Dispositivos de E/S para Sistemas Embarcados

Remy Eskinazi Sant´AnnaGRECO – Cin - UFPE

Agenda da Apresentação

Introdução aos sistemas analógicos Sensores Atuadores Conversão AD e DA

Dispositivos de entrada e Saída e mecanismos de tratamento

Leds e Displays Chaves e teclados Opto Sensor e Opto isolador Motor contínuo e de Passo

Introdução aos sistemas analógicos

Sensores: São dispositivos que apresentam sensibilidade a algum tipo de grandeza física:

Pressão Temperatura Proximidade Umidade Luminosidade ...

Diagrama básico de operação

Sensores e Atuadores

Exemplos de sensores: Cilindro Pneumático (Ex.: Indutivo); Sensores de distancia (Proximidade); Lineares Encoders Fotosensores; Termopares; ...

Sensores Contínuos

Sensores Discretos

Sensores Lineares

Sensores Lineares Ópticos

Sensores Rotativos Ópticos (Encoders)

Exemplo: Sensor de Pressão indutivo

Exemplo: Sensor de Pressão Piezelétrico

Sensores Piezoresistivos (Strain Gages)

Atuadores

Dentro de uma malha de controle ou sistema embarcado, o elemento final de controle, que tem por objetivo reposicionar uma variável, de acordo com um sinal gerado por um controlador, é chamado de atuador, pois atua diretamente no processo, modificando as suas condições

Atuadores

Tipos de Atuadores Hidraulicos; Pneumáticos Elétricos

Relés Resistores; Eletroímãs; Lâmpadas; Alarmes sonoros Motores CC e de Passo

Atuadores usados em Robótica (Garras)

Atuadores Paralelo

Garra três dedos

Garra articulada

Garra por sucção

Conversores A/D e D/A

Porque Converter?

Grandezas físicas (pressão, umidade, temperatura, luz) são intrinsecamente Analógicas;

Métodos de processamento, transmissão, processamento, visualização e armazenamento são mais eficientes sob a forma digital;

Freqüentemente após o processamento ou transmissão, o sinal é necessário sob a forma analógica.

Teorema da Amostragem

Teorema da Amostragem: Ts ½ fm

Exemplo de circuito Sample and Hold

+

-

VC

-

VS

+ VO

+

-

+

-

Multiplexação por divisão de Tempo

Quantização

a) Sinal M(t)

b) Característica de E/S do quantizador

c) A saída do quantizador (Linha cheia)

Quantização

Supondo:

Sinal pico a pico = R

Níveis de quantização = Q

Salto (Step) S = R/Q

Conclusão: Menor erro possível = S/2

Posicionamento do quantizador em relação ao range R

Quantização

Notação complemento 2

Conversores A/D e D/A

Técnicas de Conversão

Conversores D/A: Malha resistiva ponderada Malha resistiva R-2R (Escada)

Conversores A/D: Flash Contador Aproximação sucessiva Dupla inclinação

Conversor D/A de Malha Ponderada

R

R/2

R/4

R/8

..

.R/2N

D0

D1

D2

D3

DN -1

Entrada Digital

Iout

Iout = Vref/R + 2Vref/R + 4Vref/R + 8Vref/R + … + 2nVref/R

Iout = Vref. ( 1/RD0 + 2/RD1 + 4/RD2 +8/RD3 +… + 2n/RDn-1 )

Conversor D/A de Malha R-2R

Conversor Malha R-2R

R R R R R

D0 D1 D2 D3

2R 2R 2RVout

R R R R

Especificações para conversores D/A

Resolução No de bits de um conversor => No de Tensões (Correntes) de

saída Linearidade

Incrementos numéricos iguais => Incrementos iguais na saída Precisão

Diferença entre a tensão obtida e aquela que seria ideal Tempo de acomodação

Intervalo compreendido entre o instante de variação de entrada e o instante em que a saída se aproxima o suficiente do seu valor final.

