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(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA. LUCAS ARAUJO DO NASCIMENTO. PROJETO DE KITS DIDÁTICOS PARA LABORATÓRIO DE APLICAÇÕES COM MICROCOMPUTADORES. São Luís 2008.

(2) LUCAS ARAUJO DO NASCIMENTO. PROJETO DE KITS DIDÁTICOS PARA LABORATÓRIO DE APLICAÇÕES COM MICROCOMPUTADORES. Monografia apresentada ao curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Maranhão como parte dos requisitos para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.. Orientador:. Prf.. Rezende de Araújo. São Luís 2008. MSc.. Marcos. Tadeu.

(3) LUCAS ARAUJO DO NASCIMENTO. PROJETO DE KITS DIDÁTICOS PARA LABORATÓRIO DE APLICAÇÕES COM MICROCOMPUTADORES Monografia apresentada ao curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Maranhão como parte dos requisitos para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista. Aprovada em: ___/___/_____. BANCA EXAMINADORA:. ____________________________________________________ Prof. MSc. Marcos Tadeu Rezende de Araújo – DEE-UFMA (Orientador). ____________________________________________________ Prof. Dr. Areolino de Almeida Neto – DEE-UFMA (Examinador Interno). ____________________________________________________ Profª. Maria de Fátima Santos Farias – DEE-UFMA (Examinador Interno).

(4) LISTA DE FIGURAS Figura 1 - O que é um microcontrolador.......................................................................19 Figura 2 - Módulo de processamento de um microcontrolador....................................19 Figura 3 - Microcontrolador 8051.................................................................................25 Figura 4 – Diagrama de blocos do 8051.......................................................................25 Figura 5 - Diagrama do 16C84.....................................................................................26 Figura 6 - Clock no PIC................................................................................................27 Figura 7 - Pipeline do PIC.............................................................................................27 Figura 8 - Como iniciar um projeto..............................................................................29 Figura 9 - Tela de abertura do 'Wizard' do MPLAB.....................................................29 Figura 10 - Escolha do modelo de PIC.........................................................................29 Figura 11 - Seleção do ambiente de trabalho................................................................30 Figura 12 - Tela de seleção do nome do projeto...........................................................30 Figura 13 - Seleção dos arquivos..................................................................................31 Figura 14 - Fim do 'Wizard'..........................................................................................32 Figura 15 - Tela do projeto............................................................................................32 Figura 16 - Local do programa.....................................................................................33 Figura 17 - MC98701 da família do 6801.....................................................................33 Figura 18 - Registradores do HC11...............................................................................34 Figura 19 - Diagrama da arquitetura do HC11..............................................................35 Figura 20 - Diagrama de blocos do HC908..................................................................36 Figura 21 - Kit com PIC 16F628 da Mosaico...............................................................37 Figura 22 - Kit Efeitos Luminosos................................................................................38 Figura 23 - Foto de um Clic 02.....................................................................................40 Figura 24 - CLP da ABB...............................................................................................42 Figura 25 - Ciclo de varredura......................................................................................43 Figura 26 - Abertura de um novo projeto......................................................................45.

(5) Figura 27 - Seleção do modelo do Clic.........................................................................45 Figura 28 - Seleção de tela 'Ladder'..............................................................................46 Figura 29 - Tela de programação Ladder......................................................................46 Figura 30 - Lógica OU no Ladder.................................................................................47 Figura 31 - Lógica E no Ladder....................................................................................47 Figura 32 - Kit CLP......................................................................................................47 Figura 33 - Kit Motores de Corrente Contínua.............................................................48 Figura 34 - Rede em barramento...................................................................................51 Figura 35 - Rede em anel..............................................................................................52 Figura 36 - Rede em estrela..........................................................................................53 Figura 37 - Rede em Grade...........................................................................................54 Figura 38 - Hipercubo...................................................................................................55 Figura 39 - Esquema básico da rede do laboratório (Octopus) estrela com barramentos ...................................................................................................................................................56 Figura 40 - Estrelas em anel..........................................................................................56 Figura 41 - Conexão entre dois nós na internet............................................................64 Figura 42 - Cabo coaxial comumente utilizado em redes.............................................65 Figura 43 - Cabo de pares trançados.............................................................................66 Figura 44 - Recepção de sinal em cabo de par trançado...............................................67 Figura 45 - FIbra ótica..................................................................................................68 Figura 46 - Um adaptador WI-FI USB, um access point e uma placa de rede WI-FI. .70 Figura 47 - Dispositivo PLC com entrada ethernet.......................................................72 Figura 48 - Switch Linksys...........................................................................................73 Figura 49 - Cabo clipado com modelo T568A..............................................................75 Figura 50 - Testador de cabos e alicate crimpador........................................................76 Figura 51 - Propriedades de Conexão Local.................................................................76 Figura 52 - Propriedades do Protocolo TCP/IP.............................................................77.

(6) Lista de Tabelas Tabela 1 - Comparativo entre as topologias de rede.....................................................57 Tabela 2 - Seqüência de cores T568A e T568B............................................................74 Tabela 3 - Tabela com códigos de cores para cabo crossover.......................................75 Tabela 4 - Instruções do PIC.........................................................................................82.

