UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ

RENATO FRANÇA SARAN GRR20001270

DDEESSEENNVVOOLL VVII MM EENNTTOO DDEE UUMM AA

CCAARRGGAA EELL EETTRRÔÔNNII CCAA DDCC

CURITIBA – PR

NOVEMBRO – 2006

ii

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ

SETOR DE TECNOLOGIA – CENTRO POLITÉCNICO

DEPARTAMENTO DE ELETRICIDADE

CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

RENATO FRANÇA SARAN GRR20024554

DDEESSEENNVVOOLL VVII MM EENNTTOO DDEE UUMM AA

CCAARRGGAA EELL EETTRRÔÔNNII CCAA DDCC

Trabalho de graduação apresentado

à disciplina TE105 – Projeto de graduação,

sob a orientação do Professor Odilon Luís

Tortelli e co-orientação do engenheiro

Robert César Weber.

CURITIBA – PR

NOVEMBRO – 2006

iii

AAGGRRAADDEECCIIMMEENNTTOOSS

Agradeço, em primeiro lugar, aos meus pais e familiares, que sempre me

deram total apoio e condições para que eu pudesse atingir meus objetivos.

Agradeço aos verdadeiros amigos que nos acompanharam nestes anos de luta,

compartilhando bons momentos e acima de tudo me ajudando e motivando em momentos

de dificuldade.

Agradeço ao Engenheiro Eletricista co-orientador Robert César Weber, pela

sua colaboração e apoio ao projeto.

Agradeço ao Professor Orientador Odilon Luis Tortelli, por ter se mostrado

sempre à disposição e pronto para ajudar.

Agradeço às empresas SyncTec e Gauss por terem possibilitado o

desenvolvimento do projeto através da parceria realizada com o autor.

Agradeço ao Professor Horácio Tertuliano dos Santos Filho, pela sua paciência

e atenção dedicada aos acadêmicos, e por sua luta constante pela melhoria do nosso curso.

iv

SUMÁRIO

LISTA DE ILUSTRAÇÕES ........................................................................................VII

LISTA DE TABELAS................................................................................................ VIII

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ................................................................... IX

RESUMO.........................................................................................................................X

1. INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 1

1.1. Considerações Iniciais ....................................................................................... 1

1.2. Objetivo do trabalho .......................................................................................... 2

2. PARCEIRIAS............................................ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.

2.1. SyncTec Projetos e Automação..........................Error! Bookmark not defined.

2.2. Gauss Indústria e Comércio de Autopeças .........Error! Bookmark not defined.

3. EXEMPLOS DE APLICAÇÕES: .......................................................................... 4

3.1. Bancada para testes de alternadores automotivos ............................................... 4

3.2. Test Bed utilizado para desenvolvimento de um controlador de retificadores:..... 5

4. METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO ..................... ............................... 8

5. VISÃO SISTÊMICA ............................................................................................... 9

5.1. Placa controladora: ............................................................................................ 9

5.1.1. Função gerenciamento de carga ................................................................... 10

5.1.1.1. Acionamentos de relês.......................................................................... 10

5.1.1.2. Porta PWM .......................................................................................... 10

5.1.1.3. Conversor analógico digital.................................................................. 11

5.1.1.4. Master I2C ........................................................................................... 11

5.1.2. Função HMI ................................................................................................ 11

5.1.3. Função interface........................................................................................... 12

5.1.3.1. RS-232................................................................................................. 12

v

5.1.3.2. RS-485................................................................................................. 12

5.2. Placa driver e módulo de potência ................................................................... 12

5.2.1. Placa driver.................................................................................................. 13

5.2.2. Módulo de potência ..................................................................................... 13

6. DETALHAMENTO DO HARDWARE E CONFIGURAÇÃO............. .............. 15

6.1. Placa controladora ........................................................................................... 15

6.1.1. Microcontrolador ......................................................................................... 15

6.1.2. Sinais PWM................................................................................................. 16

6.1.3. Sinais para acionamentos de relês ................................................................ 17

6.1.4. Conversor analógico digital.......................................................................... 18

6.1.5. Interface USART ......................................................................................... 19

6.1.5.1. Interface RS-232 ..................................................................................19

6.1.5.2. Interface RS-485 ..................................................................................21

6.1.6. Máster I2C................................................................................................... 22

6.1.7. Display ........................................................................................................ 23

6.1.8. Teclado........................................................................................................ 24

6.1.9. Rotary encoder............................................................................................. 25

6.2. Placa driver...................................................................................................... 25

6.3. Módulo de potência ......................................................................................... 29

7. ESTRUTURAÇÃO DO FIRMWARE.................................................................. 31

7.1. Estruturação dos dados .................................................................................... 31

7.2. A estrutura MMI.............................................................................................. 31

7.3. A função Main................................................................................................. 32

8. SOFTWARE DE GERÊNCIA.............................................................................. 35

9. ANÁLISE DE CUSTOS ........................................................................................ 36

vi

10. CONCLUSÃO................................................................................................ 37

11. BIBLIOGRAFIA ........................................................................................... 38

vii

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

ILUSTRAÇÃO 1 – BANCADA DE TESTES DE ALTERNADORES AUTOMOTIVOS,

G-5000. ..................................................................................................................... 5

ILUSTRAÇÃO 2 – TEST BED UTILIZADO PARA TESTES E VALIDAÇÃO DO

CONTROLADOR DE RETIFICADORES................................................................ 7

ILUSTRAÇÃO 3 – DIAGRAMA EM BLOCOS DA PLACA CONTROLADORA........ 10

ILUSTRAÇÃO 4 – DIAGRAMA EM BLOCOS MÓDULO DE POTÊNCIA + PLACA

DRIVER ................................................................................................................. 13

ILUSTRAÇÃO 6 – MODOS DE OPERAÇÃO DO TIMER B........................................ 17

ILUSTRAÇÃO 7 – CIRCUITO DE CONDICIONAMENTO E PROTEÇÃO PARA

ENTRADAS ANALÓGICAS ................................................................................. 18

ILUSTRAÇÃO 8 – FORMATO DO CARACTERE RS-232........................................... 20

ILUSTRAÇÃO 9 – MAX232.......................................................................................... 21

ILUSTRAÇÃO 10 – CI SN75176 ...................................................................................21

ILUSTRAÇÃO 11 – PROTOCOLO I2C......................................................................... 23

ILUSTRAÇÃO 12 – INTERFACE ENTRE MSP E LCD. .............................................. 24

ILUSTRAÇÃO 13 – CIRCUITO DO TECLADO........................................................... 25

ILUSTRAÇÃO 14 – CIRCUITO DRIVER DE CORRENTE........................................... 26

ILUSTRAÇÃO 15 – EXEMPLO DE SINAL PWM........................................................ 27

ILUSTRAÇÃO 16A – TENSÃO DE BASE E SINAL PWM.......................................... 28

ILUSTRAÇÃO 16B - TENSÃO DE BASE APÓS ALTERAÇÃO NO DUTY CICLE.... 29

ILUSTRAÇÃO 17 – FOTO MÓDULO DE POTÊNCIA E PLACA DRIVER................. 30

ILUSTRAÇÃO 18 – FLUXOGRAMA FUNÇÃO MMI ................................................. 32

ILUSTRAÇÃO 19 – FLUXOGRAMA DA FUNÇÃO MAIN......................................... 34

ILUSTRAÇÃO 20 – TELA DE EXEMPLO DO SOFTWARE DE GERÊNCIA............. 35

viii

LISTA DE TABELAS

TABELA 1 – VALORES MÁXIMOS DE OPERAÇÃO DO TBJ DE POTÊNCIA

................................................................ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.

