o baixo custo de implementação, já que usa a

instalação elétrica disponível da habitação.

Quanto à transmissão por fibra óptica, existe uma espécie de junção de tecnologias de

semicondutores e fibras ópticas. As grandes vantagens são a confiabilidade, a velocidade e a

transferência de dados elevados, além da inexistência de interferências eletromagnéticas.

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Cap. 1 Introdução 22

Para a transmissão por infravermelho, são usados equipamentos de áudio e vídeo,

devido ao fato de possuir alta imunidade à interferência eletromagnética.

Para finalizar, a transmissão por radiofrequência é utilizada para controles remotos que

necessitam de percorrer grandes distâncias, apresentando como desvantagens uma velocidade

de transmissão muito baixa e uma susceptibilidade a interferências eletromagnéticas.

1.2 Objetivo

O objetivo deste trabalho é implementar um circuito de automação residencial

utilizando como meio de transmissão a rede PLC. A rede PLC utiliza a rede elétrica própria

da residência como meio de transmissão de dados, reduzindo o custo de implantação do

sistema de automação. Utilizam-se como módulo de controle dois ou mais

microcontroladores.

A comunicação é feita através da modulação em frequência dos dados a serem

transmitidos, que têm níveis lógicos “0” (zero) e “1” (um), os quais são convertidos em pulsos

de frequência vinculados a uma portadora, melhorando, assim, a sua imunidade ao ruído

presente na rede elétrica, ruído esse oriundo dos diversos equipamentos eletrodomésticos.

Para coordenar a comunicação entre os microcontroladores, será implementado um

protocolo de comunicação que deverá garantir uma comunicação serial de modo assíncrono,

com fluxo de dados do tipo half-duplex.

1.3 Organização do Texto

Esta dissertação está organizada em cinco capítulos, incluindo esta Introdução. No

Capítulo 2, apresentam-se os fundamentos teóricos da tecnologia PLC, além de uma noção do

microcontrolador PIC e alguns protocolos utilizados em automação automotiva, a fim de

comparar suas características principais. No Capítulo 3, é apresentada a especificação do

protocolo implementado para comunicação entre os microcontroladores. No Capítulo 4,

apresentam-se os circuitos que foram montados para realizar os testes de comunicação. Por

último, no Capítulo 5, são apresentadas as conclusões e as perspectivas futuras visando a

aprimorar este trabalho.

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CAPÍTULO 2

FUNDAMENTAÇÕES TEÓRICAS

2.1 A Tecnologia PLC

Com a evolução e o surgimento de novas tecnologias, a Automação Residencial vem

sendo usada cada vez mais, e, a cada dia, surgem novas casas inteligentes repletas de novos

recursos de automatização. Devido aos custos elevados de instalação de um novo cabeamento

como meio físico para comunicação da rede, tem-se utilizado a rede PLC (Power Line

Communication), comunicação via rede elétrica. A rede PLC utiliza os fios da instalação

elétrica da residência para a transmissão dos dados; portanto, não precisa de uma nova

instalação de cabos, barateando os gastos de implantação dessa rede. Aprofundar-se-á na

tecnologia PLC nas seções seguintes.

2.1.1 Histórico

O desenvolvimento desta tecnologia teve início por volta de 1910, por empresas

distribuidoras de energia para controlar e supervisionar suas linhas de baixa tensão. O sinal de

dados era inserido numa portadora de frequências entre 50 kHz a 500 kHz, modulados em

amplitude.

Após alguns anos, surgiu a comunicação bidirecional para PLC, utilizando faixas de

frequência dos 3 kHz aos 145,5 kHz. Utilizadas em aplicações de domótica, possibilitava

leituras remotas.

Em 1950, após a Segunda Guerra Mundial, surgiu o ripple control, utilizado em redes

de média e baixa tensão, que funcionava com uma onda portadora de frequência entre 100 Hz

e 1 kHz, bidirecional.

Após algumas décadas, em 1991, o Dr. Paul Brown, da Norweb Communications,

empresa de energia elétrica de Manchester, Inglaterra, utilizando as linhas de energia, realizou

comunicação de alta velocidade para comunicação digital. Em 1998, a Nortel e a Norweb

iniciaram a comercialização da Digital Power Line (DPL).

No mundo, a maioria das empresas de distribuição elétrica estava-se preparando para

se tornar provedora de serviços de telecomunicações. No entanto, esse setor estava crescendo

com a telefonia celular e a Internet, e o Brasil passava pela privatização de um grande número

de empresas da área de telecomunicações. (TIBALDI, 2007). Com essa reviravolta, outras

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Cap. 2 Fundamentações Teóricas 24

tecnologias foram valorizadas, como a fibra óptica, o satélite, o rádio, porém tecnologias

caras, que estão longe do alcance da grande parcela da população de baixo poder aquisitivo.

Com os recursos tecnológicos de hoje, a tecnologia PLC está preparada para explorar a

comunicação de dados, atingindo uma grande parcela da população com sua rede elétrica que

chega a 98% dos lares brasileiros, reduzindo custos e o tempo de implantação da rede.

Atualmente, no Brasil, diversas empresas já comercializam produtos com essa tecnologia.

2.1.2 Princípio de funcionamento

O PLC é um sistema de comunicação que consiste na inserção de um sinal modulado

de alta frequência na rede elétrica. A tecnologia PLC tem como princípio básico de

funcionamento a modulação de um sinal utilizando um espectro de frequência de 1,7 MHz a

30 MHz, bem acima do espectro de frequência usado pelo sistema elétrico, que é de 50 Hz a

60 Hz (v. Fig. 2.1). Devido à grande separação dos dois espectros, os sistemas podem

compartilhar o mesmo meio sem interferência.

Figura 4.1 Espectro de frequência.

A tecnologia PLC é composta por dois subsistemas: outdoor e indoor.

O sistema outdoor é constituído de uma rede que se localiza fora da edificação, ou

seja, está localizada na rede de distribuição elétrica de alta e baixa tensão, enquanto que o

sistema indoor está localizado dentro da edificação, seja residencial, seja comercial, seja

industrial.

Segundo a regulamentação atual na Europa, pela CENELEC, as faixas de frequências

para transmissão de dados são as seguintes:

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Cap. 2 Fundamentações Teóricas 25

Frequência (kHz) Utilização

1 MHz – 10/13 MHz Outdoor

10/13 MHz Indoor

Tabela 2.1 Faixa de frequência para transmissão de dados.

2.1.3 Segurança da rede PLC

Quando se fala de segurança, a rede PLC, assim como outros sistemas, tem sua

vulnerabilidade, já que compartilha o meio físico com todas as edificações ligadas à mesma

rede de energia elétrica, possibilitando a escuta das transmissões, deixando os usuários

expostos a fraudes e a acessos indevidos, prejudicando a confidencialidade dos dados do

usuário. Para solucionar o problema, podem-se empregar algoritmos de criptografia, como,

por exemplo, o Data Encryption Standard (DES). (FERREIRA, 2009).

O algoritmo de criptografia DES foi desenvolvido na década de 1970 pelo National

Bureau of Standards. O DES realiza somente duas operações sobre o sinal de entrada: o

deslocamento de bits e a substituição de bits. A chave controla exatamente como ocorre esse

processo, chegando-se a um resultado que pode ser revertido com o uso da chave. Alguns

protocolos, como o HomePlug 1.0, protocolo para rede PLC desenvolvido pela HomePlug

Powerline Alliance, utilizam a criptografia DES. Na comunicação PLC, os dados estão

restritos à rede local, o que a torna mais segura do que o Wi-Fi, que atinge a vizinhança e

necessita de identificação do usuário e senha de acesso.

Além do algoritmo de criptografia, outras ações de segurança podem ser utilizadas,

como, p. ex., a implementação de um sistema de detecção de intrusos para que nenhum acesso

seja feito sem a permissão do administrador do sistema, e a instalação de um filtro na entrada

da edificação. A função desse filtro é bloquear a entrada e a saída das frequências usadas pela

rede PLC para que outras pessoas não tenham acesso à rede.

2.1.4 Características do canal PLC

A rede elétrica é um meio extremamente hostil para comunicação, com destaque para

a falta de casamento de impedância das cargas nas extremidades da rede, o que provoca a

corrupção do sinal, isto é, nalgumas frequências o sinal transmitido pode chegar ao seu

destino com perdas pequenas, enquanto que, noutras frequências, o sinal chega ao seu destino

com um nível de potência abaixo do ruído.

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Cap. 2 Fundamentações Teóricas 26

2.1.4.1 Ruído

Outro problema da rede elétrica é o ruído produzido por várias fontes, tais como

motores elétricos, fontes de alimentação, lâmpadas fluorescentes e interferência de sinais de

rádio.