(7) LISTA DE SIGLAS A/D – Analógico/Digital ASCII - American Standard Code for Information Interchange CISC – Complex Instruction Set Computer CLP – Controlador Lógico Programável CPU – Central Processing Unit D/A – Digital/Analógico DHCP – Dynamic Host Configuration Protocol EPROM – Erasable Programmable Read-Only Memory EEPROM - Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory FPGA - Field-Programmable Gate Array FTP – File Transfer Protocol GNU – General Public License I/O – Input/Output IP – Internet Protocol IrDA – Infrared Data Association PDA – Personal Digital Assistant PIC – Programmable Interface Controller PLC – Power Line Communications PROM – Programmable Read Only Memory PWM – Pulse-width Modulation RAM – Random Access Memory RISC – Reduced Instruction Set Computer ROM – Read Only Memory TCP – Transfer Control Protocol TCP/IP – Protocolo da internet (TCP sobre IP) UDP – User Datagram Protocol.

(8) UFMA – Universidade Federal do Maranhão USB – Universal Serial Bus.

(9) RESUMO Esta monografia trata do projeto de kits para o ensino das disciplinas Introdução a Arquitetura de Microcomputadores e Laboratório de Aplicação com Microcomputadores da grade curricular do curso de Engenharia Elétrica da UFMA, podendo ser também utilizada em outras disciplinas de áreas afins. Os guias de experimentos foram projetados e os kits desenvolvidos de acordo com o programa pedagógico e respectiva bibliografia adotada nas referidas disciplinas.. Palavras-chave: Microcontrolador, PIC, HC908, HC11, CLP, Redes Locais..

(10) ABSTRACT This monograph is about development of teaching kits for the Introduction to Microcomputer Architecture and Microcomputer Applications Laboratory disciplines from UFMA Electric Engineering course study program, and may be used in disciplines from similar areas. The experiment guides were built and developed according to pedagogical program and bibliography from respective disciplines.. Keywords: Microcontroller, PIC, HC908, HC11, PLC and LAN..

(11) SUMÁRIO Lista de Figuras.........................................................................................................................04 Lista de Tabelas.........................................................................................................................06 Lista de Siglas...........................................................................................................................07 Resumo .....................................................................................................................................08 Abstract.....................................................................................................................................09 Lista de Figuras.........................................................................................................................04 Lista de Tabelas.........................................................................................................................07 Lista de Siglas...........................................................................................................................08 Resumo......................................................................................................................................09 Abstract.....................................................................................................................................10 Sumário.....................................................................................................................................11 1.. Introdução..........................................................................................................................16 1.1.. 2.. Descrição do sistema proposto...............................................................................16. Microcontroladores............................................................................................................18 2.1.. Arquitetura do microcontrolador...........................................................................18. 2.1.1.. História dos microprocessadores.......................................................................20. 2.1.2.. Projeto de um CPU............................................................................................21. Conjunto de instruções......................................................................................................22 Arquitetura CISC..............................................................................................................22 Arquitetura RISC..............................................................................................................22 Taxonomia de Flynn.........................................................................................................22 Single Instruction Single Data (SISD)..............................................................................23 Single Instruction Multiple Data (SIMD).........................................................................23 Multiple Instruction Single Data (MISD).........................................................................23 Multiple Instruction Multiple Data (MIMD)....................................................................23 Single Program Multiple Data (SPMD)............................................................................23.

(12) Multiple Program Multiple Data (MPMD).......................................................................24 Arquitetura de Harvard.....................................................................................................24 Arquitetura de Von Neumann...........................................................................................24 2.1.3.. Modelos de Microcontroladores........................................................................24. 2.1.4.. Intel 8051...........................................................................................................25. 2.1.5.. Microcontrolador PIC.......................................................................................26. 2.1.6.. Programando PIC..............................................................................................29. 2.1.6.1.. 3.. Projeto no ambiente MPLAB.......................................................................29. 2.1.7.. Microcontroladores Motorola...........................................................................33. 2.1.8.. Experimentos com microcontroladores.............................................................36. 2.1.8.1.. Efeitos luminosos.........................................................................................37. 2.1.8.2.. Display..........................................................................................................37. Controlador Lógico Programável......................................................................................38 3.1. 3.1.1.. História do CLP.....................................................................................................38 Divisão histórica................................................................................................39. 3.2.. Vantagens do CLP..................................................................................................40. 3.3.. Princípio de funcionamento...................................................................................41. 3.3.1.. Inicialização......................................................................................................41. 3.3.2.. Verificar estado das entradas.............................................................................42. 3.3.3.. Transferir para a memória.................................................................................42. 3.3.4.. Comparar com o programa................................................................................43. 3.3.5.. Atualizar estados das saídas..............................................................................43. 3.4.. Experimentos com CLP.........................................................................................43. 3.4.1.. Programação Ladder.........................................................................................44. 3.4.2.. Controle de bomba de água...............................................................................46. 3.4.3.. Efeitos luminosos..............................................................................................46. 3.4.4.. Semáforo...........................................................................................................46.

