desenvolvimento de um sistema de controle de dispositivo via acesso remoto

5/21/2018 Desenvolvimento de Um Sistema de Controle de Dispositivo via Acesso Remoto

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DANIEL AKIRA NUMAJIRI

DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE CONTROLE DEDISPOSITIVOS VIA ACESSO REMOTO

Projeto de um prottipo apresentado aoDepartamento de Cincia da Computao daUniversidade Federal de Lavras como parte dasexigncias do Curso de Cincia da Computao,para obteno do ttulo de bacharel

Orientador

Prof. Rmulo Maia Alves

LavrasMinas Gerais - Brasil

2003


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DANIEL AKIRA NUMAJIRI

DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE CONTROLE DEDISPOSITIVOS VIA ACESSO REMOTO

Projeto de um prottipo apresentado aoDepartamento de Cincia da Computao daUniversidade Federal de Lavras como parte dasexigncias do Curso de Cincia da Computao,para obteno do ttulo de bacharel

Aprovada em 11 de Dezembro de 2003.

______________________________Prof. Anderson Bernardo do Santos

______________________________Prof. Luciano Mendes do Santos

_____________________________Prof. Rmulo Maia Alves

(Orientador)

LavrasMinas Gerais Brasil


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Agradecimentos

Agradeo aos meus pais, pela base pessoal ensinada e todo o incentivo

que eles me proporcionaram, a minha irm pela pacincia e companheirismo e

aos meus amigos pelo apoio, dicas e risadas trocadas nos momentos de

dificuldade.

Aos professores do Curso de Bacharelado em Cincias da Computao

pelos ensinamentos no decorrer do curso. E ao Luciano e Fabrcio, muito

obrigado.


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ii

Resumo

Desenvolvimento de um Sistema de Controle de Dispositivos via acessoremoto

Atualmente, com os avanos da tecnologia, coisas que nem imaginvamos h algunsanos atrs se tornam possveis e viveis de implementar, tal como o fato de podermoscontrolar dispositivos na nossa casa em qualquer parte do mundo atravs da internet.Essa monografia tem como objetivo mostrar o desenvolvimento de um sistema demonitoramento e controle de uma lmpada e o estudo das formas de conexo etransmisso de dados na rede, os dispositivos de controle e comando gerados porcontroladores e atuadores. E a partir disso estabelecer um modelo base para odesenvolvimento futuro de outros sistemas de controle de dispositivos, como omonitoramento de estufas, granjas, controle de irrigao e dispositivos eletrnicos.

Abstract

Development of a System of Control of Devices saw access remote

Currently, with the advances of the technology, things that nor we imagined has someyears behind become possible and viable to implement, such as the fact to be able tocontrol devices in our house in any part of the world through the InterNet. Thismonograph has as objective to show to the development of a monitoramento system andcontrol of a light bulb and the study of the connection forms and transmission of data inthe net, the devices of control and command generated by controllers and actuators. E toleave of this to establish a model base for the future development of other systems of

control of devices, as the monitoramento of greenhouses, farms, control of irrigation andelectronic devices.


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SUMRIO1 Introduo 1

2 Fundamentao Terica 42.1 A Internet - Um pouco da histria............................................................4

2.1.1 Organizao....................................................................................52.1.2 Os Recursos da Internet..................................................................6

2.2 Ethernet e IEEE 802.3..............................................................................72.2.1 rvore da famlia Ethernet............................................................9

2.3 Introduo ao TCP/IP.............................................................................10

2.3.1 Arquitetura TCP/IP......................................................................112.3.2 O Protocolo IP..............................................................................132.3.3 O Protocolo TCP..........................................................................14

2.4 Sistema de Controles..............................................................................162.5 Interfaces de Comunicao.....................................................................17

2.5.1 Interface Serial.............................................................................182.5.2 Porta Serial...................................................................................192.5.3 Comunicaes Sncronas e Assncronas......................................212.5.4 Bits de Paridade............................................................................232.5.5 Polaridade de Sinal.......................................................................232.5.6 Velocidade de Envio dos Dados...................................................24

2.6 Micro-controladores Famlia PIC........................................................25

2.6.1 Arquitetura de Microcontroladores..............................................262.6.1.1 Memria de Programao.......................................................262.6.1.2 Memria de Dados..................................................................272.6.1.3 Unidade Lgica Aritmtica.....................................................272.6.1.4 Ciclo de Mquina....................................................................282.6.1.5 Pipeline....................................................................................282.6.1.6 Timer.......................................................................................302.6.1.7 Pre-scale..................................................................................302.6.1.8 Watchdog................................................................................302.6.1.9 Interrupo..............................................................................31

2.6.2 Microcontrolador PIC..................................................................332.6.3 PIC16F628...................................................................................33

2.7

Rels.......................................................................................................362.7.1 Os Rels na Prtica.......................................................................402.7.2 Tipos de Rels..............................................................................42

2.7.2.1 Contatos NA ou Normalmente Abertos..................................422.7.2.2 Contatos NF ou Normalmente Fechados................................43


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2.7.2.3 Contatos NA e NF ou Reversveis..........................................43

2.7.2.4

Rels abertos, fechados e selados...........................................452.7.3 Ligao dos rels ao circuito externo...........................................472.7.4 Caractersticas eltricas dos Rels................................................47

2.7.4.1 Caractersticas da bobina........................................................482.7.4.2 Caractersticas dos contatos....................................................50

2.7.5 Como usar um Rel......................................................................522.7.5.1 Proteo do circuito de acionamento......................................532.7.5.2 Proteo dos Contatos.............................................................55

3 Metodologia 573.1 Tipo de Pesquisa.....................................................................................573.2 Material Utilizado..................................................................................593.3 Planejamento..........................................................................................60

3.3.1 A escolha do dispositivo a ser utilizado.......................................603.3.2 O estudo do funcionamento do dispositivo..................................603.3.3 A criao da interface para a comunicao entre o dispositivo e o

computador...................................................................................603.3.4 O desenvolvimento de softwares de controle da interface...........613.3.5 O desenvolvimento de um servidor de comunicao remota.......613.3.6 A modelagem da arquitetura final do sistema..............................623.3.7 O desenvolvimento de sistemas web............................................623.3.8 O desenvolvimento do prottipo..................................................633.3.9 O desenvolvimento de aplicaes distribudas sobre a arquitetura

criada............................................................................................633.4 Desenvolvimento do Dispositivo de Controle.......................................64

3.4.1 Descrio do Sistema...................................................................643.4.2 Conexes via Cabo Serial e Paralelo............................................673.4.3 Servidor Internet...........................................................................693.4.4 Aplicao Desenvolvida...............................................................703.4.5 Software Aplicativo......................................................................733.4.6 Funcionamento do Hardware.......................................................77

4 Consideraes Finais 814.1 Dificuldades Encontradas.......................................................................814.2 Concluso...............................................................................................834.3 Trabalhos Futuros...................................................................................83


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LISTA DE FIGURASFigura 1 - Camadas da arquitetura TCP/IP .........................................................12

Figura 2 - Formato do datagrama IPv4 ...............................................................14

Figura 3 - Formato do segmento TCP ................................................................16

Figura 4 - Interface serial entre um computador e um dispositivo externo.........21

Figura 5 - Ciclo de Mquiina...............................................................................28

Figura 6 - Atuao do Pipeline............................................................................29

Figura 7 - Pinagem do PIC16F628......................................................................35

Figura 8 - Estrutura eltrica do Rel....................................................................36

Figura 9 - Abertura e fechamento dos contatos...................................................37

Figura 10 - Rel de contato simples....................................................................38

Figura 11 - Ativar uma carga de alta potncia.....................................................39

Figura 12 - A bobina de um Rel.........................................................................41

Figura 13 - Rels tipo NA....................................................................................42

Figura 14 - Rels tipo NF....................................................................................43

Figura 15 - Rel Reversvel.................................................................................44

Figura 16 - Comutao de duas cargas atravs do rel reversvel.......................44

Figura 17 - Rels abertos, fechados e selados.....................................................46

Figura 18 - Rels de 4 terminais..........................................................................47

Figura 19 - Conduo de corrente na Bobina......................................................51

Figura 20 - Proteo do Rel...............................................................................53

Figura 21 - Uso de um diodo para proteger o rel...............................................54

Figura 22 - Uso de um varistor para proteger o rel............................................55

Figura 23 - Uso do diodo em paralelo para evitar altas tenses..........................56

Figura 24 - Arquitetura final do sistema..............................................................62


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vi

Figura 25 - Maquete do laboratrio.....................................................................64

Figura 26 - Sensor reed-switch............................................................................64Figura 27 - Diagrama do funcionamento do dispositivo de controle..................65

Figura 28 - Fluxograma do programa do microcontrolador................................66

Figura 29 - Fluxo das requisies e atuaes......................................................67

Figura 30 - Cdigo de Leitura.............................................................................71

Figura 31 - Cdigo de Escrita..............................................................................72

Figura 32 - Parte do cdigo main........................................................................72

Figura 33 - Cdigo main()...................................................................................73

Figura 34 - Trecho do cdigo TPageProducer.....................................................74Figura 35 - Parte do cdigo que manipula as tags colocados dentro do html.....75

Figura 36 - Cdigo que monta as aes via serial...............................................76

Figura 37 - Trecho de cdigo para ter acesso a porta serial................................77

Figura 38 - Esquema eltrico do prottipo..........................................................78

Figura 39 - Prottipo............................................................................................79

Figura 40 - Regulador de Tenso........................................................................80


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vii

LISTA DE TABELASTabela 1 - Tecnologias do padroEthernet.........................................................10

Tabela 2 - COM1/COM2 RS-232 Porta Serial ( DB-9/DB-25 ).........................20


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Captulo 1

Introduo

Com o crescimento das novas tecnologias de comunicao e o aumento

progressivo do nmero de eletro-eletrnicos utilizando essas tecnologias, torna-

se interessante o incentivo pesquisas nesta direo.

