"DESENVOLVIMENTO DE UM KERNEL

PROGRAMAVEL DE CONTROLE, COM

APLICAQOES EM TELEPLUVIOMETRIA

E AUTOMAc;AO DE EXPERIMENTOS

DE peR"

Dissertarao apresentada ao Institl/tode Fisica e Quimica de Silo Car-los, Unil,ersidade de Silo Paulo, paraobtenriio do Titulo de Mestr'e emCiencias - Fisico. Aplicado., no. sub-area de Fisica Computacional

/I.\).IJ

StRVI<;O DE BIBLIOTECA E INFORMA<;AO - IFOSCFlslCA

IliDs\~UNIV~RSIDADE"# DE SAO PAULO

Instltuto de FlsJca e Qulmlca de Sio carlos Fane (0162) 72-6222Fax (0162) 72-2218

Av. Dr. Carlos Botelho, 1465MEMBRDS DA [OMISS~D JULBADGRA DA DISSERTAC~G DE MES7RADG DE JOAO EDUARDO "ACHADO PEREA ~laNBostal 369APRE5ENTADA AD INST nUTO DE F151 CA E QUI MICA DE SAD CARUJS. DA UNIVERSI DADE DE SliD PA~~ ~60.970 . Sao Carlos - SP(;1110/ 1993 Brasil

SIRVi<;:O DE BIBLIOTEW!77FORMAC;:AO _ IFOSCFIS/CA

Agradecimentos

Ao meu orientador, Prof Dr. Alvaro Garcia Neto, pela amizade, peloapoio no desenvolvimento desta disserta~ao e pelo inegavel exemplo de dedica~ao aotrabalho.

Aos meus pais, Jose Perea Martins e Ercilia Machado Perea Martins,pelo apoio e incentivo dados durante todo 0 curso de mestrado.

Ao Dr. Roberto Vicente Calheiros, Diretor do Instituto de PesquisasMeteorol6gicas (IPMET) - UNESP, pelo incentivo ao desenvolvimento do aplicativoem pluviometria.

Ao tecnico Lirio Onofre B. de Almeida, do Laborat6rio deInstrumenta~ao Eletronica (LIE) do IFQSC-USP, pela aten~ao e pelas valiosassugestoes relativas a implementa~aopratica do trabalho.

Aos tecnicos do LIE: Marcos Roberto Gon~alves, Ivanilda H.Zucolotto, Ailton B. Alves e Maria Benedita S. G. Silva, pelo senso profissional comque colaboraram nas atividades de laborat6rio.

Ao eng. Luiz F. Matteo Ferraz, do grupo de crescimento de cristais,pela troca de ideias e pelas importantes sugestoes praticas.

Ao tecnico Ernandes Aparecido Saraiva, do IPMET, pelo apoio nodesenvolvimento do projeto de pluviometria.

A secretana Lia Mara C. Chinaglia, do grupo de instrumenta~ao einformatica, pela aten~ao e pelo importante servi~ de secretaria.

A Wladeres Aparecida G. Caiado, do setor de p6s-gradua~ao, pelaconstante aten~ao e espirito de colabora~ao.

Ao programador Marcos Ferrari dos Santos, do polo computacional daUNESP, campus de Bauru, pela colabora~ao na editora~ao gratica.

Aos arnigos: Elisabete Rubo, Joao A. Martini, Marcos Cavenaghi eRegina F. Eto, pela amizade e apoio durante 0 desenvolvimento deste trabalho.

A todos que direta ou indiretamente colaboraram para 0

desenvolvimento deste trabalho.

StRVI<;:O DE BIBLJOTECA E INFORMA<;:AO _ 'FoSeFISICA

Conteudo

Capitulo I 3Principios de aquisiy30 de dados 3

1.1 Introduy3o : 3

1.2 A ciencia da instrumentay30 3

1.3 Profissionalizayao 51.4 Dispositivos de sensoriamento 6

1.4.1 Classificay3o 71.4.2 Sensibilidade e linearidade 9

1.4.3 Precisao e exatidao 10

1.5 Calibray30 e erros 11

1.5.1 Calibra~ao 11

1.5.2 Tipos de erros 12

1.5.3 Erro de reprodutibilidade 121.5.4 Erros intrinsecos 131.5.5 Erros aleat6rios 13

1.5.6 Erros por ruidos 131.5.7 Erros por fatores humanos l4

1.5.8 Erro de leitura 15

1.6 Aquisiy30 de dados 15

1.7 Sistemas para aquisiy30 de dados 17

1.8 Transferencia de dados 181.9 Telemetria 19

Capitulo n 22

A estrutura de urn computador generico 22

2.1 Introduy3o :.22

2.2 0 conceito de computador 22

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FfSICA - IFQSC

2.3 A organizay80 de urn computador 222.4 A Unidade Central de Processamento (UCP) 24

2.4.1 Descriyao da UCP 242.4.2 Funcionamento da UCP 26

2.5 Microcontroladores 282.5.1 A escolha de urn microcontrolador 30

2.6 0 software 312.6.1 Ferramentas de software 33

2.7 Memorias 342.7.1 Memoria flash 35

2.8 Interfaceamento 362.9 Interrupyoes 372.10 Dispositivos de temporizayao .402.11 Comunicayao de dados .41

2.11.1 Modos de transmissao .422.11.2 A interface serial 43

Capitulo ill 45o kernel programavel de controle .45

3.1 Introduyao 453.2 0 hardware do kernel .45

3.2.1 A arquitetura de Harvard .463.2.2 As memorias do kernel .473.2.3 Velocidade de processamento .493.2.4 0 teclado 493.2.5 0 visor 503.2.6 Entradas de sinais digitais 513.2.7 Entradas analogicas 523.2.8 Temporizadores 523.2.9 A interface serial 533.2.10 0 microcontrolador usado no kernel.. 54

3.3 0 software do kernel 57

Capitulo IV 60Aplica~oes em pluviometria e PCR 60

4.1 Introdu~ao 604.2 Pluviometria 60

4.2.1 Automa~ao da pluviometria 614.2.2 Tipos de pluviometros 624.2.3 Interfaceamento entre 0 kernel e 0 pluviometro 634.2.4 Funcionamento do sistema 64

4.3 0 processo de experimentos com PCR 664.3.1 0 instrumento de automa~aode PCR 704.3.2 Medi~ao termica.: 714.3.3 Controle termico 724.3.4 Sensoriamento e controle termico em PCR 734.3.5 Testes do sistema desenvolvido 78

Capitulo V , 82Conclusoes e trabalho futuro 82

5.1 Conclusoes 825.2 Avalia~ao critica 835.3 Trabalho futuro 84

Lista de figuras

Figura 1.1 Numero de transistores em microprocessadores INTEL 5Figura 1.2 Transdutor passivo 8Figura 1.3 Linearidade do sensor.. 10Figura 1.4 Esquema de urn controle de processo 17

Figura 1.5 Rede de aquisi~ao de dados 19

Figura 2.1 A arquitetura de Von Neumann 23Figura 2.2 Organiza~ao simplificada da UCP 25

Figura 2.3 Exemplo dos ciclos necessilrios para a execu~ao de uma instru~ao 27

Figura 2.4 Aumento da frequencia de opera~ao em microprocessadores 27Figura 2.5 Organiza~ao basica da linha MCS-51.. 29Figura 2.6 Diagrama de urn pino de E/S .37

Figura 2.7 Esquema de urn dispositivo temporizador/contador 40Figura 3.1 Diagrama logieo do kerneL .46

Figura 3.2 Memorias do kernel. .47Figura 3.3 Configura~ao logica do microcontrolador 80N535 54

Figura 4.1 Armazenamento de dados no sistema pluviometrico 65

Figura 4.2 Composi~o quimica do nucleotideo 67Figura 4.3 0 processo de replica~ao do DNA 68Figura 4.4 Varia~ao da atividade enzimatica 68

Figura 4.5 CicIo termico do processo de PCR 69

Figura 4.6 Sistema para automa~ao de PCR 70

Figura 4. 7 Varia~ao da temperatura , 74Figura 4.8 Controle da fonte de calor 74

Figura 4.9 Amplificador de sinais 77

Figura 4.10 Controle em 30°C 78Figura 4.11 Controle em 30°C 79Figura 4.12 Analise de overshoot : 80Figura 4.13 CicIo termico de PCR 80Figura 4.14 Erro do cicIo termico de PCR. :..81

Lista de tabelas

Tabela 1.1 Exemplo de alguns tipos de sensores 07Tabela 1.2 Classifica~ao basica dos dispositivos de sensoriamento 08Tabela 3.1 Pinos de controle das memorias externas 48

Tabela 3.2 Pinos de controle do visor 51

Tabela 3.3 Configura~ao da RS-232 no kerneL 53Tabela 4. 1 Medidas do NO com precisao de 5 mV 75

Tabela 4.2 Medidas do NO com precisao de 19,6 mV 76

Tabela 4.3 Rela~ao entre precisao e faixa de opera~ao termica 77

Resumo

Este trabalho descreve 0 projeto e implementayao de urn kernelcomputacional integrado e de baixo custo, utilizado para aplicayoes em coleta dedados e controle de processos. A filosofia do projeto e 0 desenvolvimento de urncircuito que possa ser facilmente aplicado a varias atividades, com pequenasalterayoes no hardware ou simples troca de software.

o kernel foi desenvolvido com urn microcontrolador programavel quepermite uma grande reduyao na complexidadedo circuito. 0 kernel foi usado em duasaplicay5es diferentes: a aquisiyao automatica de da40s em pluviometros e 0 controlede experimentos com peR (polimerase chainReaction).

Abstract

This work describes the project and implementation of a low cost,highly integrated, microprocessor-based kernel for applications in intelligent dataaquisition and process control. The project philosophy concerns the development of acircuit that could be easily applied to several fields with few hardware alterations orjust software change.

The kernel was developed using a programmable microcontrollerwhich enables large reductions in circuit complexity. The kernel was used in twodifferent applications: the automatic data aquisition in pluviometers and in control ofexperiments of PCR (polymerase Chain Reaction).

Introdu~ao

Este trabalho consiste no desenvolvimento de urn modulocomputacional basico, chamado de kernel, e seu emprego em dois aplicativosdiferentes, sendo 0 primeiro destinado a aquisi~ao automatica de dados empluviometros, e 0 segundo no sensoriamento e controle termico na automa~ao deexperimentos com PCR (Po/imerase Chain Reaction).

A filosofia do projeto e 0 desenvolvimentode urn kernel que possa serfacilmente configurado para diversas aplicayoes de aquisiyao de dados e controle deprocessos, bastando que seja trocado 0 software de controle ou que sejamimplementadas pequenas complementayoes de hardware, quando necessarias.

o kernel desenvolvido e um sistema que permite a coleta inteligentede dados, tendo sido projetado com urn microcontrolador programavel, que permitiuo desenvolvimento de urn circuito eletronico com reduzido numero de componentes.

Muitas pesquisas cientificas, ou mesmo controles de processosindustriais, necessitam de dispositivos inteligentesde aquisi~ao de dados ou controle,que tenham a capacidade de operar em funyao de criterios rigidamente pre-estabelecidos. Estes dispositivos inteligentes, como "0 kernel, devem permitir urn pre-processamento dos dados, possibilitando uma aquisiyao, processamentoetransferencia de dados, de modo segura e otimizado.

o primeiro aplicativo desenvolvido, na aquisi~ao automatica de dadosem pluviometros, permite 0 registro automatico do volume de chuvas (indicep/uviometrico), em determinada regiao. 0 sistema permite que estes dados sejamtransmitidos em tempo real, via interface serial, possibilitando a forma~ao de umarede de telepluviometria. Caso os dados coletados nao sejam usados em tempo real, 0

sitema garantira 0 seu armazenamento, mesmo em caso de falhas no sistema dea1imenta~ao,uma vez que usa uma memoria nao volatil para este armazenamento ..Asinforma~oes relativas aos indices pluviometricos saD uteis nas pesquisas

meteorol6gicas e podem ser utilizadas por diversos outros setores, como os setoresagricolas ou de constru~ao civil.

o segundo aplicativo desenvolvido, foi 0 sensoriamento e controletermico de experimentos com PCR. A tecnica de PCR possibilita a replica~ao de umaamostra de DNA, in vitro, permitindo a obten~ao de milhoes de c6pias identicas aamostra original. Para a realiza~ao desta tecnica, a amostra de DNA deve sersubmetida a urn cicIo repetitivo de temperaturas, cujo controle e feito pelo kerneldesenvolvido. A tecnica de PCR e uma importante ferramenta da biologia molecular eengenharia genetica. Esta tecnica pode, entre outras coisas, ser utilizada na analise docomportamento reativo a antibi6ticos ou no levantamento das caracteristicas dogen6tipo, para fins judiciais.