(13) 4.. Projeto de Redes Locais.....................................................................................................48 4.1.. Topologias..............................................................................................................48. 4.1.1.. Barramento........................................................................................................48. 4.1.2.. Anel...................................................................................................................49. 4.1.3.. Token Ring........................................................................................................50. 4.1.4.. Cambridge Ring................................................................................................50. 4.1.5.. Estrela................................................................................................................51. 4.1.6.. Grade.................................................................................................................52. 4.1.7.. Hipercubo..........................................................................................................52. 4.1.8.. Redes Híbridas..................................................................................................53. 4.1.9.. Octopus..............................................................................................................53. 4.1.10.. Rede de telefonia fixa...................................................................................54. 4.1.11.. Comparativo entre as topologias..................................................................54. 4.2.. Modelo OSI............................................................................................................55. 4.2.1.. Aplicação...........................................................................................................55. 4.2.2.. Tradução............................................................................................................55. 4.2.3.. Sessão................................................................................................................56. 4.2.4.. Transporte..........................................................................................................56. 4.2.5.. Rede...................................................................................................................56. 4.2.6.. Enlace................................................................................................................57. 4.3.. Protocolos...............................................................................................................57. 4.3.1.. Protocolo TCP...................................................................................................57. 4.3.2.. Protocolo UDP..................................................................................................58. 4.3.3.. FTP....................................................................................................................59. 4.3.4.. SSH....................................................................................................................59. 4.3.5.. IP.......................................................................................................................59. 4.3.6.. TCP/IP...............................................................................................................60.

(14) 4.4. 4.4.1.. Cabo Coaxial.....................................................................................................62. 4.4.2.. Cabo de par trançado.........................................................................................63. 4.4.3.. Fibra ótica..........................................................................................................65. 4.4.4.. Wireless.............................................................................................................66. 4.4.5.. IrDA..................................................................................................................67. 4.4.6.. 802.11a..............................................................................................................67. 4.4.7.. 802.11b..............................................................................................................68. 4.4.8.. 802.11g..............................................................................................................68. 4.4.9.. Bluetooth...........................................................................................................68. 4.4.10.. Outras tecnologias........................................................................................69. 4.4.11.. Power Line Communication.........................................................................69. 4.5.. 5.. Meios físicos de acesso..........................................................................................61. Configurando uma rede Ethernet...........................................................................70. 4.5.1.. Hub ou Switch...................................................................................................70. 4.5.2.. Placas de rede....................................................................................................71. 4.5.3.. Meio físico.........................................................................................................71. 4.5.4.. Configuração de IP............................................................................................73. 4.5.5.. Classe de rede....................................................................................................74. 4.5.6.. IP verdadeiro.....................................................................................................75. 4.5.7.. IP nativo.............................................................................................................75. 4.5.8.. Servidor DHCP.................................................................................................76. 4.5.9.. Experimento com redes LAN............................................................................76. Conclusão..........................................................................................................................77. Bibliografia...............................................................................................................................78 Apêndice B – Kit Efeitos luminosos.........................................................................................79 Apêndice C – Kit Motores de Corrente Contínua.....................................................................80 Apêndice D – Kit CLP..............................................................................................................81.

(15) Apêndice – Kit PIC...................................................................................................................82 Anexo A – Instruções do PIC....................................................................................................83.

(16) 1. INTRODUÇÃO Aplicações com microcomputadores estão cada vez mais difundidas. Na Engenharia Elétrica, este tema está relacionado a praticamente todas as sub-áreas que, de uma forma ou de outra, necessitam da informática, quer seja através do emprego com a ajuda de microcomputadores de uso comercial, quer seja através de computadores industriais ou dedicados, que por sua vez muitas vezes fazem uso de microcontroladores. Estes por serem de baixo custo e tamanho reduzido, foram amplamente difundidos no mercado. Nesse sentido, este trabalho objetiva produzir material didático necessário aos alunos que almejam aprender a respectiva disciplina. No capítulo 2 fazemos uma breve introdução da história dos microprocessadores, que são o cérebro de qualquer microcomputador, em seguida estudamos de forma sucinta as principais arquiteturas utilizadas em automação. Com os conhecimentos, os alunos devem ter a base para iniciar estudos próprios e se aprofundar nos assuntos que mais lhe interessarem. No capítulo 3 falaremos sobre Controlador Lógico Programável (CLP), tecnologia fornecida por uma indústria nacional, com alto grau de confiabilidade, e largamente aplicada em diversas plantas industriais. A idéia é trazer as principais características e mostrar a programação em um CLP, neste caso o CLIC da WEG, embora a linguagem utilizada seja comum a todos os CLPs mundo a fora, com poucas alterações ente si. Por fim, temos no capítulo 4 um estudo básico sobre redes de microcomputadores. São mostradas as principais tecnologias, suas características e aplicações em comunicação de dados, de forma a deixar os alunos atualizados e capacitados de configurar uma rede simples.. 1.1. DESCRIÇÃO DO SISTEMA PROPOSTO. O projeto proposto tem por finalidade produzir um material didático que poderá ser utilizado por disciplinas como Introdução a Arquitetura de Computadores e também Laboratório de ‘Aplicação de Micro-computadores’ ministradas atualmente no Departamento de Engenharia de Eletricidade da UFMA. Através deste projeto, pretende-se desenvolver sistemas de desenvolvimento complementares baseados em microcontroladores CISC, RISC e micro-CLPs, cujos exemplares a serem adotados serão respectivamente dos fabricantes.

(17) Motorola (MC68HC908), Microchip (PIC) e WEG (Clic). Cada uma dessas plataformas terá três experimentos e um guia de ensino para subsidiar o aluno na execução dos experimentos. Além disto, o projeto também visa criar uma síntese com os tópicos de Redes Locais (LAN), com tópicos que podem ser aproveitados em outras disciplinas do curso de Engenharia Elétrica como Redes de Computadores, Redes de Comunicação de Dados, Comunicação Digital, todas estas do curso de Engenharia Elétrica da UFMA. Desta forma, este trabalho será útil aos futuros alunos desta disciplina, sendo utilizada como apostila para propagação de conhecimentos para os alunos dos cursos de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação..