Um dos exemplos mais conhecidos do momento a utilizao de

aparelhos celulares permitindo o acesso Internet. Juntamente com outros

dispositivos portteis como Palms, Cassiopeias, etc, estes equipamentos visam

permitir que usurios acessem servios j existentes e, em sua maioria, a um

custo maior e com uma menor qualidade.

Outros exemplos de sistemas que atuam nesta rea, porm com outro

enfoque, so os desenvolvedores de tecnologias para a interligao e

comunicao entre eletrodomsticos, nas quais equipamentos como geladeiras

so capazes de fazer o controle de qualidade e de estoque dos mantimentos nelas

armazenados. Sistemas como este, acabam por aproveitar os recursos que j

esto disponveis como, por exemplo, compras on-line.

Outro fator importante que podemos destacar a automao predial que

j est presente em muitos lugares. Na atualidade no s os grandes edifcios

corporativos de escritrio e comrcio requerem a introduo de sistemas de

automao e controle em suas instalaes, o objetivo de gerenciar a utilizao de

energia, o conforto dos ocupantes dentro dos ambientes, o acesso de pessoas, a

comunicao, os sistemas prediais e de informtica e a preveno de acidentes e

falhas de equipamentos, tambm so requeridos pelas residncias. Aimplantao de um simples controle de acesso e deteco de intruso ou o


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2

monitoramento de acesso e o controle remoto de eletrodomsticos esto cada

vez mais presentes no sistema de controle e gerenciamento das residncias.Partindo deste ponto de vista, as redes de computadores, que at algum

tempo atrs, se ligavam apenas com outras redes de computadores (inclusive a

Internet), agora esto conhecendo novos vizinhos e parceiros. Cada vez mais

novas aplicaes so idealizadas e projetos so colocados em desenvolvimento

no sentido de atingir tais idias, de modo que podemos prever desde agora como

sero algumas das novidades futuras.

procurando permanecer atualizado em relao a estas novas

tecnologias, e buscando possuir o conhecimento e a experincia de trabalharcom elas, que foi proposto o desenvolvimento deste projeto.

O objetivo deste trabalho desenvolver um sistema de controle de

dispositivos simples acessvel pela internet ou pela rede local a fim de torn-lo

um modelo base para que, sempre que possvel, abstrair as idias bsicas do

processo possibilitando sua utilizao em quaisquer outros tipos de sistemas,

com pequenas adaptaes. O objetivo secundrio ser tentar adaptar o projeto

no sistema operacional Linux, pelo fato de ser um ambiente de cdigo livre e

possuir programas semelhantes ao do sistema operacional Windows, porm comcusto zero.

A motivao principal para o desenvolvimento deste trabalho foi suprir a

falta de um projeto que envolvesse os conhecimentos adquiridos ao longo do

curso de graduao em Cincia da Computao da Universidade Federal de

Lavras. Tomando por base a grade curricular do curso, procurou-se por um

projeto que englobasse os conhecimentos de hardware e software que so

ministrados.

Partindo-se disto, o tema escolhido inicialmente foi o desenvolvimentode uma interface para o computador de uma rede local. Sendo assim, esperamos


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3

que o objetivo de se desenvolver um projeto envolvendo os conhecimentos de

hardware possam ser alcanados.Para alcanar os objetivos de software, o tema foi expandido para a

criao de uma arquitetura de rede que desse suporte para as aplicaes

distribudas poderem acessar a interface de controle.

Desta forma, para atender ambos os objetivos (os de software e de

hardware), o trabalho dever ser o desenvolvimento de uma arquitetura para

possibilitar aplicaes controlarem dispositivos eletrnicos no convencionais

conectados a computadores. Alm disso, estaria em estudo tambm, todo o

processo de implantao e configurao de um servidor, aquisio deconhecimento sobre a linguagem de script CGI (Common Gateway Interface),

linguagem de programao C e pginas web, para que o processo fosse

executado pela internet utilizando um browser qualquer.

Como objetivos secundrios deste trabalho destacamos o ganho de

experincia no desenvolvimento e gerenciamento de projetos, o aprendizado e

utilizao de novas tecnologias e a possibilidade de desenvolvimento de

possveis produtos comerciais futuramente.

No captulo 1, ser apresentada uma breve introduo sobre o temaproposto, os objetivos e a organizao do trabalho.

No captulo 2, sero mostrados os fundamentos e os conceitos sobre a

Internet, o protocolo Transmission Control Protocol(TCP) e oInternet Protocol

(IP), a arquitetura de rede Ethernet, sistemas de controles, interfaces de

comunicao, microcontroladores e rels para uma melhor compreenso da rea

e que serve de base para o desenvolvimento do trabalho.

No captulo 3, ser mostrado o tipo de metodologia que o projeto

seguir, informando o material utilizado e os passos de desenvolvimento doprottipo.


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4

No captulo 4 sero mostradas as dificuldades encontradas durante o

desenvolvimento do prottipo, uma breve concluso e trabalhos futuros.

Captulo 2

Fundamentao Terica

Neste captulo so apresentados os fundamentos e os conceitos das

tecnologias que servem de base para o desenvolvimento do trabalho. Estas

tecnologias so importantes para que sejam alcanados os objetivos do trabalho

e o conseqente entendimento destes objetivos.

2.1 A Internet Um pouco da histria

Grande parte da Internet resultou da "evoluo" de um sistema criadoem 1969. Nesta poca, uma diviso do Departamento de Defesa dos EUA - a

Agncia de Projetos de Pesquisa Avanada em Defesa (DARPA) concluiu que

o pas precisava criar um modo fcil de trocar informaes militares entre

cientistas e pesquisadores localizados em diferentes regies geogrficas.

O objetivo, segundo [Stang (1994)], era desenvolver um conjunto de

protocolos de comunicao, os quais permitiriam computadores ligados em rede

comunicarem-se de forma transparente entre vrias redes diferentes. O sistema

de protocolos que foi criado chamou-se TCP/IP.Uma rede simples de quatro computadores, conhecida como

DARPANET, foi desenvolvida. Algum tempo depois foi rebatizada de


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ARPANET e, em 1972, cresceu a ponto de incluir 37 computadores e, ao mesmo

tempo, o modo de utilizao da rede comeou a mudar. Alm de ser empregadopara trocar informaes importantes, sobre atividades militares, os usurios da

ARPANET, comearam a enviar mensagens eletrnicas por meio de caixas de

correio pessoais.

Em 1990 a Internet comercial comeou a funcionar. Desde ento, o

crescimento da internet tem sido simplesmente um fenmeno. O nmero de

usurios saltou de 5.000 pessoas para cerca de 30 milhes em apenas dez anos,

resultando em crescimento vertiginoso de 6.000%.

2.1.1 Organizao

A estrutura da Internet formada basicamente por trs figuras

principais: os backbones, os provedores de acesso e os usurios finais.

Backbones so grandes redes de computadores de alta velocidade,

projetadas para a transmisso de um grande volume de dados. Pode-se dizer

que os backbones so a espinha dorsal das redes de computadores. A Internet

formada por vrios backbones espalhados pelo mundo, sendo que seu backbone

principal encontra-se nos EUA.

Um provedor de acesso conecta-se diretamente aos backbones da

Internet, formando conexes dedicadas e permanentes. O objetivo do provedor

de acesso fornecer aos usurios finais acesso Internet e a outros servios

correlatos.

Os usurios finais podem ser particulares ou empresas que desejam obter

acesso Internet. Os usurios finais conectam-se aos provedores de acesso

atravs de uma rede local ou da rede telefnica, via modem, e podem utilizartodos os recursos disponveis na Internet.


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6

A estrutura dos backbones, provedores de acesso ou usurios finais na

Internet formada por hosts, que so computadores que esto conectados a umanica rede fsica e tm o objetivo de executar programas aplicativos, e

roteadores, que so computadores conectados a duas ou mais redes fsicas e so

responsveis pela transmisso entre as redes.