Alguns tipos de ruído são descritos a seguir:

Ruído de Fundo Colorido (Colored Background Noise): provocado por várias

fontes de ruído de baixa potência, tais como motores universais, micro-ondas e dimmers; sua

Densidade Espectral de Potência (DEP) é inversamente proporcional à frequência e ao tempo;

Ruído Periódico Síncrono (Periodic Impulsive Noise): é resultante de aplicações

elétricas que geram impulsos periódicos com frequência de 50 a 200 kHz;

Ruído Impulsivo Periódico Síncrono: de curta duração, resulta de tiristores ou

diodos de retificação, no instante da transição de estado;

Ruído Impulsivo Assíncrono (Asynchronous Impulsive Noise): é produzido com o

ligar e o desligar de aparelhos eletrônicos ao longo da rede; sua DEP poderá atingir valores de

60 dB acima do nível do ruído de fundo. (SANTOS, 2008).

2.1.4.2 Atenuação

Um fator a ser considerado, além do ruído, durante a transmissão de dados via rede

elétrica, é a atenuação da portadora, causada por fatores que dependem do número e da

natureza das cargas instaladas. Essa atenuação costuma ser associada tanto com a frequência

do sinal quanto com a distância. As principais causas da descontinuidade são as emendas dos

fios e as conexões de interruptores e tomadas. (CORRÊA, 2004).

A atenuação é uma característica do meio físico, que, naturalmente, enfraquece o sinal.

Se a atenuação for muito alta, a potência recebida será muito baixa, e poderá não ser

detectada. A atenuação varia com a frequência do sinal e com o tempo, já que as cargas são

conectadas e desconectadas no tempo.

2.1.4.3 Impedância

A impedância está relacionada à transferência de energia entre dois meios. Portanto, a

potência da transmissão é facilmente calculada sabendo-se a impedância da rede. Quanto

menor for a impedância, maior deverá ser a potência da transmissão.

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Cap. 2 Fundamentações Teóricas 27

O objetivo é aumentar a separação da frequência do PLC da frequência da rede

elétrica, que é de 60Hz, evitando interferências com as comunicações da marinha,

aeronáutica, exército, radiodifusão, radioamadorismo, faixa do cidadão, etc.

2.1.4.4 Interferência

Podem-se destacar dois tipos de interferência: a interferência causada por outros

sistemas que usem o mesmo espectro de frequência da rede PLC e a interferência causada por

outro usuário que esteja utilizando a rede PLC.

A ANATEL tem adotado o argumento da indústria elétrica de colocar filtros nos

equipamentos PLC para proteger o espectro de rádio. (ARCHANGELO, 2009).

Alguns grupos de radioamadores têm-se oposto à disseminação da tecnologia de PLC,

por entenderem que existe a possibilidade de interferência em transmissão de rádio, já que os

cabos elétricos não são blindados. Além disso, os cabos da rede elétrica não são trançados,

como na rede Ethernet, o que faz com que a emissão de sinais em alta frequência seja maior, o

que pode provocar interferência em outros fios, como também em transmissões de rádio.

Felizmente, existem normas que limitam as frequências utilizadas pela rede PLC,

minimizando as interferências nos sinais de rádio.

2.1.5 Técnicas de modulação

No desenvolvimento da tecnologia PLC, vários tipos de modulação foram utilizados.

Sabendo que a característica do canal PLC difere bastante dos outros canais tradicionais,

devido ao alto nível de ruído presente, é necessário escolher um tipo de modulação que seja

eficiente e que leve em conta as seguintes limitações:

– o canal PLC possui elevada presença de ruído;

– a presença do ruído impulsivo não deve prejudicar a qualidade da transmissão.

Sabendo-se que o canal possui a característica de um filtro passa-baixas, que

impossibilita o uso de frequências altas, deve-se otimizar a eficiência espectral da modulação,

usando estratégias que cancelem o ruído impulsivo.

2.1.5.1 Modulação de portadora única

As técnicas de modulação de apenas uma portadora, como o QPSK (Quadrature

Phase-Shift Keying), codificam o sinal em amplitude, fase ou frequência sobre a portadora.

Uma das características desse tipo de modulação é sua dependência da taxa de transmissão em

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Cap. 2 Fundamentações Teóricas 28

função da faixa de passagem ocupada pelo sinal transmitido. Como, hoje, as taxas de

transmissão estão cada vez mais altas, é um ponto desfavorável a esse tipo de modulação,

dependendo do seu uso. Para atividades que não necessitem de alta velocidade de transmissão,

é uma opção adequada em função do seu baixo custo de instalação.

2.1.5.2 Modulação por espalhamento espectral

É uma técnica de modulação em que a largura de banda do sinal transmitido excede a

banda mínima necessária para transmitir a informação. Dessa forma, a energia do sinal

transmitido passa a utilizar uma banda muito maior do que a da informação. Uma das

principais vantagens da técnica de modulação por espalhamento espectral, em inglês Spread

Spectrum Techniques (SST), é sua capacidade de rejeitar interferências intencionais, ou não,

provocadas por outros usuários que tenham transmitido através do mesmo canal. O ponto

forte desse tipo de modulação é a sua segurança.

A modulação por espalhamento espectral foi desenvolvida para aplicações militares,

por sua imunidade a interferências voluntárias e pela possibilidade de transmissão em baixa

potência, o que dificultava a decodificação do sinal por usuários não autorizados. Existem

basicamente duas técnicas de espalhamento espectral:

DSSS (sigla do inglês Direct-Sequence Spread Sprectrum) – Espalhamento espectral

por sequência direta: uma sequência de dados de entrada é usada para modular um código de

banda estreita em um sinal de banda larga assemelhado a ruído;

FHSS (sigla do inglês Frequency-Hopping Spread Spectrum) – Espalhamento

espectral por salto de frequência: o objetivo desta tecnologia é transmitir dados sempre em um

canal diferente, tendo um tempo para mudança do canal e um tempo para transmissão no

canal. (DOSTERT, 2001).

2.1.5.3 Modulação em múltiplas portadoras

Uma das principais técnicas de modulação por múltiplas portadoras é a multiplexação

por divisão de frequências ortogonais, conhecida pela sigla OFDM (do inglês Orthogonal

Frequency Division Multiplexing). Surgiu como uma evolução da técnica convencional de

Multiplexação por Divisão de Frequência, conhecida pela sigla FDM (do inglês Frequency

Division Multiplexing), cuja ideia básica consiste na divisão do espectro em subportadoras, e,

em lugar de utilizar bandas de guarda para a separação das subportadoras, tem-se uma

superposição espectral, como pode ser visto na Fig. 2.2.

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Cap. 2 Fundamentações Teóricas 29

Figura 2.2 Espectro FDM convencional e OFDM.

Nota-se ainda que essa sobreposição espectral produz uma economia significativa de

banda em comparação com a técnica FDM. Pode-se obter uma economia de banda da ordem

de 50%.

A técnica OFDM apresenta diversas vantagens, entre as quais se destacam: alta

eficiência espectral, resistência a interferências de radiofrequência e baixa distorção para

múltiplos percursos. Sua elevada eficiência justifica-se pelo fato de que pode haver

superposição entre os canais vizinhos, não existindo interferência intercanal. Devido ao fato

de os subcanais serem de banda estreita, a atenuação e o atraso são constantes em cada um

deles, resultando numa equalização mais fácil do canal.

A Fig. 2.3 destaca o subcanal correspondente à portadora com frequência f3, sendo ∆f

a largura de banda do subcanal e Bt a largura de banda total do canal (segmentado em N

subcanais). (TELECO, 2012, p. 4).

Figura 2.3 Subcanal de um sistema OFDM.

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Cap. 2 Fundamentações Teóricas 30

Considerando a sua eficiência espectral, a modulação OFDM consiste em uma das

soluções mais utilizadas para a comunicação de dados via PLC.

Num sistema de uma única portadora, os símbolos são enviados em sequência

modulados em uma única portadora, cujo espectro ocupa toda a faixa de frequência

disponível. A modulação OFDM consiste na transmissão paralela de dados em diversas

subportadoras com modulação QAM ou PSK e taxa de transmissão por subportadora

dependendo do número das subportadoras: quanto maior o número de subportadoras, menor a

taxa de transmissão.

A técnica de modulação OFDM é largamente usada por outros tipos de redes, como

Wi-Fi e transmissão de TV via cabo ou ADSL. A técnica é usada para modelar a camada

física do protocolo HomePlug. O HomePlug permite a transmissão bidirecional numa rede

PLC, utilizando frequências mais elevadas com menores níveis de potência do sinal

transmitido, com altas taxas de transmissão.