(18) 2. MICROCONTROLADORES Um dos termos mais comuns hoje em dia na informática em nossas vidas é microcomputador. O microcomputador é um equipamento eletrônico cuja parte principal é a “Unidade Central de Processamento” (CPU na sigla em inglês). O nome deriva do tamanho reduzido em comparação com plataformas maiores como os “Mainframes” do início da era da computação. Na prática os microcomputadores mais comuns no Brasil são os Computadores Pessoais (PC na sigla em inglês). Um microcomputador possui, além dos componentes básicos, que são a CPU, a memória e os dispositivos de entrada e saída (teclado, mouse, monitor e, por vezes, impressora e placa de rede), um “software” chamado de Sistema Operacional, sem o qual a máquina seria apenas um conjunto de componentes eletrônicos sem coordenação ou funcionalidade. Seu uso é geral e contrasta com o microcontrolador principalmente porque este tem tamanho mais reduzido ainda, normalmente é usado para fins específicos e na maioria dos casos reúne todas as funções um único chip, ao passo que no computador encontram-se vários componentes separados. Microcontrolador é o que chamamos de “computador de um só chip”. Este termo é utilizado, pois no mesmo chip temos o microprocessador, memória, barramento além de funções de entrada e saída. No microcontrolador a palavra-chave é a integração, já que temos grande quantidade de funções em um único lugar normalmente a custos de fabricação e operação bem baixos. Assim, podemos ter em um microcontrolador desde simples saídas digitais até funções bem mais complexas, tais como porta USB ou comunicação Ethernet. 2.1. ARQUITETURA DO MICROCONTROLADOR Na Figura 1 temos um microcontrolador. Nota-se que é um dispositivo que integra os vários componentes de um microprocessador em um só chip, tais como: o núcleo da CPU, memória (ROM e RAM) e alguns dispositivos I/O (ou, em português E/S, que significa Entrada/Saída). Não raro os microcontroladores incorporam ainda temporizadores, portas I/O seriais, conversores A/D (analógico-digital cuja função é transformar em um valor digital uma entrada. analógica,. normalmente. de. tensão).. Muito. embora. ainda. tenhamos. microcontroladores com poucos ou nenhum destes ‘recursos extras’ a grande maioria.

(19) incorpora pelo menos comunicação serial e conversor A/D, já que a maioria das aplicações atuais exige este tipo de função.. Figura 1 - O que é um microcontrolador. Recursos extras, aliás, já são uma regra nas versões mais atuais de todos os fabricantes. Na Figura 2 vemos itens como temporizador, conversor A/D e porta serial, indispensáveis em um microcontrolador da atualidade.. Figura 2 - Módulo de processamento de um microcontrolador.

(20) 2.1.1. História dos microprocessadores Em 1969 uma equipe de engenheiros da BUSICOM, uma empresa japonesa foi aos Estados Unidos encomendar alguns circuitos integrados para calculadoras. A empresa lá contatada foi a INTEL. A solução proposta foi um tanto diferente da original dos japoneses. Neste caso, a função do circuito integrado seria determinada por um programa nele gravado. Com isto, a configuração seria bem mais simples, embora demandasse maior quantidade de memória em relação ao projeto original. Ao fim, a idéia vingou e dali nasceu o primeiro microprocessador. A INTEL tratou de comprar os direitos de produção e venda do microchip da BUSICOM. Era lançado o 4004, um microprocessador de quatro bits com capacidade para 6.000 operações por segundo. Algum tempo após isto, outra companhia, desta vez americana, a CTC pediu à INTEL e à Texas Instruments um microprocessador de oito bits para uso em terminais. Ambas as empresas trabalharam no projeto, e finalizaram-no mesmo após a desistência da CTC. E nasce o 8008 com oito bits e 300.000 operações por segundo. Ele podia endereçar 16Kb de memória e possuía 45 instruções. Após o 8008, a INTEL trabalhou em outro produto a partir deste. Era o 8080 que fora lançado também com oito bits e com 500.000 operações por segundo. Ele tinha capacidade de endereçamento de 64Kb com 75 instruções internas. Seus três registradores de 16 bits davam ainda uma capacidade, embora limitada, de trabalhar com operações de 16 bits. Com o sucesso dos chips de sua concorrente INTEL, a MOTOROLA trabalhou em um projeto seu para um microprocessador de oito bits. Nascia o 6800 com 1MHz e capacidade de endereçar 64Kb de memória. Entretanto ele não tinha capacidade de trabalhar com operações de 16 bits, ao contrário do 8080. De qualquer forma, a Motorola lançou periféricos, como o 6820 (Adaptador de Interface Periférica) e 6850 (Adaptador de interface de comunicações assíncronas), entre outros. Nasceu, então, o conceito de família. O sucesso dos 6800 e 8080 levou outros fabricantes a desenvolverem seus próprios projetos. Assim a MOS Technology lançou seus próprios microprocessadores, o 6501 (pinagem compatível com o 6800) e 6502 (idêntico ao 6501, mas com pinagem diferente), a um preço de US$ 25,00 por unidade, contra US$ 179,00 dos concorrentes da Motorola e Intel. Isso obrigou os dois fabricantes a baixarem seus preços para algo em torno dos US$ 70,00 por unidade, e ainda a Motorola a entrar com uma ação judicial por violação de direitos ao copiar o seu 6800. Isto levou a MOS a descontinuar o 6501, levando adiante somente o 6502, que era.