TABELA 2 – ESTIMATIVA DE CUSTOS PARA O EQUIPAMENTO..............ERROR!

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TABELA 3 – CUSTO DAS CARGAS ELETRÔNICAS AGILENT....................ERROR!

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ix

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

DC - Direct current

RS-232 - Padrão elétrico para comunicação serial

RS-485 - Padrão elétrico para comunicação serial

GPIB - Tipo de protocolo para comunicação

HMI - humam machine interface

PWM - Pulse width modulation

I2C - Inter IC Control

LCD - Liquid Crystal Display

ADC - Analogic Digital Converter

RISC - Reduced Instruction Set Complex

USART - Universal Synchronous Asynchronous Receive Transmit

UART - Universal Asynchronous Receive Transmit

QFP - Quad Flat Package

RAM - Random Access Memory

JTAG - Joint Test Action Group

CPU - Central Processor Unit

MSP - Mixed Signal Processor

SPI - Synchronous Peripheral Interface

EIA - Eletronics Industries Alliance

ASCII - American Standard Code for Information Interchange

x

RESUMO

Diversas áreas da indústria são compostas por sistemas que envolvem

equipamentos geradores, conversores ou armazenadores de energia. Quando em fase de

desenvolvimento tanto os sistemas quanto os equipamentos precisam ser testados e

homologados, para tanto é uma prática comum a aplicação de cargas neste tipo de sistema

para que se possa simular várias situações práticas. Existem cargas podem ser puramente

resistivas, estas quando de alta potência possuem grandes dimensões físicas e praticamente

não são utilizadas em sistemas que utilizam testes com certo grau de automação. Uma

alternativa é o uso de cargas eletrônicas, que são equipamentos relativamente mais

compactos, com maior grau de flexibilidade e com recursos que permitem que os testes

sejam facilmente automatizados, este documento descreve o desenvolvimento de uma

carga eletrônica para corrente contínua que apesar de ter requisitos voltados a uma

aplicação especifica foi desenvolvida de forma a permitir maior flexibilidade e potencial de

utilização em áreas diversas.

1

1. INTRODUÇÃO

1.1. Considerações Iniciais

Grande parte dos equipamentos eletrônicos é alimentada por tensão contínua

e pode exigir diferentes níveis de tensão para que seus componentes sejam alimentados de

forma adequada, por este motivo há uma diversidade de componentes que constituem

circuitos de alimentação. Entre estes componentes encontram-se fontes de alimentação,

conversores DC-DC, reguladores de tensão e controladores de hot-swap, os itens citados

acima tem grande probabilidade de serem encontrados em placas para equipamentos

usados em telecomunicações, projetos de automação e na maioria dos circuitos eletrônicos.

Os dispositivos descritos até agora são integrantes geralmente de circuitos de

alimentação para equipamentos de pequeno e médio porte, a maioria com potência baixa,

de até 30 ou 40 watts.

Entre circuitos de alimentação há também equipamentos que possuem a

função de alimentar grandes sistemas como armários de telecomunicações, centrais

telefônicas ou até sistemas embarcados como no caso da parte elétrica de um carro, nestes

casos a potência pode chegar a valores muito elevados como 50 kW ou mais e passam a

fazer parte destes sistemas retificadores de tensão e bancos de baterias.

Todos estes componentes e sistemas quando em fase de desenvolvimento ou

quando se faz necessário algum tipo de alteração precisam ser testados e homologados.

Muitas vezes pode ser excessivamente trabalhoso, caro ou até mesmo impossível realizar

todos os testes necessários em campo, ou com sistemas completos como os que serão

utilizados na prática, portanto o que geralmente se faz é utilizar equipamentos que simulem

as cargas as quais os sistemas e circuitos serão submetidos durante sua utilização prática.

Para tanto pode-se usar cargas puramente resistivas, porém estas quando de alta potência

tornam-se fisicamente grandes, além de possuir menor flexibilidade para realizar testes

dinâmicos e dificilmente são utilizadas em testes que exigem certo grau de automatização.

Uma alternativa é a utilização de cargas eletrônicas, apesar de haver no

mercado diversos tipos de cargas eletrônicas de vários tamanhos e potências elas são

relativamente mais compactas do que as cargas puramente resistivas e podem chegar a

dissipar uma potência de 50 kW, são variáveis e podem ser controladas por uma interface

homem-máquina e geralmente têm disponível algum tipo de interface capaz de se

comunicar com outros equipamentos como RS-232, RS-485, GPIB e outras. Este tipo de

2

interface possibilita a automatização de testes, uma ferramenta que pode ser bastante útil

quando a carga é utilizada em aplicações especificas.

1.2. Objetivo do trabalho

O Projeto surgiu com a necessidade de se realizar testes em alternadores

automotivos, um sistema capaz de realizar testes de forma automatizada foi desenvolvido,

tal sistema pressupõe que esteja conectado a ele um equipamento que possa drenar corrente

do alternador, a corrente deve variar dependendo do tipo de teste que esta sendo realizado

no momento.

Partindo do pressuposto de que a aquisição de uma carga eletrônica

disponível no mercado e que cumprisse os requisitos do projeto inviabilizaria em termos de

custos a implantação do sistema de testes, a solução encontrada foi desenvolver uma carga

eletrônica.

Como foi observado que tal equipamento poderia com pouco esforço extra em

termos de desenvolvimento cumprir não só os requisitos desta aplicação específica, mas

também de várias outras aplicações, foi decidido que seria desenvolvido uma carga

eletrônica DC, que teria seus requisitos não só atrelados às necessidades dos testes em

reguladores automotivos mas que seria também dentro das possibilidades o mais flexível

possível para que ao final do desenvolvimento torne-se não apenas uma solução para esta

aplicação mas também um produto que possa ser utilizado em uma gama maior de

aplicações.

1.3. Parcerias

Para tornar viável o desenvolvimento deste projeto o autor o fez em parceria

com a empresa SyncTec. Durante o desenvolvimento de uma bancada para testes de

alternadores a SynTec constatou que havia necessidade de uma solução adequada para

drenar corrente dos alternadores ou baterias para que os testes fossem realizados de forma

satisfatória. Tal solução deveria possibilitar a variação da carga aplicada de acordo com o

teste que esta sendo realizado e, portanto estabelecer uma comunicação com o sistema de

testes para que este informe qual o valor da corrente que deve ser drenada em determinado

momento. Este foi o passo inicial para se começar a pensar no desenvolvimento de uma

carga eletrônica DC.