2.2 Microcontrolador PIC

Nesta seção, dar-se-á uma noção do microcontrolador PIC.

2.2.1 Introdução

O microcontrolador é um circuito eletrônico composto por um microprocessador,

interfaces de entrada e saída, memórias de dados com funções de leitura e escrita, e outros

periféricos, todos integrados num único chip. Este sistema pode ser programado para realizar

as tarefas desejadas, utilizando uma linguagem de programação específica.

Os microcontroladores são computadores que podem ser usados para realizar várias

funções. Fatores como tamanho reduzido e alta eficiência energética, aliados a seu baixo

consumo de energia e baixo custo, têm influenciado na procura pela utilização do

microcontrolador em diversos setores da indústria, tais como os de eletroeletrônicos, de

eletrodomésticos, de automobilística, de brinquedos, de telecomunicações, etc.

Para usar o microcontrolador, é necessário desenvolver um programa que pode ser

feito utilizando uma linguagem de programação como Assembly, Basic, Pascal, C, etc., e um

hardware responsável pela interface entre o microcontrolador e os componentes externos.

Existem vários programas compiladores que são o ambiente apropriado para o

desenvolvimento do programa. Os mais utilizados são em linguagem C, tais como o CCS,

PICmicro C, etc. Após o seu desenvolvimento e a sua compilação, o programa é transferido

para o microcontrolador por algum gravador compatível.

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Cap. 2 Fundamentações Teóricas 31

2.2.2 Características principais

A Fig. 2.4 mostra o esquema da organização interna de um microcontrolador PIC.

Podem-se observar um núcleo central contendo a Unidade Central de Processamento (em

inglês Central Processing Unit, cuja sigla é CPU), memória de dados do tipo RAM, memória

de dados do tipo EEPROM, memória de programação do tipo Flash, temporizadores, portas

de entrada e saída para ligação de periféricos externos, tudo isto integrado dentro de um único

chip.

Figura 2.4 Representação da organização do microcontrolador PIC.

2.2.3 Memória

A memória tem a função de guardar as informações. Dependendo do tipo de

informação que ela armazena, pode-se dividi-la em duas categorias: memória de programa e

memória de dados.

Memória de programa é aquela onde são armazenados os programas em execução.

Essa memória é do tipo flash, o que significa que, mesmo quando a energia de alimentação do

dispositivo for desligada, os dados armazenados não são perdidos, podendo ser gravados e

apagados numerosas vezes, dando uma grande flexibilidade ao uso dos microcontroladores.

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Cap. 2 Fundamentações Teóricas 32

RAM (Random-Access Memory): nesta memória, são armazenados os registros

especiais e os resultados das operações realizadas pelo programa. Nela, os dados armazenados

são perdidos quando a alimentação do dispositivo for desligada.

EEPROM (sigla do inglês Electrally-Erasable Read Only Memory): nesta memória é

onde são armazenados os dados que devem permanecer na memória, mesmo depois que a

alimentação for desligada, só sendo apagados mediante um comando específico para esse fim.

2.2.4 BUS - Barramento de Comunicação

Os caminhos por onde os dados possam passar interligando as memórias e a CPU são

chamados de barramento (em inglês, bus), que representam um grupo de 8, 16 ou mais

condutores que interligam eletricamente os blocos internos do microcontrolador.

Existem dois tipos de barramento: barramento de dados, que interliga todos os blocos

internos do microcontrolador, e o barramento de endereços, que interliga a memória à CPU,

enviando dados de endereçamento.

2.2.5 Interface de entrada e saída (I/O - Input/Output)

A interface de entrada e saída é a porta de comunicação que o microcontrolador possui

para se comunicar com o mundo exterior, ou seja, com os periféricos externos. A conexão

elétrica é feita nos pinos do circuito integrado com os circuitos dos periféricos externos, que

enviam e recebem sinais elétricos e informações do microcontrolador.

2.2.6 Comunicação serial

Os modernos microcontroladores têm incluídos dentro do seu circuito integrado um

sistema de comunicação serial completo. Esse sistema é um caminho direto para que o

microcontrolador possa comunicar-se com outros microcontroladores ou com computadores.

Essa comunicação é constituída por uma conexão para transmissão e outra para recepção dos

dados. A linha de comunicação é elétrica e fisicamente independente, o q ue significa que se

podem transmitir e receber dados simultaneamente.

2.2.7 Temporizador e contador

São registradores internos cujo valor numérico é incrementado automaticamente em

períodos de tempo predeterminados. É uma das funções mais importantes do

microcontrolador por sua capacidade de implementar, em suas rotinas, contagem, retardos,

geração de pulsos, em geral um controle temporal.

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Cap. 2 Fundamentações Teóricas 33

2.2.8 Arquitetura de um microcontrolador

2.2.8.1 Arquitetura Von Neumann

Na década de 1950, o matemático húngaro-americano John von Neumann (1903-

1957) apresentou o conceito de computador com programas armazenados em memória, que

veio a ser implementado nos processadores mais modernos. O princípio de von Neumann

consiste em armazenar os programas e os dados numa mesma memória, utilizando o mesmo

barramento para acessar os dados e os programas.

2.2.8.2 Arquitetura Harvard

Na arquitetura Harvard1, a memória está separada em duas, uma só para os dados e

outra só para os programas, que são conectados por barramentos exclusivos para cada

memória. No barramento de dados, circulam somente dados, e no barramento de programas

circulam somente endereços, que podem ser acessados ao mesmo tempo, aumentando, assim,

a velocidade do processador.

2.2.8.3 Tecnologia RISC

A tecnologia RISC (Reduced Instruction Set Computer) – Computador com conjunto

reduzido de instruções, este processador utiliza o conceito da arquitetura Harvard. A

característica mais importante dessa tecnologia está no reduzido número de instruções, o que

torna o processamento bastante rápido.

2.2.8.4 Tecnologia CISC

A tecnologia CISC (sigla do inglês Complex Instruction Set Computer – computador

com conjunto complexo de instruções) – Este processador utiliza o conceito de arquitetura

von Neumann, em que uma palavra é utilizada para transmitir dados e outra palavra para

transmitir instruções. A característica dessa tecnologia é que o número de instruções é

bastante grande, tornando, assim, a programação mais difícil, mas, em contrapartida, a

resolução gráfica e matemática passa a ser uma poderosa ferramenta.

1 O termo se originou do computador Harvard Mark I, desenvolvido pela Universidade de Harvard em parceria

com a IBM, sob a liderança do engenheiro norte-americano Howard Aiken (1900-1973), em meados da década

de 1940.

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Cap. 2 Fundamentações Teóricas 34

2.3 Protocolo de Comunicação

Nesta seção, apresentam-se alguns protocolos utilizados em automação residencial, a

fim comparar suas características principais.

2.3.1 Controller Area Network (CAN)

Para o desenvolvimento de um protocolo para ser usado em automação residencial,

usam-se como referência alguns protocolos, como o protocolo CAN, algumas funções do qual

serão analisadas a seguir.

2.3.1.1 Histórico

Um dos protocolos que mais têm sido usados para interligar sensores e atuadores na

automação de máquinas e sistemas é o protocolo CAN (Controller Area Network), devido ao

seu baixo custo e à sua característica de evitar colisões para mensagens de maior prioridade.

O Protocolo CAN foi criado em 1983 pela empresa alemã Robert Bosch, com o

objetivo de melhorar a segurança, o conforto e a comunicação entre os componentes de um

sistema automotivo. A rede CAN é rápida, diagnostica problemas e é capaz de fazer o

tratamento de erros, que a deixa altamente confiável, imprescindível para um sistema

automotivo.

Como o protocolo CAN é um sistema aberto, seu emprego não se restringe à área

automotiva, sendo utilizado em outros setores da indústria.

2.3.1.2 Característica

A principal característica do CAN é ser uma rede de comunicação serial síncrona por

onde trafegam dados, trocados pelos módulos que compõem a rede. Os módulos têm funções

específicas que recebem, processam e transmitem informações pela rede de comunicação, que

pode ser usada por outros módulos. A rede CAN é bastante flexível, podendo ser usada por

vários sistemas, onde exista a necessidade de interligar equipamentos, incluindo

microcontroladores numa rede de comunicação.

