Kit de desenvolvimento MC 13213 EVK

Para a implementação da rede sem fio deste trabalho, foi utilizado um kit de desenvolvimento para aplicações sem fio da empresa Freescale, que permite implementar os protocolos 802.15.4 e ZigBee. Este kit foi doado pelo fabricante à universidade como incentivo ao desenvolvimento de aplicações que utilizem comunicação sem fio. O modelo do kit é o MC 13213 EVK, que contempla módulos que dispõem o hardware e software necessários para a demonstração e desenvolvimento de soluções de comunicação sem fio através do padrão IEEE 802.15.4 e ZigBee (FREESCALE, 2006). Os módulos podem ser configurados como FFD ou RFD e contêm todos os acessórios necessários para a implementação desta aplicação. A seguir são apresentados os dispositivos de I/O deste módulo, que podem ser vistos também no diagrama de blocos da Figura 3.8.

Microcontrolador MC13213: Este dispositivo é baseado na família HCS08 de microprocessadores, com o diferencial de conter no seu próprio invólucro um transceiver RF que opera na faixa de freqüência do padrão IEEE 802.15.4 (2,4GHz). Este transceiver tem uma potência nominal de 1mW. O Chip possui 60KB de memória flash e 4KB de memória RAM e trabalha em 40MHz. Tem 8 canais multiplexados em um conversor A/D de 10 bits e 56 I/Os digitais. É encapsulado em uma pastilha LGA com 71 pinos. A alimentação do circuito é feita com uma tensão de 3,3VDC.

Interface BDM (Background Debug Module): Serve como alternativa para a gravação de programas no microprocessador e também para depuração. É conectada ao PC pela porta USB.

Entradas e saídas digitais: O microcontrolador MC13213 possui 56 I/Os digitais que podem ser configuradas como entradas ou saídas. Algumas destas I/Os já são utilizadas por elementos do módulo para fazer a interface com o usuário, que é composta de 5 LEDs e 5 chaves, com utilização configurável conforme a aplicação. O módulo também oferece um conector de 26 pinos, chamado de GPIO para se configurar as I/Os de acordo com a necessidade de cada aplicação. Uma das saídas digitais é também destinada para chavear um circuito de acionamento de um buzzer, para emitir sinais sonoros, quando necessário.

Entradas analógicas: O módulo possui um conversor A/D que trabalha com 8 entradas multiplexadas. Duas destas entradas são dedicadas a um sensor de temperatura e um acelerômetro, para aplicações que necessitem medir

variações de velocidade ou deslocamento, presentes no próprio módulo. O módulo não dispõe de conversor D/A, sendo assim não é possível se implementar saídas analógicas.

USB: Usado como dispositivo de comunicação para a transferência de dados e também para ajudar na depuração de aplicações através de um PC. Antena: A antena do dispositivo de transmissão sem fio (2,4GHz) vem confeccionada na própria placa de circuito impresso do módulo.

Na Figura 3.9 pode-se ver o módulo SRB do kit de desenvolvimento com a localização de alguns dos dispositivos de I/O e as correntes típicas de consumo dos principais componentes utilizados para o desenvolvimento desta aplicação.

O sensor de temperatura dos módulos é do modelo LM61B, da National Semiconductor. Este sensor tem um range que varia de -30°C a 100°C e o sinal de tensão

de saída é linearmente proporcional a variação de temperatura em Celsius em 10mV/°C

com um offset de 600mV. Assim, o range do sinal de saída do sensor varia de 300mV a

1600mV para -30°C até 100°C (FREESCALE, 2006).

Este módulo também possui um circuito para se estabelecer comunicação serial no nível de tensão de 3,3V. Portanto, para este circuito, não existe um conector, sendo que os pontos de Tx e Rx são apenas pontos de solda na placa.

Para se estabelecer a comunicação com a porta serial do Pocket PC, que trabalha em +12 e –12V, foi necessário se inserir um circuito externo de conversão de tensão utilizando o circuito integrado MAX232 com a configuração mostrada na Figura 3.10. Além deste circuito, foi inserido também um conector do tipo DB9 para fazer a conexão do cabo serial que liga o módulo ao Pocket PC.