3

1.3.1.SyncTec Projetos e Automação

A SyncTec está localizada na cidade de Curitiba e atua no ramo de projetos

eletrônicos e de automação industrial desde 2002, entre os pontos fortes de seus serviços

está o desenvolvimento de sistemas de testes.

A empresa conta com laboratório de eletrônica devidamente equipado e tem a

disposição todos os recursos necessários para o desenvolvimento de um projeto desde

compiladores necessários para o desenvolvimento de firmware até fornecedores para

fotolitos e placas de circuito impresso.

Os recursos necessários para realizar o desenvolvimento de hardware,

software e firmware para o projeto foram disponibilizados ao autor pela empresa.

1.3.2.Gauss Indústria e Comércio de autopeças

A Indústria Gauss atua no ramo de componentes elétricos automotivos e vem

desenvolvendo projetos com a SyncTec já a algum tempo. Os projetos são na maioria

sistemas de teste e calibração dos componentes automotivos fabricados, entre os principais

projetos estão o teste automático de retificadores automotivos, e o teste/calibração

automático de reguladores automotivos.

A bancada para testes de alternadores automotivos foi um sistema inovador

para o qual surgiu a necessidade do desenvolvimento de uma carga eletrônica. Detalhes

desta aplicação serão expostos no capítulo aplicações.

A Gauss se dispôs a desenvolver a solução mecânica tanto para os módulos de

potência que são integrantes da carga eletrônica, quanto para o gabinete padrão rack 19

polegadas no qual o equipamento será acomodado.

4

2. EXEMPLOS DE APLICAÇÕES

O Autor teve a oportunidade de acompanhar algumas situações em que a

carga eletrônica em questão poderia ser utilizada resultando em ganhos para os sistemas,

estes sistemas tiveram suas características observadas e durante o desenvolvimento da

carga eletrônica seus requisitos foram levados em conta e resultaram no desenvolvimento

de recursos e funcionalidades da carga.

2.1. Bancada para testes de alternadores automotivos

Um dos focos de aplicação para a carga eletrônica foi a bancada de testes para

alternadores automotivos G-5000. Esta bancada constitui um sistema inovador para testes

de alternadores automotivos proporcionando testes práticos e automatizados.

Dentre os objetivos da bancada está o de simular o funcionamento do alternador em um

carro ou caminhão, para tanto há acoplado ao alternador um motor capaz de controlar a

rotação do mesmo e é necessário que haja uma carga variável que possa ser controlada

pelo sistema, para que seja simulada a carga de um veículo. São partes integrantes do

sistema também um banco de baterias e um monitor LCD que exibi os resultados dos

testes.

A G-5000 comunica-se com a carga eletrônica por meio de uma interface RS-232. A

Ilustração 1 é uma foto da G-5000, podemos notar do lado esquerdo uma carga resistiva

variável que foi adaptada temporariamente para que os testes fossem realizados. Como esta

carga é controlada manualmente assim também são feitos os testes, implicando em menor

precisão dos resultados e maior tempo

5

despendido.

Ilustração 1 – Bancada de testes de alternadores automotivos, G-5000.

2.2. Test Bed utilizado para desenvolvimento de um controlador de retificadores

6

Uma empresa conhecida e atuante no mercado de telecomunicações está

desenvolvendo um controlador de retificadores, tal equipamento é utilizado para gerenciar

circuitos de alimentação utilizados em telecomunicações. Os componentes básicos deste

sistema são retificadores, banco de baterias e o controlador de retificadores. O controlador

é um equipamento extremamente versátil, capaz de se comunicar com vários tipos de

retificadores e assegurar seu uso adequado de acordo com a carga a qual o sistema esta

submetido em determinado momento e de acordo com o tipo das baterias utilizadas no

sistema.

Para simular as cargas reais que seriam alimentadas por tal sistema pode-se

utilizar cargas eletrônicas e assim realizar testes em funções do controlador como o

compartilhamento de carga entre retificadores, drenar corrente do banco de baterias

fazendo com que sua tensão caia e verificar se o sistema inicia uma carga de baterias e

diversas outras funções.

A carga eletrônica por ser um equipamento flexível no qual o usuário pode

programar facilmente a corrente de entrada de acordo com sua necessidade tornaria o

sistema de testes muito prático e flexível. Na Ilustração 12 uma foto do test bed. Podemos

identificar a presença de retificadores na parte superior da imagem, bancos de baterias na

parte inferior e cargas resistivas à esquerda. Há também um painel com disjuntores

7

utilizado para conectar os retificadores, baterias e as cargas ao barramento DC.

Ilustração 2 – Test bed utilizado para testes e validação do controlador de retificadores.

8

3. METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO

Para tornar o desenvolvimento do projeto mais prático e ao mesmo tempo

otimizar o uso do tempo o projeto pode ser dividido em work packages, ou seja, áreas que

podem ser ativadas e validadas de maneira independente, realizando-se em determinado

momento a integração de todos os componentes.

Abaixo estão listados os work packages identificados pelo autor:

Adaptação da placa controladora aos requisitos do projeto e ativação de seus recursos;

Desenvolvimento da placa driver;

Acompanhamento do desempenho dos módulos de potência durante os testes;

Projeto do firmware para o microcontrolador na placa controladora;

Projeto do software de gerência para o equipamento.

Acompanhamento da solução mecânica.

No entendimento do autor a divisão proposta é importante, pois alguns dos

itens acima podem ficar por períodos de tempo bloqueados já que exigem recursos

externos, como a confecção de placas e fotolitos, o projeto mecânico e outros, em situações

deste tipo o autor pôde voltar seus esforços para outro ponto do projeto que podia ser

desenvolvido.

9

4. VISÃO SISTÊMICA

Neste capítulo é apresentada uma visão geral dos recursos de hardware do

sistema. Os diagramas tem por objetivo ilustrar apenas os principais sinais e suas funções,

portanto não são apresentados os circuitos elétricos.

O equipamento foi projetado de forma modular, a placa controladora é capaz

de controlar independentemente quatro módulos de potência. A configuração completa do

equipamento inclui uma placa controladora, quatro placas driver e quatro módulos de

potência. Caso seja necessária a retirada ou a desativação de qualquer um dos módulos, os

demais continuarão funcionando sem problema algum. Neste caso a potência total da carga

torna-se flexível e varia de acordo com o número de módulos que estão sendo utilizados.

Outras vantagens como a facilidade de manutenção e montagem, o controle

independente de cada módulo e a otimização de custos para determinadas aplicações que

demandam menor potência são conseqüências desta arquitetura.

Utilizando-se desta arquitetura o operador tem flexibilidade para configurar o

equipamento segundo suas necessidades. O funcionamento foi estruturado em quatro

grupos, os módulos são independentemente configurados em um dos quatro grupos ou não

configurados, o que faz com que sejam desativados. Por exemplo, se o operador deseja

disponibilizar toda a potência da carga para apenas uma fonte de energia ele pode

configurar os quatro módulos para operarem no mesmo grupo. Mais detalhes sobre esta

estruturação serão dados no capítulo 7.

4.1. Placa controladora:

10

......

RS-232

RS

-485

Ilustração 3 – Diagrama em blocos da placa controladora.