(21) um microprocessador de oito bits, com 56 instruções internas e 64Kb de memória. Com o baixíssimo custo (em comparação com os rivais) o 6502 fez muito sucesso, O 6502 é um microprocessador de oito bits com 56 instruções e uma capacidade de endereçamento de 64KB de memória. Devido ao seu baixo custo, o 6502 tornou-se muito popular e, assim, é instalado em computadores como KIM-1, Apple I, Apple II, Atari, Comodore, Acorn, Oric, Galeb, Orao, Ultra e muitos outros. Cedo aparecem vários fabricantes do 6502 (Rockwell, Sznertek, GTE, NCR, Ricoh e Comodore adquiriram a MOS Technology) que, no auge da sua prosperidade, chegou a vender microprocessadores à razão de 15 milhões por ano! Com o sucesso dos microprocessadores, um funcionário da INTEL deixou a corporação e fundou sua empresa, chamada ZILOG. Esta anuncia no ano de 1976 seu processador, o mundialmente famoso Z80. Este seria compatível com os programas já escritos para o 8080 da INTEL (inclusive o CP/M, um Sistema Operacional feito pela DR para o microprocessador 8080), de forma a facilitar sua aceitação. Sua capacidade de endereçamento era de 64Kb, tinha 176 instruções. Fora isso ele tinha novas formas de interrupção, dois arquivos de registradores, “hardware” mais simples e um controlador de DRAM embutido, tornando-o muito mais flexível. Tais capacidades levaram muitos fabricantes a migrar do 8080 para o Z80. Como a Zilog licenciou a produção do Z80 para diversos fabricantes (e outros fabricaram mesmo sem licença) este se tornou o mais bem sucedido microprocessador de oito bits de sua época, sendo utilizado em diversos equipamentos, desde computadores até vídeos-game e os atuais MP3 players. A resposta da INTEL veio com o 8085, que apresentava praticamente todas as melhorias introduzidas pelo Z80. Mas, mesmo sendo compatível com o Z80, este era muito mais capaz e o 8085 nunca chegou a fazer o mesmo sucesso do rival. 2.1.2. Projeto de um CPU O projeto de um microprocessador diz muito sobre ele. É o projeto que define uma série de coisas, desde o custo de produção até o tipo de uso do mesmo. Neste caso faremos o estudo de três características, no caso o conjunto de instruções, arquitetura do barramento e pela Taxonomia de Flynn..

(22) CONJUNTO DE INSTRUÇÕES O conjunto de instruções é talvez o elemento mais importante do CPU. Quanto menos instruções o microprocessador tem, mais rápido ele é para executar cada uma, e mais simples e barato de se produzir. Entretanto ele pode necessitar de várias instruções para executar uma tarefa. Já microprocessadores com maior quantidade de instruções tende a ter mais tarefas já implementadas e termina sendo mais facilmente programável. Entretanto ele termina sendo mais lento pois o grande número de instruções torna o controlador bastante complexo. Arquitetura CISC A arquitetura CISC (Complex Instruction Set Computing) é caracterizada pelo grande número de instruções, sendo que cada uma executa várias operações de nível mais baixo. Desta forma, o programa tende a ser mais facilmente escrito em assembly (compiladores de alto nível eram raros), o programa era menor necessitava de menos memória (o número de acessos também cai). Este é o motivo pelo qual a arquitetura CISC foi bastante popular no início da era da informática, quando memória era bastante cara e os barramentos extremamente lentos. A arquitetura CISC mais utilizada hoje é a x86 dos computadores domésticos (e de alguns servidores também). Arquitetura RISC A arquitetura RISC (Reduced Instruction Set Computing), por outro lado, prefere instruções mais simples e menor quantidade delas, para simplificar o microprocessador e aumentar o desempenho. Com toda essa simplificação, sobrava mais espaço para registradores, aumentando o desempenho. Outra grande vantagem é que, com instruções simples, era fácil fazer um bom pipeline que permitia a maioria das instruções a serem executadas em um único ciclo de clock. TAXONOMIA DE FLYNN A Taxonomia de Flynn é uma classificação computacional que diferencia arquiteturas computacionais pelo número de instruções e dados processados em paralelo. Note que estas categorias não implicam “pipelines”, de forma que qualquer delas pode ter as instruções em pipeline..