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Capitulo I

Principios de aquisi~ao de dados

1.1 Introdu~ao

Este capitulo introdut6rio descreve alguns t6picos basicos relativosaos principios de detec~ao, aquisi~ao de dados e controle, utilizados eminstrumenta~ao.

Inicialmente sera discutida a evolu~ao da instrumenta~ao, que permitiusua utiliza~ao em inumeras areas da sociedade modema, exigindo uma especializa~aocada vez maior dos pesquisadores. Como a medi~ao de determinados fenomenosfisicos exige 0 sensoriamento de diversas grandezas, sera feita uma abordagem sobreo conceito de sensores e transdutores, bem como sobre principios de calibra~ao deinstrumentos de medi~oes e formas de erros encontradas nas mesmas.

Serao discutidas as tecnicas mais modemas de aquisi~ao de dados, quepermitem 0 registro automatico da medi~o de uma determinada grandeza. Alemdisto, e freqiiente que estes dados coletados tenham que ser transferidos acomputadores. Por isso, algumas tecnicas de transferencia de dados tambem seraodescritas neste capitulo.

1.2 A ciencia da instrumenta~ao

Medir fisicamente uma determinada grandeza significa comparar 0

valor medido com uma grandeza homogenea, adotada como padrao de medida [65],

usando-se instrumentos especificos para esta tarefa. Uma medida sera direta quando acompara~ao entre a grandeza medida e feita diretamente com 0 instrumento demedi~ao, como na medi~ao de urn comprimento com uma regua. A medida seraindireta quando for observada atraves de instrumentos que usem urn modoassociativo entre a grandeza medida e uma escala, c<?mono caso de instrumentos comgalvanometros [44].

As ciencias exigem a medi~o de diversas grandezas fisicas como 0

comprimento, a massa, 0 tempo, a velocidade, a temperatura, a resistividade, etc.Toda grandeza fisica, ao ser definida, deve ter uma serie de procedimentos para suamedi~ao, cabendo ao Bureau Intemacional de Pesos e Medidas, fundado em 1875, emParis, padronizar estes procedimentos, mantendo contato com laboratorios de padroesde todo 0 mundo [24].

Os instrumentos de medi~ao sao constantemente aprimorados, umavez que oestudo de fenomenos fisicos, freqiientemente, requer instrumentos comcaracteristicas inovadoras [65]. Ate a segunda guerra mundial, a instrumenta~aocaminhou em passos relativamente lentos. A partir de entao, 0 seu desenvolvimentocresceu aceleradamente, aproveitando-se do desenvolvimento em algumas areas,como por exemplo, a mecanica, a eletronica, a. fisica dos semicondutores e acomputa~ao. Esta evolu~ao causou urn interesse comercial mais ample pelainstrumenta~ao, que deixou de ser uma quase exclusividade das comunidadescientificas e militares e passou a fazer parte da automa~ao de automoveis, deindustrias, de equipamentos medicos, de sistemas de transportes e comunica~oes,entre outros. Atualmente, a instrumenta~aoatingiu urn grau de evolu~ao que a tomapresente, direta ou indiretamente, em inumeros seguimentos da sociedade modema.

Mesmo com todo 0 desenvolvimento recente, alguns intrumentosclassicos ainda apresentam ample desempenho em algumas areas, e continuam sendousados de modo paralelo a instrumentos mais modemos. Os antigos galvanometros,que sofrem uma concorrencia direta de visores eletronicos ou de cristal liquido, aindasac amplamente utilizados. Outro exemplo sac os microscopios oticos, usadosparalelamente aos sofisticados microscopios eletronicos e aos recentes microscopiosde rastreio por tunelamento, que, usando 0 conceito de efeito runel, permiteIl1 a

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Antes desta evoluyao, muitos pesquisadores eram obrigados a deslocar, para urnsegundo plano, a sua pesquisa principal, para tentar resolver problemas deinstrumentayao necessarios ao andamento dos trabalhos [23]. Como estes cientistasnao tinham uma formayao s61idaem instrumentayao, acabavam perdendo urn grandetempo no desenvolvimento de instrumentos, que eram freqiientemente de baixaqualidade.

A necessidade de desenvolvimento de instrumentos especificos paraalgumas aplicayoes, obriga freqiientemente 0 pesquisador da area de instrumentayao ainteragir com outras areas. 0 mesmo deve ter, portanto, uma formayao ampla, que Ihefacilite uma interayao eficiente [22], possibilitando 0 desenvolvimento de projetos demaneira interdisciplinar. A profissionalizayao permitiu a formayao de pessoal comgrande capacidade de an8.lisedos problemas e implementayao de soluyoes viaveis,dentro da realidade disponivel. A soluyao de urn problema pode ser 0

desenvolvimento de urn novo produto ou mesmo a escolha correta de a1guminstrumento comercial, que deve ser feita em funyao de criterios rigidos e coerentes,evitando a malversayao de recursos.

Caso a soluyao mais viavel para urn determinado problema seja 0

desenvolvimento de urn novo produto, e de responsabilidade do especialista, baseadoem criterios cientificos, trayar criterios como niveis de precisao, dimensoes fisicas,consumo de energia, formas de calibrayao, implementayaoe testes [40]. Estes fatoressao frequentemente conflitantes, pois em alguns casos, nao e faci! conciliar a1taprecisao e baixo custo. Alem da capacidade de gerenciar diferentes fatores, 0

especialista em instrumentayao deve ter uma s6lid~ visao cientifica que Ihe permitapesquisar criteriosamente as publicayoes mais recentes relativas a area de atuayao eainda estudar as considerayoes te6ricas que se fizerem necessarias para cada projeto.

1.4 Dispositivos de sensoriamento

Nesta seyao serao abordados alguns t6picos relativos a detecyao deuma determinada grandeza, atraves de dispositivos de sensoriamento, chama~ossensores e transdutores, que sao importantes peyas na area de instrumentayao.

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clilssico de transdutores, eles sao classificados com? transdutores por caracterizaremuma classe especifica de dispositivos de sensoriamento.

o principio de funcionamento determina a grandeza fisica que pode

sensibilizar 0 transdutor e 0 tipo de sinal que 0 ~esmo fomece em sua saida. Urn

transdutor piezoeletrico, por exernplo, fomece urn sinal eletrico de saida em fun~ao deurna for~a rnecamca que inside sobre 0 rnesmo. 0 tipo de sinal fomecido na saida deurn transdutor pode ser eletrico, acustico ou luminoso, entre outros, sendo que os

transdutores eIetricos sao extremamente usados, pois 0 sinal eletrico pode serfacilrnente amplificado, atenuado, modulado, etc.

CLASSIFICACAO CARACTERiSTICAS

ativo converte formas de energia

passivo control a sinal de uma fonte de alirnenta~aosinal de saida eletrico, acustico, magnetico, etc

tipo de funcionamento resistivo, capacitivo, indutivo, etc

tipo de sensibilidade termica, luminosa, baraornetrica, etc

Embora haja uma distinyao entre sensores e transdutores, existe umarelayao direta entre ambos, uma vez que os mesmos podem ser utilizados na formayaode dispositivos de sensoriamento, que podem ser genericamente classificadosconforme tabela 1.2 [40, 42].

Todo dispositivo de sensoriamento possui urn fator que determina 0

grau de sensibilidade do mesmo as variayoes do sinal de entrada, ou seja, define 0

grau necessario de variayao do sinal de entrada para que haja alguma variayao no sinalde saida. Alern da sensibilidade existe urn fator de reprodutibilidade que determina 0

grau de variayao do sinal de saida em funyao de uma determinada variayao·do sinal deentrada. Assirn, a sensibilidade pode ser associada ao sinal de entrada, enquanto areprodutibilidade pode ser associada ao sinal de saida. A reprodutibilidade e urn fatorque pode ser cornpensado atraves de amplificadores, enquanto a sensibilidade e urnfator rnais critico que depende exclusivamente das caracteristicas intrinsecas dosensor.

Alern do problema de sensibilidade, a maioria dos dispositivos desensoriamento s6 consegue produzir sinais de saida quando 0 sinal de entrada estadentro de certos limites. A partir dai, 0 sistema nao produzini resposta correta econfiavel, entrando em urn limite operacional chamado de zona morta.

Urn dispositivo de sensoriamento tembem pode ter, em sua saida, urnsinal que nao varie na mesma proporyao do sinal de entrada. Os dispositivos com essacaracteristica sao chamados de nio lineares, enquanto que nos sensores lineares, hauma relayao proporcional entre a saida e a entrada. Esta saida linear pode serrepresentada pela equayao da reta y = m*x+c [40], onde x e 0 sinal de entrada eye 0

sinal de saida. Ernbora 0 sensor possa ter sido idealizado para ter uma saida realmentelinear, existern casos onde 0 resultado pode softer distoryoes em relayao ao ideal. Afigura 1.3 rnostra as relayoes de linearidade.

Os sensores nao lineares se tomam desejaveis quando manipulamosfenomenos naturalmente nao lineares. Urn exemplo de fenomeno nao linear pode serdado atraves do uso potenciometros logaritmicos, utilizados no controle da amplitudedo volume em equipamentos de audio, pois a varia~ao logaritmica se ajusta a respostalogaritmica (nao linear) da audi~ao humana. Isto permite uma "lineariza~ao" entre avaria~o do controle de som e a resposta auditiva.

t t t( A) (8) (C)

Fig. 1.3 ( A) Slrsor LinHr( B) SelSor Linear Distorcido( C) Sensor nkl Li I'lHI'

A precisao de urn dispositivo de sensoriamento representa a suacapacidade de repetir 0 mesmo valor de uma determinada medida, toda vez que amesma for realizada, nas mesmas condi~oes fisicas. A exatidio e 0 fator querepresenta a diferen~aentre 0 valor medido e 0 valor real da medida.

A exatidao e urn Jator que pode ser compensado atraves dedispositivos amplificadores, atenuadores ou mesmo tabelas de ajustes, enquanto que aprecisao toma-se urn fator mais critico, uma vez que nao pode ser corrigido e podecomprometer toda confiabilidadedo sistema.

1.5 Calibra~ao e erros

As prmomas sub se~oes apresentam conceitos sobre calibra~ao deinstrumentos de medi~ao e sobre erros de medi~oes, uma vez que estes fatores afetamdiretamente a confiabilidade da medida.

Qualquer instrumento de medi~ao, calibrado ou nao, pode estar sujeitoa erros, ocasionados por varios fatores como: erros de reprodutibilidade, erroshumanos, erros intrinsecos, erros de leitura ou erros de interferencia. E interessanteque se conhe~a estas formas de erros para se deterrninar 0 possivel grau de altera~oesque as mesmas podem causar no valor medido.

1.5.1 Calibra~ao

A calibra~io e a opera~ao que estabelece a rela~ao entre umagrandeza medida e a escala usada pelo instrumento [44], podendo serclassificadacomo fixa ou variavei. A calibra~io fixa supoe 0 ajuste iniciaI de deterrninadosfatores, como escalas de Ieitura ou fatores de amplificayao, que sac feitos ap6s afabricayao ou no ate de instaIa~ao, enquanto que a calibra~io variavel e feita paracompensar descalibra~oes que podem ocorrer naturalmente, em fun~ao do uso ou dotempo.