A placa controladora desempenha as funções de gerenciamento de carga,

HMI e interface da carga eletrônica com outros equipamentos.

4.1.1.Função gerenciamento de carga

A função gerenciamento de carga envolve os sinais utilizados para o controle

(saídas) e monitoramento (entradas) dos módulos de potência. Cada tipo de sinal está

brevemente descrito a seguir:

4.1.1.1. Acionamentos de relês

Na Ilustração 3 podemos observar a existência de sinais para acionamento de

relês. Os sinais de acionamentos de relês são saídas que controlam os relês das placas

driver. São quatro sinais, um para cada placa driver. Quando acionado o relê polariza os

circuitos necessários para a ativação dos módulos de potência, neste estado o sinal PWM

passa a controlar a corrente drenada pelo módulo, se o relê for desativado o módulo de

potência é desativado, não drena corrente, e o sinal PWM não surti nenhum efeito.

4.1.1.2. Porta PWM

A ilustração 3 mostra uma porta PWM. Na porta PWM são gerados os sinais

PWM que controlam a corrente drenada por cada módulo de potência. Nesta porta são

gerados 4 saídas PWM, uma para cada placa driver. Os sinais PWM são controlados de

11

forma independente e controlam a corrente drenada pelos módulos de potência de acordo

com o duty cicle do sinal PWM gerado. Uma informação detalhada sobre a programação

desta porta pode ser obtida no capítulo 6.

4.1.1.3. Conversor analógico digital

Na Ilustração 3 há um bloco de conversor analógico digital. Para utilização do

conversor analógico digital são disponibilizadas oito entradas analógicas de tensão. As

entradas de A0 a A3 foram utilizadas para realizar as leituras das saídas analógicas

provenientes dos sensores de corrente nas placas driver, estes sensores medem a corrente

drenada por cada módulo de potência As entradas de A4 a A7 foram utilizadas para

monitorar a tensão de entrada em cada módulo de potência.

4.1.1.4. Master I2C

Na placa controladora foi implementado um barramento I2C. Tal barramento

é utilizado para estabelecer a comunicação com os sensores de temperatura presentes nos

módulos de potência. Esse barramento oferece muita praticidade para este tipo de

aplicação, pois utilizando-se de apenas dois pinos do microcontrolador é possível se

comunicar com vários dispositivos I2C conectados em paralelo. Nesta solução o

barramento I2C é utilizado para que o microcontrolador possa se comunicar com quatro

sensores de temperatura, um em cada módulo de potência.

4.1.2.Função HMI

HMI é um termo comummente usado entre desenvolvedores e vem do inglês

Humam Machine Interface, ou seja, interface homem máquina. É através da HMI que o

operador poderá de forma manual ter acesso a menus de configuração, monitoramento,

controle da carga eletrônica DC.

Para este equipamento foi desenvolvida uma HMI muito simples e prática,

composta por um LCD, um teclado com seis botões e um rotaty encoder, um rotary

encoder é uma chave digital muito usada tanto em aparelhos de som, como em áreas

12

industriais e é um método muito prático quando se quer incrementar ou decrementar

valores.

4.1.3.Função interface

Os recursos de interface são utilizados para que a carga eletrônica possa ser

gerenciada por outros equipamentos, possibilitando assim a automatização de testes. Estão

disponíveis no hardware dois tipo de interfaces que podem ser utilizadas para estes

propósitos, uma RS-232 e uma RS-485, estas interfaces estão descritas abaixo.

4.1.3.1. RS-232

A interface RS-232 é uma interface full duplex utilizada para estabelecer

comunicação ponto a ponto. Para esta aplicação a interface RS-232 é utilizada para que a

carga possa estabelecer comunicação com o software de gerência ou para que a mesma seja

gerenciada por algum outro equipamento.

4.1.3.2. RS-485

A interface RS-485 é uma interface half duplex e é capaz de estabelecer

comunicação multi ponto. Apesar de esta interface estar disponível no hardware ela não

foi ativada por não ser necessária a nenhuma aplicação imediata. Esta interface poderia ser

utilizada, por exemplo em alguma aplicação onde fosse necessário conectar em paralelo

várias cargas eletrônicas e fosse utilizado o compartilhamento de corrente entre cargas,

apesar de esta ser uma aplicação interessante, no entendimento do autor seria um próximo

passo do projeto, talvez uma nova versão já que a implementação deste tipo de recurso

teria grande impacto no firmware e no hardware atual.

4.2. Placa driver e módulo de potência

Neste capitulo são descritos os sinais presentes na placa driver e no módulo

de potência.

13

Ilustração 4 – Diagrama em blocos módulo de potência + placa driver

4.2.1.Placa driver

Esta placa faz a interface do módulo de potência com a fonte externa sob teste

e também com a placa controladora, enviando e recebendo desta, sinais de gerência.

Na Ilustração 4 as flechas grandes vermelha e preta indicam os terminais de entrada e saída

de corrente da fonte externa, respectivamente.

A placa driver recebe da placa controladora dois sinais, o sinal de

acionamento do relê que ativa o módulo de potência e o sinal PWM, o sinal que é aplicado

na base dos transistores de potência é um sinal DC e varia de acordo com o duty cicle do

PWM.

São enviados para a placa controladora dois sinais analógicos, um é a saída do

sensor de corrente presente nesta placa e o outro uma amostra da tensão na entrada da

carga, estes sinais após condicionados são lidos pelo ADC.

É também através desta placa que a placa controladora se comunica com os sensores de

temperatura, já que a placa controladora não possui interface direta com os módulos de

potência.

4.2.2.Módulo de potência

O módulo de potência é uma placa muito simples da qual fazem parte apenas

os transistores TBJ de potência, resistores de potência, o sensor de temperatura e um

conector que faz a interface com a placa driver. Na Ilustração 4 a flecha vermelha indica os

coletores dos transistores que são conectados em paralelo, barramento positivo da fonte

externa, os emissores são conectados por meio de resistores de potência de baixa

14

impedância ao barramento negativo da fonte. As bases também todas em paralelo recebem

um sinal DC que varia de acordo com o duty clicle do sinal PWM, controlando assim a

corrente que é drenada pelo conjunto de transistores.

15

5. DETALHAMENTO DO HARDWARE E CONFIGURAÇÃO

Neste capítulo são apresentadas especificações do hardware, e alguns detalhes

de especificação do firmware, detalhes estes que impactam diretamente no hardware como

a configuração de dispositivos programáveis. Serão descritos também os circuitos

integrados utilizados e diagramas elétricos.

5.1. Placa controladora

5.1.1.Microcontrolador

O microcontrolador utilizado foi o MSP430F149 da Texas Instruments. Logo

abaixo alguns recursos deste dispositivo:

Pode ser alimentado com baixa tensão de 1,8 a 3,6 volts;

Arquitetura RISC de 16 bits;

Executa uma instrução de código a cada 125ns;

Dois timers de 16 bits;

Conversor analógico digital de 12 bits;

Duas interfaces de comunicação serial, USART;

Encapsulamento QFP de 69 pinos.