(23) Single Instruction Single Data (SISD) Em português, única instrução único dado. Na prática não há qualquer paralelismo. O computador executa uma única instrução por vez, e acessa apenas um dado. Os PCs tradicionalmente utilizam esta arquitetura. Single Instruction Multiple Data (SIMD) Em português, única instrução múltiplos dados. Apesar de executar somente uma instrução, o computador pode ler mais de um dado por vez. Alguns sistemas multiprocessados utilizam esta arquitetura, mas é mais comum em placas de vídeo 3D. Multiple Instruction Single Data (MISD) Em português múltiplas instruções único dado. Neste caso o computador executa mais de uma instrução por vez, mas todas lêem um único dado. Na prática seu uso é bastante incomum, pois esta implementação versos o SISD traz bem pouco ganho na grande maioria das aplicações em relação ao aumento de complexidade. Alguns sistemas de controle de vôo utilizam este tipo de implementação, por exemplo (além do ganho de desempenho em tarefas específicas, reduz a probabilidade de falha). Multiple Instruction Multiple Data (MIMD) Em português, múltiplas instruções múltiplos dados. Neste caso o computador é capaz de executar várias instruções e vários dados por vez. Bastante comum em programas otimizados para sistemas multiprocessados (desde os processadores múltiplo núcleo até sistemas com vários deles), normalmente em servidores. Single Program Multiple Data (SPMD) Em português, único programa múltiplos dados. Neste caso, o programa executado utiliza vários processadores cada um com um dado diferente. Esta implementação é a mais comum dentro da MIMD, notadamente em sistemas de renderização de imagens..

(24) Multiple Program Multiple Data (MPMD) Em português, múltiplos programas múltiplos dados. Aqui, processadores (ou núcleos computacionais) executam dois ou mais programas simultaneamente. Normalmente um dos nós é o “servidor” e os demais recebem as instruções a serem executadas deste, então enviam seus resultados.. ARQUITETURA DE HARVARD A arquitetura de Harvard é a arquitetura de um antigo computador feito com relés chamado Harvard Mark I (daí vem o nome). A característica principal desta arquitetura é que os barramentos de dados e de instruções são separados fisicamente. Com isto o processador pode ter pipeline para suas instruções, ganhando em desempenho (enquanto o processador executa uma operação utilizando o barramento de dados, a próxima instrução já é buscada para estar pronta para execução no próximo ciclo). ARQUITETURA DE VON NEUMANN Diferentemente da Arquitetura de Harvard, a Arquitetura de Von Neumann é caracterizada pelo fato de que dados e instruções trafegam pelo mesmo barramento. Aqui o processador não pode ler a próxima instrução durante a execução da atual. Na realidade muitas vezes ele tem que esperar para que o dado da atual instrução chegue. Normalmente este problema é resolvido com memória cache, que guarda as próximas instruções e seus respectivos dados. 2.1.3. Modelos de Microcontroladores Como já sabemos o que é um microcontrolador e como se desenvolveu a indústria dos microprocessadores em seus primórdios, podemos estudar arquiteturas de microcontroladores em si, já que estes são, em sua maioria, derivados de microprocessadores de suas respectivas marcas. Até mesmo outros tipos de controladores como os CLPs (ou PLCs em inglês da sigla que significa Controlador Lógico Programável) utilizam um microprocessador ou mesmo um microcontrolador pra realizar suas funções internas, de forma que o mercado de microcontroladores é amplo e com diversas ênfases..

(25) 2.1.4. Intel 8051 Neste caso, temos a Intel com seu mundialmente conhecido 8051. Projetado na Arquitetura de Harvard, ele foi bastante popular durante a década de 1980. Na Figura 3 temos um modelo do 8051 ainda fabricado pela Intel.. Figura 3 - Microcontrolador 8051. Suas características principais eram o controlador CISC (ver item Arquitetura CISC), o barramento de dados de oito bits (até hoje os microcontroladores com barramento de oito bits são largamente utilizados), barramento de endereçamento de 16 bits (ou seja, pode acessar até um total de 216 posições de memória, ou 64Kb de memória RAM ou ROM), memória RAM interna de 128 bytes (memória de dados), memória interna de programa de 4Kb,. quatro. portas. bidirecionais. de. um. byte. cada. uma,. porta. serial,. dois. contadores/temporizadores de 16 bits, interrupções com dois níveis de prioridade e até o modo de economia de energia. Um esquema com o diagrama de blocos do 8051 original pode ser visto na Figura 4.. Figura 4 – Diagrama de blocos do 8051.

(26) Diversos fabricantes passaram a desenvolver seus próprios microcontroladores baseados no 8051 (aproveitando que a patente do 8051 caiu em domínio público) e temos ainda hoje uma grande variedade de sistemas de controle baseados no 8051 de diversos fabricantes para as mais variadas funções. Os fabricantes mais conhecidos certamente são a Philips, Atmel e Siemens dentre outros. Naturalmente as versões mais recentes têm mais funções e sistemas mais robustos. Já temos 8051 com até 150MHz ou mais. Até mesmo núcleos de 8051 para uso em PLDs (como os famosos FPGAs). Comumente a memória de programa (originalmente ROM) foi substituída por Flash ou EEPROM. E a memória de dados é facilmente encontrada acima dos 128 bytes do original, além de barramento I 2C, geradores PWM, conversores A/D ou D/A e até mesmo interfaces de comunicação por USB.. 2.1.5. Microcontrolador PIC O PIC (Controlador de Interface Periférica, sigla em inglês) é outro microcontrolador que utiliza a Arquitetura de Harvard. Mas, diferentemente do 8051 o PIC é RISC (ver item Arquitetura RISC), ou seja, tem um conjunto de instruções mais reduzido, o que permite velocidade de execução do programa bem maior. Mesmo assim ele traz uma infinidade de recursos bastante úteis. A exemplo do 8051, o barramento de dados do PIC também é de oito bits. Note na Figura 5 a arquitetura do PIC. Temos barramentos separados para dados e memória. Também uma arquitetura complexa dado que as instruções são RISC.. Figura 5 - Diagrama do 16C84.

