1 SUMRIO INTRODUO........................................................................................................................ 8 1DESCRIO DO SISTEMA DO ROB MVEL ........................................................ 9 2MATERIAIS E MTODOS .......................................................................................... 10 2.1Construo Mecnica do Rob Mvel .................................................................... 10 2.1.1Estrutura do Rob Mvel ................................................................................. 10 2.1.2Adaptao dos servomotores [7,8] ...................................................................... 14 2.1.3Modificando os servomotores .......................................................................... 15 2.2Circuitos Eltricos (Etapa de Gerenciamento) ........................................................ 18 2.2.1Processamento de Dados (Microcontrolador PIC18F4550) [9]......................... 18 2.2.2Ciclos de instruo de mquina para microcontroladores PIC18F .................. 25 2.2.3Descritivo das funes/caractersticas e arquitetura interna do PIC18F4550 .. 26 2.2.4Freqncia de clock para osciladores externos e internos para o PIC18F4550 30 2.2.5Recursos avanados do PIC118F4550 para acionamento PWM ..................... 33 2.2.6Etapa de Acionamento e Potncia .................................................................... 38 2.2.7Etapa de Sensoriamento (Fundamentos de Sinais e Sistemas) [14,15] ................ 43 2.3Transmisso de dados (Etapa de comunicao entre o RM e o Host) ..................... 56 2.3.1Comunicao via Rdio-Freqncia (RF) [22] .................................................. 56 2.3.2Comunicao via Protocolo Serial (USART) .................................................. 57 2.4Modelagem dinmica e Aplicao de tcnicas clssicas de controle ao RM .......... 61 2.4.1Atuadores (Motor de Corrente Contnua CC) ............................................... 61 2.4.2Especificaes dos Atuadores do Rob Mvel (RM) ...................................... 63 2.4.3Modelagem do Sistema de completo (motor + redutor + carga) e Determinao dos parmetros eltricos e mecnicos ............................................................................ 64 2.4.4Caractersticas da Teoria de Controle Clssica ................................................ 69 2.4.5Controlador PID (Proporcional-Integral-Derivativo) [3] ................................... 71 2.4.6Mtodos de obteno dos parmetros Kp, Ki e Kd para o controlador PID ...... 72 2.4.7AdaptaodocontroladorPIDanalgicoaumcontroladorPIDdigital (discretizao) ................................................................................................................ 76 3RESULTADOS .............................................................................................................. 81 3.1Projeto e Construo dos circuitos eltricos ............................................................ 81 3.1.1Etapa de Gerenciamento ................................................................................... 81 3.1.2Etapa de Acionamento...................................................................................... 96 3.1.3Etapa de Sensoriamento ................................................................................... 99 3.2Obteno dos parmetros do conjunto (motor + redutor + carga) [2] ..................... 101 3.2.1Determinao dos parmetros do motor + redutor ......................................... 101 3.2.2Motor + redutor + carga [2,34,35,36] ................................................................... 114 3.2.3Obteno dos parmetros e aplicao do controlador PID [37] ....................... 123 3.3Implementao em Software (rotinas) ................................................................... 130 3.3.1Linguagens/tcnicas de programao e formas de depurao [38,39,40] ........... 130 3.3.2ConfiguraesdediretivasiniciaisparaaprogramaoeRotinasde Comunicao [42]........................................................................................................... 133 3.3.3Rotinas de Acionamento ................................................................................ 134 3.3.4Rotinas de PM ................................................................................................ 135 3.3.5Rotinas de Leitura dos dados pelo encoder/HCTL ........................................ 139 3.3.6Rotinas do controlador PID ............................................................................ 140 4CONCLUSES ............................................................................................................ 141 5REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ......................................................................... 144 2 LISTA DE ANEXOS ANEXO I: Tipos de memrias..........................................................................................147 ANEXO II: Partes principais do Datasheet e Caractersticas do PIC18F4550 a.Adendo 1 (p.64) Ciclos de instruo de mquina...................................151 b.Adendo 2 (p.153) Mdulo ECCP...........................................................162 c.Adendo 3 (p.166) Interface USB do PIC................................................175 d.Adendo 4 (p.187 / p.193) SPP e MSSP..................................................184 e.Adendo5(p.79/p86/p.87)Reading,ErasingandWritingFlash Memory..................................................................................................... 200 f.Adendo 6 (p.304 / p.305 / 306) PIC Instruction Set...............................206 ANEXO III: Datasheet L293.............................................................................................212 ANEXO IV: Datasheet: Encoder HEDS5500...................................................................225 ANEXO V: Datasheet: HCTL2016/7................................................................................240 ANEXO VI: Datasheet: Laipac TRF 2.4G transceiver e Nordic CI.................................259 ANEXO VII: Datasheet: MAX232...................................................................................290 ANEXO VIII: Datasheet: LM7805...................................................................................298 ANEXOIX:AN956:MigratingApplicationstoUSBfromRS-232UARTwith Minimal Impact on PC Software....................................................................................... 308 ANEXO X: Aspectos tericos do Momento de Inrcia....................................................322 ANEXO XI: AN937: Implementing a PID Controller using a PIC18 MCU...................324 ANEXO XII: Cdigo-fonte implementado.......................................................................337 3 LISTA DE FIGURAS Figura 1- Corte inicial e formato aps os cortes laterais. ....................................................... 11 Figura 2 - Formato e cor definitivos das plataformas que formam o chassi do rob mvel. . 11 Figura 3 - Espaadores de lato de . .................................................................................. 12 Figura 4 - Furao e fixao dos motores aos suportes. [referncia] ........................................... 12 Figura 5 - Furao das plataformas para a fixao dos espaadores. [referncia] ....................... 13 Figura 6 - Disposio dos motores e espaadores nas plataformas. [referncia] ......................... 