2.1.2 Os Recursos da Internet

Mesmo possuindo recursos ilimitados, a cada dia surgem novas

possibilidades e tecnologias de utilizao da rede. Cita-se os principais:a) correio eletrnico: baseado no protocolo de aplicao Simple Mail

Transfer Protocol (SMTP), um recurso que permite a troca de

mensagens entre usurios. A troca das mensagens baseada em

endereos no formato usurio@domnio, onde usurio corresponde a

um nico usurio ou a um conjunto de usurios, e domnio

corresponde ao nome do domnio de uma rede onde est localizada a

caixa postal do usurio;

b) telnet (Telecomunications Network): trata-se de um emulador desistemas que, atravs de um programa cliente telnet, permite ao

usurio conectar-se a outro host e, dependendo das suas permisses,

executar aplicativos deste host, como se estivesse trabalhando nele

localmente;

c) network news: baseado no protocolo de aplicao Network News

Transfer Protoco (NNTP), fornece artigos referentes a vrios assuntos,

que so agrupadas em categorias denominadas newsgroups. Atravs de

um programa de leitura de news o usurio pode conectar-se a umservidor de network news e ler os artigos disponveis;


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d) transferncia de arquivos: baseado no protocolo de aplicao File

Transfer Protocol (FTP) um recurso especializado na transmisso dearquivos pela Internet. Atravs de um cliente de FTP o usurio pode

conectar-se a um host, analisar o sistema de arquivos em que est

conectado e escolher quais arquivos deseja pegar ou enviar;

e) www (World Wide Web): baseado no protocolo de aplicao

Hipertext Transfer Protocol (HTTP) um sistema de busca de

informaes em que a passagem de um documento para outro est

embutida no prprio documento. A este mecanismo dado o nome de

navegao por hipertexto. A www permite que sejam incorporados aosdocumentos recursos de multimdia e imagens. O usurio utiliza um

programa denominado browser para ler os documentos da www.

no protocolo HTTP que focaremos parte do nosso processo de

desenvolvimento do sistema de controle de dispositivos, criando uma interface

de computador capaz de comunicar com um microcontrolador que ser

responsvel pelo envio de dados de leitura e escrita do dispositivo(liga/desliga)

que ser criado, no caso, uma lmpada.

Nesta interface ser feito um estudo na parte de programao de pginasweb, linguagem de script CGI e linguagem de programao C, que far a

comunicao entre o usurio e o dispositivo.

2.2 Ethernet e IEEE 802.3

AEthernet a tecnologia de rede local (LAN) mais amplamente usada.

AEthernet foi projetada para ocupar o espao entre as redes de longa distncia,

com baixa velocidade e as redes especializadas de sala de computao que

transportam dados em alta velocidade por distncias muito limitadas. AEthernet


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bem adequada a aplicativos em que um meio de comunicao local deva

transportar trfego espordico, ocasionalmente intenso, a altas taxas de dados.A arquitetura de rede Ethernet, segundo [Tanenbaum (1997)], tem suas

origens nos anos 60, na Universidade do Hava, onde o mtodo de acesso que

usado pela Ethernet, carrier sense multiple access/collision detection

(CSMA/CD), foi desenvolvido. O Palo Alto Research Center (PARC), daXerox

Corporation, desenvolveu o primeiro sistema Ethernet experimental no incio

dos anos 70. Isso foi usado como base para a especificao 802.3 doInstitute of

Electrical and Electronic Engineers (IEEE), lanada em 1980.

Logo aps a especificao 802.3 de 1980 da IEEE, a Digital EquipmentCorporation, a Intel Corporation e a Xerox Corporation desenvolveram

conjuntamente e lanaram uma especificao Ethernet, verso 2.0, que foi

substancialmente compatvel com a IEEE 802.3. Juntas, a Ethernet e a IEEE

802.3 detm atualmente a maior fatia de mercado de todos os protocolos LAN.

Hoje, o termoEthernet freqentemente usado para se referir a todas as LANs

baseadas em CSMA/CD que normalmente esto em conformidade com as

especificaesEthernet, incluindo a especificao IEEE 802.3.

AEthernet e a IEEE 802.3 especificam tecnologias similares: ambas soLANs baseadas em CSMA/CD. Estaes em uma LAN CSMA/CD podem

acessar a rede a qualquer momento. Antes de enviar dados, as estaes

CSMA/CD escutam a rede para determinar se ela j est em uso. Se estiver,

ento elas aguardam. Se a rede no estiver em uso, as estaes transmitem.

Uma coliso ocorre quando duas ou mais estaes escutam o trfego da rede,

no ouvem nada e transmitem simultaneamente. Neste caso, as transmisses so

prejudicadas e as estaes devem retransmitir mais tarde. Algoritmos de recuo

determinam quando as estaes que colidiram podem retransmitir. As estaesCSMA/CD devem detectar colises, assim, elas sabem quando devem parar a

transmisso para retransmitir mais tarde.


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[Tanenbaum (1997)] diz que ambas as LANsEthernet e IEEE 802.3 so

redes de broadcast. Isso significa que todas as estaes de uma LAN podem vertodos os quadros, independentemente de serem ou no o destino daqueles dados.

Cada estao deve examinar os quadros recebidos para determinar se ela o

destino. Se for, o quadro passado a um protocolo de camada mais alto dentro

da estao para processamento apropriado.

As diferenas entre as LANs Ethernet e IEEE 802.3 so sutis. A

Ethernet fornece servios correspondentes s camadas 1 e 2 do modelo de

referncia OSI, enquanto a IEEE 802.3 especifica a camada fsica, a camada 1, e

a parte de acesso a canais da camada de enlace, a camada 2, mas no define umprotocolo de controle de enlace lgico, o que feito pelo IEEE 802.2 (Logical

Link Control - LLC). Ambas as LANs Ethernet e IEEE 802.3 so

implementadas atravs de hardware. Normalmente, a parte fsica desses

protocolos uma placa de interface em um host ou um conjunto de circuitos em

uma placa de circuitos principal no host.

2.2.1 rvore da famlia Ethernet

Segundo [Tanenbaum (1997)], existem pelo menos 18 variedades de

Ethernet especificadas ou em processo de especificao. A Tabela 1 reala

algumas das mais comuns e mais importantes tecnologiasEthernet.


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Tabela 1:Tecnologias do padroEthernet

2.3 Introduo ao TCP/IP

O termo TCP/IP refere-se aos dois principais protocolos que o

constituem: Transmission Control Protocol (TCP) e o Internet Protocol (IP).

Existem inmeros outros protocolos que permitem a comunicao entre

computadores, sendo o TCP/IP o mais difundido atualmente.

O incio se deu quando o Departamento Americano de Defesa, no final

da dcada de 60, resolveu criar um software de comunicao entre computadoresde forma que fosse possvel a comunicao remota ou local, entre sistemas

operacionais iguais ou diferentes utilizando ou no o mesmo tipo de hardware.

O protocolo permitiu que, no comeo da dcada de 70, os computadores

pudessem comunicar-se remotamente, sendo de suma importncia em navios de

guerra ou entre porta-avies.

Segundo [Starlin (1999)], para que isto fosse possvel, foi necessrio

criar um sistema de comunicao onde a rede como um todo fosse dividida em

pequenas redes independentes, passando a usar como padro de interconexoo TCP/IP.

10Base-T

10Base-FL

100Base-TX

100Base-FX

UTP Cat 5

Fibra tica

UTP Cat 5

Fibra ptica

10Mb s

10Mb s

100Mbps

100Mb s 100m

100m

2000m

2000m

Estrela

Estrela

Estrela

Estrela

Barramento

Barramento

Barramento

Barramento

Ti o MeioTaxa

Mxima

Comprimentomximo dosegmento

Topologiafsica

Topologialgica


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Como o Departamento Americano de Defesa sempre foi um dos maiores

compradores de sistemas de informtica, comunicou que somente compraria astecnologias que tivessem incorporado o TCP/IP. Desde ento, todos os sistemas

operacionais e produtos trazem implementado o conjunto TCP/IP.

O TCP/IP possui como algumas de suas caractersticas bsicas a

independncia tecnolgica, interconexo universal, comunicao fim-a-fim,

padres de protocolos para as diversas aplicaes. Uma das caractersticas mais

importantes a flexibilidade de adaptao s tecnologias de redes existentes e

futuras, pois o TCP/IP foi concebido de forma independente das tecnologias de

redes.A comutao por pacote packet-switching, segundo [Redes (2001)], a

base de sua tecnologia de comunicao e utiliza o pacote datagram como

unidade de transmisso de dados. Cada host conectado rede possui um

endereo nico, possibilitando que a mquina emitente reconhea a mquina

receptora.

2.3.1 Arquitetura TCP/IP

Segundo [Comer (1998)], a arquitetura TCP/IP, apresentada na Figura 1,

trata de um conjunto de protocolos divididos em quatro camadas, sendo que

cada uma destas camadas possui funes bem definidas.


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12

Camada de Aplicao Dados

Camada de Transporte Cabealho Dados

Camada Internet Cabealho Cabealho Dados

Enlace de Cabealho Cabealho Cabealho Dados

Dados

Figura 1: Camadas da arquitetura TCP/IP

Conforme a Figura 1, as camadas so:

a) camada de aplicao: segundo [Stevens (1994)] nesta camada que

esto os protocolos de alto nvel como terminal virtual (TELNET),

protocolo de transferncia de arquivos (FTP), protocolo de envio de

correio eletrnico (SMTP) entre outros. nesta camada que esto os

programas dos usurios.

b) camada de transporte: responsvel por uma comunicao entre dois

hosts fim a fim, podendo oferecer comunicaes orientadas ou no

orientadas conexo. Fazem parte desta camada os protocolos

Transmission Control Protocol (TCP) e User Datagram Protocol

(UDP).

c) camada inter-redes ou internet: onde est implementado o protocolo

Internet Protocol (IP). Equivalente camada de Rede no modelo OSI,

onde feito o roteamento e a entrega dos pacotes IP.

d) camada de enlace: responsvel por encapsular os pacotes da camada

inter-redes no formato especfico da rede associada e extrair os pacotes


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dos quadros vindos da rede e encaminh-los camada Inter-redes. O

protocolo ARP encontra-se nessa camada.