Conversores A/D e D/A

Características importantes: linearidade e precisão

000

001

010

011

100

101

110

111

0 1 2 3 4 5 6 7

Conversores A/D

Mais complexos que conversores D/A Geralmente utilizam um D/A para conversão

final Principais parâmetros: Precisão e

velocidade

Conversor A/D Flash

Conversor A/D de Dupla inclinação

Técnica de aproximação sucessiva Algoritmo:

Conversor de Aproximação sucessiva

Técnica de aproximação sucessiva

•Circuito:

Conversores AD e DA

Características importantes:

Resolução - Relacionada com o numero de bits do conversor

Precisão - Valor convertido corretamente Linearidade - relacionada com a precisão Monotonicidade – Incremento da tensão =>

Incremento na saída digital Formato – Tipo do código fornecido

Conversor ADC679

Conversor ADC679

Tabelas Funcionais:

Conversor ADC679

Tabelas Funcionais:

Conversor ADC679

Tabelas Funcionais:

Conversor ADC679 - Exemplo de Interfaceamento

RD

WR

RST

P07|

P00

P27|

P20

8051FPGA

ADC 679

‘373

D7

|

D0

SCCSOEEOCENHBEEOCSYNC

Leds e Displays

LED – Light Emitter Diode

+-

Leds e Displays

Display de 7 segmentos

a b c d e f g pda

b

c

d

e

fg

pd

Displays LCD

São periféricos ativos e independentes (possuem controlador próprio) que permitem a interligação com outros sistemas através de um barramento de dados de modo a receber caracteres ou gráficos que deverão aparecer no display.

Displays LCD Gráficos

LCD Gráficos Resolução por Dot Pixel:

128 x 32; 128 x 64; 240 x 64; 240 x 128;

20 pinos/conexão

Displays LCD Alfanuméricos

Especificados por Colunas Linhas

Ajuste de contraste Iluminação (Backlight opcional)

Displays LCD Alfanuméricos

Pinagem para módulos LCDs disponíveis:

Displays LCD

.

.

.

Data bus

R / W

InterfaceControlador

LCD

C / D

RAM Caracteres / Pontos

. . .

Exemplo de interfaceamento com microcontrolador 8051

RD

WR

RST

A0A1

CS

D7|

D0

RD

WR

RST

P07|

P00

P27|

P20

PA7

|

PA0

80518255

LCD

‘373

A15

|

A2

RS R/W E

D7

|

D0

PB0PB1PB2

Instruções utilizadas freqüentemente

Endereços dos caracteres na DDRAM

Chaves Mecânicas

1

0

Circuito Anti bounce 1

Circuito Anti bounce 2

Teclado Mecânico

F

E

D

C

B

A

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0P1.0

P1.3

P1.4

P1.7

Algoritmo: Tecla = Peso + Deslocamento

P1.4 = 0 => Peso 0P1.5 = 0 => Peso 4P1.6 = 0 => Peso 8P1.7 = 0 => Peso 12

P1.0 = 0 => deslocamento 0P1.1 = 0 => deslocamento 1P1.2 = 0 => deslocamento 2P1.3 = 0 => deslocamento 3

Teclado Mecânico: Algoritmo de codificação

INICIO

P1.4 0

Peso = 0

Subrotina Tecla

Tecla?

(A FF?)

Shift Bit Esq P1

Peso = Peso+4

Peso = 16?

RET

Subrotina Tecla

P1.0 = 0 ? Tecla = Peso + 0

P1.1= 0 ? Tecla = Peso + 1

P1.2 = 0 ? Tecla = Peso + 2

P1.3 = 0 ? Tecla = Peso + 3

RET

1

1

1

Tecla?

N

S

S

S

S

S

N

N

N

N

N

S

S

N

Motor de Passo

Motor de Passo: Acionamento com passo completo

•Gasta menos energia •Gira mais rápido •É mais simples •Possui menos torque •Possui menos precisão

Motor de Passo: Acionamento com passo completo

•Gasta o triplo de energia •Gira mais devagar •É mais complexo •Possui 1.4 vezes mais torque •Possui o dobro da precisão

Motores CC

Motores CC

Referencias Sensores:

http://www.senaiformadores.com.br/Cursos/01/unidade/uni3_aut4.htm Atuadores:

http://www.dee.bauru.unesp.br/~marcelo/robotica/Robot6.htm

Conversores AD e DA: Taub & Schling, Eletrônica Digital, McGraw Hill

Motores de Passo http://users.hotlink.com.br/rmenezes/informa/mpasso/mpasso.htm http://www.mrshp.hpg.ig.com.br/rob/passo_steps.htm

Displays LCD http://www.hotlink.com.br/users/res