13 Figura 7 - Fabricao das rodas de PVC. [referncia] .................................................................. 13 Figura 8 - Pinos de teflon adicionados ao rob mvel. .......................................................... 14 Figura 9 - Partes que formam um servomotor. [referncia] ......................................................... 15 Figura 10 - A figura mostra o conjunto Motor+circuito de acionamento e posio. [referncia] 16 Figura 11 - Retirada da trava mecnica presente em alguns modelos de servomotores. [referncia].................................................................................................................................... 16 Figura 12 - Construo e do eixo a engrenagem. [referncia] ...................................................... 17 Figura 13 - Furao e adaptao da bucha de bronze fosforoso a tampa traseira do motor. [referncia].................................................................................................................................... 17 Figura 14 - Aparncia final do conjunto MOTOR+REDUTOR+EIXO do sensor. [referncia] . 18 Figura 15 - Conjunto final MOTOR+REDUTOR+SENSOR (encoder). [referncia] ................. 18 Figura 16 - Terminologia dos terminais do microcontrolador PIC18F4550 (TQFP44). [9] ... 19 Figura 17 - Operao genrica das portas de E/S. [9] .............................................................. 24 Figura 18 - Ciclo de instruo de clock. [9] ............................................................................. 25 Figura 19 - Exemplo de fluxo de instruo Pipeline. [9] ......................................................... 26 Figura 20 - Diagrama de blocos do microcontrolador PIC18F4550. [9] ................................. 29 Figura 21- Diagrama de clock interno. [9]............................................................................... 32 Figura 22 - Diagrama de blocos simplificado do modo CCP (em PWM). [9] ........................ 33 Figura 23 - Tempo do ciclo ativo. [9] ...................................................................................... 34 Figura 24 - Resoluo do PWM para a freqncia padro de 40MHz e registradores associados com o PWM e Timer2. [9] ..................................................................................... 35 Figura 25 - Pinos de entrada, sada e de potncia do CI L293. [10]......................................... 39 Figura 26 - Acionamento bidirecional do motor de CC usando o L293. [10] .......................... 39 Figura 27 - Acionamento de dois motores de CC com o mesmo sentido e parado; Acionamento de um motor de CC com dois sentidos e parados. [10]...................................... 40 Figura 28 - Diagrama de funcionamento interno lgico. [10] .................................................. 40 Figura 29 - Duas formas de onda PWM com largura de pulso diferente. .............................. 41 Figura 30 - Sinal peridico aplicado ao Motor de CC. .......................................................... 42 Figura 31 - Princpio de funcionamento de um encoder rotativo (esquerda) e um encoder linear (direita).] ....................................................................................................................... 44 Figura 32 - Grfico dos sinais A, B e C e exemplo real de um encoder incremental. [16] ...... 45 Figura 33 - Zona de mltiplas comutaes em um encoder absoluto e exemplo real. [16,] ..... 45 Figura 34 - Equivalncia entre os sistemas numricos (esquerda), e circuito de converso lgico (centro) e diferena construtiva dos discos pticos (direita). [16] ................................ 46 Figura 35 - Encoder HEDS5500: Conjunto Sensor (HEDS9140) e Disco (HEDS5140). [] .. 47 Figura 36 - Demonstrao em 3D de um encoder e esquema eltrico dos terminais. [19] ...... 47 Figura 37 - Diagrama de blocos do funcionamento interno do encoder (HEDS5500). [19] .... 48 Figura 38 - Terminologia dos terminais do HCTL2016. [21] .................................................. 51 Figura 39 - Filtro de rudo digital simplificado. [21] ............................................................... 52 Figura 40 - Propagao dos sinais de cada canal atravs do filtro digital de rudo. [21] ......... 52 4 Figura 41 - Representao grfica de um pulso ..................................................................... 55 Figura 42 - Conectores macho e fmea DB9 da porta serial e seqncia numrica dos pinos. [23]............................................................................................................................................ 59 Figura 43 - Terminologia dos pinos do CI MAX232 e esquema lgico interno de funcionamento. [24].................................................................................................................. 60 Figura 44 - Tipos de conectores USB. [25] .............................................................................. 61 Figura 45 - Esquema de funcionamento de um motor de CC. [7] ........................................... 62 Figura 46 - Servomotor Hobbico CS-60 usado como atuador. [] ........................................... 63 Figura 47 - Representao da fora (F) sobre um fio condutor e torque sobre uma espira. .. 64 Figura 48 - Diagrama eletromecnico do motor de CC. ........................................................ 66 Figura 49 - Diagrama de Blocos da equao eltrica ............................................................. 67 Figura 50 - Diagramas de blocos da parte do acoplamento. .................................................. 67 Figura 51 - Diagrama de blocos da parte mecnica. .............................................................. 68 Figura 52 - Diagrama de blocos completo da modelagem matemtica do motor CC. ........... 68 Figura 53 - Diagrama em blocos de sistema de controle ....................................................... 69 Figura 54 - Controle em malha aberta .................................................................................... 70 Figura 55 - Sistema de controle a malha fechada ................................................................... 70 Figura 56 - Critrios de sintonia ............................................................................................. 73 Figura 57 - Controlador digital. [] ........................................................................................... 76 Figura 58 - Mtodo de aproximao de Euler.[29] .................................................................. 77 Figura 59 - Obteno do termo derivativo. [29] ....................................................................... 78 Figura 60 - Obteno do termo integrativo. [29] ...................................................................... 79 Figura 61 - Controlador PID com anti-windup. [29] ................................................................ 80 Figura 62 - Determinao prtica do perodo de amostragem (T). [29] ................................... 81 Figura 63 - Distribuio dos pinos do microcontrolador para cara etapa do projeto. ............ 82 Figura 64 - Layout em dupla-face da etapa de gerenciamento. .............................................. 84 Figura 65 - Visualizao em 3D da placa de circuito impresso da etapa de gerenciamento.. 84 Figura 66 - Diagrama eltrico da etapa de gerenciamento. .................................................... 