2.3.2 O Protocolo IP

O Internet Protocol (IP) teve origem em 1970 no desenvolvimento da

ARPANET, a qual foi depois interligada a outras redes formando em 1980 um

vasto conjunto que passou a ser conhecido por Internet. Com a incluso do

protocolo IP no UNIX, em 1982, um grande nmero de universidades passou a

formar as suas redes que por sua vez tambm foram ligadas Internet.

O Internet Protocol (IP) designado para o uso em sistemas decomputadores interconectados (redes), utilizando troca de pacotes. O IP fornece

transmisso de blocos de dados chamados datagramas entre origem e destino,

sendo que origem e destino so hosts identificados por um endereo de tamanho

fixo.

Outra funo do IP, definido na [RFC 791 (2001)], a fragmentao e

desfragmentao de datagramas longos, se necessrio, para transmisso atravs

de redes que apresentam um desempenho melhor com pacotes menores.

O protocolo IP especificamente limitado em escopo para fornecer asfunes necessrias para entregar um pacote de bits (um datagrama internet) de

uma origem para um destino em uma rede de computadores. No h

mecanismos para aumentar a confiana fim-afim dos dados, assegurar a

seqncia dos datagramas, ou outros servios comumente encontrados em outros

protocolos host-to-host.

Segundo [Comer (1998)], o pacote pode ser perdido, reproduzido,

atrasar-se ou ser entregue com problemas, mas o servio no detectar tais

condies, nem informar isso ao transmissor nem ao receptor. Tambm considerado sem conexo porque cada pacote, segundo [Comer (1998)],

independente dos outros. Uma seqncia de pacotes enviados de um computador


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a outro pode trafegar por caminhos diferentes, ou alguns podem ser perdidos

enquanto outros so entregues.O formato do datagrama IP est ilustrado na Figura 2:

Figura 2: Formato do datagrama IPv4

2.3.3 O Protocolo TCP

O Transfer Control Protocol (TCP) um protocolo de transporteorientado conexo. Ele garante a confiabilidade da comunicao entre pares de

processos localizados em mquinas ligadas ou no a uma mesma rede.

Possui como caractersticas principais o estabelecimento e a liberao de

conexes em trs fases (handshake triplo); a manipulao da entrega confivel

dos pacotes; a entrega seqencial dos pacotes (na ordem em que foram

enviados); controle do fluxo de dados, impedindo que pacotes sejam

processados em uma velocidade superior capacidade do aplicativo; a

recuperao de erros no caso de perda, alterao ou duplicao de pacotes; ademultiplexao do trfego de entrada entre as mltiplas aplicaes usurias.

VERS HLEN Service type Total Length

Identification Fragment offsetFLAGS

Time To Live Protocol Header Checksun

Source IP Address

Destination IP Address

IP Options (IF ANY)

DATA

Pauding

0 4 8 16 19 24 31


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15

O protocolo TCP especifica o formato dos dados e das confirmaes que

dois computadores trocam para oferecer uma transferncia confivel e, tambm,os procedimentos de que se valem os computadores para assegurar que os dados

cheguem corretamente. Especifica ainda como o software TCP confirma os

mltiplos destinos em determinada mquina e como as mquinas recuperam-se

de erros como pacotes duplicados ou perdidos.

O TCP trata o fluxo de dados recebidos da aplicao como uma cadeia

(stream) de bytes ou octetos, que vo sendo agrupados dentro do buffer de

transmisso. Periodicamente o TCP separa um determinado conjunto de dados a

adiciona um cabealho, formando o que chamado de segmento, sendo este aunidade bsica de transferncia de dados.

O TCP permite que programas aplicativos mltiplos, de determinada

mquina, comuniquem-se simultaneamente. Como o UDP, o TCP utiliza

nmeros de porta de protocolo para identificar o destino final em uma mquina.

Os projetistas preferiram utilizar o mesmo nmero de portas para qualquer

servio que seja acessvel pelo TCP e UDP, tornando-os assim independentes.

Os segmentos so trocados para estabelecer conexes, transferir dados, enviar

confirmaes, informar tamanho de janelas e encerrar conexes. O formato dosegmento TCP pode ser visualizado na Figura 3.

Os protocolos TCP de ambas as pontas precisam concordar sobre o

segmento mximo que iro transmitir, pois nem todas as redes tm o mesmo

tamanho de segmento. Essa negociao feita utilizando o campo opes do

segmento, especificado pelo MSS (maximum segment size). O tamanho ideal o

que permite que os datagramas IP que transportam os segmentos sejam os

maiores possveis, sem exigir a fragmentao em qualquer ponto ao longo do

caminho.


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]

Figura 3: Formato do segmento TCP

Para que seja possvel que as diversas aplicaes que utilizam o

protocolo TCP comuniquem-se entre si, necessrio que ocorra um

estabelecimento de conexo. Neste momento s mquinas passam a se conhecer

trocando diversas informaes de controle e realizando uma verificao de

autenticidade entre elas.

O TCP um protocolo complexo que promove a comunicao atravs

de uma grande variedade de tecnologias de rede. Segundo [Redes (2001)], a

generalidade do TCP no parece interferir no seu desempenho. Informaes

mais detalhadas podem ser encontradas em [Comer (1998)].

2.4 Sistema de Controles

Segundo [Kuo (1995)], um sistema de controle so coisas que acontece

em nossa vida diria, que so numerosos objetivos que precisam ser realizados.

Por exemplo, no domnio domstico, ns necessitamos regular a temperatura e

umidade de residncias e edifcios para uma vida confortvel. Para o transporte,

ns necessitamos controlar o automvel e avio para ir exatamente e com

Porta Origem Porta Destino

Nmero de Seqncia

Nmero do Reconhecimento

Tamanho da janela deRecepo

Tamanhodo

cabealhoReserv.

URG

ACK

PST

SYN

PSH

FIN

Checksun Porteiro de dados urgentes

O es Enchimento

Dados

0 4 16 24 31


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segurana de um ponto a outro. Industrialmente, os processos de produo

contm objetivos numerosos para os produtos que vo satisfazer s exignciasda eficcia da preciso e de custo. Um ser humano capaz de executar uma

escala larga das tarefas, incluindo a tomada de deciso. Algumas destas tarefas

tais como pegar um objeto e andar de um ponto a outro, so realizadas

geralmente em uma forma rotineira.

Sob determinadas circunstncias, algumas destas tarefas so executadas

da melhor maneira possvel. Por exemplo, um atleta que percorre um trecho de

100 jardas tem o objetivo de percorrer essa distncia no menor tempo possvel.

Um corredor de maratona, em outro caso, no somente deve percorrer adistncia no menor tempo possvel, como tambm, ele ou ela deve controlar o

consumo da energia e planejar a melhor estratgia para a corrida. Os meios de

conseguir estes "objetivos" envolvem geralmente o uso de sistemas de controle

que implementam certas estratgias de controle.

Baseado nos acontecimentos da nossa vida diria procurarei desenvolver

um sistema de controle capaz de fornecer maneiras mais eficazes, rpidas e

confortveis de suprir nossas tarefas do dia-a-dia.

2.5 Interfaces de Comunicao

No computador existem duas interfaces de comunicao clssicas: a

interface paralela e a interface serial. A alguns anos atrs, toda impressora era

conectada interface paralela e todo mouse era um dispositivo serial. Hoje,

muitas inpressoras usam a interface USB e nos PCs mais novos, a porta padro

para o mouse a PS/2. Contudo, as interfaces paralela e serial ainda existem em

todos os computadores e podem ser muito teis.


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2.5.1 Interface Serial

O termo oficial promulgado pela IBM para a porta serial porta de

comunicaes de dados assncrona. Embora normalmente seja abreviado para

porta assncrona ou porta de comunicao. Alm disso, como a grande maioria

das ligaes seriais aceita pela industria do PC opera sob um padro chamado

RS-232 (um nome dado por uma associao industrial, a Electronics Industry

Association, ou EIA), a porta serial comum normalmente descrita por sua

especificao como porta RS-232.

Devido a simplicidade do hardware, a interface serial muito utilizadadentro da indstria eletro-eletrnica. Hoje, o padro de comunicao serial mais

utilizado o EIA/TIA 232 ou, simplesmente, RS-232 (Recommended

Standard). Com esse padro, pode-se estabelecer uma comunicao bidirecional

entre dois dispositivos usando apenas trs fios. Da vem a sua simplicidade e

praticidade.

A comunicao RS-232 muito utilizada em microcontroladores. A

maioria deles tem um perifrico exclusivo para comunicao RS-232. Por isso, a

interface serial uma maneira simples e prtica de fazer o computadorcomunicar-se com o seu projeto. Por exemplo, voc pode construir um pequeno

rob e fazer com que a sua programao seja feita conectando-se o

microcontrolador (que controla o rob) ao seu computador atravs de uma

interface serial.

O problema de se utilizar comunicao serial entre o PC e um

microcontrolador so os nveis de tenso exigidos pela interface serial.

Geralmente, os microcontroladores trabalham com nveis de tenso entre 0 e 5V.

Na interface serial do PC, os nveis envolvidos so -12 e 12V. Por isso, vocdeve utilizar drivers de tenso para no "torrar" o seu microcontrolador. O

driver de interface serial que utilizei neste projeto foi o MAX232.


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2.5.2 Porta Serial

A porta serial o denominador comum das comunicaes por

computador. At mesmo os PCs e perifricos mais primitivos aceitam uma

porta serial.