2.3.1.3 Formato das mensagens CAN

As mensagens CAN são definidas por ordem de prioridade, e a mensagem de maior

prioridade vencerá a disputa pelo uso do barramento. O protocolo de comunicação CAN é do

tipo CSMA/CD (sigla do inglês Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection –

acesso múltiplo por sensoriamento de portadora com detecção de colisão]. O acesso múltiplo

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Cap. 2 Fundamentações Teóricas 35

por sensoriamento de portadora (CSMA) significa que cada módulo da rede aguarda por um

tempo de inatividade do barramento para transmitir uma mensagem. A detecção de colisão

(CD) durante a transmissão significa que, se vários módulos enviarem suas mensagens e

ocorrer uma disputa pelo barramento, o módulo de maior prioridade continuará a transmitir a

mensagem sem ter de reiniciá-la, enquanto as mensagens dos módulos de menor prioridade

serão interrompidas.

O CAN utiliza mensagens com um máximo de 64 bits. Suas mensagens não têm

endereço: elas são endereçadas orientadas ao conteúdo. Através do conteúdo das mensagens é

que o módulo receptor reconhecerá sua mensagem.

Existem dois formatos de mensagens do CAN: as versões 1.0 e 2.0. A versão 2.0 foi

subdividida em duas partes: 2.0A (Padrão) e 2.0B (Estendida), sendo que a versão 2.0A é

totalmente compatível com a CAN 1.0. Ambas têm identificadores de mensagens com

tamanho de 11 bits de comprimento. Já na versão 2.0B, o campo do intensificador de

mensagens pode ter 11 bits ou 29 bits. A versão 2.0A é apresentada na Fig. 2.5. Já na versão

CAN 2.0B, que é apresentada na Fig. 2.6, há alguns blocos a mais.

Figura 2.5 Quadro de mensagem do CAN 2.0A (Padrão).

Figura 2.6 Quadro de mensagem do formato CAN 2.0B (Estendida).

Os blocos têm os seguintes significados:

ACK (Acknowledge) – indica que a mensagem recebida tem algum erro;

CRC (Cyclic Redundancy Check) – bits de checksum para detecção de erros;

Dados – os dados que serão transmitidos podem ser de 0 a 64 bits;

DLC (Data Length Code) – estes bits informam o tamanho dos dados a serem transmitidos;

EOF (End of Frame) – este bit indica o fim do quadro;

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Cap. 2 Fundamentações Teóricas 36

IDE (Identifier Extension) – este bit dominante significa que o identificador de 11 bits está

sendo transmitido;

IDE – um bit recessivo cuja versão é o CAN 2.0B, logo tem mais 18 bits de identificador;

Identificador – os 11 bits do identificador determinam a prioridade da mensagem: quanto

menor o valor binário, maior a prioridade;

IFS (Inter-Frame Space) – é o tempo necessário para iniciar uma nova mensagem;

r0 – bit de reserva;

r1 – bit de reserva adicional;

RTR (Remote Transmission Request) – Este bit é dominante quando solicitado por um

módulo; todos recebem a informação, porém o identificador direciona o módulo específico;

SOF (Start of Frame) – este bit dominante marca o início de uma mensagem; também é usado

para sincronizar;

SRR (Substitute Remote Request) – este bit substitui o RTR do padrão 2.0A.

2.3.2 Local Interconnect Network (LIN)

No final da década de 1990, foi especificado um protocolo padrão de comunicação

serial denominado LIN, pelo LIN Consortium, o qual era formado por cinco indústrias

automobilísticas europeias, pela Motorola e pelo grupo VCT. (PARNEL, 2004; LIN, 2006;

GUIMARÃES, 2007).

2.3.2.1 Objetivos do protocolo LIN

O protocolo LIN é um protocolo de comunicação serial entre dispositivos inteligentes

(WILLAM; KLAUS, 2005; LIN, 2006), como atuadores e sensores, desenvolvido para ser

utilizado em rede de comunicação eletrônica automotiva. Ele baseia-se no conceito de redes

de baixo custo, servindo como complemento de outros protocolos já existentes, como o CAN.

2.3.2.2 Características gerais

A rede LIN possui como características principais:

Suportar apenas um mestre com múltiplos escravos;

Usar de um único fio de dados para comunicação;

Ser autossincronizável e não necessitar de cristal de quartzo;

Apresentar comportamento previsível, devido à tabela de escalonamento de

tarefas do nó mestre. (LUPINI, 2004; LIN, 2006).

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Cap. 2 Fundamentações Teóricas 37

Um mestre controla até 16 escravos numa distância máxima de 40 metros, cabendo a

ele o controle e o início do tráfego da mensagem no barramento. Com isso, o escravo não

transmite até à autorização do mestre. Essa abordagem proporciona uma latência fixa da

mensagem, além de não requerer mecanismo de arbitragem. Tais características reduzem a

complexidade da implementação da rede.

O protocolo LIN utiliza o conceito de tarefa, cuja função compreende enviar os

cabeçalhos no barramento, além de controlar a temporização e o escalonamento para o

barramento. No LIN, todas as tarefas executadas pelos nós, incluindo as tarefas de

comunicação dos escravos, são alternadas entre tarefas de envio e de recepção, coordenadas

pelo nó mestre.

O protocolo LIN possui um formato fixo de cabeçalho (header) e de mensagem

(response), conforme Fig. 2.7. A mensagem pode conter até oito bytes de comprimento,

seguidos de um byte de checksum.

Figura 2.7 Formato de uma Mensagem LIN.

2.3.2.3 Benefícios

O principal benefício do LIN está no seu baixo custo, o qual se deve à ausência de

cristal oscilador nos nós escravos, ao uso de um único fio para transmissão e recepção de

dados, e a uma implementação simplificada que pode ser baseada em interfaces de hardware

UART/SCI, software UART ou máquinas de estados. Destaca-se também o fato de que sua

especificação é aberta.

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Cap. 2 Fundamentações Teóricas 38

Para sistemas não críticos que requeiram um protocolo de comunicação serial de baixo

custo, o LIN oferece um grau de confiabilidade alto. Isso se dá, principalmente, devido à

previsibilidade das mensagens que trafegam no barramento, característica imposta pela

detecção e pela sinalização das mensagens enviadas e recebidas pelo mestre.

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CAPÍTULO 3

PROTOCOLO IMPLEMENTADO

Neste Capítulo, é apresentada a especificação da comunicação de dados que serviu de

referência para a implementação do protocolo de comunicação entre dois PICs e o circuito

desenvolvido utilizando a rede PLC.

3.1 Conceitos Básicos da Comunicação de Dados

Segundo Tafner, Loesh e Stringari (1996), a transferência de dados entre dois pontos

pode ser realizada de duas formas: serial e paralela.

Na transferência serial, os bits são transmitidos sequencialmente, um a um, por um

único meio físico. Já na transferência paralela, os bits são transmitidos simultaneamente,

através de vários meios físicos em paralelo. Como o objetivo do trabalho é implementar um

sistema domótico utilizando a rede PLC, que é constituída de dois fios fase e neutro, será

utilizada a transferência de dados de forma serial.

Tafner, Loesh e Stringari (1996) descrevem dois modos de transmissão: síncrono e

assíncrono. Nos sistemas síncronos, os relógios (clocks) tanto do transmissor como do

receptor estão em perfeito sincronismo e são dependentes entre si. Já nos sistemas

assíncronos, os relógios são independentes.

A principal característica da comunicação assíncrona é a de iniciar a transmissão em

qualquer momento e não ter limite para o tamanho da mensagem, porém se devem inserir

informações adicionais para indicar o início e o fim da transmissão. Neste trabalho, a

comunicação se inicia em qualquer momento que for necessário. Será usada também uma

independência dos relógios (clocks) dos microcontroladores PICs. Dessa forma, será usada a

comunicação assíncrona.

A comunicação de dados entre dois computadores, de acordo com o sentido de

transmissão dos dados, pode-se dar de três modos diferentes: simplex, half-duplex e full-

duplex. (Ibidem, 1996).

A transmissão simplex é caracterizada pela transmissão dos dados num único sentido,

tendo uma única origem e um único destino. Esse tipo de comunicação é pouco utilizado, por

não possibilitar a resposta do receptor, como mostra a Fig. 3.1.

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Cap. 3 Protocolo Implementado 40

Figura 3.1 Transmissão Simplex.

Na transmissão half-duplex, a transmissão dos dados pode ser feita nos dois sentidos,

porém não simultaneamente. Nesse esquema, o transmissor e o receptor se alternam durante o

processo de comunicação, sendo o mais utilizado nas aplicações de comunicação de dados,

conforme Fig. 3.2.

Figura 3.2 Transmissão half-duplex.

A transmissão full-duplex suporta a transferência de dados nos dois sentidos

simultaneamente, porém utiliza de dois caminhos distintos para isso, como mostra a Fig. 3.3.

PICs em comunicação através de dois fios de forma serial e assíncrona numa configuração em

que os dois microcontroladores PICs podem solicitar a comunicação a qualquer momento.