85 Figura 67 - Placas de gerenciamento, acionamento e sensoriamento, aps a confeco. ...... 86 Figura 68 - Diagrama eltrico e baterias em paralelo para a alimentao eltrica de 9V. ..... 87 Figura 69 - Diagrama eltrico e disposio real dos componentes para 5V. ......................... 87 Figura 70 - Diagrama eltrico para alimentao do mdulo de RF em 3V. ........................... 88 Figura 71 - Diagrama funcional da etapa de comunicao entre o microcontrolador e o host. ................................................................................................................................................ 89 Figura 72 - Arquitetura interna do mdulo USB. [9]............................................................... 90 Figura 73 - Esquema eltrico da conexo USB. ..................................................................... 90 Figura 74 - Esquema eltrico da conexo USART. ............................................................... 93 Figura 75 - Esquema eltrico da conexo ICSP. .................................................................... 94 Figura 76 - Seleo dos pinos na chave comutado para a alimentao do canal de dados ICSP e alimentao eltrica funcional. ............................................................................................ 95 Figura 77 - Conexo do pino PGM massa (nvel lgico baixo). ......................................... 95 Figura 78 - Diagrama funcional da etapa de Acionamento. ................................................... 97 Figura 79 - Diagrama eltrico e descrio da configurao usada dos pinos do CI L293. .... 98 Figura 80 - Visualizao em 3D e layout em dupla face da etapa de acionamento. .......... 98 Figura 81 - Placa de acionamento confeccionada. ................................................................. 99 Figura 82 - Estrutura funcional da etapa de sensoriamento. ................................................ 100 Figura 83 - Layout e visualizao em 3D da placa de circuito impresso da etapa de sensoriamento. ...................................................................................................................... 100 Figura 84 - Diagrama eltrico da etapa de sensoriamento com conectores para as demais etapas. ................................................................................................................................... 101 5 Figura 85 - Placa de sensoriamento confeccionada.............................................................. 101 Figura 86 Rotor: Corpo cilndrico girando em torno de um eixo. ..................................... 105 Figura 87 - Montagem do conjunto redutor. ........................................................................ 106 Figura 88 - Representao grfica da equao linear do torque resistivo. ........................... 109 Figura 89 - Grfico do torque resistivo em funo da velocidade angular. ......................... 110 Figura 90 - Curva caracterstica da tenso em funo do tempo. ......................................... 111 Figura 91 - Diagrama de blocos completo para o conjunto motor + redutor. ...................... 114 Figura 92 - Representao do torque em uma das rodas. ..................................................... 115 Figura 93 Ligao das engrenagens das rodas aos motores. ............................................. 115 Figura 94 - Torque do motor para o conjunto completo. ..................................................... 116 Figura 95 - Diagrama de blocos da funo de transferncia mecnica. ............................... 121 Figura 96 - Diagrama de Blocos completo da planta (motor + redutor + carga). ................ 123 Figura 97 Resposta do sistema ao sinal degrau unitrio em cadeia aberta ........................ 124 Figura 98 Diagrama de blocos com a aplicao do ganho proporcional Kp. .................... 125 Figura 99 Resposta a um degrau unitrio com Kp = 5. ..................................................... 126 Figura 100 Aplicao do controlador PI. .......................................................................... 126 Figura 101 Resposta a um degrau unitrio com Kp = 5 e Ki = 8000. ............................... 127 Figura 102 Aplicao do controlador PD. ......................................................................... 128 Figura 103 Resposta a um degrau unitrio com Kp = 5 e Kd = 0,0001. ............................ 128 Figura 104 Aplicao do controlador PID. ....................................................................... 129 Figura 105 Estudo da resposta da planta a um degrau unitrio com ao do PID. ........... 129 Figura 106 Esquema eltrico utilizado para verificar TPWM, TON e VM. ........................... 137 6 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Descrio das funes de cada pino do microcontrolador PIC18F4550. .............. 23 Tabela 2 - Caractersticas eltricas do PIC18F4550 .............................................................. 28 Tabela 3 - Caractersticas gerais do PIC18F4550 .................................................................. 30 Tabela 4 - Tabela Verdade do funcionamento do circuito integrado L293 ............................ 40 Tabela 5 - Valores mximos absolutos do encoder HEDS5500. ........................................... 49 Tabela 6 - Seqncia da leitura dos dois bytes fornecidos pelo HCTL. ................................ 50 Tabela 7 - Descrio dos pinos do HCTL2016. ..................................................................... 51 Tabela 8 - Caractersticas principais de operao em condies mximas e recomendadas . 53 Tabela 9 Leitura do MSB no intervalo de tempo de 0,1s para 8 pulsos .............................. 53 Tabela 10 - Terminologia dos pinos para conectores USB de 4 e 5 terminais. ...................... 61 Tabela 11 - Parmetros do motor de CC. ............................................................................... 66 Tabela 12 - Mtodo da resposta ao salto de Ziegler-Nichols. ................................................ 75 Tabela 13 - Mtodo de ajuste da resposta ao salto Chien-Hrones-Reswick. ......................... 75 Tabela 14 - Pinos dedicados para a programao ICSP. ........................................................ 95 Tabela 15 - Pinos dedicados para a programao ICD/ICSP. ................................................ 96 Tabela 16 - Medidas da resistncia de armadura pelo mtodo do Ohmmetro. ................... 102 Tabela 17 - Caractersticas iniciais de trabalho do motor para valores de tenso distintos.103 Tabela 18 - Caractersticas do motor para valores distintos de torque e velocidade angular. .............................................................................................................................................. 103 Tabela 19 - Medidas de corrente para cada valor de tempo. ................................................ 104 Tabela 20 Medidas da massa e do dimetro. ..................................................................... 105 Tabela 21 - Relao de dentes por engrenagem do conjunto redutor. ................................. 107 Tabela 22 - Valores de torque e velocidade para as tenses de 4,8V e 6V. ......................... 108 Tabela 23 - Medida da corrente de armadura para uma tenso aplicada de 4,8V. ............... 109 Tabela 24 - Parmetros e caractersticas identificados dos 3 motores. ................................ 