No importa o nome usado, todas as portas seriais da IBM so iguais,

pelo menos funcionalmente. Todas usam 8, 16 ou 32 bits paralelos que um

computador apanha do seu bus (barramento) de dados e vira de lado

transformando uma tira de dados digitais em uma cadeia de pulsos que caminha

bit a bit. Essa forma de comunicao recebe o nome serial porque os bits

individuais de informao so transferidos em longas sries.

Muitos infortnios podem cair sobre o vulnervel bit de dado serial

medida que percorre a conexo. Um dos bits de um byte inteiro de dados pode

se desviar deixando um pedao de dado com um valor menor na chegada do que

na partida. Com a vaga no fluxo de dados, todos os outros bits pularo um lugar

e assumiro novos valores. Ou ento pode ocorrer o caso oposto, de erros no

fluxo da comunicao empurrar todos os bits para trs. De qualquer forma, o

prognstico no bom. Com essa forma elementar de comunicaes seriais, um

bit a mais ou a menos causar um erro em todos os bytes seguintes.

Estabelecer comunicaes seriais confiveis significa contornar esses

problemas de erro de bit e muitos outros mais. Graas a alguma engenhosidade

digital, no entanto, as comunicaes seriais funcionam e funcionam bem o

bastante para que um PC dependa delas.

A tabela 3 apresenta a pinagem de conectores de 9 (DB-9) e 25 (DB-25)

pinos de acordo com o padro RS-232. A maioria dos computadores atuaisutilizam o conector de 9 pinos.


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Tabela 2:COM1/COM2 RS-232 PORTA SERIAL ( DB-9 - DB25 )

DB 9 DB25

PINOSINAL

PINO

1CD -Deteco daportadora

8

2RXD -Recepo dedados

3

3TXD -Transmisso

de dados

2

4DTR -Terminal dedados pronto

20

5 GND -Terra 7

6DSR - Dadopronto

6

7RTS -Permissopara envio

4

8CTS -Permisso

fornecida

5

DB9 MACHO

9RI -Indicador dechamadas

22

DB25 MACHO

No projeto da interface para conexo a um dispositivo a ser controlado

via porta serial, bastam 3 pinos (3 fios): pino 5 Terra, pino 3 transmisso de

dados, pino 2 recepo de dados. A figura 5 mostra como ficaria o cabo serial

com os devidos conectores para conectar um PC a um dispositivo externo.


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21

Tx 3 3 Tx Rx 2 2 Rx

Rx 2 2 Rx Tx 3 3 Tx

GND 5 5 GND GND 5 5 GND

Figura 5:Interface serial entre um computador e um dispositivo externo

2.5.3 Comunicaes Sncronas e Assncronas

Dois dos principais mtodos de comunicao serial so usados paraevitar o desastre dos erros em bits seriais. Em um deles, os sistemas de envio e

recepo so sincronizados por meio de algum tipo de sinal auxiliar, de modo

que os dois lados da conexo estejam sempre alerta. Um clock, sincronizado

entre a unidade de transmisso e recepo, temporiza com preciso o perodo

que separa cada bit de dados. Um bit a mais ou a menos pode ser inesperada no

fluxo de bits. Apenas olhando o relgio, voc pode distinguir as comunicaes

por computador, um bit de dados real do rudo de interferncia. Essa forma de

transferncia serial sincronizada pelo tempo chama-se comunicao sncrona,sendo uma tcnica usada principalmente em sistemas de grande porte.

O sistema sincronizado falha sempre que os sistemas de envio e

recepo perdem sua tranca de sinal mtuo. O fluxo de dados torna-se pouco

mais do que um rudo.

A alternativa incluir marcadores de lugar no fluxo de bits para ajudar

acompanhar cada bit. Um marcador poderia, por exemplo, indicar a posio

atribuda a um bit. Um bit ocorrendo sem o seu marcador poderia ser

considerado como erro. Naturalmente, esse esquema simples teria muitodesperdcio, exigindo dois sinais digitais (o marcador e o bit de dados) para cada

bit de informao transferido.

PC DB-9fmea

DB-9macho

DB-9macho

Dispositivo DB-9 fmea


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Um sistema intermedirio funciona melhor. Em vez de indicar cada bit,

o marcador poderia indicar o inicio de um pequeno fluxo de bits. A posio decada bit no fluxo poderia ser definida sincronizando-os a intervalos regulares.

Embora esse mtodo seja semelhante a transferncia sncrona, os sistemas

transmissor e receptor no precisam ficar presos, exceto por pequenos intervalos

entre os marcadores. A chegada de um marcador indica ao sistema receptor para

comear a procurar os bits e rodar um temporizador curto. O problema de

enviar e receber timers fora de sincronismo so eliminados reiniciando-se o

clock a cada marcador, reduzindo o perodo entre os marcadores, no h tempo

suficiente para o timer se perder.Esse sistema de curto prazo temporizado normalmente chamado

comunicao assncrona, pois os sistemas de envio e recepo no precisam

estar sincronizados exatamente um com o outro. Os bits marcadores oferecem a

tranca temporria necessria para distinguir um fluxo curto de bits de dados em

seguida. A maioria das comunicaes seriais no PC usa esse esquema. Na

maior parte dos sistemas assncronos, os dados so divididos em pequenos

pedaos, cada um correspondendo aproximadamente a um byte. Cada um deles

chama-se palavra, e pode conter de cinco a oito bits de dados. Os tamanhos depalavra mais usados so sete e oito bits, o primeiro porque inclui todos os

caracteres de texto maisculos e minsculos em cdigo ASCII; o segundo

porque cada palavra corresponde exatamente a um byte de dados.

Como dados seriais, os bits de uma palavra so enviados um de cada vez

por um canal de comunicao. Por conveno, o bit menos significativo da

palavra enviado primeiro. O restante dos bits segue em ordem de grandeza

crescente.

Junto a esses bits de dados h um pulso muito especial de tamanhoduplo chamado bit de incio; ele indica o incio de uma palavra de dados. Um ou

mais bits de fim indicam o final da palavra. Entre o ltimo bit da palavra e o


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primeiro bit de fim, um bit de paridade costuma ser includo para a verificao

da integridade dos dados. Junto, os bits de dados, o bit de incio, o bit deparidade e os bits de fim compem um quadro de dados.

2.5.4 Bits de Paridade

Cinco tipos de bits de paridade podem ser usados na comunicao serial,

dois deles oferecendo um meio de detectar erros de transmisso ao nvel de bit.

Essa deteco de erros funciona contando o nmero de bits na palavra de dados

e determinando se o resultado par ou mpar. Na paridade mpar, o bit deparidade ativado (passado para o nvel lgico um) quando o nmero de bits da

palavra impar. A paridade par ativa o bit de paridade quando o total de bits de

uma palavra par.

Na paridade marca, o bit de paridade sempre ativado no importando o

total de bits da palavra. A paridade espao sempre deixa o bit de paridade

desativado. Nenhuma paridade significa que o quadro no tem espao para um

bit de paridade. Embora emitindo um bit de integridade de dados (que pode ser

fornecido por outros meios), isso permite comunicaes mais eficientes,comprimindo mais informaes em um determinado nmero de bits

transmitidos.

2.5.5 Polaridade de Sinal

Todos os bits de um sinal serial no padro RS-232 so enviados pela

linha de comunicao como pulsos passando para negativo superpostos a uma

voltagem positiva normal mantida na linha de dados. Ou seja, a presena de umbit na palavra serial interromper uma voltagem positiva contnua com um breve

pulso negativo.


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Comparado com os sistemas lgicos normais, os dados no padro RS-

232 parecem estar de cabea para baixo. No h um motivo particularmentebom para essa inverso, exceto por ser o modo como as coisas tm sido feitas e,

no caso das comunicaes, as coisas funcionam melhor quando todos usam o

mesmo padro.

2.5.6 Velocidade de Envio dos Dados

Uma outra caracterstica importante de todo sinal serial a velocidade

em que os bits no trem de dados serial so nominalmente enviados. O formatopadro dessa medida muito simples: o nmero de bits enviados por segundo,

com a unidade padro sendo um bit por segundo, ou bps.

Por questes um tanto arbitrrio, as velocidades de bit so enumeradas

em incrementos pouco usuais. A velocidade mnima comum 300 bps, embora

esteja disponvel submltiplo mais lento: 50 100 e 150 bps. As velocidades mais

rpidas simplesmente duplicam as velocidades anteriores, passando para 600,

1200, 4800, 9600 e 19200, a velocidade mais rpida aceita oficialmente pela

IBM com portas seriais comuns controladas por microprocessador, encontradasnos modelos 50 a 80 do PS/2.

Essas velocidades oficiais lentas so importantes porque o controle da

porta serial por software impe uma carga to grande sobre o microprocessador

do sistema que os chips mais lentos no podem trabalhar com velocidades

maiores. Como as maiores velocidades no podem ser aceitas por todo o

software, a IBM escolheu no sancionar tais velocidades em seus computadores

mais antigos.


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2.6 Micro-controladores Famlia PIC

O micro-controlador definido como sendo um sistema computacional

integrado, pois ele possui unidade de processamento, memria e entradas e

sadas integrados em um nico chip.

A maioria das pessoas entende o sistema computacional como sendo o

nosso computador pessoal. No entanto todo sistema que a partir de dados de

entrada, executa algum processamento mediante um programa armazenado em

uma memria gerando uma sada chamado de sistema computacional.

Neste projeto, utilizei um microcontrolador da famlia PIC, portanto

darei uma viso geral das caractersticas e funes deste microcontrolador. Um

dos aspectos mais interessantes do PIC que, mesmo sendo a maior famlia de

micro-controladores do mercado em termos de variedade de modelo, todos os

modelos foram desenvolvidos a partir da mesma filosofia de produto.