Os sinais de temperatura foram tomados a partir dos sensores contidos nos próprios módulos do kit de desenvolvimento. Como mencionado anteriormente, o sensor de temperatura do aparelho condicionador de ar foi retirado e em seu lugar foi inserido um sinal de tensão gerado a partir das temperaturas dos módulos, equivalente ao sinal de tensão fornecido pelo circuito do sensor original do aparelho. Dessa maneira, o controle do condicionador de ar levará em consideração a temperatura de pontos distintos do ambiente. O aplicativo instalado no computador de mão permite ao usuário configurar quais sensores serão usados no sistema.

Na configuração original do aparelho, para uma determinada temperatura, o sensor gera um sinal de tensão correspondente, que é enviado a uma entrada analógica do microprocessador para controlar o condicionador de ar. Já no sistema proposto, este sinal de tensão é gerado por saídas digitais do módulo coordenador em conjunto com um conversor digital/analógico (circuito de interface), baseado na temperatura resultante da configuração feita pelo usuário no aplicativo, com visto na Figura 3.11. Esta configuração foi implementada devido ao fato de não existirem saídas analógicas disponíveis nos módulos do kit de desenvolvimento.

Figura 3.11 – Configuração do sistema proposto

Assim, o sensor de temperatura foi retirado da placa eletrônica de potência e, em substituição, foram conectados os pinos de uma das saídas analógicas provenientes do

circuito de interface conectado as saídas digitais do módulo coordenador. A foto A da Figura 3.12 mostra os terminais do sensor de temperatura conectados à placa de potência do aparelho, enquanto que na foto B, é mostrada a placa com o sensor já retirado. Na foto C é visto o conector do circuito de interface, que gera o sinal de tensão equivalente ao do sensor do aparelho, sendo conectado a placa.

Figura 3.12 - Substituição do sensor pelo sinal de tensão.

Para se compor o circuito de interface, que faz a conversão digital/analógico, foi utilizado o circuito integrado TLV5620C do fabricante Texas Instruments. O sinal digital de entrada deste circuito deve ser serial e composto por três bits: Um bit de Clock, outro de Load, que determina o momento de se fazer a conversão, e outro que contem o valor a ser convertido (Data), de acordo com a forma de onda da Figura 3.13.

Figura 3.13 - Formas de onda do CI TLV5620C

Este circuito tem quatro conversores que são determinados através dos bits iniciais de Data (A0 e A1) que ainda tem um bit que, quando configurado para nível alto, dobra o valor de tensão de saída da conversão (RNG). O sinal de saída deste circuito foi ligado diretamente ao terminal de onde foi retirado o elemento sensor do aparelho.

A curva do sensor original do condicionador de ar foi cedida pelo fabricante. Já a curva do sensor dos módulos do kit de desenvolvimento foi criada a partir das informações constantes no datasheet do mesmo. Devido a estas curvas serem diferentes, no software do coordenador foi implementada uma equação de conversão de valores, a fim de que a temperatura resultante do módulo coordenador gere o mesmo valor de tensão fornecido pelo sensor do aparelho. As curvas do sensor do condicionador de ar e dos módulos do kit de desenvolvimento podem ser vistas na Figura 3.14, com a variação de 10 a 44°C.

Figura 3.14 - Curvas dos sensores

Como pode-se observar, as curvas são bem diferentes. A curva do sensor do aparelho tem um formato exponencial decrescente, enquanto a curva do módulo é linear positiva. Para se converter a curva do módulo na curva do sensor do aparelho, foi necessário, primeiramente, fazer uma linearização da curva exponencial em três faixas que melhor a representassem. A primeira faixa é de 10 a 21°C, a segunda de 22 a 29°C e a terceira de 30 a 44°C. Esta linearização pode ser vista na Figura 3.15.

Figura 3.15 - Comparação entre a curva original do sensor e as faixas da curva linearizada

A partir desta linearização, para cada faixa foram calculados os fatores de multiplicação (A) e adição (B) necessários para se converter a curva do sensor do módulo na curva do sensor do aparelho, através de uma equação de primeira ordem. Estes valores encontrados podem ser observados na Tabela 3.1.

Tabela 3. 1 - Faixas de linearização

Faixa Range °C A B

1 10 a 21 -20 45

2 22 a 29 -30 57

3 30 a 44 -40 65

Estes valores foram introduzidos no software de cada módulo, sendo que, para cada faixa de temperatura, existe uma equação que converte a tensão do módulo no nível de tensão do sensor do aparelho.