112 Tabela 25 - Medidas do rob mvel. .................................................................................... 115 Tabela 26 - Efeitos de cada termo do controlador para o sistema ........................................ 124 Tabela 27 - Identificadores, registradores e mapa da configurao de bits para o microcontrolador PIC18F4550. [9] ........................................................................................ 131 Tabela 28 Valores dos parmetros TON, VM e valor. ....................................................... 137 Tabela 29 - Valores dos parmetros TON, VM e valor para freqncia de 1KHz. .............. 138 7 LISTA DE ABREVIATURAS RMRob Mvel PIDProporcional-Integral-Derivativo PWMPulse Width Modulation RFRdio-Freqncia A/DAnalgico para Digital PVCPolyvinyl Chloride EDAElectronics Design Automation DIPDual in-line Package TQFPThin Quad Flat Pack SMDSurface Mounting Device CMOSComplementary Metal Oxide Semiconductor TTLTransistor-Transistor Logic EEPROMElectrically-Erasable Programmable Read-Only Memory RAMRandom Access Memory ROMRead-Only Memory UCPUnidade Central de Processamento ULAUnidade Lgica e Aritmtica LSBLeast Significant Byte MSBMost Significant Byte ICSPIn-Circuit Serial Programming ICDIn-Circuit Debug USARTUniversal Synchronous and Asynchronous Receiver Transmitter MSSPMaster Synchronous Serial Port USBUniversal Serial Bus CDDCClasse de Definies de Dispositivos de Comunicao 8 INTRODUO RobsMveis(RM)ouveculosautnomostmsidolargamenteestudadose aplicadosnosltimosanos.Soconstrudosparaarealizaodetarefasmajoritariamente complexas,nosmbitosresidenciais,comerciais,industriaiseeducacionais,bemcomos extrinsecamentepeculiares,envolvendodesdeaspectosdedimensesatmicasemnano-escala at macro-dimenses como a explorao espacial. O termo rob deriva da palavra robota que significa servio compulsrio ou atividade forada [1] e pode ser classificado segundo suas funes e aplicaes. Os principais tipos so: robsindustriais(manipuladores),robsmdicos(assistenciais),robssensoriais (humanides) e robs mveis (autnomos).Nodesenvolvimentoderobsautnomos,existeapreocupaocontnuadamenor interferncia humana possvel em suas funes. Para tanto, faz-se necessrio o conhecimento dasvariveisdosistema(RM)envolvidasemsuasaplicaes(posio,velocidadee acelerao).Esteconhecimentoprvioobtidoatravsdamodelagemdinmicadorob mvel.Logo,talrobagregaascaractersticasdelocomoocomaaplicaodetcnicas clssicasdecontrolemalhafechadaaoproblemadetrajetriaseposicionamento(usode atuadoresesensoresparaainterfaceentreoambienteexploradoeosdadoscoletadose estudados ao longo do trajeto). Seguindo a idia anterior, este trabalho se prope a construir uma plataforma veicular mvel, cujas funes se adqem autonomia de trabalho em diversos ambientes. Para isto eledevepossuirentreoutrositens,umsistemadecontroledigitalPID(Proporcional-Integral-Derivativo) [2,3] malha fechada para o controle velocidade, bem como um sistema desensoresquepermitamsuanavegaonestesambientes.Paraquetodasasprerrogativas acimapossamserimplementadassefaznecessrioumestudoespecialcomoscircuitos eletrnicos de cada etapa desenvolvida. Ademais,umsistemasupervisrio,oqualagregaasfunesdeleituradedados (variveisdecontrole),suatransmissoemprotocolosdecomunicaoparaocircuito eltricoprincipal,acorreodestesdadosparaocontrolePIDdevelocidadeeo acionamentoporPWM(PulseWidthModulationModulaoporLarguradePulso) [4,5,6] com os dados corrigidos no problema de trajetrias, tambm foi implementado, junto a uma central de processamento de dados (host). 9 1DESCRIO DO SISTEMA DO ROB MVEL Comoastarefasexecutadaspelosrobsmveisso,emsuamaioria,dotadasde considervelnveldecomplexidadeesuasaplicaesmaissofisticadas,umamodelagem dinmica abrangente destes sistemas e a aplicao de tcnicas clssicas de controle tornam-se imprescindveis no seu desenvolvimento. O sistema estudado e desenvolvido para o rob mvel representado pela funo de transferncia(expressoalgbrica),quedeterminaaspropriedadesdinmicasdomesmo. Logo, o objetivo inicial do projeto controlar estas propriedades no problema de trajetrias e posicionamento.Paraisso,inicialmentenecessita-sedeumrobmvelparaoestudoe,a partir deste, a sua modelagem matemtica. Oprojetodivididoemduaspartes:1)aconstruodorobmvelemsuaspartes estrutural(plataformaseatuadores)eeltricaatravsdodesenvolvimentodasetapasde acionamento, sensoriamento, comunicao e gerenciamento; 2) a modelagem matemtica do conjuntomotor+redutor+carga,cujafunodetransfernciacomaaplicaodeum controladorPIDpermitequesejamconhecidasasvariveisdosistemaparaocontrolede velocidadedorobmvel.Comotalsistemaenvolveumconjuntodeaplicaesdealto nvel ao seu desenvolvimento, houve a necessidade de adequ-las e organiz-las conforme o assunto e aplicaes realizados. Primeiramente,naconstruomecnicadorobmvel,tm-seosmtodosde desenvolvimentoestruturaldasplataformasdesustentao(chassi),espaadores,apoiosde equilbrio e fixao dos motores.Paraaparteeltrica,ocomponenteprincipal(microcontrolador)daetapade gerenciamentoexecutaasseguintestarefas:controledevelocidade,acionamentodos motores utilizando PWM e uma etapa de potncia, sensoriamento atravs de um encoder e a interpretaodosdadosporumcircuitointegradodeleituraeacomunicaoserialeem rdio-freqncia(RF)destesdadoscomumhost(centraldemanipulaoetratamentode informaes). Contemplam a segundaparte do projeto,a modelagem dinmica do robmvel e a aplicaodetcnicasclssicasdecontrole.Namodelagemmatemtica,soapresentadase calculadasasfunesdetransfernciaparaosconjuntosmotor+redutor(parcial)e motor+redutor+carga (total). 10 Umavezmodeladodinamicamente,oconjuntocompletomotor+redutor+carga necessitadeumestudoaprimoradoparaocontroledasvariveisenvolvidasnosistemado RM, bem como a discusso da tcnica de controle escolhida. O acionamento dos motores depende de variveis de posicionamento que respondem locomoo adequada de todo o sistema em qualquer ambiente. Com isso, o controle destas variveisnadeterminaodavelocidade,dependedeumsensoriamentoefetivona retroalimentao, em busca de um resultado desejado resposta final do sistema. Assim, para o problema acima implementou-se um controlador PID malha fechada aoprocesso/plantaemquesto(funodetransfernciadosistema).Talescolhadeu-seao fato do mesmo apresentar os conceitos necessrios resoluo do problema relacionado, ser didtico e, criteriosamente estudado durante o curso de graduao. Apsaanliseeaplicaodestecontroladoremsuaformaanalgica,omesmofoi discretizado, devido a sua implementao em um microcontrolador (PID digital). 2MATERIAIS E MTODOS Neste item, sero apresentados todos os estudos tericos e propostos para cada etapa descrita anteriormente.Inicialmente, h a descrio da construo do rob mvel, passando pelapartemecnicaestruturalepelaparteeltricaparaasetapasdegerenciamento, acionamento, sensoriamento e comunicao. Emseguida,todaaanlisedamodelagemmatemticaeaaplicaodetcnicasde controle ao sistema do RM so apresentadas. 