Esta caracterstica da famlia PIC permite a compatibilidade de cdigos

(linguagem assembler) e a estruturao das aplicaes, pois um cdigo escrito

para um modelo de PIC poder ser migrado para outro modelo equivalente em

termos de recursos necessrios sem que sejam necessrias grandes mudanas no

cdigo fonte. Isto facilita o trabalho de quem desenvolve e preserva o

investimento de quem produz.

Um sistema computacional composto por uma unidade de

processamento, memria e portas de entrada/sada (I/O).

A maioria das pessoas limita os conceitos de sistema computacional ao

computador que temos em casa, vulgo PC (Personal Computer). No entanto

todo sistema que a partir de dados de entrada, executa algum processamento

mediante um programa armazenado em uma memria gerando uma sada

chamado de sistema computacional. Podemos definir micro-controlador como

sendo um sistema computacional integrado, pois ele possui unidade de


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processamento, memria e entradas e sadas integrados em um nico chip.

Alguns ainda possuem perifricos como conversores A/D e D/A, comparadores.Os microcontroladores chegam a custar muitas vezes mais barato do que

um transistor. Existe uma quantidade grande de C no mercado, veja alguns

nomes a baixo:

Famlia 8051 fabricante Intel

PIC fabricante Microchip

AVR fabricante Atmel

BASIC Stamp fabricante Parallax BASIC Step fabricante Tato Equipamentos

2.6.1 Arquitetura de Microcontroladores

A arquitetura de um sistema digital define quem so e como as partes

que compe o sistema esto interligadas. As duas arquiteturas mais comuns

para sistemas computacionais digitais so as seguintes:

Arquitetura de Von Neuman: A Unidade Central de Processamento interligada memria por um nico barramento. O sistema composto

por uma nica memria onde so armazenados dados e instrues.

Arquitetura de Harvard: A Unidade Central de Processamento

interligada a memria de dados e a memria de programa por

barramento especfico.

2.6.1.1 Memria de Programao

A memria de programao onde as instrues do programa so

armazenadas. No caso do 16F628 esta memria de 2048 palavras (words) de


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14 bits cada uma. Partes destes 14 bits informam o OPCODE (cdigo da

instruo) e o restante traz consigo o argumento da instruo correspondente. Nafamilia PIC existem trs tipos de memria de programa: EPROM (O.T.P. One

Time Programable), EEPROM (janelado) e FLASH. Existem duas posies da

memria do programa que recebem nomes especiais: vetor de reset e vetor de

interrupo.

O vetor de reset para onde o programa vai quando ele inicializado,

enquanto que o vetor de interrupo a posio da memria de programa para

onde o processamento desviado quando ocorre uma interrupo.

2.6.1.2 Memria de Dados

A memria de dados uma memria voltil do tipo R.A.M. (random

access memory). O mapa de memria divido em duas partes: registradores

especiais (special function register - S.F.R.) e registradores de uso geral (general

purpose register - G.P.R.). Como o ponteiro da memria de programa tem

capacidade de enderear somente 128 posies de memria de cada vez (7 bits),

a memria de programa dividida em bancos (banco 0 e banco 1 no 16F84).

Esta diviso implica em termos posies de memria que somente

podero ser acessadas caso o banco a que ela pertena seja previamente

selecionado atravs de um bit especfico do S.F.R. STATUS.

2.6.1.3 Unidade Lgica Aritmtica

A unidade lgica aritmtica onde todas as operaes lgicas (funes

lgicas booleanas): e ou, (exclusivo e complemento) e aritmticas (soma e

subtrao) so efetuadas. O registrador W sempre estar envolvido de alguma

forma em toda operao lgica ou aritmtica. Existem dois destinos possveis


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para estas operaes: o W (work) ou um registrador (posio da memria de

dados) definido no argumento da instruo.

2.6.1.4 Ciclo de Mquina

Um micro-controlador pode ser entendido como sendo uma mquina

que executa operaes em ciclos. Todos os sinais necessrios para a busca ou

execuo de uma determinada instruo devem ser gerados dentro de um

perodo de tempo denominado Ciclo de Mquina. Nos PIC com memria de

programa de 12 e 14 bits um Ciclo de Mquina corresponde a quatro perodos declock (1:4) denominados Q1,Q2,Q3 e Q4, conforme pode ser verificado na

figura 5.

Figura 5:Ciclo de Mquina

2.6.1.5 Pipeline

Se para efeito de anlise dividirmos o processamento interno do PIC em

ciclos de busca e execuo, podemos afirmar que para cada instruo executada

foi necessria a execuo prvia de um ciclo de busca. Imagine um sistema que

implemente um ciclo de busca e ao mesmo tempo processe um ciclo de

1 Ciclo de mquina = 4 Perodos de clock

Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4GLK

Q1

Q2

Q3

Q4Ciclo de Mquina


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execuo. Desta forma, no incio de cada Ciclo de Mquina haver uma

instruo pronta para ser executada.No entanto algumas instrues fazem com que este sistema seja

desarticulado: so as chamadas instrues de desvio. As instrues de desvio

so aquela que alteram o valor do Program Counter (contador/ponteiro de

programa).

Quando ocorre um desvio a instruo que j foi previamente buscada

pelo sistema de Pipeline no vlida, pois estava na posio de memria de

programa apontada pelo PC antes dele ter seu valor alterado para o destino

especificado. Conseqentemente torna-se necessrio a execuo de um novociclo de busca, que obviamente demandar mais um ciclo de mquina,

resultando em um tempo de total de processamento igual a dois ciclos de

mquinas. A figura 6 mostra a atuao do pipeline.

Figura 6:Atuao do Pipeline

Toda instruo do PIC demanda um Ciclo de Mquina para ser

executada, exceto aqueles que provocam desvio no programa que demanda doisCiclos de Mquina.


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2.6.1.6 Timer

O PIC possui internamente um recurso de hardware denominado

Timer0. Trata-se de um contador de 8bits incrementado internamente pelo ciclo

de mquina ou por um sinal externo (borda de subida ou descida), sendo esta

opo feita por software durante a programao (SFR). Como o contador possui

8 bits ele pode assumir 256 valores distintos (0 at 255). Caso o ciclo de

mquina seja de 1us, cada incremento do Timer corresponder a um intervalo de

1us. Caso seja necessrio intervalos de tempos maiores para o mesmo Ciclo de

Mquina, utilizaremos o recurso de PRE-SCALE.

2.6.1.7 Pre-scale

O Pre Scale um divisor de freqncia programvel do sinal que

incrementa o Timer0. Quando temos um pre scale de 1:1, cada ciclo de mquina

corresponde a um incremento do Timer0 (unidade de Timer0). Ao alterarmos o

pre scale para, por exemplo, 1:4 (os valores possveis so as potencias de dois

at 256), o Timer0 ser incrementado uma vez a cada quatro ciclos de mquina.

2.6.1.8 Watchdog

O watchdog um recurso disponvel no PIC que parte do princpio que

todo sistema passvel de falha. Se todo sistema pode falhar, cabe ao mesmo ter

recursos para que, em ocorrendo uma falha, algo seja feito de modo a tornar o

sistema novamente operacional.

Dentro do PIC existe um contador incrementado por um sinal de relgio(clock) independente. Toda vez que este contador extrapola o seu valor mximo

retornando a zero, provocado a reinicializao do sistema (reset).


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Clear Watchdog: Se o sistema estiver funcionado da maneira correta, de

tempos em tempos uma instruo denominada clear watchdog timer(CLRWDT) zera o valor deste contador, impedindo que o mesmo

chegue ao valor mximo. Desta maneira o Watchdog somente ir

"estourar" quando algo de errado ocorrer.

Pre Scale: O perodo normal de estouro do Watchdog Timer de

aproximadamente 18 ms. No entanto, algumas vezes este tempo

insuficiente para que o programa seja normalmente executado. A sada

neste caso alocar o recurso de Pre Scale de modo a aumentar este

perodo. Se sem o pre scale o perodo de 18ms, quando atribumos aoWatchdog Timer um PRE SCALE de 1:2 (um para dois) nos dobramos

este perodo de modo que o processamento possa ser executado sem que

seja feita uma reinicializao.

2.6.1.9 Interrupo

As Interrupes so causadas atravs de eventos assncronos (podem

ocorrer a qualquer momento) que causam um desvio no processamento. Estedesvio tem como destino o vetor de interrupo.

Uma boa analogia para melhor entendermos o conceito de interrupo

a seguinte: voc est trabalhando digitando uma carta no computador quando o

seu ramal toca. Neste momento voc, interrompe o que est fazendo, para

atender ao telefone e verificar o que a pessoa do outro lado da linha est

precisando. Terminada a conversa, voc coloca o telefone no gancho novamente

e retoma o seu trabalho do ponto onde havia parado. Observe que no

precisamos verificar a todo instante, se existe ou no algum na linha, poisquando o ramal chamado, o telefone toca avisando que existe algum querendo

falar com voc.


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A habilitao das interrupes nos PIC segue a seguinte filosofia. Existe

uma chave geral (general interrupt enable) e chaves especficas para cada umadas interrupes. Deste modo, se eu quiser habilitar a interrupo de tempo

(TMR0) eu devo setar o bit da chave geral e tambm o bit da chave especfica

(T0IE), ambos presentes no registrador especial (S.F.R.) INTCON.