A calibra~ao variavel ocorre pricipaimente devido a interferencia defatores ambientais ou de fatores internos cujas caracteristicas mudam em fun~ao dotempo, de forma conhecida, como e 0 caso do decaimento de materiais radioativos oumesmo dispositivos do tipo timer, em sistemas computacionais. Nestes casos, quepodem ser previstos, uma recalibra~aopode ser efetuada de modo automatico, atravesde tabelas de ajuste ou sistemas de realimentayao.

1.5.2 Tipos de erros

Em qualquer sistema de sensoriamento, medi~ao e registro de dados,temos que considerar a possibilidade de ocorrencia de erros, nas suas mais diferentesformas. Os erros podem ser classificados em sistematicos e ocasionais [44]. Os errossistematicos decorrem de fatores intrinsecos ao processo de medi~ao, podendo serdirninuidos com 0 aperfei~oamento do mesmo. Os erros ocasionais ocorrem emfun~ao de fatores extemos. Como 0 erro esta diretamente associado a uma medida,diz-se que uma medida e acurada quando seu erro sistematico for pequeno e que elae precisa quando seu erro ocasional for pequeno. Uma boa medida deve ser acurada eprecisa [44].

Na se~ao 1.3.3 foram discutidos os conceitos de exatidao e precisaorelativos a urn dispositivo de sensoriamento, enquanto que nesta se~ao, estesconceitos sao apresentados de forma mais generica e associados aos erros ocorridosno processo de medi~ao, que serao apresentados a seguir.

o sistema de medi~ao pode ser dividido em partes individuais e cadauma destas partes pode ter sua margem de erro caracteristico. Assim, 0 sistema,como urn todo, tera uma margem de erro total representada pelo somat6rio das partesindividuais [40]. Esta margem de erro pode ser expressada percentualmente, comouma rela~ao entre 0 valor medido e 0 valor escolhido para representar a medida deforma exata [44].

1.5.3 Erro de reprodutibilidade

A resposta de qualquer dispositivo de sensoriamento ou medi~ao podevariar, ou seja, alterayoes no sinal de entrada podem nao ser reproduzidas com aproporyao esperada na saida do sistema, ocorrendo urn erro de reprodutibilidade[40]. Caso a medi~ao apresente urn erro de reprodutibilidade em carater constante,havera urn problema de exatidao, caso contrario, havera urn problema de precisao.

Circuitos eletronicos, ou os pr6prios componentes internos ao mesmo,podem apresentar falhas e gerar uma margem de erro nas mediyoes. Estes errosintrinsecos podem surgir em funyao de erros no projeto ou pela qualidade doscomponentes usados. Os erros de projeto podem ser evitados atraves de testesrigorosos que os detectem antes do produto final estar concretizado. Os errosoriginanos por componentes sao mais criticos, pois nao sao facilmente previsiveis epodem se tomar mais graves quando usamos dispositivos eletromecanicos ..

Os erros aleatorios, como 0 ruido, ocorrem quando varias medidas damesma quantidade, nas mesmas condiyoes gerais, apresentam diferentes valores. Estetipo de erro geralmente pode ser expressado de urn modo estatistico, poisnormalmente ocorrem de modo imprevisivel. Assim, baseando-se em experienciasanteriores, pode-se calcular a probabilidade de sua ocorrencia. Nota-se, porem, quenao se pode determinar 0 momento exato da ocorrencia de urn erro deste tipo.

Atualmente, existem muitos estudos a respeito de fenomenos queocorrem de modo imprevisivel, tentando determinar 0 mecanismo de sua formayao e,desta forma, poder compensa-Ios. As pesquisas sobre estes fenomenos, como os errosaleat6rios, tentam descobrir uma ordem na sua ocorrencia [47], identificando umaordem no ca6tico e determinando exatamente quando, onde e como estes fenomenospoderao ocorrer [48, 49].

1.5.6 Erros por rufdos

o ruido pode ser considerado urn sinal indesejado presente em. urnsistema, cujo efeito, sobre 0 sistema, e chamado interferencia [62]. Como 0 ruido e

ScRVIC;:O DE BiBLiul~EC:AElT;'fORMAC;:AO - IFOSr:

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Os erros de leitura podem ser causados por fatores humanos,conforme se~ao acima, ou por defeitos no dispositivo de leitura do instrumento demedi~ao. Exemplos disto podem ser dados no caso de ponteiros indicadores tortos emfun~ao de choques mecamcos [44] ou posicionamento errado na hora de leitura,ocasionando erro de paralaxe, que e a focaliza~ao errada do ponteiro em rela~ao itescala.

1.6 Aquisi~ao de dados

Em fun~ao do rapido desenvolvimento tecnol6gico, foramdesenvolvidos novos conceitos e tecnicas para a coleta e armazenamento de dados. Acoleta deve ser planejada de modo a MO se perder os dados de entrada e 0

armazenamento deve ser efetuado sob uma estrutura que permita facil recupera~aodas informa~es, e que seja compativel com os recursos computacionais disponiveis,tais como 0 tamanho de mem6rias e capacidade de processamento.

o conceito de coleta indiscriminadade dados foi substituido por urnconceito mais modemo, cuja premissa e "coletar somente 0 que se precisa, quando seprecisa". Isto implica em uma coleta seletiva de dados, onde os mesmos nao saocoletados continuamente, mas sim, sob criterios pre-definidos. Isto exige que 0

dispositivo de aquisi~ao de dados tenha uma capacidade de processamento e, destaforma, realize uma coleta denominada inteligente [15].

Os dispositivos mais simples de coleta de dados fazem uma coletachamada de continuous history, pois normalmente coletam os dados continuamente,enquanto os dispositivos com criterios seletivos (inteligentes) de coleta podem serconceituados como event history. 0 termo "history" pode ser designado paradescrever a coleta de dados. Achamos pertinente esta coI0ca~ao, pois encontramosdiversas formas de se referenciar urn dispositivo de aquisi~ao de dados, sem queexista urn padrao para isto [15].

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1.7 Sistemas para aquisi~ao de dados

Urn sistema de aquls19aOde dados deve ser capaz de coletar earmazenar os dados oriundos de algum sistema. Urn sistema de aquisi9ao de dadospode ser desenvolvido com urn computador pessoal dedicado a esta atividade. Porem,em algumas circustancias, pode haver urn super dimensionamento do equipamento,uma vez que esta aquisi9ao poderia ser realizada por urn sistema especialmenteprojetado a aquisi9ao de dados, que poderia apresentar igualdade de desempenho, aurn custo e dimensoes menores.

Urn dispositivo eficiente para coleta de dados e 0 data-logger, queregistra a ocorrencia de determinado fenomeno fisico, sua amplitude, honirio, e aindarealiza atividades de processamento previo ou controla urn processo, formando,assim, urn sistema inteligente de coleta de dados. Este instrumento pode ser encaradocomo urn microcomputador dedicado a aquisiyao inteligente de dados, podendo serempregado em muitas atividades. Atualmente, grandes processos industriais saceficientemente controlados por data-loggers de baixo custo [14], conforme figura 1.4.

Urn dispositivo de aquisi9aode dados deve ter a capacidade de coletar,armazenar, processar e transferir dados da maneira nipida e segura [16, 81]. Comoconstantemente surgem componentes e tecnicas de trabalho mais modemos, os data-loggers tambem devem ter seus projetos revistos para acompanhar a evolu9ao geral.Esta evoluyao engloba problemas de conversao anaI6gico-digital, recupera9ao de

infonnayoes, armazenamento, tratamento matematico das informayoes, novasarquiteturas, componentes, transmissao de dados, etc.

Com 0 desenvolvimento dos microcontroladores programaveis, osdata-loggers tiveram uma significativa evoluyao, uma vez que estes sistemasembutidos em urn unico componente facilitam 0 projeto de hardware, requerendopoucos componentes adicionais para a formayao de todo 0 circuito eletronico dodata-logger [07, 26, 27].

Atualmente podemos construir dispositivos dedicados a aquisiyao dedados com grande capacidade de armazenamento e processamento. Apesar disto, ecomum que urn computador de maior porte realize parte do processamento geral,uma vez que 0 mesmo pode dispor de mais recursos, como memoria, velocidade deprocessamento ou terminais graficos. Assim, os dados adquiridos devem sertransmitidos ao computador de processamento geral.

Por vezes, nao e necesscirio que os dados sejam processadosimediatamente apos sua coleta, facilitando a transferencia dos mesmos, pois 0

dispositivo de aquisiyao de dados pode ser fisicamente transport ado e conectadodiretamente ao computador de processamento geral. Este processo e muito simplespois e realizado a curta distancia e nao necessita de maiores aparatos, como modens eIinha teleronica.

Outro tipo de aquisiyao de dados exige que os mesmos sejamtransferidos para 0 computador principal tao logo sejam coletados, operando emtempo real. Como a distancia entre 0 dispositivo de aquisiyao de dados e 0

computador de processamento pode ser grande, entao a conexao entre ambos podeniser feita atraves da rede teleronica, que e Iigada aos mesmos, atraves de modens.Assim, os dados podem ser rapidamente transmitidos a qualquer distancia [39]. Nestecaso, 0 software que controla a comunicayao deve ser extremamente criterioso,estabelecendo todas as regras necessarias para a transferencia dos dados, atraves de

tqm oqnsnbnkn cd bnltmhb_xndr [62]/ Frsd _lahdmsd dwhfdtl_ o_cqnmhy_x_ncnrdptho_ldmsnr tshkhy_cnr-odqlhshmcn0 tr_ cd dptho_ldmsnr cd chedqdmsdre_aqhb_msdr/

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VsLA/cLA<;REF8LsrrMss-aLF"D,BFsIKpuLTKKBA<;Bu. LGuHoIpHsDB

Capitulo II

A estrutura de urn cornputador generico

2.1 Introdu~ao

Este capitulo aborda t6picos relativos a estrutura dos controladoreseletronicos, desenvolvidos com urn modelo computacional, que normalmente saoaplicados na medi~ao de fenomenos fisicos ou controle de processos.

2.2 0 conceito de computador

Urn computador e uma maquina dedicada ao processamento de dados,capaz de coletar dados, processa-Ios e fomecer resultados [59], de forma automaticae dirigida [44]. 0 mesmo pode ser visualizado de diferentes formas, inclusive comourn dispositivo totalmente mecaruco. Urn simples abaco, por exemplo, e capaz deprocessar dados, embora nao tenha a versatilidade de ser programado. Usualmente 0

conceito de computador se refere a uma maquina eletronica, com 16gica digital eimplantada de acordo com uma arquitetura especifica [31, 59].

2.3 A organiza~ao de urncomputador

A organiza~ao de urn computador determina a maneira como 0 mesmoe desenvolvido, especificando suas partes basicas e 0 modo de funcionamento. Aarquitera de yon Neumann e a mais comum, sendo organizada em cinco unidadesbasicas, conforme figura 2.1.

u c p

unidlde (unidade de controle + unidadede de

tntrlda unidade 16;ica esafda

aritmet ica)

unidldede

mem6ria

As unidades desta arquitetura podem ser basicamente descritas daseguinte maneira [31]:

1 - Unidade de entrada e unidade de saida: fazem 0 interfaceamentoentre as partes intemas do computador e os dispositivos extemos deentrada e saida como terminais de video, teclados, mem6rias extemas,mouses, plotters, etc.

2 - Unidade de logica e aritmetica (ULA): realiza opera~5es 16gicase aritmeticas, como soma, subtra~ao, deslocamento, nega9ao, "and","or", etc.

3 - Unidade de controle (UC): gerencia 0 sincronismo de opera~5esdas outras unidades, fomecendo os sinais de temporiza~ao necessariospara este fim. A unidade de 16gicae aritmetica e a unidade de controlepodem ser fisicamente construidas juntas, formando uma unidadechamada unidade central de processamento (UCP).