2.1Construo Mecnica do Rob Mvel 2.1.1Estrutura do Rob Mvel OchassidoRobmvelformadoporduasplataformas(inferioresuperior) separadasporespaadoresdelato.Estetipochassimultiplataformafoiescolhidopor diversosmotivos,dentreelespodemoscitar;aflexibilidadenaadiodenovosmdulos 11 (plataformas);ummelhordesempenhonamovimentaoemlocaiscomobstculos angulares; uma distribuio dos componentes (baterias, circuitos, motores, sensores, etc.) de uma forma compacta. Outro aspecto a se considerar que a partir deste tipo de chassi tem-se umrobcomtraobaseadoemduasrodasoquefacilitanodeslocamentoemudanasde direo. Alm disso, dispondo corretamente os componentes e as rodas podemos considerar o centro geomtrico do rob como sendo o seu centro de massa o que facilitar mais adiante no tratamento do problema de trajetrias.Asplataformasforamconfeccionadasapartirdechapas(2mmespessura)de alumnio, cortadas na forma de disco e posteriormente modificadas atravs de cortes laterais assumindo a forma mostrada na Figura 1. Figura 1- Corte inicial e formato aps os cortes laterais. A plataforma superior foi perfurada de forma regular na tentativa de tornar mais fcil (prtico) o acoplamento de dispositivos de sensoriamento. A Figura 2 mostra o formato final das plataformas j pintadas. Figura 2 - Formato e cor definitivos das plataformas que formam o chassi do rob mvel. 12 Os espaadores foram confeccionados a partir de uma barra de lato sextavada de (Figura 3). Figura 3 - Espaadores de lato de . Osespaadorespossuemduplafuno;1)uniodasplataformas;2)suporteparaos motores.Estesespaadoresdevemterexatamenteomesmocomprimento,paraqueno ocorramdesalinhamentosnamontagemfinaldochassi.Paraisto,apsocorte,asquatro peasforamretificadasaomesmotempo,garantindoassimqueasdimensessejam exatamente as mesmas. Estemtododefixaodosmotoresbemprtico.Apartirdosmotoresfaz-sea furaodossuportessextavadoseemseguidaoconjuntounidoatravsdeparafusose porcas (Figura 4). Figura 4 - Furao e fixao dos motores aos suportes. [referncia] Aprximaetapaconsisteemunirasplataformasatravsdossuportessextavados. Paraistoossuportesforamfuradosaolongodoseucomprimentoeemseguidafoifeita roscade3mm.Asplataformasdevemserfuradasaomesmotempo,permitindoo alinhamento perfeito do conjunto. 13 Figura 5 - Furao das plataformas para a fixao dos espaadores. [referncia] AFigura6mostraadisposiodoscomponentesaofinaldestaetapademontagem do chassi. Figura 6 - Disposio dos motores e espaadores nas plataformas. [referncia] NaconfecodasrodasfoiusadoPVC.Asrodaspossuemumapartecentralmais espessa para ajudar no acoplamento com os eixos dos motores. Dois cortes foram feitos: um nasextremidades(sugo)paraoencaixedeumaneldeborracha(oring)eoutronocentro para o encaixe do suporte do motor. Figura 7 - Fabricao das rodas de PVC. [referncia] 14 Tantoooring(borracha)eosuportedomotorforamadicionadosnatentativade diminuirpossveisescorregamentoscomopisoenoacoplamentoentreomotorearoda, diminuindo erros na leitura dos sensores devido aos mesmos escorregamentos. Paraevitarquequandoemrepousoorobseinclineabruptamenteparafrenteou para traz, pinos de teflon foram adicionados na parte frontal e traseira do rob (Figura 8). Figura 8 - Pinos de teflon adicionados ao rob mvel. Desta forma o chassi torna-se completo e pronto para receber os circuitos eletrnicos e sensores. 2.1.2Adaptao dos servomotores [7,8] Oconjuntomotor+redutor+cargautilizadonestetrabalhofoiobtidodeum servomotorRobbico(HCAM0149)usadoemaeromodelismo.Asprincipaisalteraes necessriasaoseufuncionamento,agoracomoummotordecorrentecontinua+redutor+ sensor, foram:1)Eliminaodaparteeletrnicadoseuinterior,tornando-oassimummotorde corrente contnua; 2) Adio de um eixo de acoplamento e um encoder (HEDS-5500 HP) A idia de utilizar servomotores como os atuadores do RM parte das funcionalidades dosseuscomponentesinternos.Taisservomotoressoconstitudosdemotoresdecorrente contnuaedeumconjuntodeengrenagens(redutores),gerandoumtorquedesada compatvelcomaplicaesempequenosrobsmveis.Asprincipaisvantagensdestes atuadores so: 1)Servomotor = Motor de corrente continua + redutor + eletrnica de acionamento; 2)Alimentao = 0 12 V; 3)Torques de sada compatveis ao problema de posicionamento; 4)Estrutura leve; 15 5)Fcil aquisio no mercado; 6)Fcil acoplamento ao conjunto; 7)Fcilmodificao,bastandoaparaissoaretiradadocircuitoeletrnicode acionamento. 2.1.3Modificando os servomotores Comoprimeiroitemnamodificaodoservomotor,faz-searemoodocircuitode acionamentoe,paraisso,retiram-seosparafusosquemantmaestruturadoservomotor unida.Onicocuidadoquesedevetomaraexistnciadeumconjuntodeengrenagens (redutor)napartefrontaldoservo,sendoquealgumasdelasdepequenoportee,portanto, fceisdeseremperdidasoudanificadas.Sealgumasdestasengrenagensforemperdidasou danificadas, existem para alguns tipos de servomotores, conjuntos de engrenagens vendidos separadamente (Figura 9). Figura 9 - Partes que formam um servomotor. [referncia] Retirando-seatampatraseirapode-seobservarocircuitodeacionamento.Este circuito soldado aos contatos do motor. Com o uso de um ferro de solda e de um sugador pode-seretirarfacilmenteomesmo.Pode-seusaromesmocabodocircuitoparaa alimentao do motor de corrente contnua. 16 Figura 10 - A figura mostra o conjunto Motor+circuito de acionamento e posio. [referncia] Observa-seaindaaexistnciadeumpotencimetroacopladoaocircuito, funcionandocomosensordeposioparaoservomecanismo.Todooconjuntodeveser retirado. Algunsservomotorespossuemaindaumsistemadetravamentomecnicoinstalado em uma das engrenagens do redutor. Se este foro caso,a trava tambmdeve serremovida evitando assim danos ao conjunto. Figura 11 - Retirada da trava mecnica presente em alguns modelos de servomotores. [referncia] A mudana do servomotor de corrente contnua para um motor de corrente contnua e um redutor est finalizada. Antes de remontar o conjunto deve-se adaptar o sensor (encoder) ao conjunto. Inicia-se pela confeco do eixo que ir ligar a sada do redutor ao eixo do encoder. Paraissousou-seumapequenabarradelatode3mmdedimetroe40mmde comprimento. A nica modificao a ser feita nesta barra o desbastamento de uma das duas extremidades para que esta se encaixe perfeitamente no interior da engrenagem onde estava instalado o potencimetro. 17 Figura 12 - Construo e do eixo a engrenagem. [referncia] Se necessrio, fixar o conjunto com o auxlio de um adesivo instantneo.Em seguida alinhando-seastampastraseiraedianteiraeusandoofurodesadadoconjuntoredutor como guia faz-se um furo inicialmente com 3 mm de espessura. Depois de separar as tampas aumenta-segradativamente o furo da tampa traseira para 5 mm.Isto se faz necessrio, pois nesta abertura deve-se instalar uma bucha de bronze fosforoso que servir de guia e suporte para o eixo do sensor. Figura 13 - Furao e adaptao da bucha de bronze fosforoso a tampa traseira do motor. [referncia] Finalmente pode-se montar o conjunto que ter o formato final visto na Figura 14.18 Figura 14 - Aparncia final do conjunto MOTOR+REDUTOR+EIXO do sensor. [referncia] Para a instalao do encoder devem-se seguir as instrues do fabricante. Figura 15 - Conjunto final MOTOR+REDUTOR+SENSOR (encoder). [referncia] 2.2Circuitos Eltricos (Etapa de Gerenciamento) 2.2.1Processamento de Dados (Microcontrolador PIC18F4550) [9] Partindodoprincpiodefuncionamentodeumsistemacomputacionalbsico,cujo processamentodedadosiniciaisgerasuasrespectivasinformaesfinaisatravsdeuma programaocompiladae/ouinterpretadaemsuamemriainterna,pormenoriza-sea aplicaodeummicrocontroladorparaogerenciamentodetodasasetapas,bemcomoa implementao de tcnicas de controle que fundamentam este projeto. 