(27) As principais características do PIC são o barramento de dados de oito bits, pequeno número de instruções (porém todas de tamanho fixo), instruções em sua maioria de execução em apenas um ciclo (apenas desvios levam dois ciclos), único acumulador, todas as posições disponíveis na RAM são utilizáveis como registradores (que podem ser fonte ou destino de operações matemáticas ou lógicas), a pilha de retorno de pulos e sub-rotinas fica em hardware, um espaço de dados restrito (apenas 256 bytes, embora seja expandido pelo uso de bancos). Cada instrução é executada em um ciclo de clock externo, já que internamente este clock é dividido em 4, o número de ciclos internos necessários para a execução completa de cada instrução. Um bom exemplo de como isto funciona é visto na Figura 6, onde temos o clock externo (OSC2/CLKOU) é internamente dividido em Q1, Q2, Q3 e Q4. Além disso, a Arquitetura de Harvard permite que o PIC acesse a memória enquanto outra instrução chega à CPU (veja Figura 7). Ao invés de usar um ciclo de clock para buscar a instrução na memória e outro para executar a instrução que chega, enquanto executa uma instrução, já busca na memória a próxima a ser executada. Evidentemente em operações de desvio o pipeline não funciona, e neste caso a execução da instrução leva 2 ciclos.. Figura 6 - Clock no PIC. A exemplo dos demais microcontoladores, o PIC foi oferecido com memória de programa baseada em PROM, EPROM, EEPROM e Flash, muito embora nos últimos modelos o mais comum seja o uso de EEPROM e Flash.. Figura 7 - Pipeline do PIC.

(28) O conjunto de instruções é RISC possuindo apenas 35 delas (Ver ANEXO A – Instruções do PIC) nos modelos mais baratos (os mais avançados chegam a 80, o que ainda é pouco em comparação com os CISC), o que torna a programação assembly bastante difícil, embora proveitosa no quesito desempenho, já que levando apenas um ciclo por instrução torna a execução de programas bastante rápida. Ele é capaz de fazer operações diretas entre registradores, entre um registrador e o acumulador (chamado de W), também faz sub-rotinas, teste de bit (pode testar um determinado bit de qualquer registrador), operações entre o W e operandos literais, operações com o W e registradores indexadores, instruções gerais de sem operando, entre outras. Durante muitos anos a única forma de programar com os programas da Microchip era por assembly. De qualquer forma, embora pagos, compiladores C para o PIC sempre estiveram disponíveis, mas a Microchip lançou recentemente um compilador C para algumas das famílias de seus microcontroladores, na tentativa de fazê-los mais competitivos contra os da Atmel que tem há muito tempo um compilador C GNU para sua linha de microcontroladores. 2.1.6. Programando PIC A idéia é trazer uma introdução à programação em PIC. Embora existam vários compiladores em C para o microcontrolador da Microchip, tomaremos por base a programação assembly já que a idéia é trazer os recursos básicos do mesmo, e deixar os recursos avançados e as aplicações reais a cargo do estudante que realmente se interessar pela arquitetura. Neste sentido, utilizaremos o MPLAB IDE versão 8.X por ser a versão atual grátis liberada pela Microchip. Compilador já é capaz de fazer a gravação em chips na grande maioria dos gravadores atuais, inclusive os USB. Além de trazer todas as correções da própria Microchip. Projeto no ambiente MPLAB A maneira mais fácil de fazer um projeto para o PIC é criando um projeto a partir do “Wizard” no MPLAB. A Figura 8 mostra o primeiro passo..

(29) Figura 8 - Como iniciar um projeto. A seguir aparece a tela mostrada na Figura 9:. Figura 9 - Tela de abertura do 'Wizard' do MPLAB. Em seguida temos que selecionar o modelo do PIC a ser utilizado. Neste caso, como mostrado na Figura 10, utilizaremos o 16F628 que é o presente nos kits didáticos a serem utilizados.. Figura 10 - Escolha do modelo de PIC.

(30) Escolhemos, então, o ambiente de trabalho. Neste exemplo a Figura 11 mostra a seleção do “MPASM Toolsuite” que é o padrão para programação e simulação no MPLAB.. Figura 11 - Seleção do ambiente de trabalho. No próximo passo, visto na Figura 12, criamos a pasta e damos nome ao projeto. Neste caso, o nome será “Exemplo”.. Figura 12 - Tela de seleção do nome do projeto.

(31) Na próxima tela adicionamos os arquivos que iremos colocar em nosso projeto. Já diversas bibliotecas disponíveis, mas utilizaremos os padrões do MPLAB que são o 16f328.lkr na pasta “\MPASM Suite\LKR” dentro da pasta Microchip, e 16F628TMP.ASM dentro da pasta “MPASM Suite\Template\Code” na mesma pasta, bastando selecionar o arquivo e clicar em “Add”, como na Figura 13.. Figura 13 - Seleção dos arquivos. Por fim concluímos o “Wizard” do MPLAB. Basta nos clicar em concluir para iniciar o programa. A Figura 14 mostra a tela apresentada..