Memória flash de programa de 60 kbytes;

Memória flash de informação de 256 bytes;

Memória RAM de 2 kbytes;

Interface JTAG de programação em placa, regulamentada pela IEEE 1149.1;

Este microcontrolador é o que possui mais recursos em sua família. Tem 6

portas de 8 pinos cada, que podem ser configurados como entradas, saídas ou ainda para

executar uma função periférica do dispositivo, na ilustração 5 podemos observar

arquitetura e recursos.

16

O Microcontrolador é programado em placa através da interface JTAG que

pode ser usada também para emulação em tempo real. Possui entradas para dois cristais,

neste projeto foram usados um cristal de 8 MHz e um de 32 kHz. O cristal de 8 MHz é

utilizado como clock para CPU e o cristal de 32 kHz como referência para os timers.

5.1.2.Sinais PWM

Para que fosse possível gerar os sinais PWM o timer B foi configurado no

modo up e o modo de saída como Reset/Set. Com o timer B configurado desta maneira e a

porta 4 configurada para exercer sua função periférica os sinais PWM serão gerados na

porta 4. O período dos sinais PWM é configurado através do registrador TBCCR0 e o duty

cicle de cada um dos sinais é configurado independentemente através dos registradores

TBCCR1, TBCCR2, TBCCR3 e TBCCR4. Os modos de operação do timer B podem ser

observados na Ilustração 6.

Ilustração 5 – Arquitetura do microcontrolador

17

Ilustração 6 – Modos de operação do timer B.

Convém notar que no modo Reset/Set o registrador TBCL1 deve ser carregado com o

tempo que se deseja que o sinal permaneça em nível lógico alto, e o registrador TBCL0

deve ser carregado com o período do sinal.

Este modo de geração de sinais PWM é muito útil, pois, depois de configurado

ele passa a atuar por hardware e não utiliza processamento da CPU, possibilitando assim

que os quatro sinais sejam controlados de forma independente sem que haja perda de

desempenho da CPU.

Os quatro sinais PWM gerados na placa controladora passam por um buffer e

são transmitidos para a placa driver.

5.1.3.Sinais para acionamentos de relês

Os sinais de acionamentos de relês estão localizados na porta 5 e os pinos

estão configurados como saídas. Como as saídas do MSP são de 3,3V, que é tensão de

alimentação do chip, e os relês utilizados são acionados por 12V , um ULN2003 foi

usado para realizar a interface. O ULN2003 é um array de transistores integrado. Quando

18

as entradas estão em nível lógico 1 as saídas são chaveadas para o terra, quando as entradas

estão em nível lógico 0 as saídas ficam em coletor aberto. O circuito do relê será

apresentado no capítulo sobre a placa driver.

5.1.4.Conversor analógico digital

O Microcontrolador é equipado com um conversor analógico digital de 12

bits. O conversor possui oito entradas analógicas externas que são multiplexadas

internamente. No caso da carga eletrônica DC as entradas de A0 a A3 são utilizadas para

leitura das saídas dos sensores de corrente e as entradas de A4 a A7 são usadas para medir

a tensão de entrada nos módulos de potência.

Todas as entradas analógicas possuem um circuito para o condicionamento do

sinal e proteção das entradas, conforme o circuito da Ilustração 7.

R2

R1

C1D2

D1

VDD

Sinal externo Entrada analógica

Ilustração 7 – Circuito de condicionamento e proteção para entradas analógicas

Os diodos D1 e D2 são diodos schottky, ou seja, de condução rápida e baixa

queda de tensão quando polarizados diretamente. Os resistores R1 e R2 são resistores com

precisão de 1% para minimizar erros nas medidas.

Os resistores R1 e R2 são ajustados de maneira que a máxima amplitude

esperada do sinal externo não ultrapasse na entrada analógica o valor de VDD que é a

tensão de alimentação do MSP e a referência para o ADC. Caso alguma perturbação ocorra

no sinal externo e ele assuma um valor maior que VDD, o diodo D1 conduzirá e a tensão

na entrada analógica será pouco maior do que VDD. Caso o sinal externo assuma um valor

negativo o diodo D2 passará a conduzir protegendo a entrada analógica.

19

O capacitor C1 é um capacitor de aproximadamente 100nF e sua função é

implementar um filtro passa baixas, evitando que perturbações indesejadas de alta

freqüência no sinal externo ocorram na entrada analógica.

O ADC foi programado para operar no modo para converter repetidamente

uma seqüência de canais, O primeiro canal da seqüência é A0 e o último A7. Assim que é

terminada uma seqüência de conversões uma outra é iniciada, mantendo sempre atualizadas

as medidas de tensão e corrente de cada módulo.

5.1.5.Interface USART

Como já foi dito o MSP430F149 é equipado com duas interfaces USART,

universal synchronous/asynchronous receive/transmit, que são utilizadas para

comunicação serial de dados. Para a família na qual se encontra o MSP430F149 esta

interface pode ser configurada para operar no modo SPI ou no modo UART. Em outras

famílias do MSP430 ela pode ser configurada também no modo I2C.

O modo SPI, Synchronous Peripheral Interface, é utilizada para conectar o

MSP a um sistema externo através de três ou quatro fios, sendo que um deles é o sinal de

clock, já que esta é uma interface síncrona. Este modo não foi utilizado no projeto.

O Modo I2C, Inter IC Control, possibilita uma interface entre o MSP e

dispositivos gerenciáveis via interface I2C, através do barramento de dois fios I2C. Como

este modo de operação não está disponível no MSP430F149 e a interface I2C é necessária

para que o MSP se comunique com os sensores de temperatura. Este modo de operação foi

emulado em dois pinos de entrada/saída do MSP e sua utilização será descrita

posteriormente.

O modo UART, universal asynchronous receive/transmit, é utilizado para

conectar o MSP a um sistema externo através de apenas dois fios: um transmissor e um

receptor. Como é uma interface assíncrona, transmissão e recepção são eventos

independentes e não há um sinal de clock para sincronizar os dois sistemas. Portanto para

que a comunicação funcione os dois sistemas precisam operar com as mesmas

configurações. Este modo foi usado para implementar as interfaces RS-232 e RS-485.

5.1.5.1. Interface RS-232

20

A EIA, Eletronics Industries Alliance, padronizou no RS-232 apenas as

características elétricas dos sinais e a numeração dos pinos. O conector tipo D, o uso de

código ASCII, o formato dos dados e a comunicação assíncrona não são parte do RS-232,

apesar de serem comumente utilizados.

O padrão RS-232 estabelece comunicação serial com dois fios, full duplex,

ponto a ponto. No modo de comunicação UART, caracteres são enviados um a um como

um conjunto de bits. A codificação mais comumente usada é o start-stop assíncrono que

usa um bit de inicio, seguido por sete ou oito bits de dados, possivelmente um bit de

paridade, e um ou dois bits de parada sendo, então, necessários 10 bits para enviar um

caractere. Na Ilustração 8 podemos observar o formato do caractere UART.

Ilustração 8 – Formato do caractere RS-232.

Para este projeto a UART foi configurada para uma taxa de transmissão de

9600 bits por segundo, paridade ímpar, um stop bit, e oito bits de dados.