4 - Unidade de memoria: armazena os programas e os dados queserao manipulados durante 0 processamento. Existem diferentes tiposde mem6rias e a sua escolha depende das caracteristicas exigidas pelosistema.

Todas estas unidades do computador devem estar fisicamenteinterligadas atraves de barramentos especificos, que podem ser divididos em tres tiposdiferentes: Barramento de ellderefos, que seleciona uma determinada posicao dememoria, ou porta de entrada e saida; 0 barramelltd de dados que permite 0 fluxo de

dados entre as diferentes partes do computador e 0 barramellto de controle que serve

para conduzir os sinais que controlam os componentes, permitindo ou nao a suahabilitacao [31].

2.4 A Unidade Central de Processamento (UCP)

Esta secao descreve 0 funcionamento basico da UCP, que e urndispositivo fundamental no desenvolvimento de urn computador.

2.4.1 Descri~Ao da UCP

A unidade central de processamento (UCP) contem basicamente uma

unidade de logica e aritmetica, uma unidade de controle e alguns registradores [59].

Quando fabricada em urn unico componente, e chamada microprocessador e suaorganizacao basica po de ser analisada na figura 2.2 [31].

1 - Buscar, decodificar e executar instrucoes do programa em ordem

apropriada.

2 - Controlar 0 fluxo de dados da memoria e dispositivos de entrada esaida.

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" E E B ~E t u ~H 0 F AT 5 F "0 E E

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IControlador de Progr.a I• ~ E

I NNOTHERA A5 0

A

+-+-

A unidade de 16gicae aritmetica (ULA) realiza as opera~oes logicase aritmeticas e a unidade de controle (Ue) realiza 0 sincronismo para controle dasopera~oes UCP. Os registradores 530 pequenas unidades de memoria, quearmazenam temporariamente os dados manipulados pela UCP. Entre os diferentesregistradores possiveis, pode-se destacar 0 acumu~ador, que armazena os dados aserem processados pela ULA. Tambem temos registradores com fun~oes especiaiscomo 0 registrador contador de programa, que contem 0 endere~o da proximainstru~ao a ser executada, urn registrador apontador de pi/ha que contem.o endere~odo topo da pilha de dados, urn registrador de instrufoes que armazena a instru~ao emexecu~ao na UCP e, finalmente, urn registrador especial, chamado flag, que indica aocorrencia de determinados eventos. Alem dos registradores, da ULA e da UCP,existe um outro dispositivo importante chamado decodificador de instrufoes, quedetermina os passos corretos a serem seguidos, para a execu~ao da instruyaoarmazenada no registrador de instruyoes [31, 59].

Como as caracteristicas de urn projeto de hardware dependemdiretamente da UCP, e necessmo que alguns de seus itens sejam criteriosamenteanalisados, como:

Logo que a UCP e inicializada, apos ser ligada ou reinicializada, elaautornaticamente endere~a uma determinada posi~ao da memoria de programa,interpretando 0 conteudo desta posi~ao como sendo 0 inicio de urn programa. Todoprograma e seguido passo-a-passo pela UCP, assim , a mesma sempre realiza umasequencia de buscar (fetch ciele), decodificar e executar cada instru~ao do programa(execute ciele) [59]. Cada uma destas tres fases, durante sua realiza~ao, pode, emrnuitos casos, ser dividida em uma serie de pequenos passos chamadosmicroprogramas [31]. Embora 0 processo de busca e execu~ao das instru~oes, uma aurna, seja 0 mais convencional, atualmente existem processadores que realizam estatarefa na forma de pipeline, onde 0 processador' pode fazer a busca da proximainstru~ao, enquanto executa a instru~ao atual [78].

Como a UCP necessita de urn sinal que promova a sincroniza~ao desuas opera~oes intemas, ela deve ser associada a urn dispositivo oscilador que geraurn sinal em uma frequencia precisa. 0 conjunto minima de pulsos de sincroniaexigidos pelo processador e chamado cicio de maquina [58]. Como cada instru~orequer urn determinado numero de ciclos de maquina para sua realiza~ao, formandourn cicio de instru~io, e cada cicIo de maquina requer urn numero de sinais dooscilador, a velocidade de processamento depende diretamente da freqiiencia dooscilador [59]. A figura 2.3 exemplifica as rela~oes entre os cicIos e os sinais dooscilador (elock).

I

I clockI

:(I

: cicio de miquina1:(IIIII

1-~-sca--dO-OPCO--tE------:-Le-it-ur-a-do-did-O--E-Xecuc:kl---

)I( )~I

cicio •. 3 I

)~IIII

Cada UCP possui uma frequencia maxima de trabalho, porem, com 0

desenvolvimento tecnol6gico, esta frequencia maxima tern se tornado cada vez maior,

pemitindo urn processamento cada vez mais rapido. A figura 2.4 mostra 0 aumento da

frequencia maxima de opera~ao (clock) utilizada pelos microprocessadores da Intel eMotorola [79]. Em termos reais, urn microcontrolador da linha MCS-51, por

exemplo, trabalhando com urn cristal de 12 MHz, realiza a maioria das suas instru~oesem 1 microsegundo [25, 57, 69].

1000

,,.,

" 100N ,.

f,

\I

10j;

00..u

0,1

1911 1916 1981 1.86 1991 1996 1001

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Entre os microcontroladores de 8 bits, a linha MCS-51, fabricada pelaINTEL, e lider mundial de vendas [04]. Embora outros microcontroladores possamapresentar algumas vantagens isoladas, a linha MCS-51 apresenta urn conjunto decaracteristicas, como custo, suporte e facilidade de uso, que tern the garantido alideran~a no mercado.

2.5.1 A escolha de urn microcomputador

Na escolha de urn microcontrolador devem ser considerados fatorescomo requisitos de entrada/saida, memoria necessiuia, consumo de energia, toleranciail temperatura, capacidade de processamento (tipo, volume e velocidade), custo esuporte [66, 67].

o volume de dados e tamanho de programas determinam a quantidadede mem6rias que 0 microcontrolador teni que ender~ar. Alem de possuirem umapequena memoria interna de dados, alguns microcontroladores tambem podempossuir uma memoria intema de programa. Alem das memorias intemas, algunsmicrocontroladores, com 16 linhas de ender~s, podem ter ate 64 Kbytes dememoria de programas e 64 Kbytes de memoria de dados, ambas e~emas, uma vezque existem diferentes pinos de controle para cada uma das memorias.

Os sinais de entrada e saida, requeridos do microcontrolador, devemser analisados em fun~ao de sua quantidade, freqiiencia, amplitude e tipo, onde sioobservados criterios como 0 formato digital, analogico, serial ou paralelo. Istopermite a liga~ao do microcontrolador a dispositivos extemos, como visor, teclados,modem, chaves, sensores, etc [67].

Normalmente existe uma preocupa~ao em se desenvolver dispositivoscom pequeno consumo de energia, principalmente quando usamos baterias paraalimenta~ao. Alguns microcontroladores apresentam diferentes versoes, quanto iltecnologia de fabrica~ao, possibilitando diferentes valores relativos ao consumo deenergia [68]. Algumas destas versoes ainda permitem certos modos de opera~ao

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pUlso deIScrita

via rinterna .,/-

pUlso deleitura

Os dispositivos interfaceados normalmente podem ser controladosatraves de urn detenninado endere~o associado ao mesmo, sendo que este endere~o echamado de porta de entrada ou saida, dependendo do sentido do fluxo dos dados.

Uma tecnica de se associar urn dispositivo de E/S a urn detenninadoendere~o e com urn processo chamado de entrada/salda iso/ada, onde urn pinoespecial da UCP, pennite ativar 0 dispositivo relativo ao endere~o, enquanto amemoria permanece desabilitada. Este pino e automaticamente acionado em fun~aode instru~es especificas para manipula~ao de dispositivos. Isto pennite que urnmesmo endere~ seja usado para endere~ar, de forma nao simultanea, a memoria e aporta de E/S [31].

Outra maneira de se habilitar dispo~itivos de E/S e atraves de umatecnica chamada de entrada e saida mapeada em memoria [25, 31]. Neste caso, 0

processador nao possui 0 pino especial para ativa~ao de portas de E/S, e todo 0

controle e feito por urn circuito combinacional, que auxiliado pelos pinos de leitura eescrita da UCP, decodifica urn determinado endere~o, habilitando a memoria ou umadetenninada porta de entrada e saida.

2.9 Interrup~oes

A interrup~ao e urn recurso disponivel nas unidades processadoras,pennitindo que a mesma atenda, atraves de uma rotina especial, a ocorrencia de

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Como duas ou mms interrup~oes podem ser acionadassimultaneamente, a UCP deve ter algum criterio para determinar qual sera atendida. AUCP normalmente faz urn "polling" (verifica~ao), anaIisando quais pinos foramativados, segundo uma ordem pre definida, atendendo segundo esta ordem. Algunssistemas permitem que se usem niveis diferentes de prioridades, fazendo a verifica~aodos pedidos de interrup~oes com maior prioridade e depois nas interrup~oes de menorprioridade. Como esta verifica~ao e feita de modo sequenciaI, 0 sinal extemo deinterrup~ao deve ter urn tempo minimo de dura~ao, para que nao corra 0 risco de serignorado.

Em alguns sistemas, quando 0 processador estiver atendendo a umainterrupyao, todos os outros pedidos de interrup~oes, deste periodo, serao ignorados.Outros sitemas possuem urn processo "nesting" [25], onde uma interrup~ao de maiorprioridade pode interromper 0 processamento ja iniciado por uma interrup~ao demenor prioridade. Neste caso, apos atender a interrup~ao de maior prioridade, 0

sistema retoma a execu~ao da rotina que estava sendo atendida anteriormente.

Existe urn intervalo de tempo minimo, ate a soIicitayao de umainterrupyao e 0 inicio da rotina associada. Este tempo minimo depende de como aUCP faz a verifica~ao de interrupyoes, da sua veIocidade de processamento e donumero de ciclos de maquina requeridos peIa instru~ao corrente no momento daativayao da interrup~ao. Nos microcontroIadores da Iinha MCS-51, por exempIo, aofim de cada cicIo de maquina, 0 controIador atualiza os flags de interrup~ao, e, nocicIo de maquina seguinte, executa verifica~ao dos flags anteriormente ativados. Estaverifica~ao e baseada nos niveis de prioridades e, dependendo da instru~ao emexecu~ao, 0 atendimento a interrup~ao pode demorar de 3 a 9 cicIos de maquina,onde cada cicIo exige 12 periodos do osciIador. Isto equivale a urn tempo de 3 a 9microsegundos, usando urn cristal de 12 MHz [57].

2.10 Dispositivos de temporiza~io

o computador pode ser usado para manipular eventos em fun~ao dotempo, como sistemas de temporiza~ao, gera~ao de pulsos em determinadafreqOencia, medi~ao de sinais externos, gera~ao de taxa de transmissao em sistemasde comunica~ao, etc [25].

Embora existam dispositivos programaveis de temporiza~ao, osmicrocontroladores possuem urn ou mais temporizadores internos, que podem serconfigurados, por software, para funcionarem como temporizador interno,trabalhando em fun~ao da freqOencia do cristal oscilador, ou como contadores deeventos externos, conforme figura 2.7 [57, 69].