POWER ON RESET: um sistema faz com que durante a energizao o

pino de Master Clear (/MCLR) permanea durante algum tempo em

zero, garantindo a inicializao.

POWER UP TIMER: um temporizador que faz com que o PIC,

durante a energizao (power up), aguarde alguns ciclos de mquinapara garantir que todo o sistema perifrico (display, teclado, memrias,

etc) estejam operantes quando o processamento estiver sendo executado.

BROWN OUT: O Brown Out monitora a diferena de tenso entre

VDD e VSS, provocando a reinicializao do PIC (reset) quando esta

cai para um valor inferior ao mnimo definido em manual.

SLEEP: O modo de operao Sleep foi includo na famlia PIC para

atender um mercado cada vez maior de produtos que devem funcionar

com pilhas ou baterias. Estes equipamentos devem ter um consumo

mnimo para que a autonomia seja a mxima.

Quando o PIC colocado em modo Sleep (dormir), atravs da instruo

SLEEP, o consumo passa da ordem de grandeza de mA (mili mperes) para uA

(micro mperes). Existem trs maneiras de "acordar o PIC": por interrupo

externa/estado, estouro de Watchdog ou reinicializao (/MCRL).


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2.6.2 Microcontrolador PIC

Os microcontroladores da famlia PIC so dispositivos RISC (Reduced

Instruction Set Computer Computador com conjunto reduzido de instrues)

com arquitetura HARVARD (Barramentos de memria de programa e de

memria de dados diferentes) e fluxo de instrues PIPELINE (Enquanto se

executa uma determinada instruo, a prxima j est sendo lida) de ltima

gerao, seu uso praticamente ilimitado e seu preo baixo, levando-se em

conta as suas excelentes caractersticas. Os PICs so muito versteis, podem

possuir de 6 at 66 pinos de I/O, trabalhar em frequncias de at 40MHz, elespodem ter ainda:

ADCs = Conversores analgico para digital;

DACs = Conversores digital para analgico;

Endereadores de memria externa;

I/Os seriais;

Memria EEPROM de dados, entre outros.

2.6.3 PIC16F628

O PIC16F628 possui arquitetura Harvard. A memria de dados do tipo

RAM (voltil) e a memria de programa so do tipo Flash (letra F no cdigo).

Este PIC possui 18 pinos e pode ser classificado na faixa superior em

termos de recursos disponveis, pois ele possui interrupes e conversores AD

ou portas de comunicao serial. O PIC16F628 melhorou as caractersticas do

ncleo, a pilha de oito nveis, e fontes internas e externas mltiplas da

interrupo. As barras de comunicao separadas da instruo e de dados da

arquitetura de Harvard permitem que uma palavra de 14-bit de larga instruo

use dados de 8-bit separados. A faixa de dois estgios da instruo permite que


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toda a instruo seja executada em um nico-ciclo, exceo das filiais do

programa (que requerem dois ciclos).O microcontrolador consegue tipicamente uma compresso de cdigo de

2:1 e uma melhoria da velocidade de 4:1 sobre outros microcontroladores 8-bit

em sua classe. Os dispositivos do PIC16F628 tm as caractersticas especiais

para reduzir componentes externos, assim reduzindo o custo do sistema,

realando a confiabilidade do sistema e reduzindo o consumo de potncia.

H oito configuraes do oscilador, apenas o oscilador do pino ER fornece uma

soluo de baixo custo. O oscilador LP minimiza o consumo de potncia, XT

um cristal padro, INTRC um oscilador interno e o HS para cristais de altavelocidade.

A modalidade do SLEEP (baixo consumo) oferece economias de

energia. O usurio pode ativar a micro plaqueta do SLEEP de diversas

interrupes e restaurao externas e internas.

A tecnologia FLASH faz a customizao dos programas de aplicao

(nveis da deteco, gerao do pulso, temporizadores, etc.) extremamente

rpido e conveniente. Os pacotes pequenos da entrada fazem esta srie do

microcontrolador ideal para todas as aplicaes com limitaes do espao.Baixo custo, baixo consumo, alta performance, facilidade de utilizao e

flexibilidade de I/O faz do PIC16F628 muito verstil. A figura 7 mostra a

pinagem do PIC16F628.


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Figura 7:Pinagem do PIC16F628

Caractersticas tcnicas:

Freqncia de operao DC a 20 MHz

Memria do programa 3.5K

Numero de instrues 2048

RAM 224 bytes

EEProm 128 bytes

PORT A: RA0 ... RA4 (5 PINOS)

PORT B: RB0 ... RB7 (8 PINOS)

1 Mdulo CCP

2 Comparadores

Presena de Power On Reset

Presena de Brown-out Detect

Temporizador 1x16bit 2x8bit WDT W/RC

Presena da Tenso de Referncia Vref

Capacidade de corrente 25mA

Presena do Programa de Circuito Serial


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2.7 Rels

Os rels so dispositivos comutadores eletromecnicos. A estrutura

simplificada de um rel mostrada na figura 8 e a partir dela explicaremos o seu

princpio de funcionamento.

Nas proximidades de um eletro-im instalado uma armadura mvel

que tem por finalidade abrir ou fechar um jogo de contatos. Quando a bobina

percorrida por uma corrente eltrica criado um campo magntico que atua

sobre a armadura, atraindo-a. Nesta atrao ocorre um movimento que ativa os

contatos, os quais podem ser abertos, fechados ou comutados, dependendo de

sua posio, conforme mostra a figura 9.

Figura 8:Estrutura eltrica do Rel

ARMADURA

BOBINA


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Figura 9:Abertura e fechamento dos contatos

Isso significa que, atravs de uma corrente de controle aplicada bobina

de um rel, podemos abrir, fechar ou comutar os contatos de uma determinada

forma, controlando assim as correntes que circulam por circuitos externos.

Quando a corrente deixa de circular pela bobina do rel o campo magntico

criado desaparece, e com isso a armadura volta a sua posio inicial pela ao da

mola.

Os rels se dizem energizados quando esto sendo percorridos por

uma corrente em sua bobina capaz de ativar seus contatos, e se dizem

desenergizados quando no h corrente circulando por sua bobina.

Este rel fecha os contatos com aenergizao da bobina

Este rel abre os contatos com a

energizao da bobina

Este rel comuta a corrente desviando-ade A para B

ATRAOCONTATOS

FECHADOS

CONTATOSABERTOS

corrente


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A aplicao mais imediata de um rel com contato simples no controle

de um circuito externo ligando ou desligando-o, conforme mostra a figura 10.Observe o smbolo usado para representar este componente.

Figura 10:Rel de contato simples

Quando a chave S1 for ligada, a corrente do gerador E1 pode circularpela bobina do rel, energizando-o. Com isso, os contatos do rel fecham,

permitindo que a corrente do gerador E2 circule pela carga, ou seja, o circuito

controlado que pode ser uma lmpada.

Para desligar a carga basta interromper a corrente que circula pela

bobina do rel, abrindo para isso S1.

Uma das caractersticas do rel que ele pode ser energizado com

correntes muito pequenas em relao corrente que o circuito controlado exige

para funcionar. Isso significa a possibilidade de controlarmos circuitos de altascorrentes como motores, lmpadas e mquinas industriais, diretamente a partir

de dispositivos eletrnicos fracos como transistores, circuitos integrados,

fotoresistores etc.

A corrente fornecida diretamente por um transistor de pequena potncia

da ordem de 0,1A no conseguiria controlar uma mquina industrial, um motor

ou uma lmpada, mas pode ativar um rel e atravs dele controlar a carga de alta

potncia. (figura 11).


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Figura 11:Ativar uma carga de alta potncia

Outra caracterstica importante dos rels a segurana dada pelo

isolamento do circuito de controle em relao ao circuito que est sendo

controlado. No existe contato eltrico entre o circuito da bobina e os circuitos

dos contatos do rel, o que significa que no h passagem de qualquer corrente

do circuito que ativa o rel para o circuito que ele controla.

Se o circuito controlado for de alta tenso, por exemplo, este isolamento

pode ser importante em termos de segurana.

Do mesmo modo, podemos controlar circuitos de caractersticas

completamente diferentes usando rels: um rel, cuja bobina seja energizada

com apenas 6 ou 12V, pode perfeitamente controlar circuitos de tenses mais

altas como 110V ou 220V.

O rel que tomamos como exemplo para analisar o funcionamento

possui uma bobina e um nico contato que abre ou fecha.

Na prtica, entretanto, os rels podem ter diversos tipos de construo,

muitos contatos e apresentar caractersticas prprias sendo indicados para

aplicaes bem determinadas.


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2.7.1 Os Rels na Prtica

O que determina a utilizao de um rel numa aplicao prtica so suas

caractersticas. O entendimento dessas caractersticas fundamental para a

escolha do tipo ideal.

A bobina de um rel enrolada com um fio esmaltado cuja espessura e

nmeros de voltas so determinados pelas condies em que se deseja fazer sua

energizao.

A intensidade do campo magntico produzido e, portanto, a fora com

que a armadura atrada depende tanto da intensidade da corrente que circulapela bobina como do nmero de voltas que ela contm.

Por outro lado, a espessura do fio e a quantidade de voltas determinam o

comprimento do enrolamento, o qual funo tanto da corrente como da tenso

que deve ser aplicada ao rel para sua energizao, o que no fundo a

resistncia do componente. Todos estes fatores entrelaados determinam o

modo como a bobina de cada tipo de rel enrolada.