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Cap. 3 Protocolo Implementado 41

Figura 3.3 Transmissão full-duplex.

Implementou-se, aqui, um sistema de dois microcontroladores; portanto, uma

configuração mestre-mestre. Então, a comunicação dos dados quanto ao sentido da

transmissão será full-duplex, por dois caminhos distintos.

3.2 Detalhamento

Segundo Tafner, Loesh e Stringari (1996), o protocolo de comunicação é um conjunto

de regras preestabelecidas cuja função é fazer com que a comunicação de dados entre

equipamentos seja realizada de forma segura e ordenada. Este trabalho tem como objetivo

implementar um protocolo de comunicação serial assíncrono full-duplex entre dois PICs e que

utiliza o circuito conhecido pela sigla UART (do inglês Universal Asynchronous

Receiver/Transmitter) presente nos microcontroladores PICs utilizados.

O UART (Transmissor/Receptor Assíncrono Universal) possui uma interface serial

para a transmissão e a recepção dos dados e uma interface paralela, usualmente para

comunicação com o processador. Segundo Vahid e Givargis (2002), a UART deve possuir um

registrador de configuração de baud-rate e dois circuitos independentes para a recepção e para

a transmissão. O transmissor deve possuir um buffer de transmissão que armazena o dado a

ser enviado. O dado recebido pela interface paralela é escrito nesse buffer, e depois

transmitido serialmente com os bits de start, de stop e paridade, juntamente com os dados

enviados, conforme Fig. 3.4. Do outro lado, um buffer de recepção recebe os dados pela linha

serial e os entrega à paralela.

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Cap. 3 Protocolo Implementado 42

Figura 3.4 Dados da UART.

O protocolo implementado tem uma estrutura de dados como mostra a Fig. 3.5.

Figura 3.5 Protocolo implementado.

Esse protocolo tem como característica de funcionamento ficar em espera até que um

dos PICs inicie a comunicação com um pedido de comunicação que é denominado de

preâmbulo. Ao receber o preâmbulo, o PIC identifica-o e fica à espera do endereço para

identificar se a mensagem é dirigida a esse PIC. Caso o endereço for o seu, ele envia a

informação de que está ouvindo, ou seja, que está pronto para receber os dados enviados. Se o

endereço não for o seu, o PIC entra em estado de espera, que é um estado de repouso que ele

assume, aguardando que a comunicação termine, recebendo o sinal de fim da transmissão,

para que esse PIC volte ao estado de espera, aguardando um pedido de comunicação, ou seja,

do sinal de preâmbulo. Quando recebe o sinal do PIC receptor, que está ouvindo e pronto para

receber os dados, o PIC transmissor – o que pediu a comunicação – começa a transmitir os

dados. Terminada a transmissão dos dados, o PIC transmissor envia um sinal de que terminou

início preâmbulo endereço

pronto para receber os dados ou entrar em repouso

dados 1

dados 1 dados 2 dados 3

fim da transmissão e sair do repouso

checksum espera

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Cap. 3 Protocolo Implementado 43

a transmissão dos dados. O PIC receptor, ao receber o sinal de fim da transmissão, volta ao

estado de espera do pedido de comunicação. Caso tenha entrado em aguardo, esse PIC sai

desse estado, ficando em espera de pedido de comunicação.

A linguagem de programação em que foi desenvolvido o protocolo foi a C, seguindo

os fluxogramas do PIC transmissor (v. Fig. 3.6) e do PIC receptor (v. Fig. 3.7).

Figura 3.6 Fluxograma do PIC Transmissor.

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Cap. 3 Protocolo Implementado 44

PIC recebendo dados

Figura 3.7 Fluxograma do PIC Receptor.

Em qualquer arquitetura, os microcontroladores PICs apenas aceitam em sua

programação a linguagem Assembly, uma linguagem de baixo nível cujos comandos são

traduzidos, um a um, para serem executados pela máquina. A principal vantagem de se

programar em Assembly é aproveitar, ao máximo, os recursos do hardware. Mas a

programação pode ser feita com outra linguagem de nível mais alto com a utilização de

compiladores. A escolha da linguagem C se deu porque ela é uma das linguagens mais

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Cap. 3 Protocolo Implementado 45

conhecidas nos últimos tempos, e tem as seguintes vantagens em relação à linguagem

Assembly:

acesso fácil ao hardware;

baixo requisito de memória;

elevado desempenho dos atuais compiladores facilita o rápido desenvolvimento de

aplicações eficientes e de fácil manutenção.

A sua desvantagem é a sintaxe livre com erros difíceis de detectar.

O protocolo foi desenvolvido e testado no programa CCS C Compiler, que é um

poderoso compilador para microcontroladores PICs.

3.3 Metodologia de Testes

Em termos de hardware, os testes foram realizados inicialmente por simulação no

programa Proteus Isis, no qual foi desenvolvido um circuito com três PICs interligados por

dois fios para sua comunicação serial, um dos quais para a transmissão dos dados, Tx, e o

outro para recepção dos dados, Rx. O PIC escolhido para realizar a implementação foi o

16F877A, pelo baixo custo e pelas funções disponíveis. A escolha do número PICs (três) se

deu para assegurar o endereçamento correto na solicitação da comunicação, garantindo que a

comunicação ocorra só entre os PICs que se estão comunicando enquanto o terceiro fica em

espera até o fim da comunicação. Na Fig. 3.8, apresenta-se o circuito desenvolvido no Proteus

Isis.

Após cada etapa da implementação no compilador CCS, o protocolo era inserido no

PIC e verificado seu funcionamento.

Após o desenvolvimento no simulador, os testes foram realizados no Protoboard,

montado o circuito de simulação (v. fig. 3.8) e inserido o programa em cada PIC, e foram

realizados os testes de hardware na bancada.

Os testes foram realizados com a transmissão de dados que eram gerados por um

chaveamento do PIC que transmitia os dados e eram apresentados por LEDs de saída no PIC

que recebia os dados, ficando o terceiro sem interferência à espera da liberação do canal de

comunicação para uma possível solicitação de comunicação.

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Cap. 3 Protocolo Implementado 46

Figura 3.8 Circuito de Simulação.

b0b1

b2b3

B 2

B1B0

FIM

1B3

FIM

2

MA

S.