Pedido deimerruPOlo

Pine decom a gem

Atgistrldorde controle

Na fun~ao de temporiza~ao ha urn registrador, que e incrementado emfun~o de urn certo numero de periodos do oscilador, permitindo uma contagemprecisa de tempo. Quando houver estouro na' contagem do registrador, seraautomaticamente gerado urn pedido de interrup~ao, associado ao temporizador.Normalmente 0 processador, atraves do software, possui pleno controle sobre 0

timer, porem existem alguns timers com "free-running" [11], que, quando acionados,nao podem ser manipulados por software. Os temporizadores de microcontroladores

S. RVIC;:O DE 818L10TECA E INFORMA<;:AO _ IFoseFISICA

podem ser configurados de varias formas, em fi.m~ao do software, como, porexemplo, com diferentes tamanhos de registradores de contagem, permissao derecarga autorrtatica, divisao automatica da contagem ou ainda gera~ao de "baud-rate".Quando configurado para atuar como contador externo, 0 temporizador tera seuregistrador incrementado em fun~ao de cada sinal ativado no pino externo decontagem [57].

Alguns sistemas de temporiza~ao tambem podem ser configuradospara atuarem com opera~oes do tipo captura, onde 0 valor de contagem dotemporizador e armazenado em urn registrador dedicado, no momento em que houvera ativa~ao de urn sinal no pino extemo [11].

2.11 Comunica~ao de dados

Urn recurso computacional importante e a possibilidade de urn oumais computadores trocarem informa~oes entre si, via interface serial. Esta forma decomunicayao e muito eficiente, com possibilidade d~ comunica~ao em alta velocidadee entre computadores diferentes, desde que operem com interfaces padronizadas [51].

A interconexao de diversos equipamentos permite a forma~ao de umarede de comunica~ao, onde os mesmos podem compartilhar recursos de hardware esoftware [58]. 0 meio fisico de liga~ao entre os computadores e normalmente feitoatraves de cabos diretos, rede teleronica, radio transmissao, fibras 6ticas e ate mesmotransrnissao via satelite [61]. As comunica~oespodem apresentar falhas em fun~ao domeio em que sao transmitidas. Assim, conforme a velocidade de transrnissao aumenta,o comprimento do cabo de liga~ao direta deve diminuir para que evite erros [60],pois, quanto maior a taxa de transmissao, menor sera 0 comprimento do pulso eletricoque representa a informa~ao e, portanto, podera sofrer mais interferencias [51].

Como a comunica~ao pode envolver diferentes equipamentos, demuitos fabricantes, e fundamental que existam parametros de padroniza~ao, queperrnitam estas liga~oes. Algumas organiza~oes, como 0 IEEE 0 EIA (ElectronicsIndustries Association) ou a ISO (International Standards Organization), procuramestabelecer padroes que disciplinemtodo 0 contexto relativo a comunica~ao de dados.

Ernbora algumas destas organiza~es sejam intemas dos Estados Unidos, elas

possuem grande irnportancia e influencia intemacional. A padronizayao e vantajosa

para 0 fabricante, que toma seus produtos rnais cornercializados, e para 0 usmirio,

que ganha em confiabilidade e possibilidade de expansoes.

A ISO criou urn rnodelo padrao para cornunicayao de dados, chamadoOSI (open systems interconnection), que foi dividido em sete camadas ou niveis,

abrangendo as ligayoes fisicas de hardware, protocolos, roteamento, niveis aceitaveisde erros, inicio ou firn de conexoes, padroes de rnanipulayao de dados comocriptografia ou compressao de dados e finaImente os aplicativos usados no sistema decomunicayao [51, 61].

A transmissao de dados pode ser feita de modo paralelo ou serial. Nomodo paralelo, cada bit da informayao e transmitido atraves de urn cabo proprio e demodo simultaneo aos demais. Assim, a transmissao paralela de urn byte exige oito

cabos paralelos. Na transmissao serial e exigido apenas urna cabo de transmissao, pois

os bits do dado sao transmitidos sequencialmente, urn a urn. Como na transmissaoparalela os bits sao transmitidos sirnultaneamente, existe urna maior velocidade de

transmissao, porem, tambem existe a exigencia de mais cabos, que aumentam 0 custo,dificultam a manipulayao fisica e podern tomar a transmissao rnais sujeita a falhas.

Nas partes intemas do cornputador, os dados sao trocados de formaparalela, atraves do barramento de dados, porem, extemamente, a nivel de

cornunicayao, os dados sao transmitidos bit a bit, de forma serial, para se evitar osproblemas mencionados no paragrafo acima. 0 processo serial, alem de rnaiseconomico, pode ser conectado a linha telefOnica, atraves de rnodens [51].

A forma de ligayao fisica dos cabos, entre dois computadores, na

comunicayao serial, pode ser feita atraves de tres rnetodos diferentes, que sao: 0

metodo simplex, onde sO existe urn transmissor e urn receptor, 0 rnetodo half-duplex,

onde os dois dispositivos podern transmitir e receber, porern, nunca simultaneamente

e, finalmente, 0 metodo full-duplex, onde os dois dispositivos podem transmitir ereceber, inclusive simultaneamente [25, 51].

A transmissao de dados pode ser feita no modo sincrono ouassincrono. Na transmissao sincrona deve haver urn pulso (clock) especial parasincroniza~ao, que coordene 0 tluxo de comunica~ao. Na transmissao assincrona,

existem bits de controle para cada dado transmitido, dispensando assim os pulsos desincronismo. Desta forma, cada dado transmitido e precedido e finalizado por bitsespeciais chamados respectivamente de "start bit" e 'istop bit" [61].

o modo sincrono de comunica~ao oferece algumas vantagens, como aelimina~ao de bits extras de controle e possibilidade de liga~ao de micros com"mainframes" que operem com comunica~ao sincrona. A grande vantagem da

comunica~ao assincrona e 0 custo normalmente mais reduzido de software ehardware, em rela~ao aos sistemas sincronos [51].

A ideia de uma interface serial e a de urn dispositivo que converta os

sinais da forma paralela para serial e vice-versa. Uma interface popular e a do tipo

UART (universal asynchronous receiver/transmitter), que, alem da conversaoparalelo/serial, faz, por exemplo, 0 monitoramento de liga~oes com modens ou

armazenamento do dado ate que haja possibilidade de comunica~ao [61].

Urn dos padroes para comunica~ao serial e 0 RS-232, publicado em1969, pela EIA, que definiu normas como a formas de conectores fisicos, fun~ao dos

pinos de conexao e niveis de sinais. Este padrao, alem dos pinos de transmissao erecep~o, possui alguns outros pinos que auxiliam 0 controle, verificando, porexemplo, a possibilidade de comunica~ao [29, 60].

Muitos microcontroladores possuem interface serial interna, que

podem operar de modo sincrono ou assincrono, em diversas velocidades de

transmissao. Nestes casos, a serial possui apenas dois pinos, que SaD destinados a

transmissao e recepyao de dados, sendo que os sinais de controle, exigidos pelopadrao RS-232, podem ser diretamente manipulados por software, atraves de pinoscomuns de entrada e saida. No caso dos dispositivos computacionais que operamcom 16gica TTL, como os microcontroladores, deve haver uma conversao, no niveldo sinal, para 0 padrao RS-232, que pode ser feita por circuitos integradosespecialmente projetados para este fim.

Capitulo III

o kernel programavel de controle

3.1 Introdu~ao

Neste capitulo sera descrito 0 kernel programavel de controledesenvolvido como parte do projeto de mestrado. Sedio especificadas as suascaraeteristicas de hardware e software, bem como as rotinas existentes no sistemaoperacional desenvolvido.

o hardware do kernel, cujo circuito eletronico e mostrado no apendiceI, e baseado em urn microcontrolador programavel 80N535, que possibilitou 0

desenvolvimento de urn circuito computacional com reduzido numero decomponentes. A organizayio do kernel e mostrada na figura 3.1 e suas caracteristicassio as seguintes:

01 - Processamento com microcontrolador02 - Memoria de programa (EPROM) com 16 Kbytes03 - Memoria de dados, Dio volatil, com 64 Kbytes04 - Oito entradas para conversio AID05 - Interface serial no padrio RS-23206 - Duas entradas de interrupyoes07 - Dois temporizadoreslcontadores de 16 bits08 - Urn temporizador de 16 bits09 - Teclado matricial de 16 teclas

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o microcontrolador usado kernel, possui apenas urn barramento deendere~os, porem, possui urn pino especial de controle de mem6rias, que eautomaticamente ativado em fun~ao do software. Este pino permite que 0 sistemadiferencie quando urn endere~o e relativo it mem6ria de dados ou it mem6ria deprogramas, assim, com 16 linhas de endere~os,0 kernel pode endere~ar ate 64 Kbytesde mem6ria de programa e 64 Kbytes de mem6ria de dados. Embora exista somenteurn barramento de endere~os, este sistema se assemelha it arquitetura de Harward[05], pois existe urn aumento da capacidade de armazenamento e as mem6rias podempossuir endere~os iguais.

OFF

00( A)

Fig. 3.2 (A) mem6ria interna de dados( B ) mem6ri a ext er na de progr lIIIiS

(C ) Mitlr ia externa de didos

o kernel possui uma mem6ria de programa do tipo EPROM, modelo27128A, com 16 Kbytes. A mem6ria externa de dados e uma mem6ria nao voliltil, dotipo Flash, modelo 28F512, com 64 Kbytes. Este dispositivo foi escolhido pelo fatode ser nao vohitil e pela aIta densidade, que permit~ 0 armazenamento de 64 Kbytes

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FISICA

em urn unico componente, pelo baixo consumo de energia e pelo fato de ter todas assuas opera~oes diretamente controladas pelo microcontrolador.

o sistema tambem conta com uma segunda memoria de dados com256 bytes intema do microcontrolador. A figura 3.2 mostra as tres memoriasexistentes no sistema.

o acesso as memorias intema ou extema de dados, pode ser feitoatraves de instru~oes com modos diferentes de endere~amento, nao exigindo nenhumesquema especial de hardware.

o acesso a memoria extema de dados ou a memoriaextema deprogramas e feito atraves de instruyoes diferentes. As instru~oes de acesso Ii memoriaextema de dados ativam os pinos RD e WR do microcontrolador, enquanto que umainstruyao de acesso Ii memoria extema de programa, ativa 0 pino PSEN (ProgramStore Enable), conforme tabela 3.1. Isto permite que urn mesmo endereyo sejautilizado pelas memorias de dados e de programas, possibilitando 0 uso domicrocontrolador no desenvolvimento de urn circuito computacional baseado naarquitetura de Harvard.

PSEN RD WR OPERACAO1 1 0 Escrita na memoria de dados1 0 1 Leitura na memoria de dados0 1 1 Leitura na memoria de programas1 1 1 Memorias extemas desativadas

3.2.3 Velocidade de processamento

o kernel usa urn cristal de 12 MHz, garantindo que a maioria dasinstruyoes do processador seja executada em 1 microsegundo. Como 0 manual domicrocontrolador informa 0 numero de ciclos de maquina necessarios para a execuyaode cada instruyao, podemos facilmente calcular 0 tempo gasto no processamento deurn programa. Os demais criterios de velocidade, como atendimento a umainterrupyao ou conversao anal6gico/digital, serao discutidos nas repectivas sey5es.

o teclado utilizado e urn modelo matricial de 16 teclas (4x4),controlado diretamente atraves de alguns pinos de entrada/saida do microcomputador.Estes pinos sao especificados pela notayao Px.y, onde x e 0 numero da porta paralelaeye 0 numero de urn bit da porta. Os pinos de P5.4 a P5.7 foram configurados comolinhas de varredura e os pinos de P4.0 a P4.3 foram configurados como linhas deretorno. As entradas dos pinos de retorno foram colocadas em nivel alto por hardware(PUll-up), enquanto que as saidas dos pinos de varredura foram colocadas, porsoftware, em nivel baixo.

Quando uma tecla e pressionada, e feito urn contato entre uma linha devarredura e uma linha de retorno, aterrando-se o sinal originariamente alto. Na rotinade manipulayao do tedado, as linhas de retorno sao analisadas para verificar qualdelas teve seu sinal aterrado. Logo em seguida, os pinos de varredura tern 0 seu sinalcolocado em nivel alto, urn a urn, e e feita uma verificayao se 0 sinal de retorno voltouao nivel alto. Isto permite que se verifique qual a linha e a coluna do teclado queforam pressionadas.