Como os níveis lógicos na USART do MSP e no padrão RS-232 são diferentes um circuito

integrado foi usado para realizar o condicionamento do sinal.

Na USART o nível lógico 1 é +3,3V e o nível lógico 0 é 0V, enquanto no sinal RS-

232 o nível lógico 1 é -10V e o nível lógico 0 é +10V. O transceiver MAX232 da

MAXIM faz a conversão do sinal tanto do lado do microcontrolador quanto do lado

externo. Na Ilustração 9 podemos observar o circuito integrado MAX232 e seu diagrama

interno.

21

Ilustração 9 – MAX232

5.1.5.2. Interface RS-485

A EIA, Eletronics Industries Alliance, padronizou no RS-485 apenas as

características elétricas do transmissor e receptor e não especifica ou recomenda nenhum

tipo de protocolo. RS-485 possibilita configuração de uma rede local barata e links de

comunicação multi ponto. A interface oferece altas velocidades na transmissão de dados,

35Mbits/s até 10m e 100kbits/s até 1200m. Como são usadas linhas de transmissão

diferencias balanceadas, podem alcançar longas distâncias.

Ilustração 10 – CI SN75176

A Ilustração 10 mostra o transceiver bidirecional SN75176 utilizado para

implementar uma rede RS-485 utilizando-se a interface USART do MSP.

22

Como podemos notar na figura, as linhas de transmissão A e B são linhas de transmissão

diferencias balanceadas. O que define o nível lógico do dado é a diferença de tensão entre

as linhas. A diferença deve ser de pelo menos 0,2V e a tensão aplicada nas linhas pode ser

de -10V a +15V. Os pinos DE e RE habilitam transmissão e recepção respectivamente e

podem ser conectados juntos e utilizados como direção de comunicação. Os pinos D e R

são transmissor e receptor do lado do MSP, respectivamente.

5.1.6.Master I2C

Uma interface I2C é necessária para que o MSP se comunique com os

sensores de temperatura. Como a USART do MSP430F149 não permite configuração no

modo I2C esta interface foi emulada utilizando-se dois pinos do MSP. Como já foi dito, a

interface I2C estabelece comunicação síncrona entre dispositivos através de dois fios. Em

uma rede I2C sempre há um dispositivo master e um ou vários dispositivos slave. Os dois

fios são conectados a todos os dispositivos formando um barramento. Cada dispositivo

slave é identificado por um endereço configurado por hardware . Assim o máster pode se

comunicar com qualquer um dos slaves independentemente enviando no barramento o

endereço do dispositivo com o qual deseja se comunicar. Um dos pinos é o pino de dado.

Este pino é bidirecional, portanto usado para a transmissão de dados tanto pelo máster

quanto pelos slaves. O outro pino é o pino de clock e é controlado pelo máster.

Apesar de cada dispositivo possuir seus próprios comandos, a maneira como estes

comandos são enviados é padrão e segue o seguinte esquema:

O dispositivo máster ajusta a condição inicial;

O dispositivo máster envia 7 bits de endereçamento;

O dispositivo máster envia o oitavo bit que indica que será feita uma operação de escrita

ou leitura.

O dispositivo slave envia um sinal de ACK;

O dispositivo máster/slave envia pacotes de 8 bits de dados sempre aguardando um ACK

do dispositivo slave/máster confirmando a recepção.

Caso seja o último pacote, o dispositivo máster encerra a comunicação.

Na Ilustração 11 podemos observar o diagrama deste protocolo.

23

Ilustração 11 – Protocolo I2C.

5.1.7.Display

Para o projeto da HMI foi utilizado um display alfa-numérico de 2 linhas e 20

colunas. O LCD é utilizado para que o operador possa configurar manualmente o

equipamento, navegar entre os menus e fazer leituras de medidas.

Na Ilustração 12 podemos ver parte do circuito usado para fazer a interface

entre o MSP e o LCD.

24

Ilustração 12 – Interface entre MSP e LCD.

Para a interface com o display são usados sinais de controle e sinais de dados.

Os sinais de controle são unidirecionais, apenas do MSP para o LCD. Como o

LCD é alimentado com 5V e não identifica sinais de 3,3V, que é a tensão de alimentação do MSP,

como sendo nível lógico alto, um buffer foi utilizado para fazer a interface. O buffer

identifica os sinais do MSP de 3,3V em sua entrada como sendo nível lógico alto e como é

alimentado com 5V, coloca na saída 5V que é o nível adequado ao LCD.

Os sinais de dados ocupam uma porta do MSP e são bidirecionais, ou seja,

são utilizados tanto pelo MSP quanto pelo LCD para o envio de dados. Para fazer a

interface foi utilizado um buffer bidirecional. A direção do buffer é controlada pelo sinal

R/W ( read/write), através do qual o MSP indica se será feita uma operação de escrita ou

leitura no LCD. Quando está sendo feita uma escrita, os sinais de 3,3V do MSP passam

para o lado do LCD com 5V. Quando é feita uma leitura, os sinais de 5V do LCD passam

para o lado do MSP com 3,3V. Neste caso a porta do MSP é configurada como leitura.

O potenciômetro P1 é utilizado para ajustar o contraste do LCD.

5.1.8.Teclado

LCD_RSLCD_R/WLCD_E

LCD_D0LCD_D1LCD_D2LCD_D3LCD_D4LCD_D5LCD_D6LCD_D7

VCC

{LCD

VEE

VCC

OE1

A12 Y1 18

A24

Y216

A36

Y314

A48

Y412

VDD20

GND10

U1AMC74HC244AN

{

Dados

LCDControle

VDD >>>>> VCC

P1

50k

VCC

A13

GN

D1

1G

ND

12

GN

D1

3

B814

B715

B616

B517

B418

B319

B220

B121

DIR2

VD

D2

3

VD

D2

4

A24

A3 5A4

6A57A68

A7 9A8

10

VC

C1

U3 SN74LVC4245A

VCCVDD

VDD <<<>>> VCC

VSS1

VDD2

VL3

RS4

R/W5

E6

D07

D18

D29

D310

D411

D512

D613

D714

A15

K16

DPY1

DISP LCD OCM-162

VCC

25

Para possibilitar ao operador navegar entre os menus foi projetado um teclado

com seis botões. O circuito para o teclado é bastante simples e pode ser observado na

ilustração 13.

Ilustração 13 – Circuito do teclado.

Quando uma das teclas é pressionada o nível lógico no pino do MSP

configurado como entrada passa a ser 1 identificando que a tecla foi pressionada.

Considerações sobre como o teclado é lido serão feitas no capítulo 7.

5.1.9.Rotary encoder

Para facilitar algumas funções de navegação foi incluído na HMI um rotary

encoder, que é uma chave digital giratória com dois pinos de saída, através

dos quais o firmware é capaz de identificar para que lado o rotary encoder está sendo

girado. O rotary encoder é usado por funções onde há valores que precisam ser

configurados pelo usuário. Quando o usuário gira para a direita o valor é incrementado e

quando gira para a esquerda o valor é decrementado.