19 Oprocessamentodosdadosmanipulaaleituradestes,quesocaptadospelos sensoresetratadosmatematicamente,naobtenodevaloresquecorrespondamaoplano fsico e que sejam processados de acordo com o programa, enviando assim, comandospara os atuadores que so responsveis pelo acionamento do RM.Aderiu-seaaplicaodeummicrocontrolador,porestereunirasfunesdeum microprocessadorecomponentescomputacionaisadicionais:memriadeprograma(ROM ouFlash)ememriadedados(RAM),unidadecentraldeprocessamento(UCP),portasde aplicao de entrada e sada (E/S), portas de comunicao seriais e paralelas, temporizadores econtadores,conversoresanalgico/digital(A/D)edigital/analgico(D/A),funes geradoras de acionamento PWM. A interao com o ambiente externo torna-se possvel com a aplicao de todas estas funes do microcontrolador. OmicrocontroladorescolhidofoioPIC18F4550(Microchip),queatendeaos requisitosbsicosacimamencionados,deformabemestruturada,almdeapresentar arquiteturaHarvardeterumconjuntodeinstruesreduzidoparaaprogramao(RISC)e fluxo de instrues Pipeline aprimorada para a famlia 18F. Figura 16 - Terminologia dos terminais do microcontrolador PIC18F4550 (TQFP44). [9] 20 Taisdadosseroprocessadosporumaetapadegerenciamentoparaaaplicaodas tcnicas de controle ao problema de trajetrias eposicionamento do RM,responsvel pelas interconexesdeinterfacesdedadosecomunicaocomasdemaisetapas(acionamentoe sensoriamento) sob a aplicao do microcontrolador. AescolhadoinvlucrodoPICparasuaimplantaonaplacadecircuitoimpresso deu-seaofatodomesmoserextremamentereduzidoepermitirgravaoICSP(InCircuit Serial Programming). Com isso, adotou-se o encapsulamento TQFP (SMD), como pode ser visto na Figura 16 acima. A arquitetura dos pinos em encapsulamentos DIP e TQFP segue a mesma seqncia numrica,oqueviabilizamostestesrealizadosemaplicativosdesimulaodecircuitos eltricos e EDA. Outras caractersticas tcnicas fundamentais para o desenvolvimento da programao nomicrocontroladorso:AltafidelidadecomatecnologiaFlash/EEPROM(CMOS);Taxa deOperaoa48MHz;At256x8bytesdegravaodedadosnamemriaEEPROM; 2048x8 bytes de memria de dados (RAM); 32,768Kx18 palavras degravao na memria dedadosFlash;16384instruespermitidasnamemriadeprograma;Mdulocomdois comparadores analgicos e 13 canais de entrada A/D (analgico/digital) de 10bits; Mdulos deCaptura,ComparaoePWM,osdoisprimeiroscom16bitseoPWMcomresoluo mxima de 10 bits; Sincronismo por interface serial USART/EUSART; Comunicao via USB2.0,ProgramaoIn-Circuit(ICSP),barramentodedadosde8bitsebarramentode instrues de 16 bits, entre outras especficas da Famlia 18F. Na Tabela 1 abaixo, pode-se identificar a descrio de cada pino para seu respectivo Port, e a funo pr-definida via programao. Nome do PinoPinoTipoBufferDescrio da Funo MCLR/VPP/RE318E/AST Master Clear (Reset). Entrada digital em nvel lgico 0 para operao adequada do microcontrolador Entrada de tenso para a programao ICSP; OSC1/CLKIN30EAnalgica Entrada para cristal externo Fonte de Clock OSC2/CLKOU/RA631STTL Sada para cristal externo VSS6,29A- Referncia Terra (GND) Tenso Eltrica VDD7,28A-Tenso Positiva +5V 21 VUSB37S- Regulador de tenso interno USB de 3,3V RA0/AN019E/S TTL Analgica E/S digital bidirecional Entrada analgica RA1/AN120E/S TTL Analgica E/S digital bidirecional Entrada analgica RA2/AN2/VREF-21E/S TTL Analgica E/S digital bidirecional Entrada analgica e referncia negativa RA3/AN3/VREF+22E/S TTL Analgica E/S digital bidirecional Entrada analgica e referncia positiva RA4/T0CKI/C1OUT23E/STTL/ST E/S digital bidirecional TMR0 (entrada de clock externo) RCV externa para transceiver USB RA5/AN4/SS/ HLVDIN/C2OUT 24E/S TTL Analgica E/S digital bidirecional Entrada selecionvel SPI escrava Entrada de deteco de tenso em nvel lgico 0 e 1 RB0/AN12/INT0/ FLT0/SDI/DAS 8E/S TTL Analgica ST E/S digital bidirecional Entrada analgica e interrupo externa Entrada EnPWM (mdulo ECCP1) Entrada de dados SPI E/S de dados I2C RB1/AN10/INT1/SCK/ SCL 9E/S TTL Analgica ST E/S digital bidirecional Entrada analgica e interrupo externa E/S serial para clock sncrono SPI E/S serial para clock sncrono I2C RB2/AN8/INT2/VMO10E/S TTL Analgica ST E/S digital bidirecional Entrada analgica e interrupo externa Sada VMO para otransceiver USB RB3/AN9/CCP2/VPO11E/S TTL Analgica ST E/S digital bidirecional Entrada analgica e interrupo externa Sada VPO para o transceiver USB Sada Capture/Compare/PWM 2. RB4/AN11/KBI0/CSSPP14E/S TTL Analgica ST E/S digital bidirecional Entrada analgica e interrupo externa Pino de interrupo seletora Sada de controle SPP selecionvel RB5/KBI1/PGM15E/STTL/ST E/S digital bidirecional Pino de interrupo seletora Pino de gravao ICSP de baixa tenso. RB6/KBI2/PGC16E/STTL/ST E/S digital bidirecional Pino de interrupo seletora Pino de gravao ICSP de clock RB7/KBI3/PGD17E/STTL/ST E/S digital bidirecional Pino de interrupo seletora Pino de gravao ICSP de dados RC0/T1OSO/T13CKI32E/SST E/S digital bidirecional Sada do oscilador Timer1 Entrada de clock externa TMR1/TMR3 22 RC1/T1OSI/CCP2/ UOE 35E/SST/CMOS E/S digital bidirecional Entrada do oscilador Timer1 Sada do mdulo Compare/Capture/PWM2 Sada de controle externa USB OE RC2/CCP1/P1A36E/STTL/ST E/S digital bidirecional Sada do mdulo Compare/Capture/PWM1 Sada CCP1EnPWM canal A RC4/D-/VM42E/STTL Entrada digital E/S diferencial negativa USB Entrada do transceiver USB VM RC5/D+/VP43E/STTL Entrada digital E/S diferencial positiva USB Entrada do transceiver USB VP RC6/TX/CK44E/SST E/S digital bidirecional Transmissor assncrono EUSART Sincronismo de clock EUSART RC7/RX/DT/SDO1E/SST E/S digital bidirecional Receptor assncrono EUSART Sincronismo de dados EUSART Sada de dados SPI RD0/SPP038E/STTL/ST E/S digital bidirecional Dados SPP RD1/SPP139E/STTL/ST E/S digital bidirecional Dados SPP RD2/SPP240E/STTL/ST E/S digital bidirecional Dados SPP RD3/SPP341E/STTL/ST E/S digital bidirecional Dados SPP RD4/SPP42E/STTL/ST E/S digital bidirecional Dados SPP RD5/SPP5/P1B3E/STTL/ST E/S digital bidirecional Dados SPP Sada PWM EnCCP1 canal B RD6/SPP6/P1C4E/STTL/ST E/S digital bidirecional Dados SPP Sada PWM EnCCP1 canal C RD7/SPP7/P1D5E/STTL/ST E/S digital bidirecional Dados SPP Sada PWM EnCCP1 canal D RE0/AN5/CK1SPP25E/S ST Analgica E/S digital bidirecional Entrada analgica Sada clock 1 SPP RE1/AN6/CK2SPP26E/S ST Analgica E/S digital bidirecional Entrada analgica Sada clock 2 SPP 23 RE2/AN7/OESPP27E/S ST Analgica E/S digital bidirecional Entrada analgica Sada clock enable SPP Legenda: TTL = entrada compatvel com nvel TTL; CMOS = E/S compatvel com nvel CMOS ST = Schmitt Trigger com nvel CMOS; E = entrada; S = sada; A = alimentao Tabela 1 - Descrio das funes de cada pino do microcontrolador PIC18F4550. Como parte dos blocos principais do ncleo do microcontrolador,a UnidadeLgica Aritmtica(ULA)responsvelportodasasoperaeslgicasearitmticasda programao. O registrador W (work) associado a outro registrador literal ou arquivo para realizar a operao e identificar o resultado final da expresso numa determinada posio da memria de dados. Outroblocoimportanteotemporizador(Timer).Nomicrocontroladorhum recursodehardwaredenominadoTimer0,queumregistradorde8bits(256valores distintos)e16bitsemmodoespecial(registradorT0CON),comincrementointernopelo ciclodeinstruodemquinaouporumsinalexterno(bordadesubidaoudescida),cuja configurao feita via software (SFR).Paraintervalosdetempomaioresqueafaixaentre1se100s,usa-seorecurso especial pre-scale (divisor de freqncia programvel do sinal que incrementa o Timer0). Paratemposnestafaixa,umciclodeinstruodemquinade1s,corresponderaum intervalo de 1s no Timer. Sobreamemriadeprograma,estarepresentaolocalondeasinstruesso armazenadas. So permitidas 16384 (words) instrues na memria de programa de 14 bits cada,emquepartedestesbitsinformaocdigodainstruoeorestantereferenciao argumentodainstruo.Nestamemria,hduasposiesdeendereamentoimportantes: vetor de reset e vetor de interrupo. Ovetorderesetrepresentaoprimeiroendereodeprogramaqueserexecutado quando o PIC for ligado ou reiniciado. Aponta para o endereo fsico 0x00. Por outro lado, o vetordeinterrupoapontaparaoendereofsico0x04erepresentatodasasrotinasde interrupes que so armazenadas na rea de programao. Estas rotinas, quando chamadas no cdigo, associam um endereo de retorno para um local reservado e separado da memria de programa, denominada pilha (stack).Para um melhor entendimento dos tipos de memria, encontra-se noAnexo I, todas as informaes necessrias a respeito. 