ES

C-1

ES

C-2

RA

0/AN

02

RA

1/AN

13

RA

2/A

N2/

VR

EF-

/CVR

EF4

RA

4/T0

CK

I/C1O

UT

6

RA

5/A

N4/

SS

/C2O

UT

7

RE

0/A

N5/

RD

8

RE

1/AN

6/W

R9

RE

2/A

N7/

CS

10

OS

C1/

CLK

IN13

OS

C2/

CLK

OU

T14

RC

1/T1

OS

I/CC

P216

RC

2/C

CP1

17

RC

3/S

CK

/SC

L18

RD

0/PS

P019

RD

1/PS

P120

RB

7/PG

D40

RB

6/PG

C39

RB5

38R

B437

RB

3/PG

M36

RB2

35R

B134

RB

0/IN

T33

RD

7/PS

P730

RD

6/PS

P629

RD

5/PS

P528

RD

4/PS

P427

RD

3/PS

P322

RD

2/PS

P221

RC

7/R

X/D

T26

RC

6/TX

/CK

25R

C5/

SD

O24

RC

4/S

DI/S

DA

23

RA

3/A

N3/

VREF

+5

RC

0/T1

OS

O/T

1CK

I15

MC

LR/V

pp/T

HV

1

MA

STE

R

PIC

16F8

77A

R1

330

R2

330

R3

330

R4

330

Tec

M

R5

330

R6

330

D5

LED

-BLU

E

R7

330

R8

330

RA

0/AN

02

RA

1/AN

13

RA

2/A

N2/

VR

EF-

/CVR

EF4

RA

4/T0

CK

I/C1O

UT

6

RA

5/A

N4/

SS

/C2O

UT

7

RE

0/A

N5/

RD

8

RE

1/AN

6/W

R9

RE

2/A

N7/

CS

10

OS

C1/

CLK

IN13

OS

C2/

CLK

OU

T14

RC

1/T1

OS

I/CC

P216

RC

2/C

CP1

17

RC

3/S

CK

/SC

L18

RD

0/PS

P019

RD

1/PS

P120

RB

7/PG

D40

RB

6/PG

C39

RB5

38R

B437

RB

3/PG

M36

RB2

35R

B134

RB

0/IN

T33

RD

7/PS

P730

RD

6/PS

P629

RD

5/PS

P528

RD

4/PS

P427

RD

3/PS

P322

RD

2/PS

P221

RC

7/R

X/D

T26

RC

6/TX

/CK

25R

C5/

SD

O24

RC

4/S

DI/S

DA

23

RA

3/A

N3/

VREF

+5

RC

0/T1

OS

O/T

1CK

I15

MC

LR/V

pp/T

HV

1

E1 PIC

16F8

77A

R11

330

R12

330

R13

330

R14

330

D6

D7

D8

D9

LED

-GR

EEN

FIM

MAS

R15

330

R16

330

R17

330

R18

330

R19

330

R20

330

RA

0/AN

02

RA

1/AN

13

RA

2/A

N2/

VR

EF-

/CVR

EF4

RA

4/T0

CK

I/C1O

UT

6

RA

5/A

N4/

SS

/C2O

UT

7

RE

0/A

N5/

RD

8

RE

1/AN

6/W

R9

RE

2/A

N7/

CS

10

OS

C1/

CLK

IN13

OS

C2/

CLK

OU

T14

RC

1/T1

OS

I/CC

P216

RC

2/C

CP1

17

RC

3/S

CK

/SC

L18

RD

0/PS

P019

RD

1/PS

P120

RB

7/PG

D40

RB

6/PG

C39

RB5

38R

B437

RB

3/PG

M36

RB2

35R

B134

RB

0/IN

T33

RD

7/PS

P730

RD

6/PS

P629

RD

5/PS

P528

RD

4/PS

P427

RD

3/PS

P322

RD

2/PS

P221

RC

7/R

X/D

T26

RC

6/TX

/CK

25R

C5/

SD

O24

RC

4/S

DI/S

DA

23

RA

3/A

N3/

VREF

+5

RC

0/T1

OS

O/T

1CK

I15

MC

LR/V

pp/T

HV

1

ES2

PIC

16F8

77A

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CAPÍTULO 4

IMPLEMENTAÇÃO

Neste Capítulo, é apresentada a especificação da comunicação de dados que serviu de

referência para a implementação do protocolo de comunicação entre dois PICs e o circuito

desenvolvido utilizando a rede PLC.

4.1 Circuito Implementado

O circuito implementado foi desenvolvido para realizar a comunicação entre dois

microcontroladores PICs, utilizando como meio de comunicação a rede elétrica (PLC). A

comunicação, por ser full-duplex, se resume ao diagrama de blocos da Fig. 4.1.

Figura 4.1 Diagrama de blocos do Sistema.

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Cap. 4 Implementação 48

4.2 Acoplamento

O acoplamento é o primeiro circuito do sistema: está ligado diretamente à rede

elétrica, e tem importância fundamental, pois é responsável pela filtragem dos dados da rede

elétrica.

A função do circuito de acoplamento é eliminar o sinal na frequência da rede elétrica

de 60 Hz, permitindo a passagem do sinal modulado em frequência, que, no presente caso,

está entre 30 kHz e 90 kHz.

Sua curva de resposta do ganho do sinal em função da frequência mostra como o filtro

responde à passagem da frequência, cortando as frequências mais baixas e permitindo a

passagem das frequências na faixa de 30 kHz a 5 MHz, como mostra a Fig. 4.2.

Figura 4.2 Resposta de frequência do filtro.

No circuito de acoplamento, foi utilizado um transformador 1:1, montado em um

núcleo toroidal de ferrite, para obter uma isolação dos circuitos posteriores da rede elétrica, já

que os componentes não se conectam diretamente com a rede. Tem-se como meio de isolação

um núcleo de ferrite, que faz a conexão entre o primário e o secundário do transformador,

convertendo a energia elétrica em energia eletromagnética, e convertendo-a novamente em

energia elétrica.

São usados dois capacitores, C1 e C2, entre o transformador e a rede, que

proporcionam uma isolação simétrica, o que significa que o circuito permite que se conecte à

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

10

20

0

1k

10

k

12

k

25

k

35

k

45

k

55

k

70

k

90

k

15

0k

25

0k

35

0k

45

0k

60

0k

80

0k

1M

3M

5M

7M

9M

20

M

Resposta do Filtro Ganho X Frequência (Hz)

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Cap. 4 Implementação 49

fase em qualquer posição, ou seja, no capacitor C1 ou no capacitor C2, permitindo ligações

em redes de 220V, de 110V e em redes bifásicas. Os diodos funcionam como limitadores de

tensão, protegendo o circuito contra sobretensão (v. Fig. 4.3).

Figura 4.3 Acoplamento.

4.3 Modulador FSK

O XR-2206 é um gerador de função capaz de produzir ondas senoidais de alta

qualidade (pino 2). A forma de onda da saída pode ser modulada em amplitude e frequência

por uma tensão externa. A frequência da portadora pode ser selecionada externamente na

faixa de 0,01 Hz a mais de 1 MHz. O circuito é ideal para comunicações, principalmente para

geração de modulação FSK. (V. Fig. 4.4).

Figura 4.4 Modulador FSK.

C1220nF

C2220nF

T1

t1Rede Elétrica

C3220nF

D11n4007

D21N4007

D31N4733A

D41N4733A

Modulador FSK

R1

5,1kΩ

U1

XR-2206

1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 11 12 13 14 15 16

R2

5,1kΩ C1 1µF

VCC 12V

R3 50kΩ

Saída senoidal

C2

1µF C3

10nF R4

820Ω R5

1,2kΩ

C4

1µF

R6 220Ω

U2 conector

1 Para interface de acoplamento

C5

10nF

U3 conector

1

Vem do PIC

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Cap. 4 Implementação 50

O XR-2206 é composto por um oscilador controlado por tensão, VCO (do inglês

Voltage-Controlled Oscillator). O VCO produz uma frequência de saída proporcional a uma

entrada. A frequência de oscilação é determinada pelo capacitor C3 e pelos resistores R4 e

R5. Dependendo da polaridade do sinal lógico no pino 9, será ativado o resistor R4 ou o

resistor R5. Desse modo, a frequência de saída pode ser chaveada entre dois valores de

frequência, f1 e f2, dados pelas expressões:

Foram utilizadas as frequências de 40 kHz e 80 kHz como frequências médias nos dois

moduladores, com uma banda de 8 kHz, como se pode observar na Fig. 4.5.

Figura 4.5 Banda de frequências utilizadas.

O potenciômetro R3 (Fig. 4.4) permite ajustar a amplitude do sinal de saída.

A verificação das interferências dos harmônicos foi feita através da investigação da

geração de harmônicos pelo circuito de modulação, utilizando um analisador de espectro

Rohde & Schwarz FS300 (9kHz a 3GHz). O resultado mostrou ser bastante inexpressiva a

influência desses harmônicos.

4.4 Demodulador FSK

A demodulação do sinal é realizada pelo circuito integrado XR-2211, que utiliza um

circuito PLL (Phase-Locked Loop), sistema especialmente projetado para aplicações de

comunicação de dados. É adequado particularmente para modem FSK, trabalha com uma

faixa de frequência de 0,01 Hz a 300 kHz.

O circuito é composto por um PLL que controla o sinal de entrada dentro da faixa de

passagem por um detector de fase, que detecta a portadora, e por um comparador de tensão,

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Cap. 4 Implementação 51

que fornece a demodulação FSK. O PLL, dentro do XR-2211, é constituído de um pré-

-amplificador de entrada, multiplicador analógico usado como detector de fase e um oscilador

controlado por tensão (VCO). A saída do detector de fase produz a soma e a diferença entre a

entrada e as frequências VCO. Quando no bloqueio, essas frequências são fin + fVCO e

fin - fVCO . Na saída do detector de fase, há uma tensão DC que representa a diferença de fase

entre as duas frequências. O comparador da modulação FSK é usado para determinar se o

VCO é impulsionado acima ou abaixo da frequência central, produzindo um nível alto ativo

ou um nível baixo ativo. (V. fig. 4.6).

Figura 4.6 Demodulador FSK.

4.5 Circuito do PIC

Os PICs utilizados são da família 16F de 40 pinos. Neles, foram inseridos um

programa desenvolvido em linguagem C, que tem a função de coordenar toda a comunicação

de dados nos dois microcontroladores PICs. Em nosso experimento, foram utilizados LEDs

para demonstrar a interatividade e o controle da comunicação entre os dois

microcontroladores PICs (v. Fig. 4.7).

U1

XR2211

12345

67 8

9

1011121314

VCC

12V

RD470kΩ

CD4.7nF

R2

5.1kΩ

RB

10MΩ

U2conector

1

U3conector

1

C2

0.1µF Rede de Acoplamento

PIC

C00.1µF

CF0.1µF

C50.1µF

C110pF

RF1MΩ

R010kΩ

R350kΩ

Key=A50%

R1

100kΩ

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Cap. 4 Implementação 52

Figura 4.7 Circuito do PIC.