De um modo geral podemos dizer que nos tipos sensveis, que operam

com baixas correntes, so enrolados milhares ou mesmo dezenas de milhares devoltas de fios esmaltados extremamente finos, alguns at mesmo mais finos que

um fio de cabelo! (figura 12).


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Figura 12:A bobina de um Rel

As armaduras dos rels devem ser construdas com materiais que

possam ser atrados pelos campos magnticos gerados, ou seja, devem ser de

materiais ferromagnticos e montadas sobre um sistema de articulao que

permita sua movimentao fcil, e retorno posio inicial quando o campo

desaparece.

Peas flexveis de metal, molas ou articulaes so alguns dos recursos

que so usados na montagem das armaduras.

A corrente mxima que os rels podem controlar depende da maneira

como so construdos os contatos. Alm disso, existe o problema do

faiscamento que ocorre durante a abertura e fechamento dos contatos de rel,

principalmente no controle de determinado tipo de carga (indutivas).

O material usado deve ento ser resistente, apresentar boa capacidade de

conduo de corrente e, alm disso, ter um formato prprio, dependendo da

aplicao a que se destina o rel.


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Dentre os materiais usados para a fabricao dos contatos podemos citar

o cobre, a prata e o tungstnio. A prata evita a ao de queima provocada pelasfascas, enquanto os contatos de tungstnio evitam a oxidao.

O nmero de contatos e sua disposio vo depender das aplicaes a

que se destinam os rels.

2.7.2 Tipos de Rels

2.7.2.1 Contatos NA ou Normalmente Abertos

Os rels so dotados de contatos do tipo normalmente abertos, quando

estes permanecem desligados at o momento em que o rel seja energizado.

Quando o rel energizado, os contatos fecham, e com isso pode circular

corrente pelo circuito externo. Podemos ter rels com um ou mais contatos do

tipo NA, conforme mostra a figura 13.

Figura 13:Rels tipo NA

1 CONTATO N A 2 CONTATO N A

3 CONTATO N A

TERMINAISDA BOBINA

REL DE 1 CONTATO N A


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Usamos rels com contatos do tipo NA quando queremos ligar uma

carga externa ao fazer uma corrente percorrer a bobina do rel, ou seja, quando oenergizarmos.

2.7.2.2 Contatos NF ou Normalmente Fechados

Estes rels apresentam um ou mais contatos que esto fechados,

permitindo a circulao pela carga externa, quando a bobina estiver

desenergizada. Quando a bobina percorrida por uma corrente, o rel abre seus

contatos, interrompendo a circulao de corrente pela carga externa. (figura 14).

Figura 14:Rels tipo NF

Usamos este tipo de rel para desligar uma carga externa ao fazer uma

corrente percorrer a bobina do rel.

2.7.2.3 Contatos NA e NF ou Reversveis

Os rels podem tambm ter contatos que permitem a utilizao

simultnea dos contatos NA e NF ou de modo reversvel, conforme mostra a

figura 15.

REL DESENERGIZADO REL ENERGIZADO

CONTATO NF CORRENTE INTERROMPIDA

CORRENTECARGA CARGA


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Figura 15:Rel Reversvel

Quando o rel est com a bobina desenergizada, o contato mvel C faz

conexo com o contato fixo NF, mantendo fechado este circuito. Energizando a

bobina do rel o contato C (comum) passa a encostar-se ao contato NA,

fechando ento o circuito. Podemos usar este tipo de rel para comutar duascargas, conforme sugere a figura 16.

Figura 16:Comutao de duas cargas atravs do rel reversvel

A energia da fonte E passa ento do circuito de carga 1 para o circuito

de carga 2.

O nmero de contatos NA e NF de um rel pode variar bastante, o que

garante uma enorme versatilidade para este componente. Assim, jogando comos dois contatos reversveis, podemos fazer inverses do sentido de circulao

da corrente.

N.F. - normalmente fechado

C - comum

N.A. - normalmente aberto

RELDESENERGIZADO

RELENERGIZADO

Carga1

Carga2

Carga1

Carga2


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Os rels podem ainda ter bobinas para operar tanto com corrente

contnua como com corrente alternada.No caso de corrente contnua, a constncia do campo garante um

fechamento firme, sem problemas. No entanto, no caso do acionamento por

corrente alternada, a inverso do sentido da corrente numa determinada

freqncia faz com que o campo magntico aparea e desaparea dezena de

vezes por segundo, o que leva a armadura e os contatos a uma tendncia de

vibrao.

Para evitar este problema tcnicas especiais de construo so usadas,

sendo que a mais eficiente consiste na colocao numa das metades do ncleo dabobina de um anel de cobre. Neste anel ento induzida uma forte corrente que

cria um segundo campo magntico, o qual divide o campo principal em dois

fluxos defasados. Assim, no existe um instante em que o campo seja nulo,

quando a armadura pode "descolar", e com isso causar as vibraes.

Por este motivo, os rels usados em corrente contnua no so os mesmos

empregados em circuitos de corrente alternada.

2.7.2.4Rels abertos, fechados e selados

Dependendo das aplicaes, temos ainda para os rels montagens

diferentes do conjunto de peas que o formam. Os rels podem ser abertos, ou

seja, sem proteo, se forem usados em equipamentos fechados, que no estejam

sujeitos a poeira, umidade ou outros elementos que prejudiquem o componente.

Temos tambm rels fechados, mas sem vedao alguma que so

utilizados na maioria das aplicaes comuns. Estes rels possuem coberturas de

materiais diversos, como por exemplo, o plstico que pode ser opaco outransparente.


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Existem ainda os rels hermticos que so encerrados em invlucros que

impedem a penetrao de ar do meio ambiente.Em especial estes rels so empregados em aplicaes que ficam em

atmosferas combustveis, j que o acionamento dos contatos pode ser

acompanhado de fascas que causariam a ignio do combustvel e com isso o

perigo de exploso. Na figura 17 h trs tipos da linha de produtos rels com as

mais diversas especificaes adicionais.

Figura 17:Rels abertos, fechados e selados

Esta proteo evita que a poeira se acumule principalmente nos contatos,

vindo a prejudicar o funcionamento do rel.

Rels abertos

Rel fechado Rels vedados


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2.7.3 Ligao dos rels ao circuito externo

Outro fato importante na construo de um rel a maneira como ele vai

ser ligado ao circuito externo. Para esta finalidade, os rels so dotados de

terminais. O tipo mais simples possui, ento, 4 terminais sendo 2 para a

conexo bobina e 2 para os prprios contatos. (figura 18).

Figura 18:Rels de 4 terminais

O nmero de terminais aumentar na proporo em que aumenta o

nmero de contatos e estes podem ter as mais diversas aparncias. Em

aplicaes profissionais, onde a eventual substituio rpida de um rel deve ser

feita com presteza, so usados encaixes em bases fixas. So os rels de encaixe

ou plug-in. Temos ainda rels que comutam sinais de altas freqncias, e que

utilizam conectores para os contatos do tipo coaxial. Este tipo de configurao

necessrio para que no ocorram perdas na transferncia das correntes que o rel

deve comutar em seus contatos.

2.7.4 Caractersticas eltricas dos Rels

Como acionar um rel? Quais circuitos externos podem ser controlados

por um rel? Na utilizao de qualquer tipo de rel num projeto fundamental

ter respostas para as duas perguntas acima, e em alguns casos para outras. Nos

manuais de fabricantes de rels encontramos informaes que permitem a

avaliao do que um rel pode fazer e como deve ser usado. No entanto,


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preciso saber interpretar estas informaes, para que no aconteam surpresas

desagradveis num projeto. Iniciaremos ento nossas explicaes pelascaractersticas eltricas dos rels.

2.7.4.1 Caractersticas da bobina

Para que o rel seja energizado corretamente e os contatos atuem,

preciso que uma corrente de intensidade mnima determinada circule pela sua

bobina. Devemos ento aplicar uma tenso de determinado valor, que em

funo da resistncia do enrolamento vai permitir que a corrente mnimadeterminada seja estabelecida. Na prtica os rels so especificados em termos

da corrente que deve passar pelo enrolamento para uma determinada tenso que

a tenso de funcionamento. Na verdade preciso levar em conta que, para

fechar o rel, precisamos de uma certa intensidade de campo magntico que

puxe a armadura para perto da bobina com certa fora, mas uma vez que a

armadura se aproxima, o campo j no precisa ser to forte para mant-la junto

bobina, e com isso o rel fechado. Devemos ento distinguir a tenso que aciona

o rel da tenso que o mantm fechado que muito menor.A corrente que aciona o rel denominada corrente de acionamento,

enquanto que a corrente que o mantm fechado (muito menor) a corrente de

manuteno. Fixando a tenso que deve disparar um rel de corrente contnua, a

corrente que vai circular por sua bobina funo da resistncia do enrolamento,

o que pode ser calculado facilmente pela lei de Ohm. Assim, se um rel for

especificado para uma tenso nominal de 24 volts, quando ento circula uma

corrente de 20 mA (0,02 A), podemos calcular a resistncia com uma simples

diviso:R = V/I = 24/0,02 = 1200 ohms


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As caractersticas da bobina do rel de corrente contnua (resistncia,

corrente e tenso) ficam ento perfeitamente definidas quando temos duas dastrs grandezas acima citadas: Se tivermos a tenso

desenvolvimento de um sistema de controle de dispositivo via acesso remoto

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