5.2. Placa driver

S1 SW-PB

S2 SW-PB

S3 SW-PB

S4 SW-PB

S5 SW-PB

S6 SW-PB

VDD

4K7R12

4K7R13

4K7R14

4K7R15

4K7R16

4K7R17

S6S5S4S3S2S1

EntradasDigitaisTeclado

}

26

A placa driver é mecanicamente acoplada no módulo de potência através de

um conector de potência e comunica-se com a placa controladora através de um cabo flat.

O circuito básico driver de corrente está representado na ilustração 14.

1

2

3

Q2BC337

P1Pot 1

470uF

C1

12V

2

1

3

Q1TIP-142

R5

4k7 R63k9

R210R

R41k5

RLY1

RELAY-SPDT

12V

R3

100R

R14k7

12V

D11N4148

R710R

Sinal PWM

Acionamento

VCC

VCC1

GND2

OUT3

Ip+ 4

Ip- 5

U1

ACS750xCA-1002

1

3

Q3

2

1

3

Q4

1

CN2

CON-01

1

CN1

CON-01

Saída sensor

Fonte +

Fonte -

MóduloDePotência

Ilustração 14 – Circuito driver de corrente

Para explicar o funcionamento do circuito é necessário fazer algumas

considerações:

O relê RLY1 é usado para polarizar Q1;

Q1 trabalha na região ativa;

Q2 trabalha em corte e saturação;

Q3 e Q4 exemplificam a arquitetura do módulo de potência;

U1 é um sensor de corrente;

R2 e R7 são resistores de potência;

O equipamento sob teste é conectado entre os terminais CN1 e CN2.

Consideremos primeiro a situação em que há um sinal de zero volts na base

de Q2, PWM com duty cicle de 0%.Qquando RLY1 for acionado ele polarizará o circuito de

Q1, e Q1 terá em sua base aproximadamente 8,5V,que é a tensão no divisor resistivo entre

R4 e R6. Esta é a condição em que Q1 terá a maior tensão em sua base e assim fornecerá o

27

máximo de corrente para as bases dos transistores do módulo de potência que por sua vez

conduzirão a corrente máxima.

Consideremos agora que um sinal de nível lógico 1, PWM com duty cicle de

100%, é aplicado na base de Q2. Q2 entrará no modo de saturação e o circuito se

comportará como se o resistor equivalente entre R3 e P1 fosse colocado em paralelo com

R6. Isto fará com que a resistência equivalente em R6 diminua e juntamente com ela a

tensão na base de Q1. Nesta situação a tensão na base de Q1 chega ao seu valor mínimo e

deve fazer com que Q1 entre em corte e, portanto pare de fornecer corrente aos transistores

do módulo que potência que também entrarão em corte.

A função do sinal PWM aplicado na base de Q2 é fazer com que a tensão na

base de Q1 varie entre o valor máximo e o valor mínimo, controlando a corrente que está

sendo drenada pelo módulo de potência.

Para que a tensão na base de Q2 não fique alternando entre o valor máximo e mínimo o

capacitor C1 de valor elevado é colocado em paralelo com R6. E le evita variações de alta

freqüência na tensão e faz com que ela fique estável em um valor intermediário

dependendo do duty cicle do PWM.

Para ilustrar o funcionamento do circuito, admitimos que um sinal PWM como

o da ilustração 15 é aplicado na base de Q2. Q uando o sinal está em nível 1, Q2 satura

aplicando em C1 o valor mínimo de tensão. Quando o sinal vai para nível 0 Q2 entra em

corte e C1 fica exposto ao valor máximo de tensão. Variando-se o duty cicle do PWM

variamos o tempo que C1 fica exposto ao valor máximo e mínimo de tensão e após alguns

períodos T o capacitor se carrega com uma tensão entre o máximo e o mínimo.

T

1

0

Ilustração 15 – Exemplo de sinal PWM.

Em série com o módulo de potência é colocado um sensor de corrente que

funciona como uma realimentação para o sinal PWM. Quando a corrente atual no módulo

de potência é menor que a desejada, diminuímos o duty cicle do sinal PWM, o que causa um

aumento de corrente. O sensor de corrente é lido novamente e o procedimento repetido até

que se atinja a corrente desejada.

28

A Ilustração 16 é uma foto de osciloscópio. O sinal DC na parte superior é o

sinal na base de Q1 e tem seu valor medido na parte inferior da figura como Vbase(2)

1,75V. O sinal PWM é o sinal aplicado na base de Q2 e tem seu duty cicle medido como

duty cicle(1) 45,33%. Podemos compará-la com a Ilustração 17, onde o duty cicle do sinal

PWM foi diminuído para 18,66 %, causando um aumento na tensão na base de Q1 para

2,68V e consequentemente um aumento na corrente do módulo de potência.

Ilustração 16 – Tensão de base e sinal PWM

29

Ilustração 17 - Tensão de base após alteração no duty cicle.

5.3. Módulo de potência

A arquitetura do módulo de potência já foi apresentada na ilustração 14.

Para o módulo de potência utilizado atualmente são usados oito transistores

de potência cujas características estão Ilustradas na tabela 1.

Tabela 1 - Valores máximos de operação do TBJ de potência Parâmetro Valor Unidade

Tensão coletor-emissor 140 [V] dc

Corrente de emissor 25 [A] dc

Potência a 25ºC 250 [W]

Queda acima de 25ºC 1,43 [W/ºC]

Temperatura de operação -60 a +200 [ºC]

Na tabela 1 podemos observar que a potência máxima dissipada pelo

transistor varia de acordo com a temperatura do mesmo. Isto é controlado no firmware

lendo o sensor de temperatura e calculando-se qual a potência máxima do transistor em

30

dado instante. Caso esta potência seja excedida, o usuário recebe um alarme e a corrente no

módulo é automaticamente diminuída.

A Ilustração 18 é uma foto do módulo de potência, junto com a placa driver.

Para aumentar a troca de calor entre os transistores e o ar, eles foram parafusados ao

dissipador e, com intuito de aumentar a condução de calor entre os transistores e o

dissipador, a área entre eles foi coberta por paste térmica. Dentro do equipamento os

módulos são posicionados lado a lado na frente de ventiladores que realizam a convecção

forçada, aumentando a dissipação de calor.

Ilustração 18 – Foto Módulo de potência e placa driver.

31

6. ESTRUTURAÇÃO DO FIRMWARE

Neste capítulo será apresentada a estrutura básica do firmware e o modo

como foram projetadas as principais funções.

6.1. Estruturação dos dados

As principais variáveis utilizadas foram implementadas na forma de

estruturas. C ada módulo e cada grupo tem três tipos básicos de estruturas: estruturas de

alarmes, estruturas de medidas e estruturas de configuração.

Estes três tipos de estruturas não contém os mesmos tipos de variáveis para módulos e

grupos, porém sua função principal é a mesma.

Estruturas de alarmes contêm as variáveis utilizadas pelos alarmes como flags

e histerese de cada tipo de alarme.