24 As interrupes contemplam outro bloco fundamental do ncleo. Estas so causadas de forma assncrona, desviando a execuo seqencial do processamento. Logo, este desvio aponta para o vetor de interrupo. So quatro os tipos de interrupo e dez registradores que controlam sua operao: RCON, INTCON, INTCON2, INTCON3, PIR1, PIR2, PIE1, PIE2, IPR1 e IPR2 AsinterrupestratamdoinciodeleituraefimdaescritanaEEPROM,do registradordecomparaointerno,domduloserial(MSSP,USBeUSART),mdulode clock externo para processamento overflow e do mdulo de reset CCP. Figura 17 - Operao genrica das portas de E/S. [9] Porltimo,naconfiguraoderegistradoresdedireodedadosparaospinosem entradaesada(E/S),hoblocofuncionaldenominadoTRIS.Emnvellgicoalto1,o pinorelacionadoportaemquestoserconfiguradocomoentrada.Jemnvellgico baixo0,opinoserconfiguradocomosada.Talbloco(Figura17)trabalhaemconjunto comosregistradoresdenveisdeleituradecadapino(PORT)eoregistradordetravade dados (LAT).NoPIC18F4550,existem33pinosconfigurveiscomoentradaesadaassociados sua respectiva porta (PORTA, PORTB, PORTC, PORTD e PORTE). Quando configurados comoentrada,naleituradobitrelacionadocomadeterminadaporta,encontra-seonvel lgicoaplicadoaestepino.Conseqentemente,quandoconfiguradoscomosada,pode-se alterar o nvel lgico de determinado pino, escrevendo diretamente o bit relacionado, usando o registrador de trava de dados LAT. 25 2.2.2Ciclos de instruo de mquina para microcontroladores PIC18F Paraafamlia18F,cadaciclodeinstruoexecutadoemquatropulsosdeclock. Por apresentar fluxo de processamento Pipeline, h um aumento na velocidade de execuo destas instrues.Define-sePipelinecomoumatcnicausadapelosprocessadoresatuaisqueconsiste em dividir a execuo das instrues em sub-tarefas, as quais so posteriormente executadas paralelamente. Na famlia 18F, h dois estgios para a realizao de Pipeline que estabelece umperododeexecuode4ciclosdeclockcada:fetchinginstructionelatchingand executing instruction. Asinstruessoexecutadasemumciclodeclock,excetoosregistradoresque afetam o contador de programa (PC), cuja execuo incrementada em dois ciclos de clock, realizandoabusca(fetching)noendereoseguintedamemriaparadepoisserexecutada (latching). Estesquatropulsosdeclockdecadainstruosodenominadosinternamentepor nveis de quadratura de clock: Q1, Q2, Q3e Q4. Figura 18 - Ciclo de instruo de clock. [9] Internamente, o contador de programa (PC) incrementado em nvel Q1, a instruo atualbuscadanamemriadeprogramaetravadanoregistradordeinstruoduranteo nvel Q4. Tal decodificada e executada durante os subseqentes Q1 Q4, conforme segue esquema acima. 26 O ciclo de busca (fetching) comea com o contador de programa (PC) incrementando onvelQ1.Nociclodetravaeexecuo(latchingandexecuting),ainstruobuscada travada no registrador de instruo (IR), ainda no ciclo de nvel Q1. A memria de dados lida durante o nvel Q2 (operador de leitura) e escrita durante o nvel Q4 (operando de escrita de destino). Figura 19 - Exemplo de fluxo de instruo Pipeline. [9] Para maiores detalhes sobre o funcionamento dos ciclos de instruo de mquina do PIC18F4550, deve-se consultar o Anexo II, adendo 1 (p.64 datasheet). 2.2.3Descritivo das funes/caractersticas e arquitetura interna do PIC18F4550 A famlia 18F dos microcontroladores PIC oferece uma enormegama devantagens, semprepriorizandoumaltodesempenhocomputacionaleelevadapotencialidadenos clculos lgicos. As principais e inovadoras caractersticas sero explanadas a seguir: TecnologiananoWatt:Reduosignificativadoconsumodeenergia enquanto em funcionamento e durante intervalos e paralisaes pr-definidas. Suas principais metodologias de acesso so: oModoalternativodeativao:Atravsdoclockdocontroladorpelo Timer1 ou do bloco oscilador interno, o consumo de energia durante a execuo do cdigo pode ser reduzido para 90%. oModomltiplosilencioso:Ocontroladorpodeserexecutadocomo ncleodaUCPdesabilitado,pormcomosperifricosaindaativos. Nesteestado,oconsumodeenergiapodeserreduzidotobaixo quanto a 4% de operao requerida. 27 oMododechaveamentoOn-the-fly:Omododegerenciamentode energia chamado durante uma operao com interrupo externa ou internaatravsdocdigo-fonte,permitindoaousurioincorporar idiasdeeconomiadeenergianodesigndosoftwareparasuas aplicaes. oMdulo chave de baixo consumo: Os requisitos de energia para ambos os Timer1 e Watchdog so minimizados. Nodispositivo18Ffoiincorporadotambmsuaarquiteturaummdulode comunicaoUSB2.0paratransfernciasdedadosemaltaebaixa velocidade. H acoplado em seu mdulo um circuito interno transceiver e um regulador de 3,3V, mas tambm prov suporte para seus respectivos circuitos externos. Resistnciadememria:Asclulas/pilhasrealadasdaFlashparaambasas memrias de programa e EEPROM de dados so dotadas de mltiplos ciclos degravao(100000paraamemriadeprogramae1000000paraa EEPROM).Aconservaodosdadosdaltimaprogramaohexadecimal contida no microcontrolador estimada em 40 anos. Auto-Programao:Estedispositivopodeescreverseusprpriosespaosde memria de programa sob controle de software interno. Usando uma rotina de bootloader,localizadanoblocodeinicializaoprotegidonoaltodapilha damemriadeprograma,torna-sepossvelcriarumaaplicaoquepodese atualizar neste campo. Set de instrues estendido: A famlia 18F introduz uma extenso opcional ao setdeinstruesqueadicionaoitonovasinstrueseummodode endereamentoliteralindexadoparaoffset.Talextenso,habilitadacomo umaopodeconfiguraododispositivo,foiespecificamentedesenvolvida paraotimizarcdigosdeaplicaoiniciaisoriginalmenteprogramadosem linguagem de programao de alto nvel como C. Mdulo CCP aprimorado: No modo PWM, este mdulo prov 1, 2 ou 4 sadas moduladasparaocontrolededriversparapontesHepontesHH.Outra caractersticadestemodooauto-desligamentoparadesabilitarassadasdo 28 PWMnainterrupooucondiesdeseleoparaauto-reinicializaona reativao das sadas, uma vez que tais sejam realizadas. EndereamentoUSARTaprimorado(EUSART):Estemdulode comunicaoserialdotadodeoperaoRS-232esuportaoprotocolode barramentoLIN.Outrosaprimoramentosincluemadetecoautomticada taxa de transferncia e um gerador para esta mesma taxa com resoluo de 16 bits.Quandoomicrocontroladorestusandooblocointernodeoscilao,a EUSARToperadeformaestvelparaaplicaesqueenvolvemhardwares externos sem o uso de um cristal externo. ConversorA/Dde10bits:Estemduloincorporaotempodeaquisio programvel,permitindoumcanalserselecionadoeumaconversoser iniciada,semesperarporumperododeamostragemeento,reduziro overhead do cdigo. PortaICSP/ICDdedicada:Introduzousodeumdepurador(debugger)com pinosdeprogramaoquenosomultiplexadoscomoutrascaractersticas domicrocontrolador.Destaforma,facilitaousonodesenvolvimentode aplicaesintensivasemE/Ssemretiraroencapsulamentoparaadepurao final, o que pode ser realizado no prprio circuito eltrico desenvolvido. Abaixo,encontram-seastabelas(2e3)indicativasdascaractersticasgeraise eltricas, bem como o diagrama de blocos da arquitetura interna (Figura 20) do