No projeto de hardware nao foi. implementada uma interrupyaoespecial para teclado, assim a rotina para leitura do teclado fica em layo (loop) ate queseja pressionada algum tecla. Isto deixa uma entrada a mais de interrupyao disponivelpara aquisiyao de dados externos. Caso haja a necessidade de uma interrupyao

especifica para teclado, pode-se usar urn dos tres temporizadores disponiveis parafazer uma verifica~ao no teclado, de tempos em tempos.

o visor utilizado e urn visor de cristal liquido, com 2 linhas e 16colunas, compativel com linha LTN da Philips. Este visor e urn modulo programavel,possuindo uma pinagem padronizada, com oito pinos de dados e tres de controle.Assim, 0 kernel podera ser dotado de qualquer urn dos diversos modelos comerciais,que seguem este padrao.

Um visor de cristal liquido apresenta as vantagens de urn baixoconsumo de energia e possibilidade de ser diretamente controlado pelomicrocontrolador, sem necessidade de cornponentes auxiliares. Estes visores sac umaimportante interface homemlmaquina, sendo utilizados inclusive como terminaisgrmcos coloridos [36].

Este tipo de VIsor e formado por urn material que apresentacaracteristicas intermediarias entre os estados solido e liquido. Este estadointermediario da materia foi descoberto em 1888 pelo botaruco austriaco FriedrichReinitzer [37, 38, 41]. Porem, somente em 1968 come~aram a surgir os primeirosensaios de aplica~oes desta descoberta, quando foram divulgadas pesquisas sobre ainfluencia de urn campo eletrico sobre os cristais liquidos [41].

No estado solido as moleculas tern urn posicionamento fixo e rigido,enquanto que no estado liquido as moleculas. tern uma dir~ao aleatoria dealinhamento. Em urn cristalliquido, a dire~ao de alinhamento das moleculas pode seralterada e pode ser diretamente influenciadapor urn campo eletrico. Esta dire~ao dealinhamento determinara 0 indice de refra~ao da luz que se propaga pelo cristalliquido, dando ao mesmo uma aparencia clara ou escura [36, 38] e permitindo aforma~ao de caracteres.

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software, para operarem como contadores de sinais externos, com precisao de 16 bits,operando com uma freqiiencia de ate 500 KHz.

3.2.7 Entradas anal6gicas

No kernel existem oito entradas multiplexadas, para conversaoanal6gico/digital, de 8 bits, com urn tempo de conversao de IS microsegundos. 0conversor AID esta embutido no microcontrolador e pode manipular sinais em umafaixa que varia de 0 a 5 volts, com exatidao de 5 a 20 mY. 0 conversoranal6gico/digital do microcontrolador e explicado de modo mais detalhado na se~ao3.2.10.

3.2.8 Temporizadores

Existem tres temporizadores de 16 bits disponiveis no kernel. Ostemporizadores TO e TI fazem parte dos dispositivos do tipo temporizador/contador,ja mencionados no item 3.6.0 temporizador T2 tambem faz parte de urn dispositivotemporizador/contador, mas teve seu pino de contagem usado como linha de dado dovisor de cristal liquido, podendo ser programado somente para operar comotemporizador.

Estes temporizadores, que trabalham com uma freqiiencia de I MHz,podem operar em diferentes modos, usando, por exemplo, recarga automatica oudivisao da contagem. Os temporizadores TO e TI tambem podem ter seufuncionamento associados aos pinos de interrup~ao INTO e INTI, respectivamente.Neste caso, 0 temporizador s6 funciona se 0 pulso presente no pine de interrup~aofor alto, facilitando a medi~ao da largura de pulsos. Os temporizadores TI e T2podem ser configurados para gerar a taxa de transmissao do sistema de comunica~aoserial.

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66

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As portas paralelas PI e P3 tern 'uma dupla configura~ao, e suautiliza~ao deve ser especificada pelo usuario, pois podem funcionar como portas deE/S ou terem seus pinos destinados para fins especificos de interruplYoes,saida serial,contadores ou RD/WR.

As portas P4 e P5 sao usadas exclusivamente como portas paralelas deentrada/saida, podendo alimentar ou drenar ate quatro cargas TTL-LS.

o microcontrolador 80N535 possui 8 entradas multiplexadas paraconversao analogico/digital (ANU-AN7). A conversao e feita pelo metodo deaproxima~ao sucessiva requerendo Urn tempo de 15 microsegundos para umaconversao, quando se usa urn oscilador de 12MHz. Existem tensoes de referenciaintema, que determinam a exatidao da conversao e estabelecem os valores minimo emaximo do sinal de entrada. Esta tensao pode ser ajustada por software, em fun~ao datensao nos pinos extemos VAREF (Reference voltage) e VAGND (GroundReference).

Os limites minimo e maximo,das tensoes de referencia extema sao 0 e5 volts respectivamente, sendo que as tensoes de referencia intema podem serajustadas, por software, em passos de 1/16 relativos a tensao de referencia extema epermitem que 0 AID seja ajustado para uma exatidao na faixa de aproximadamente 5a 20 mY. Deve existir urn minimo de 1 volt entre as tensoes de referencia intema paraque 0 AID funcione convenientemente.

o conversor tambem pode ser ajustado por software para realizar aconversao de modo continuo ou realizar apenas uma unica conversao do sinal deentrada. 0 monitoramento da conversao pode ser feito atraves de urn flag especial,chamado BSY que e pertencente ao registrador ADCON, que indica se a conversaoesta sendo executada ou se 0 seu resultado pode ser manipulado. 0 AID tambempode ser programado para gerar urn pedido interrup~ao ap6s cada conversao.

o Pino VPD (Power-Down Supply) e usado no caso de queda naentrada de alimenta~ao (VCC). Quando for detectada uma falha no sistema dealimenta~ao, alguns dados relevantes poderao ser salvos nos endere~os de 88 a 127 daRAM intema. Enquanto a alimenta~ao normal nao se restabelece, 0 conteudo destas

posi~es sera garantido pela alimentay80 do pino VPD. Quando a alimentay80 serestabelecer, os dados poder80 ser recuperados nestes endereyos.

o pino VBB (Substrate Pin) deve ser conectado ao terra, atraves deurn capacitor, para funcionamento do conversor AID.

Os pinos XTALI e XTAL2 580 usados para coneX80 de urn cristalcom frequencia que pode variar de 1,2 a 12 MHz, para funcionamento do osciladorinterno do microcontrolador.

o pino RESET deve ser mantido em myel baixo por dois ciclos demaquina, para que haja uma reinicializay80,ap6s 0 que, 0 microcontrolador armazenavalores especificos nos registradores.

o software do kernel e desenvolvido em funy80 do microcontroladorprogramavel 80N535, que e compativel com a linha MCS-51, podendo serdesenvolvido em linguagens de alto ou baixo myel. lnicialmente foi desenvolvido urnconjunto de sub-rotinas para controle direto do hardware do kernel. Isto facilita aimplementay80 de novos programas, permitindo que 0 programador concentre seutrabalho basicamente no aplicativo a ser desenvolvido.

Estas sub-rotinas est80 gravadas em urn arquivo chamadomonitor.asm, que pode ser diretamente incluido nos aplicativos. As rotinas existentesno programa monitor n80 destroem areas da mem6ria ou registradores, podendo serdiretamente ativadas atraves de chamadas de sub-rotinas. As rotinas dispomveis 580as seguintes:

01 - SETLCD: lnicializa 0 visor de cristal liquido, com 8 bits dedados, cursor piscante e sem rotay80.Exemp/o: /call set/cd

02 - COMLCD: 0 conteudo do acumulador e enviado ao visor e

encarado como urn comando.Exemplo: mova.#Of2h

/call com/cd

03 - STRING: Imprime uma string no visor. 0 endere~o do primeiro

caract ere da string deve estar no apontador de endere~os e a mesmadeve terminar com urn cifrao ('$').

Exemplo: str db "mensagem para 0 visor $"mov dptr. #str·/call string

04 - CHARLCD: Imprime urn caract ere no visor. 0 codigo ASCII docaraetere deve estar no acumulador.Exemplo: mova.#35h

/call charlcd

05 - READKEY: Faz uma leitura do teclado e retoma, noacumulador, 0 valor digitado, entre 0 e 15. Esta rotina trava 0

processamento ate que seja digitada alguma tecla.

06 - RED2D: Faz a leitura de urn numero decimal de dois digitos noteclado, imprimindo 0 valor digitado no visor e retomando 0 decimal

digitado (00 .,. 99) no acumulador.

07 - WRITE2D: Imprime no visor 0 conteudo do acumulador, usando

dois digitos decimais. 0 conteudo do acumulador deve estar entre 00 e

99.

08 - WRITE3D: Imprime no visor 0 conteudo do acumulador, usandotres digitos decimais.

09 - DELFLASH: Realiza a OperayaO programada de apagamento da

memoria nao vohitil de dados, do tipo flash.

10 - GRAFLASH: Realiza a opera~ao programada de grava~ao naflash. 0 valor gravado sera 0 conteudo do acumulador, no endere~ocontido no apontador de endere~os.

11 - PROGIO: Programa e habilita a interrup~ao externa zero (INTO)para operar com rampa descendente.

12 - PROGTO: Programa 0 temporizador zero (TCO) para gerar vinteinterrup~oes por segundo.

13 - PROGTl: Programa 0 temporizador urn (TC 1) para gerar umataxa de transmissao de 1200 BPS para a interface serial decornunica~ao.

14 - SERIAL: Programa a interface serial do microcontrolador paracornunica~ao assincrona, sem paridade, com 1200 BPS, 8 bits pordado, urn start bit e urn stop bit.

15 - ADCONV: Faz uma conversao do sinal de entrada anal6gica,com sensibilidade de 5mV. 0 numero da entrada deve estar noacumulador e a tensao de entrada deve estar entre 0 e 1.25V. 0 valorconvertido sera retornado no acumulador.

16 - ADCONV5: E semelhante a r~tina ADCONV, porem, a tensaode entrada deve estar entre 0 e 5V, permitindo uma sensibilidade de20mV.

Capitulo IV

Aplica~oes em pluviometria e peR

4.1 Introdu~ao

Este capitulo descreve dois aplicativos desenvolvidos para 0 kernelprogramavel de controle. 0 primeiro aplicativo e uma configura~ao para automa~aoda coleta de dados em pluviometros, onde 0 kernel registra 0 volume de chuvasocorrido em uma regiao. A segunda aplica~aodesenvolvida e uma configura~ao ondeo kernel atua no controle de urn processo para automa~ao de experimentos com peR.Esta tecnica, conforme ja mencionado na introdu~ao, e usada na area biomedicaepermite a reprodu~ao de DNA in vitro.

Pluviometria e a medi~ao do volume de chuvas. Esta grandeza echamada indice pluviometrico e e medida atraves de instrumentos chamadospluviometros.

Os pluviometros mais antigos apresentam 0 problema de necessitaremde urn observador humano para registrar as medidas. Alguns modelos, tambemantigos, fazem este registro atraves de grilficos, por urn processo mecamco, que podese tornar muito sensivel a falhas. Estes fatores tornam dificeis as medi~oes em temporeal ou em locais remotos, mas podem ser contornados atraves de urn sistema paraautoma~ao de coleta de dados em pluviometros.

4.2.1 Automa~Ao da pluviometria

o kernel foi configurado para atuar como urn sistema que permite acoleta automatica das mediyoes feitas pelo pluviometro e a sua transmissao, emtempo real, para os centros de pesquisas meteorologicas. Para automayao, 0

pluviometro e dotado de urn dispositivo eletrico que fornece urn sinal em funyao dosindices pluviometricos. Este sinal e enviado ao kernel que registra a ocorrencia doevento.