Estruturas de medidas contem todas as medidas de determinado módulo ou

grupo, como corrente, tensão, temperatura e potência. As medidas dos grupos são obtidas

sempre a partir das medidas dos módulos que estão operando naquele grupo. Para isso

existe uma função no loop principal do firmware que verifica em que grupo os módulos

trabalham e realiza a atualização das medidas dos grupos. Caso o software de gerência do

equipamento estiver sendo usado, o MSP envia periodicamente para o software as

estruturas de medidas e as estruturas de alarmes.

Estruturas de configuração contêm os parâmetros configuráveis, como

máxima tensão, máxima corrente, grupo de trabalho e outras. As estruturas de

configuração podem ser alteradas pelo usuário e a cada alteração realizada elas são salvas

na memória flash de informação do MSP que é recuperada cada vez que o equipamento é

ligado. Caso o software de gerência estiver sendo usado, o usuário pode dar um comando

para que o software leia as configurações atuas no equipamento e caso o usuário queira

alterá-las, pode fazê-lo e depois executar um comando para que o software envie ao

equipamento as novas configurações.

6.2. A estrutura MMI

32

Com o intuito de facilitar a implementação dos diversos menus nos quais o

usuário pode navegar utilizando o teclado e, para que o firmware ficasse bem claro e

estruturado, as funções de HMI foram projetadas seguindo o modelo MMI. MMI significa

main machine interface e é basicamente uma máquina de estados. Toda tela do display é

um estado na máquina de estados e em cada estado as teclas têm uma função diferente que

está definida dentro daquele estado, o que permite ao usuário navegar entre estados. A cada

60m uma função denominada MMI é chamada no loop principal. Uma das vantagens deste

tipo da estrutura é que não é preciso fazer o debounce das teclas de forma independente, já

que a própria estrutura o faz. Observe na Ilustração 19 o fluxograma desta função.

Ilustração 19 – Fluxograma função MMI

6.3. A função Main

33

A função Main é o loop principal do firmware, um loop infinito. Na função

Main são executadas as funções de alto nível do firmware. Estas funções podem ser

observadas na Ilustração 20.

MAIN

Inicializa máquina de estados

Flash já foi gravada?

Lê configuração da flash

Carrega configuração padrão

Salva na flash

Configura Sensores de temperatura

Configura alarmes

Módulo presente?

Calibra sensor de corrente do módulo

Loop Infinito

Contador MMI estourou?

Executa MMI

Atualiza variáveis de medidas dos grupos

Atualiza sinal PWM

Controla Tensão, corrente, potência e

temperatura dos módulos

Controla Tensão nos grupos

Atualiza Leituras de temperatura

Flags de comunicação setados?

Próximo módulo

Próximo módulo

SIM

NÃO

Executa funções de comunicação

NÃO

SIM

NÃO

SIM

NÃO

SIM

34

Ilustração 20 – Fluxograma da função MAIN

35

7. SOFTWARE DE GERÊNCIA

O software de gerência foi desenvolvido em plataforma LabWindows e se

comunica com o equipamento através de uma interface RS-232. O objetivo do software de

gerência é permitir a configuração prática e fácil do equipamento, bem como a leitura de

medidas de forma simplificada. O protocolo de comunicação usado entre o equipamento e

o software de gerência pode também ser implementado em qualquer outro equipamento

externo que necessite gerenciar a carga eletrônica. Para ilustrar a facilidade oferecida pelo

software de gerência podemos observar a ilustração 21, uma cópia da tela de configuração

dos grupos. Em uma única tela o usuário pode, através de um comando carregar, as

configurações atuais da carga eletrônica, alterá-las se desejar e em seguida enviar a nova

configuração à carga. Um processo que seria com certeza mais trabalhoso de ser feito

através da HMI, que possui recursos limitados.

Ilustração 21 – Tela de exemplo do software de gerência

36

8. ANÁLISE DE CUSTOS

A Tabela 2 é uma estimativa de custos para o equipamento, lembrando que os

custos para produção podem ser reduzidos.

Tabela 2 - Estimativa de custos para o equipamento Componente Quantidade/Equipamento Custo aproximado

Módulo de potência 4 R$ 130,00

Placa driver 4 R$ 30,00

Placa controladora 1 R$ 150,00

Mecânica 1 R$ 200,00

Total R$ 990,00

Na tabela 3 os preços das cargas eletrônicas Agilent com características

similares as do produto desenvolvido, lembrando que os preços estão em dólares e não são

levados em conta os impostos de importação.

Comparando as tabelas 2 e 3 podemos ver que o equipamento é

economicamente muito mais acessível do que as cargas que seriam adquiridas caso o

equipamento não tivesse sido desenvolvido.

Tabela 3 - Custo das cargas eletrônicas Agilent

Product GPIB Type Input Voltage Input Current Power Price *

N3300A Yes Mainframe 0-240 V 0-360 A 1,800 W from US$ 2,312

N3301A Yes Mainframe 0-240 V 0-120 A 600 W from US$ 1,965

Considerando que não é o objetivo do projeto implementar todos os recursos

disponíveis em cargas eletrônicas no mercado, mas sim apresentar uma solução

economicamente acessível e que cumpra os requisitos dos testes realizados, o custo do

projeto ficou entre os valores esperados e pode ser absorvido pelos clientes nos quais o

desenvolvimento foi focado.

37

9. CONCLUSÃO

Durante o processo de desenvolvimento o autor adquiriu conhecimento e

familiaridade com as áreas envolvidas no projeto. O protótipo desenvolvido serviu para

validar as idéias do projeto, para a realização de testes e constatações práticas. Permitiu

também o desenvolvimento do firmware e a validação do software de gerência. O protótipo

será posteriormente integrado à bancada de testes de alternadores e apresentado à empresa

Gauss que avaliará se todas as funcionalidades necessárias à sua aplicação foram

implementadas. Dado o caráter flexível que o equipamento adotou, aplicações em áreas de

geração de potência para telecomunicações, testes de fontes e testes de equipamentos

automotivos tornaram-se viáveis. A partir do que foi exposto acima, o autor pode-se concluir

que o objetivo do projeto foi cumprido e os obstáculos encontrados durante o

desenvolvimento superados com sucesso.

Uma próxima etapa seria realizar um re-layout da placa controladora para

adaptá-la a este novo perfil do projeto. Na opinião do autor alguns recursos poderiam ser

adicionados ao equipamento como sinais para verificar a conexão entre placas, relês

poderiam ser instalados na placa controladora com o intuito de p a r a controlar o

acionamento dos ventiladores. Também poderia ser instalado um relé onde o usuário possa conectar

um alarme externo como uma lâmpada ou uma sirene. Finalmente um buzzer poderia ser

adicionado ao circuito para gerar um alarme sonoro de modo a chamar rapidamente a

atenção do operador.

38

10. BIBLIOGRAFIA

[01] SEDRA, Adel e SMITH, Kenneth. Microeletrônica. Editora Makron Books.

2000. São Paulo.

[2] ZELENOVSKY, Ricardo e MENDONÇA, Alexandre. PC: Um Guia Prático de Hardware e Interfaceamento. 2002. Rio de Janeiro. [3] SCHILDT, Herbert. C completo e total. Editora Makron Books. 1997. São Paulo.

[4] Granberg, Tom. Handbook of digital techniques for high speed design. Editora Prentice

Hall. 2004.