4.6 Resultados Preliminares

Os resultados obtidos demonstraram um bom funcionamento do sistema, apresentando

resultados satisfatórios quanto à imunidade ao ruído.

Para um sistema que não precisa de muita velocidade de comunicação, por se tratar de

automação residencial cujos comandos são espaçados no tempo de forma esporádica, mesmo

assim apresentou uma velocidade da ordem de 2400 bauds. Nos testes, foi enviado um trem

de pulsos a uma frequência de 2,76 kHz na entrada do modulador e foi verificada a forma de

onda na saída do demodulador em termos de distorção, como mostra a Fig. 4.8.

U1

PIC16F877A

1234567891011121314151617181920 21

22232425262728293031323334353637383940

X120MHz

C1

39pF

C239pF

VCC

5VJ1

Key = Space

J2

Key = Space

J3

Key = Space

J4

Key = Space

U2A

MCT62

1

8

7

U3A

MCT62

1

8

7

R1

330Ω

R2

1kΩ

VCC

5V

U4conector

1

Modulador FSK

R3

330ΩR4

1kΩ

U5

conector1

Demodulador FSK

VCC

5V

LED1 LED2LED3 LED4

R5330Ω

R6330Ω

R7330Ω

R8330Ω

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Cap. 4 Implementação 53

Figura 4.8 Forma de onda do Sinal de Entrada e do Sinal de Saída.

O circuito montado no Protoboard mostrado na Fig. 4.9 apresenta os componentes de

cada módulo.

Figura 4.9 Módulo de Comunicação.

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Cap. 4 Implementação 54

A placa do sistema completo, com tamanho comparativo, pode ver vista na Fig. 4.10.

Figura 4.10 Sistema completo.

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CAPÍTULO 5

CONCLUSÃO

Os sistemas de automação residencial necessitam ser seguros, confiáveis e,

principalmente, devem ter baixo custo de instalação. Assim sendo, cada projeto deve realizar

a melhor combinação dessas características para que haja maior conforto e economia para o

usuário.

Para a realização deste trabalho, foi implementado um protocolo baseado nos

protocolos CAN e LIN. Do protocolo CAN foi usada a vantagem de transmissão de

mensagens curtas de até 8 bytes, e o barramento que usa apenas um par de fios para

comunicação. Do protocolo LIN, o conceito de uma rede de baixo custo que suporta apenas

um mestre com múltiplos escravos, garantindo a comunicação de dados entre os diversos

componentes do sistema. Essa escolha levou em consideração a flexibilidade na camada de

aplicação do protocolo.

A rede PLC se mostrou econômica na questão do cabeamento por não necessitar de

novas instalações.

A implementação do microcontrolador PIC também foi realizada visando às

características principais de um sistema de automação. Para isso, foram utilizados dois

microcontroladores interligados por rede elétrica, assistido por um protocolo desenvolvido em

linguagem C.

Com este trabalho, foi possível perceber que aplicações residenciais de controle

podem ser realizadas utilizando componentes de baixo custo e um protocolo flexível. Isso

aumenta a popularização de casas inteligentes. Mas, para que essa popularização se dê de

forma correta, é necessário investimento na criação de componentes simples e seguros e na

padronização de estruturas de rede de alto desempenho.

Após a sua implementação, o protocolo foi testado numa comunicação de dois PICs,

tendo como linha física dois fios condutores com a presença da rede elétrica. Devido ao fato

de a rede elétrica ser um ambiente muito hostil, realizados os ajustes para minimizar os

ruídos, obteve-se uma comunicação com velocidade da ordem de 2400 bauds, suficiente para

aplicações de automação residencial.

Todos os componentes foram adquiridos a preços baixos no comércio local e regional,

e o custo total de montagem foi muito baixo.

Embora os objetivos tenham sido alcançados com sucesso, existem diversos pontos

que podem ser explorados com possibilidade de avanços no futuro, como, por exemplo:

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Cap. 5 Conclusão 56

Modelagem do canal da rede elétrica, visando a uma maior facilidade de teste e

implementação de sistemas demóticos, sempre com o objetivo de diminuir os custos e

melhorar a acessibilidade dessa tecnologia.

Desenvolvimento de políticas de esclarecimento ao público em geral, divulgando os

benefícios e as facilidades da tecnologia PLC de baixo custo.

Oferecimento de serviços que podem ser comercializados pelas operadoras de energia

elétrica que atinjam os excluídos digitalmente com acesso via PLC.

Investimentos em pesquisa e inovação tecnológica de forma a estimular novos

desenvolvimentos, diminuindo custos associados à cadeia produtiva ligada à

tecnologia PLC.

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REFERÊNCIAS

ARCHANGELO, Flávio. PLC/BPL: Uma Tecnologia Poluidora. 2009. Disponível em:

<http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialplcbpl/>. Acesso em: out. 2011.

BRUNE, Osmar. CLPs de pequeno porte. Mecatrônica Atual, São Paulo: n. 21, p. 20-22,

abr./maio 2005.

CORRÊA, J. R. PLC: Power Line Communications. 2004. 51 f. Trabalho de Final de Curso

(Bacharelado em Sistemas de Informação) – UNIMINAS, Uberlândia, 2004. Disponível em:

<http://si.uniminas.br/TFC/monografias/TCC%20Josias%20Rodrigues%20CorreaAgosto%20

2004.pdf>. Acesso em: dez. 2011.

DOSTERT, Klaus. Power Line Communications. Upper Saddle River, New Jersey: Prentice-Hall PTR, 2001.

FERREIRA, Marcus Vinicius de Almeida. PLC – Power Line Communication. Universidade

Federal Fluminense. Disponível em: <http://www.radiocb.com/main/images/pdf/PLC.pdf>.

Acesso em: abr. 2011.

FRANCISCO, A. M. S. Microcontroladores PIC16F. Versão 2, 2009.

GUIMARÃES, A. A. Eletrônica Embarcada Automotiva. São Paulo: Érica, 2007.

LIN Consortium. LIN specification package – Revision 2.1. LIN Consortium, Stuttgart,

2006.

LUPINI, C. A. Vehicle Multiplex Communication – Serial Data Networking Applied to

Vehicular Engineering. SAE International, Warrendale, PA, USA, 2004.

PARNEL, K. LIN Bus – A Cost-Effective Alternative to CAN. Xilinx, 2004.

SANTOS, T. L. PLC – Power Line Communication. Disponível em:

<http://www.gta.ufrj.br/ensino/ee1879/trabalhos_vf_2008_2/tulio/>. Acesso em: set. 2011.

TAFNER, Malcon Anderson; LOESH, Claudio; STRINGARI, Sérgio. Comunicação de

dados usando Linguagem C: Aplicação em DOS e Windows, 19. ed. Blumenau: EDIFURB,

1996. 87 p. ISBN: 8571140553

TELECO. BPL I: Técnicas Utilizadas pelo PLC. Disponível em:

<http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialbpl1/pagina_3.asp>. Acesso em: 10 jan. 2012.

TIBALDI, Carla M. PLC: Power Line Communications. Artigo apresentado como atividade

complementar, 7 p. Centro Federal de Educação Tecnológica de Mato Grosso, Cuiabá, Mato

Grosso, 2007.

VAHID, Frank; GIVARGIS, Tony. Embedded system design: a unified hardware/software

introduction. Somerset, New Jersey: John Wiley, 2002. ISBN: 0471386782.

WILLAM, M.; KRAUS, B. Master und Slave fest im Griff – LIN-UART 2.0 mit

modularem Treiber: Basis für Komfort-Systeme. Elektronik Industrie, Elektrobit, Germany,

2005.

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ANEXO A

PROGRAMA PARA O PIC MASTER PRIMÁRIO

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Anexo A

C\Projetos\Prot_Pac\comunica_Prot_Pac1.c

#include<16f877a.h>

#include<regs_16f87x.h>

#fuses HS,NOWDT,PUT,NOBROWNOUT,NOPROTECT,NOLVP

#int_timer1

void main(void)

CHAR Pream1,Pream2,Estado,Ouvir,FimCom,Checksum,Ender,I;

// CHAR RebTx,Sleep,EnvTx;

I=0;

Estado=(0x00);

setup_timer_1(T1_DIV_BY_4); // timer 1

set_tris_b(0b11111111); // seta os pinos RB0 RB1 RB2 RB3 RB4 RB5 RB6 RB7 como

entrada.

port_b_pullups (true); // habilita pull-ups internos portB

set_tris_c(0b10011101); // habilita os pinos RC6 e RC5 como saída

set_tris_d(0b00000000); // habilita os pinos RA0 a RA7 como saída

setup_adc_ports(no_analogs); // desabilita portas analógicas

PORTD=(0X00); // zera a porta A

PORTB=(0x00); // Config port b

/*Configurações de tx e rs */

SPBRG=64; //9600,n,8 @ 24MHz

TXEN=1; //hab. transmissão

BRGH=1; //sel. baud rate alta 9600bps

SYNC=0; //assinc.