Como 0 kernel e urn dispositivo programavel, podemos implementaruma coleta inteligente de dados, estabelecendo criterios de horarios, analise dememoria disponivel ou pre processamentos gerais. Alem disto 0 kernel possui umainterface serial no padrao RS-232, podendo ser conectado a rede teleffinica, viamodem. Em regioes sem disponibilidade de rede teleffinica e onde as pesquisasexigissem uma coleta de dados em tempo real, a transmissao poderia ser feita atravesde radio transmissores ou mesmo com transmissao de dados via satelite.

Alguns tipos de pesquisas meteorologicas nao necessitam da coletados indices pluviometricos em tempo real. Neste caso, os dados sao coletados durantedeterminados periodos de tempo e somente usados apos a coleta. Este tipo detratamento de dados e chamada depos-factum e dispensa a transmissao de dados vialinha teleffinica.

Na coleta pos-factum, sem uso de transmissao via rede teleffinica, 0

kernel sena retirado do campo e levado aos laboratorios, onde seria feita atranferencia de dados a urn computador central. Outra possibilidade seria que urntecnico levasse urn computador portatil (laptop) e fizesse esta coleta diretamente nocampo ou simplesmente trocasse a memoria de dados nao volatil.

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4.2.3 Interfaceamento entre 0 kernel e 0 pluvi6metro

Para cada tipo de pluviometro, poderiamos desenvolver uma interfaceespecial que fornecesse urn sinal eletrico em fi.m~aode determinado volume dechuvas. Urn metodo e 0 uso de pluviometros do tipo basculante, onde urn ima ecolocado no eixo das cubas. Quando ocorre uma alternancia na posi~ao das cubas, 0

ima passa em frente a urn rele magnetico, fechando momentaneamente seu contato efornecendo 0 sinal eletrico que indicara a ocorrencia de determinado indicepluviometrico. Este tipo de sistema e fabricado no Brasil e recebe 0 nome de "sensorpara telepluviometria". Outro modelo disponivel e urn pluviometro basculantecontendo urn tuba com mercurio, paralelo ao centro do seu eixo. Neste caso, quandoocorre uma alternancia, 0 mercurio se movimentadentro do tubo e faz 0 contato parafornecimento de urn sinal eletrico.

o pluviometro adotado para estudos foi 0 modelo "SPP-1", daempresa Hidrologia SA, que possui uma precisao de leitura de 0,1 mm de chuva, comfaixa de medi~ao de ate 4,2 mm/minuto. Para cada 0,1 mm de chuva ocorre 0

fechamento momentaneo do rele magnetico, que permite 0 envio de urn sinal eletricoao kernel de aquisi~ao de dados.

o sinal oriundo do pluviometro aciona uma rotina de interrup~aoexterna do microcontrolador. Esta rotina de interrup~ao registra na memoria de dadoso horano em que foi acionada, assim, cada registro da memoria representa 0 horariode ocorrencia de 0,1 mm de chuva.

A rotina de tratamento da interrup~ao externa tern urn tempo deexecu~ao maximo de 3,5 ms. Este tempo e variavel, porque a opera~ao de grava~aona memoria de dados, que e do tipo flash, pode exigir mais de uma tentativa ate aobten~ao de sucesso. Isto permite que 0 kernel realize ate 285 registros por segundo.

o pluviometro utilizado no sistema tern precisao de 0,1 mm de chuvase rnedi~ao de ate 4,2 mm/minuto, totalizando no maximo 42 registros por minuto.Considerando-se 0 pior caso com urn tempo gasto na grava~ao de urn registro, 0

kernel seria capaz de atender ate 285 eventos por segundo ou 17.142 eventos por

minuto, que e uma taxa muito mator que os 42 registros por minuto, que 0pluviometro SPP-l pode exigir .

o temporizador do kernel trabalha com precis80 de segundos. Aoligar 0 kernel, 0 operador faz a inicializay80do mesmo, digitando a data e horario dainicializay80, sendo que estas informayoes 580transferidas para a memoria de dados.o temporizador e automaticamente ligado e inicia uma contagem de segundos, apartir do zero. Desta forma, cada valor armazenado na memoria representa 0 numerode segundos em que ocorreu a interrupy80 apos a inicializay80.

Supondo que na memoria exista um registro com valor 15.840. Istosignifica que ocorreu um evento 15.840 segundos apos a inicializay80 do sistema.Sabendo-se 0 horano e a data de inicializay80,pode se fazer diretamente a converS80de um registro, para se determinar 0 instante da ocorrencia do volume de chuvas.

Caso 0 sistema opere em condiyoes que possibilitem a ocorrencia defalhas momentaneas na alimentay80, poderemos dota-Io de um relogio externo dereferencia, alimentado com bateria propria, ou mesmo de um controle por softwareque permitisse uma reinicializay80automatica, sem interferencia do operador.

A estrutura de dados utilizada neste sistema, representada na figura4. 1, armazena inicialmente a data e 0 horano de inicializay80 do sistema, usando 6bytes para armazenar estas duas informayoes. Em seguida 580 usados registros de 3bytes (24 bits) para representar a contagem de segundos. Assim, cada registro podearmazenar a contagem de ate 224, ou 16.777.215 segundos. Considerando que cadaperiodo de 30 dias tem 2.592.000 segundos, um registro de 3 bytes poderiaarmazenar um numero de segundos relativos ao periodo de 6,47 meses ou 194 dias.

----

registro 3

registro 2

registro 1

Horario de inicializido(HHIMM/SS)

data de inicializido(DD/MM/AA)

Como 0 relogio interno usa urn registro de 3 bytes para contagem desegundos, apos 0 periodo de 194 dias, 0 registro sofreria urn estouro de suacapacidade de contagem e seria automaticamente zerado, reiniciando a contagem econtinuando a funcionar nonnalmente. Desta forma, se for encontrado, na memoria dedados, urn registro numericamente rnenor que 0 registro imediatamente anterior, eporque se passaram mais de 194 dias e 0 contador do relogio foi automaticamentezerado.

Usando uma memoria de dados de 64 Kbytes no kernel, pode-searmazenar ate 21.843 registros. Como cada registro representa 0,1 mm de chuva, nopluviometro SPP-l, entao poderiamos registrar a data e 0 honirio da ocorrencia deurn volume de ate 2.184 mm de chuva. 0 volume de chuvas depende da regiao e daepoca do ano, sendo que, no Brasil, este volume pode atingir taxas superiores a 2.500mm por ano nas regioes de clima equatorial, como na amazonia, e tambem podeatingir medias inferiores a 800 mm nas regioes semi-aridas do nordeste.

01 - 64 Kbytes de memoria nao volatil de dados (flash)02 - Capacidade de pre-processamento

03 - Intera~ao com 0 usuario, via teclado e visor de cristalliquido04 - Registro de horarios com precisao de segundos05 - Armazenamento de ate 21.843 registros06 - Reconhecirnento de ate 285 registros por segundo07 - Transmissao de dados com interface serial no padrao RS-23208 - Precisao de 0,1 mm de chuva e faixa maxima de 4,2 mm/minuto(dependendo do pluviornetro e nao do kernel)

4.3 0 processo de experimentos comPCR

Urna segunda aplica~ao do kernel de aquisi~ao de dados e no controletennico para autornatiza~ao de experirnentos com PCR. A tecnica de PCR(Polimerase Chain Reaction) pennite a sintetiza~ao de milhoes de copias de urnfragmento especifico de DNA, a partir de rnoleculas iniciadoras, chamadasprimers. 0termo PCR significaurna "rea~ao de polirneriza~aoem cadeia", ou seja, e urna rea~aoque pennite a cornbina~ao de varias rnoleculas que formam urn cornposto rnaiscomplexo, que no caso e 0 DNA.

o DNA, em termosfisicos, e urna rnolecula de grandes dirnensoes e degrande peso molecular. Por volta de 1870 foi descoberta a existencia de umasubstAncia contendo fosforo e nitrogenio, no nucleo das celulas. Esta substancia foichamada de ilcido nucleico e, nos seres vivos, foram encontrados dois tipos diferentesde ilcidos nucleicos que foram chamados de DNA (Acido Desoxi"ibonuc/eico) eRNA (Acido Ribonuc/eico) [75]. A rnoleculade DNA contem toda carga genetica deurn individuo, que e urn grande nurnero de informa~oes [50]. Alem disto, ela pennitea replicaftio, que e a produ~ao de copias identicas a si mesma [75, 76, 55].

A proposta de urn modelo da estrutura da molecula de DNA,apresentando a forma de urna gigantesca dupla helice, foi publicada por Watson eCrick em 1953 e revolucionou 0 estudo da genetica [50, 63]. Neste modelo, amolecula de DNA e composta por dois filamentos dePOlinucleotideos (associa~ao deinumeros nuc/eotideos), dispostos helicoidalrnenteem torno de urn mesmo eixo. Urnnucleotideo, por sua vez, e urna rnolecula organica formada pela reuniao de outras

tres moleculas mais simples, que S80: urn radical fosfato, uma pentose e uma basenitrogenada, conforme figura 4.2 [75].

As bases nitrogenadas, existentes no nucleotideo, 580 moleculas que

apresentam uma estrutura em anel de carbona e nitrogenio. No nucleotideo do DNA

encontramos quatro tipos diferentes de bases nitrogenadas, que 580: a adenina (A), aguanina (G), a timina (1) e a citosina (C). Cada base nitrogenada de urn filamento damolecula de DNA se une a uma base nitrogenada do outro filamento at raves de umaponte de hidrogenio, permitindo a forma~80 da estrutura em dupla helice. Esta

liga~io de bases forma pares definidos de bases nitrogenadas do tipo: adenina/timina eguanina/citosina (AfT e GtC) [75, 55].

Quando as Iigayoes de hidrogenio da motecula de DNA se rompem, os

dois filamentos se separam e se recompoem formando novas cadeias complementaresligadas pelos pares bases AfT e GtC, dando origem a duas novas moleculas de DNA,identicas a original. A figura 4.3 exemplifica 0 rompimento e recomposiy80 dosfilamentos [75].

Esta replicay80 ocorre na presenya de uma enzima especial

denominada DNA-polimerase, que exige uma cadeia de DNA como matriz, a1em deoutras materias primas [75].

~

~G T C

TC A G C A A G

D>~

~<J:=7 GG T T GG T C

~

r>c A G

Fig. 4.30 processo repliCiOlo do DNA

A enzima e uma proteina capaz de acelerar a velocidade de uma reay30quimica, permitindo uma diminuiyao do nivel de energia necessario para a realizay30

da reay3o. Reayoes quimicas que exigiriam altas temperaturas podem ocorrer natemperatura ambiente, quando na presenya de enzimas apropriadas. A propria ay30 deuma enzima depende diretamente da temperatura, sendo que a ay30 duplica ou triplica

a cada 1DOC de incremento na temperatura, ate atingir urn ponto otimo, a partir doqual diminui ate a inativay3o, conforme figura 4.4 [75, 55].

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MMM

23 VrNNKMM

MMMMMMMM

01 VrNNKMM

4.3.1 0 instrumento de automa~ao de peR

Urn instrumento para automatiza~ao de experimentos com peR podeser formado, conforme a figura 4.6, por quatro partes blisicas, que sac:

01 - Urn suporte para colocar os tubos com DNA02 - Urn sensor de temperatura.03 - Urn modulo computacional de controle.04 - Uma fonte de calor.

Urn sensor de temperatura e colocado junto das amostras de DNA e

envia, ao modulo computacional de controle, urn sinal proporcional a temperatura das

amostras. Este sinal e recebido e analisado pelo modulo que envia urn sinal externo

que controla a fonte de calor. Nos modelos comerciais a transmissao de calor, entre afonte e as amostras de DNA, e feita atraves do fluxo de agua, que exige bombasinjetoras para este fim.

o kernel desenvolvido, quando configurado para este fim, podesensoriar ate oito pontos diferentes de temperatura, permitindo uma verificayao da

homogeneidade termica em diversos pontos do sUPorte.

amostrade DN A COMPUT AC I ON AL

t t t

o kernel prograrmivel tambem possui urn teclado e urn Visor,possibilitando uma interatividade direta com 0 usuario. Na sua inicializa~ao, 0 usuariodigita 0 numero de passos do cicio, 0 numero de ciclos e finalmente a temperatura e

tempo de cada passo do cicio. A partir dai, 0 kernel passa a monitorar a temperatura e

controlar a fonte de calor conforme especifica~oes do usuario.