referido PIC. Tabela 2 - Caractersticas eltricas do PIC18F4550 Caractersticas eltricas do PIC18F4550 Temperatura de trabalho-40C at +85C Temperatura de Armazenamento-65C at 150C Tenso de Trabalho3.0V a 5.5V Tenso Mxima nos demais pinos (em relao ao VSS) -0.3V at (VDD + 0.3V) Dissipao mxima de potncia1.0W Corrente mxima de sada no pino VSS300mA Corrente mxima de sada no pino VDD250mA Corrente mxima de entrada de um pino25mA Corrente mxima de sada de um pino25mA 29 Figura 20 - Diagrama de blocos do microcontrolador PIC18F4550. [9] Caractersticas gerais do PIC18F4550 Freqncia de Operao48MHz Memria de Programa (bytes)32768 Memria de Programa (instrues)16384 30 Tabela 3 - Caractersticas gerais do PIC18F4550 2.2.4Freqncia de clock para osciladores externos e internos para o PIC18F4550 EmtodasasfamliasdosmicrocontroladoresPICsoadmitidosquatrotiposde osciladores,osquaisatendemumaespecificaodistinta,talqualanecessidadedo sincronismo para o perfeito funcionamento do programa em sua memria e seus perifricos.Ososciladoresso:circuitosRC,circuitosressonadores,circuitoscomcristale circuitos hbridos. OsciladorescomcircuitosRC(resistor-capacitor)permitemaplicaosimples,com custo relativamente baixo, com razovel preciso, pois sofrem influncia direta da tenso de eltrica, da temperatura e das tolerncias do resistor e do capacitor. RessonadorescermicossomaisestveiseprecisosqueososciladoresRC,porm apresentam custo relativamente alto. Memria de dados (bytes)2048 Memria de dados EEPROM (bytes)256 Fontes de interrupo20 Portas de E/SPorts A, B, C, D, E Timers4 Mdulos CCP1 Mdulos ECCP1 Comunicao serialMSSP e EUSART Mdulo USB1 Porta paralela (SPP)Sim Mdulo A/D 10 bits13 canais de entrada Comparadores2 Resets (Atrasos) POR, BOR, WDT, Instruo RESET, Pilha cheia e corrente (PWRT, OST), MCLR (opcional) Deteco de Programao em baixa tensoSim BOR programvelSim Set de instrues 75 instrues 83 instrues pelo modo EIS Encapsulamentos 40 pinos PDIP 44 pinos QFN 44 pinos - TQFP 31 Circuitoscomcristalsoosmaisprecisos,pormcomcustomaiselevadoqueos osciladores anteriores. Circuitoshbridosnormalmentesocompostosdecircuitoseltricosprpriospara oscilao,bemcomocristaishbridos.Soaplicadosemsistemascomperifricosque exigem mais de um simples circuito oscilador para o sincronismo de seu processamento. Considerandoestesquatrotiposdeosciladores,tem-senafamlia18F,um aprimoramento em suas tecnologias, aumentando para doze tipos diferentes de oscilador, tal qual seja a aplicao envolvida, as quais denotam as seguintes caractersticas: oQuatromodoscomcristalinternoecircuitoadicionalcom ressonadores cermicos. oQuatromodoscomcristalexterno,oferecendoaopodeusocom dois pinos (entrada do oscilador e uma sada de clock pordivide-by-4)ouumpino(entradadooscilador,comosegundopinoassociado como simples E/S). oBlocoosciladorinterno,oqualprovumclockde8MHz(2%de exatido)eumafonteINTRC(aproximadamente31KHz,estvelsob temperatura e a tenso VDD), bem como uma faixa de seis freqncias declockselecionveis,entre125KHze4MHz,paraumtotaldeoito freqnciasdeclock.Nestaopo,umpinopermaneceinutilizvel para o clock e livre para E/S. oMultiplicadordefreqnciaPLL(PhaseLockLoop)disponvelpara ambos os modos com cristal em alta velocidade e cristal externo, que permite uma ampla escala de velocidades ente 4MHz e 48MHz. oOperaoassncronadeclockduplo,permitindoaomduloUSBser executadoporumosciladordealtafreqncia,enquantoorestodo microcontrolador configurado pelo clock de um oscilador interno de baixa potncia. Almdadisponibilidadecomofontedeclock,oblocoosciladorinternoprovuma fonte de referncia estvel que fornece caractersticas adicionais para uma operao robusta, tais como: - Monitor de clock prova de falhas: Esta opo monitora constantemente a fonte de clockcontraumsinalderefernciaprovidopeloosciladorinterno.Seumafalhanoclock 32 ocorre,ocontroladorchaveadoparaoblocoosciladorinterno,permitindooperaoem baixa velocidade ou uma aplicao de parada programada segura. - Partida de velocidade dupla: Esta opo permite ao oscilador interno ser executado como uma fonte de clock do Power-on-Reset, ou ser reativado do modo Sleep, at a primeira fonte de clock estar disponvel.No desenvolvimento deste projeto, foi utilizado um circuito osciladorcom cristal de 4 MHz para o funcionamento de todas as etapas, porm com a limitao de uso da etapa de comunicaoUSB,queexigeumafreqnciadeclockde48MHz.Estadistinonas freqnciasexigiuadaptaesdecomponentesdiscretosnaplacadegerenciamento,coma substituio do capacitor ressonador cermico para cermico multicamadas de mesmo valor (470 nF). Figura 21- Diagrama de clock interno. [9] 33 Todavia,taladaptaonosegueoparadigmademonstradopelaespecificaode clockassncronocomduasfontesdeclockdistintasrelacionadanoreferidodatasheetdo microcontrolador,poisnesta,hoconsensodeusodeumosciladorinternodebaixa freqncia(oqueerainvivelparaasetapasdeacionamentoesensoriamento)eum oscilador externo dealta freqncia(vivel parao protocolo USB, porm com sincronismo irregular alto nas mesmas etapas). Assim, optou-se pelo circuito oscilador externo com cristal de 4 MHz, como previsto anteriormente, descartando provisoriamente o uso de freqncias mais altas com PLL para o protocolo USB. 2.2.5Recursos avanados do PIC118F4550 para acionamento PWM OmicrocontroladorPIC18F4550possuidoismdulosdecaptura,comparaoe modulaoporlarguradepulsopadroeaprimorado,chamadosECCP1eCCP2 (Capture/Compare/PWM Captura/Comparao/PWM). Neste projeto foi utilizado apenas o mduloPWMdoscanais.OcanalCCP1(ECCP1)possuiestruturapadrocomrecursos avanados,taiscomo:mododesadamltipla,polaridadeselecionvel,deadtime programvel e auto-reincio/auto-parada. Abaixo, encontra-se o diagrama de blocos simplificado do modo CCP (em PWM). Figura 22 - Diagrama de blocos simplificado do modo CCP (em PWM). [9] 34 Cadacanalpossuiresoluomximadedezbits,sendoocicloativo(dutycycle) regulado de 0 a 100% com resoluo mxima de 1024 ciclos de instruo para a freqncia de oscilao (OST Oscillator Start-up Timer).NestemduloexisteumregistradorCCPRXquecompreendedoisregistradoresde8 bits(CCPRxLeCCPRxH).OregistradorCCPRxLemconjuntocomo CCPxCONformam10bitsdecontroledoPWM,istosignificaqueo ciclo ativo poder ser ajustado de 0 a 100% em 1024 passos. O PWM trabalha em conjunto com o Timer2 atravs do registrador PR2. A nota 1 destacada na Figura 22 acima, menciona a relao do timer de 8 bits (TMR2) concatenado com os 2 bits do clock Q interno, ou os dois bits da funo prescaler para criar os 10 bits da base de tempo em sua resoluo mxima. OpulsoeoperododoPWMsocontroladosinternamente,sendooperododo PWM(T)controladodiretamentepeloTimer2atravsdoregistradorPR2,equando TMR2=PR2,otimerzeradoeumnovoperodoTiniciado.Destaforma,operodo (equao 1) e a freqncia (equao 2) do PWM so dados abaixo. ) 2 (Pr * * 4 * ] 1 ) 2 {( TMR do escale T PR Tosc+ = (1) TPWMfreq1=(2) onde: T: o perodo do sinal PR2: o registrador do timer 2 TOSC: o perodo do clock do ressonador ou do cristal do PIC Figura 23 - Tempo do ciclo ativo. [9] 35 NoPICnodefinidoovalordocicloativo,esimotempodopulsoemnvelalto. Logo, podemos considerar que: tp = PWMdc. O mesmo calculado pela equao 3 abaixo.) 2 (Pr * * CCPxY : CCPxX CCPxCON : CCPRxL MR escale doT T tosc p< = (3) De acordo com a teoria, calcularemos efetivamente o duty cycle dividindo o tempo do pulsoemnvelaltopeloperodototaldoPWM(equao4).Elogoabaixo,aresoluo mxima do PWM em bits para uma dada freqncia (equao 5). 4 * ] 1 ) 2 [(Pr0 : 1 CCPxCON : CCPRxL+>