SPEN=1; //hab. pinos como int. serial

CREN=1; //recepção contínua

RCIF=0; //flag de recepção

RCIE=1; //hab int serial

for(;;)

if (Estado==(0x04))

while(TXIF) // sensores dos sensores

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Anexo A

TXREG=PORTB;

////////////////// Envia o Preâmbulo e o endereço - Estado (1) ////////////////

if (Estado==(0x00))

if (!input(PIN_B5))

Estado=(0x01);

TXREG=(0x10);

output_high(PIN_C1); // sinaliza o teclado

while (!input(PIN_B5))

TXREG=(0x11);

TXREG=(0x02);

////////////////////Endereço do escravo 2 ///////////////

if (!input(PIN_B6))

Estado=(0x01);

TXREG=(0x10);

output_high(PIN_C1); // sinaliza o teclado

while (!input(PIN_B6))

TXREG=(0x11);

TXREG=(0x03);

//////////////// Recebe o preâmbulo - Estado (2) ////////////////////////////

if (Estado==(0x00))

if (RCIF)

PORTD=RCREG;

Pream1=RCREG;

while (!RCIF)

Pream2=RCREG;

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Anexo A

if (Pream1==(0x10)&&Pream2==(0x11))

Estado=(0x02);

Pream1=0x00;

Pream2=0x00;

//////////////// Recebe o Endereço - Estado (3) ////////////////////////////

if (Estado==(0x02))

if (RCIF)

PORTD=RCREG;

Ender=RCREG;

if (Ender==(0x01))

Estado=0x03;

TXREG=(0x12);

output_high(PIN_C0); // sinaliza o Recebimento

////////////////////////////// Inicia o recebimento dos dados - Estado (3) ///////////////////////////////

if (Estado==(0x03))

if(!RCIF); //lado dos leds

PORTD=RCREG;

FimCom=RCREG;

if (FimCom==(0x13))

Estado=0x00;

PORTD=0x00;

output_low(PIN_C0); // sinaliza o fim

TXREG=0x14;

////////////////////////////// Recebeu o sinal que alguém está ouvindo - Estado (4)

///////////////////////////////

if (Estado==(0x01))

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Anexo A

if(!RCIF); //lado dos leds

Ouvir=RCREG;

PORTD=RCREG;

if (Estado==0x01)

if (Ouvir==(0x12))

Estado=(0x04);

////////////////////////////// Finaliza a comunicação - Estado (6) ///////////////////////////////

if (Estado==0x04)

if (!input(PIN_B4))

Estado=(0x06);

TXREG=(0x13);

output_low(PIN_C1); // sinaliza o teclado

while (!input(PIN_B5))

if (Estado==(0x06))

if(!RCIF); //lado dos leds

PORTD=RCREG;

Checksum=RCREG;

if (Checksum==(0x14))

Estado=0x00;

PORTD=0x00;

output_low(PIN_C0); // sinaliza o fim

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

setup_timer_1(T1_INTERNAL|T1_DIV_BY_8); //timer 1 para clock interno e prescaler

set_timer1(0); // inicializa o timer em 0

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Anexo A

enable_interrupts(global); // habilita interrupções

enable_interrupts(int_timer1); // habilita interrupção do timer1

while(1); //espera interrupção

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ANEXO B

PROGRAMA PARA O PIC MASTER SECUNDÁRIO

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Anexo B 65

C\Projetos\Prot_Pac\comunica_Prot_Pac2.c

#include<16f877a.h>

#include<regs_16f87x.h>

#fuses HS,NOWDT,PUT,NOBROWNOUT,NOPROTECT,NOLVP

#int_timer1

void main(void)

CHAR Pream1,Pream2,Estado,Ouvir,FimCom,Checksum,Ender,I;

// CHAR RebTx,Sleep,EnvTx;

I=0;

Estado=(0x00);

setup_timer_1(T1_DIV_BY_4); // timer 1

set_tris_b(0b11111111); // seta os pinos RB0 RB1 RB2 RB3 RB4 RB5 RB6 RB7 como

entrada.

port_b_pullups (true); // habilita pull-ups internos portB

set_tris_c(0b10011101); // habilita os pinos RC6 e RC5 como saída

set_tris_d(0b00000000); // habilita os pinos RA0 a RA7 como saída

setup_adc_ports(no_analogs); // desabilita portas analógicas

PORTD=(0X00); // zera a porta A

PORTB=(0x00); // Config port b

/*Configurações de tx e rs */

SPBRG=64; //9600,n,8 @ 24MHz

TXEN=1; //hab. transmissão

BRGH=1; //sel. baud rate alta 9600bps

SYNC=0; //assinc.

SPEN=1; //hab. pinos como int. serial

CREN=1; //recepção contínua

RCIF=0; //flag de recepção

RCIE=1; //hab int serial

for(;;)

if (Estado==(0x04))

while(TXIF) // sensores dos sensores

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Anexo B 66

TXREG=PORTB;

////////////////// Envia o Preâmbulo e o endereço - Estado (1) ////////////////

if (Estado==(0x00))

if (!input(PIN_B5))

Estado=(0x01);

TXREG=(0x10);

output_high(PIN_C1); // sinaliza o teclado

while (!input(PIN_B5))

TXREG=(0x11);

TXREG=(0x01);

//////////////// Recebe o preâmbulo - Estado (2) ////////////////////////////

if (Estado==(0x00))

if (RCIF)

PORTD=RCREG;

Pream1=RCREG;

while (!RCIF)

Pream2=RCREG;

if (Pream1==(0x10)&&Pream2==(0x11))

Estado=(0x02);

Pream1=0x00;

Pream2=0x00;

//////////////// Recebe o Endereço - Estado (3) ////////////////////////////

if (Estado==(0x02))

if (RCIF)

Ender=RCREG;

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Anexo B 67

if (Ender==(0x02))

Estado=0x03;

PORTD=Estado;

TXREG=(0x12);

output_high(PIN_C0); // sinaliza o Recebimento

else

Estado=0x07;

PORTD=Estado;

////////////////////////////// Inicia o recebimento dos dados - Estado (3) ///////////////////////////////

if (Estado==(0x03))

if(!RCIF); //lado dos leds

PORTD=Estado;

PORTD=RCREG;

FimCom=RCREG;

if (FimCom==(0x13))

Estado=0x00;

PORTD=0x00;

output_low(PIN_C0); // sinaliza o fim

TXREG=0x14;

////////////////////////////// Recebeu o sinal que alguém está ouvindo - Estado (4)

///////////////////////////////

if (Estado==(0x01))

if(!RCIF); //lado dos leds

Ouvir=RCREG;

PORTD=RCREG;

if (Estado==0x01)

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Anexo B 68

if (Ouvir==(0x12))

Estado=(0x04);

////////////////////////////// Finaliza a comunicação - Estado (6) ///////////////////////////////

if (Estado==0x04)

if (!input(PIN_B4))

Estado=(0x06);

TXREG=(0x13);

output_low(PIN_C1); // sinaliza o teclado

while (!input(PIN_B5))

if (Estado==(0x06))

if(!RCIF); //lado dos leds

PORTD=RCREG;

Checksum=RCREG;

if (Checksum==(0x14))

Estado=0x00;

PORTD=0x00;

output_low(PIN_C0); // sinaliza o fim

////////////////////////////// Finaliza a hibernação - Estado (7) ///////////////////////////////

if (Estado==0x07)

if(!RCIF); //lado dos leds

PORTD=Estado;

FimCom=RCREG;

if (FimCom==(0x13))

Estado=0x00;

PORTD=Estado;

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Anexo B 69

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

setup_timer_1(T1_INTERNAL|T1_DIV_BY_8); //timer 1 para clock interno e prescaler

set_timer1(0); // inicializa o timer em 0

enable_interrupts(global); // habilita interrupções

enable_interrupts(int_timer1); // habilita interrupção do timer1

while(1); //espera interrupção

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ÍNDICE ONOMÁSTICO

A

AIKEN, Howard, 34

B

BROWN, Paul, 23

G

GIVARGIS, Tony D., 41

L

LOESH, Claudio, 39; 41

N

NEUMANN, John von, 33

S

STRINGARI, Sérgio, 39; 41

T

TAFNER, Malcon Anderson, 39; 41

V

VAHID, Frank, 41