As caracteristicas do sistema, desenvolvido com 0 kernel, parasensoriamento e controle termico na automa~ao de experimentos com PCR, sao:

01 - Sensoriamento termico de ate 8 pontos diferentes

02 - Interatividade com d usuano por teclado e visor de cristalliquido

03 - Medi~ao de temperatura na faixa de 0 a 127°C

04 - Precisao de 0,5°C05 - Ate 99 repeti~oes do cicio termico06 - Ate 99 passos por cicio termico

07 - Ate 99 segundos por passo08 - Monitoramento termico no visor em tempo-real

09 - Interface de comunica~ao serial RS-232

4.3.2 Medi~ao termica

A temperatura e uma grandeza fundamental nos experimentos comPCR, uma vez que todo 0 processo esta baseado em urn cicIo termico. Esta grandeza

e tao importante e usada que, no Dicionano de Fisica [44], de Horacio Macedo, ha 31extensoes diferentes para 0 conceito de temperatura, como temperatura Fermi,

temperatura absoluta, temperatura de cor, etc.

o conceito de temperatura pode ser dado atraves do exemplo de doiscorpos que sao colocados em contato e ocorre urn fluxo de calor do mais quente parao mais frio, ate que ambos atinjam urn equilibrio termico. A termodinamica define

formalmente 0 conceito de temperatura, como a propriedade que representa 0 estado

de agita~ao das particulas, medindo a agita~ao media dos atomos e moleculas, e nao

deve ser confundida com a quantidade de calor, que e a media da energia total edepende da massa do corpo [45, 71].

Urn dos primeiros registros de mediyao da temperatura foi feito porGalileo, em 1592, porem, somente em 1726 e que Fahrenheit criou uma escala facil deser reproduzida, utilizando urn termometro construido a base de mercurio. Em 1742,Anders Celsius propos uma escala para medida de temperaturas que fosse feita emfunyao da temperatura para 0 ponto de solidificayao e evaporayao da agua,atribuindo-Ihes os valores zero e cern, respectivamente, e que, por isto, foi chamadade centigrada. Esta escala se tomou muito popular e, em 1948, teve seu nomemudado para Celsius, em homenagem ao seu criador [46].

Atualmente 880 exigidos padroes cada vez mats precisos para acalibragem e mediyao de temperatura. Estes padroes 880 determinados nasConferencias Intemacionais de Pesos e Medidas, cuja primeira reuniao foi em 1889 ea decima oitava em 1990. Nestas conferencias, foram criadas normas gerais de pesose medidas, dentre os quais encontramos a ITS (The International Temperature Scale)que regulamenta padroes de mediyao da temperatura [46].

No processo de automayao de experimentos com PCR, alem damediyao da temperatura, deve existir urn controle sobre uma fonte de calor. Urnsistema de controle termico pode, em muitos casos, ser complicado e exigir umamodelagem matematica, normalmente realizada por equayoes diferenciais [40, 80].Depois de entendido 0 comportamento do sistema, pode-se determinar qual a tecnicade controle mais viavel para atuar sobre 0 mesmo.

Existem vanas tecnicas diferentes de controle, como a liga/desliga, aproporcional, a integral, a derivativa ou a Pill, todas com caracteristicas pr6prias deestabilizayao do controle [43, 80]. No controle Iiga/desliga ("on/off"), 0 sistema ficamedindo a temperatura e Iigando ou desligando a fonte de calor para manter atemperatura em tomo de urn ponto desejado.

Os demais sistemas, mencionados acima, fazem 0 controle atraves dacorrente eletrica que circula pela fonte termica. Quando estes controles saoimplementados com sistemas computacionais, normalmente existe urn conversordigital/analogico que fornece uma referencia para controle do valor da corrente.

o controle liga/desliga apresenta 0 inconveniente de manter atemperatura oscilando em torno de urn determinado valor, sem uma estabiliza~ao fixa.Alem disto, a tecnica de ligar e desligar constantemente a fonte de calor, pode causarurn maior desgaste fisico no dispositivo de chaveamento do controle, principalmentequando 0 mesmo for eletromecanico, como no caso dos reles magneticos. Apesar dosinconvenientes, este controle apresenta algumas vantagens, como a simplicidade deopera~ao e facilidade de implementa~ao, que normalmente podem permitir umaredu~o de custo.

No sistema de controle de experimentos com PCR, foi utilizado urncontrole liga/desliga, que apresentou satisfatorios resultados nos testes realizados eque serao descritos na proxima se~ao.

Para desenvolvimento do sistema de sensoriamento e controle termicoem automa~ao de experimentos com PCR, foi desenvolvido urn prototipo de umafonte de calor, composto por urn resistor de niquel-cromo, com resistencia de 17Ohms, que, quando submetido a uma tensao de 5 Volts, apresentou as varia~oes detemperatura mostradas no gnmco da figura 4.7. Assim, esta tensao foi utilizada, poisapresentava varia~oes de temperatura em tempo satisfatorio para os testes.

Para que 0 kernel pudesse controlar a fonte de calor, foi desenvolvidourn circuito de chaveamento, conforme figura 4.8. Neste caso, urn pino de E/S dokernel envia urn sinal de controle a urn circuito eletronico, que permite a passsagemde corrente para a fonte de calor. Como 0 pino de E/S assume somente valores 0 ou1, 0 controle sera exclusivamente liga/desliga.

60 80 100Te...,o Ie)

o sensor de temperatura utilizado foi urn modelo LM35, que permite amanipulay30 de temperaturas ate urn valor de 150°C e fornece uma saida linear deIOmVf'C. Desta forma 0 mesmo foi inicialmente ligado de modo direto ao conversorAID do kernel, que permite a manipulay30 de sinais na ordem minima de 4mV.Inicialmente, os testes pniticos mostraram urn comportamento indesejavel doconversor AID para sinais pr6ximos a este valor. Isto exigiu que fossem realizadosalguns testes de confiabilidade do conversor, cujos resultados est30 exemplificados natabela 4.1.

R317RFONTE DE CALOR

SINAL DE ENTRADA (mJ1 VALOR DO AID VALORESPERADO

0 2 010 6 220 8 430 10 640 11 850 14 10100 24 20150 34 30200 46 40500 108 1021000 214 204

Para testes do AID, foi utilizada uma fonte estavel e com precisaoIOmV e 0 conversor foi programado para operar com uma amplitude de 5mV,medindo sinais na faixa de 0 a 1.27 V. Foram feitas vanas medidas, diversas vezes enas mesmas condi~oes, sendo que os dados estao na tabela 4.1. Analisando-se estatabela, pode se verificar que 0 conversor AID apresentou valores diferentes dosesperados. Embora tenha havido urn problema de exatidao, 0 conversor se mostroupreciso, pois repetiu os mesmos valores em vanas medi~oes.

Para se confirmar a exatidao do conversor AID, foi feita a suareprograma~ao, para operar com sinais de 19,6 mV e foram realizadas outrasmedi¢es, cujos valores estao na tabela 4.2. Operando nesta faixa de valores, pode-seobservar urn comportamento exato e preciso do conversor. 0 valor 19,6mV(5V/255) e a maior precisao permitida para 0 AID de 8 bits, existente no kernel

SINAL DA FONTE VALOR VALOR(mJl) DOAID ESPERADO

0 0 020 1 1100 5 5200 10 10500 25 251000 51 512000 102 1023000 153 1534000 204 2045000 255 255

Como 0 kernel ira manipular sinais com 5mV, que representam 0.5 °C,toma-se necessario algum ajuste do AID para que estes niveis de sinais sejammanipulados corretamente. A primeira possibilidade e programar 0 AID paramanipular sinais na ordem de 5mV e usar uma tabela de corre~ao que corrigiria 0

valor retornado pelo conversor. Este processo tornaria a conversao mais lenta e teriaalguns pontos impossiveis de serem corrigidos, pois representam uma zona-mortapara 0 conversor. A segunda possibilidadee a programa~ao do AID para operar comsinais na ordem de 19.6 mV e usar urn amplificadoroperacional, conforme figura 4.9,para aumentar 0 sinal oriundo do sensor com urn ganho de aproximadamente 3,92.Isto daria a rela~ao direta de urn incremento do AID por 0,5 °C.

A segunda possibilidade foi adotada pelo fato de nao exigir tabela decorr~ao, permitir exatidao e precisao do conversor e manipular sinais com maioramplitude e, portanto, menos sujeitos a ruidoso

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1

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1-2 p b 36-61-3 p b 621-4 p b 87-61-5 p b 2131-6 p b 238-61-7 p b 2641-8 p b 289-61-9 p b 3151-: p b 33:-62-1 p b 366

Como 0 NO opera de modo preciso e exato, com sinais na ordem de19,6mV, 0 amplificador operacional foi ajustado para urn ganho de 3.92 vezes, dandouma rela~ao de 19,6mV/0,5°C e permitindo medi~oes em uma faixa de 0 a 127°C.Todavia, 0 ganho do amplificador pode ser ajustado para aumentar a sensibilidade dosistema, dando uma rela~ao de, por exemplo, 20mV/0,I°C, 0 que causaria umadiminui~ao na faixa de opera~ao. A tabela 4.3 mostra a rela~ao entre sensibilidade efaixa de opera~ao.

Depois de feitos todos os ajustes necessanos para 0 monitoramentotermico do processo, foi implementado urn controle do tipo liga/desliga. lnicialmentefoi feito urn teste para controlar a temperatura em 30°C. 0 resultado deste teste podeser observado na figura 4.10, onde se observa que as oscila~oes causadas nestecontrole, tiveram uma amplitude maxima de 0.5°C, que e exatamente a precisao doconversor NO.

3433.5

3332.5

32

• 31.5IS 31..••~ 30.5u 30 ~I 2~.5•~ 2~

28.528

27.527

26.526

0 5

Para uma confinna~ao deste resultado, a amplitude das osci1a~oes foianalisada em uma escala de 10 segundos por centimetro, confonne figura 4.11. Istopermite uma analise mais detalhada das varia~oes de temperatura, onde pode-seconfinnar que a amplitude das oscila~oes se mantem em 0,5 °C.

34

33.533

32.532

31.531

30.530

29.529

28.528

27.527

26.526

30Teq>o I.)

Tambem foi feita uma analise a respeito do overshoot, que e urn valorde pico m8ximo que a temperatura atinge antes de iniciar 0 processo de estabiliza~ao.Este problema nonnalmente existe quando usamos 0 controle liga/desliga. Para estaanalise foi feito 0 levantamento do grafico da figura 4.12, onde se pode notar que 0

valor extrema apresenta uma diferen~a de aproximadamente 0,7°C acima do valormedio das oscila~oes, que pode ser considerada uma resposta satisfat6ria do sistema.

Tambem foi realizado urn teste para verifica~ao do comportamento dosistema oa realiza~ao de urn cicIo termico completo, exigido pelo experimento comPCR. 0 resultado deste teste pode ser analisado atraves do grafico da figura 4. 13.

32

31. 5

31

30.5

30

• 29.5II-.t• 29~0 28.5;• 28~

27.5

27

26.5

26

25.5

30Tupo (e)

3736.5

3635.5

3534.5

34•II 33.5-.t• 33...••0 32.5; 32•~ 31.5

3130.5

3029.5

2928.5

50 100 150 200 250 300Tupo (e)

A a amplitude das oscila~oes pode ser analisada na figura 4. 14. Osvalores medidos se enquadram dentro dos resultados esperados, que sao oscilayoesem tomo de O.5°C,que e exatamente a precisao do conversor NO.

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