(32) Figura 14 - Fim do 'Wizard'. Concluído o “Wizard” aparece a tela do projeto, mostrada na Figura 15, onde temos o arquivo fonte, no qual inseriremos nosso código. Basta dar duplo-clique sobre o arquivo fonte, no caso, 16F628TMP.ASM.. Figura 15 - Tela do projeto. Se a configuração estiver toda correta, todo o código gerado deve ser compatível com o hardware a ser utilizado. A Figura 16 mostra a tela do programa com os códigos préinseridos pelo MPLAB. O programa deve ser inserido após “main”. Não entraremos em detalhes das interrupções, pois seria um estudo maior à parte..

(33) Figura 16 - Local do programa. 2.1.7. Microcontroladores Motorola Com o sucesso da família 6800, a Motorola aproveitou a arquitetura e tratou de integrar no chip memórias (RAM e ROM para dados e programa, respectivamente), porta serial de E/S (I/O em inglês que significa entrada/saída), entre outras funções, que o tornavam um microcontrolador de facto. Nascia a família de microcontroladores da Motorola. Na Figura 17 temos um exemplo de MC98701.. Figura 17 - MC98701 da família do 6801.

(34) Figura 18 - Registradores do HC11. A partir destes a Motorola foi desenvolvendo toda a família 68XX, a destacar o 6802, 6804, 6805 e os 68HCXX. Todos eles baseados na arquitetura de Von Neumann (em contraste com a arquitetura de Harvard dos anteriormente citados). A família deste último nos traz aos bem-sucedidos 68HC11 e 68HC12. O primeiro é um microcontrolador de oito bits, mas com recursos avançados, como dois registradores de oito bits cada (podem ser combinados em um único de 16 bits), dois registradores de índice de 16 bits cada, que é compatível a nível de instrução com o 6800. A Figura 18 mostra os registradores do HC11..

(35) Figura 19 - Diagrama da arquitetura do HC11. O segundo é uma versão de 16 bits, o HC12, compatível com todas as instruções do HC11 (embora nem sempre os programas rodem sem adaptações, apesar de o projeto ter previsto isso). Ainda temos o HC16 que era um microcontrolador mais robusto ainda, e com uma série de novos recursos em relação ao HC11, com hardware teoricamente compatível e inovações tais como endereçamento assíncrono, recurso mais comum em microcontroladores de 32 bits. Na Figura 19 temos o diagrama de blocos do HC11. Note que o HC11 tem arquitetura Von Neumann, de forma que o barramento de dados é o mesmo do barramento de endereçamento..

(36) Figura 20 - Diagrama de blocos do HC908. Mais recentemente a Motorola lançou no mercado de forma agressiva uma nova versão da família, o HC908 ou apenas HC08, com oito bits (arquitetura de Von Neumann), e de custo extremamente baixo (muitas versões custavam apenas um dólar) para competir com os microcontroladores de baixo custo da Microchip e Atmel, por exemplo. Com um acumulador, cinco registradores fora da memória, um registrador indexador de 16 bits, um contador de programa de 16 bits, entre outras funções, ele tem hardware e desempenho suficiente para competir nas aplicações de baixo custo com o PIC. Seu conjunto de instruções CISC e a presença desde o princípio de um compilador C tornam o microcontrolador bastante amigável para desenvolvedores. E, naturalmente, os periféricos abrangem desde conectividade USB até LIN, além dos recursos básicos como conversores AD, DA e saídas PWM. O diagrama de blocos é visto na Figura 20..

(37) 2.1.8. Experimentos com microcontroladores Após a introdução teórica sobre os modelos microcontroladores mais comuns no mercado, agora abordaremos os experimentos a serem realizados com os microcontroladores em laboratório. A idéia geral é trabalhar em linguagem Assembly basicamente porque esta é suficiente para fornecer o aprendizado da arquitetura do microcontrolador e, como temos experimentos simples, não haverá dificuldades para os alunos executarem os experimentos, mesmo para o microcontrolador RISC. Neste caso, a essência do experimento é o acionamento de indicadores luminosos, servomecanismos e monitoramento de sensores essenciais em controles de processos industriais. Outros recursos disponíveis são as bibliotecas sub-rotinas, funções matemáticas, acionamento de portas, e interfaces com periféricos, como botões, leds e displays. O kit comercial a ser utilizado com o PIC traz experimentos simples, mas que dão uma boa idéia dos usos de um microcontrolador. A Figura 21 traz uma foto do kit existente no laboratório.. Figura 21 - Kit com PIC 16F628 da Mosaico. Kit Efeitos luminosos Outro experimento interessante para microcontroladores é a geração de efeitos luminosos. O experimento em si é muito semelhante ao do semáforo, onde temos um laço maior que compreende vários estados diferentes, cada um com sua própria rotina de atraso. A.

(38) diferença é que a ordem e os efeitos aplicados podem ser totalmente definidos pelo usuário, simplificando a resolução de problemas em relação ao do semáforo. Ele trabalha basicamente as mesmas funções, mas de forma mais simples e acessível ao aluno em questão. Para este experimento em questão criamos o projeto do “Kit Efeitos Luminosos” no qual temos vários experimentos possíveis a serem realizados com microcontroladores. A Figura 22 nos traz o exemplo do kit. Nele temos dois semáforos veiculares e um para pedestre, com o intuito de simular um controlador semafórico de duas fases, quer seja para cruzamento veicular, quer seja semáforo para travessia de pedestres. Temos também um conjunto de leds que simulam efeitos luminosos variáveis. Com eles é possível fazer os mais variados efeitos em termos de manipulação da porta de saída e, especialmente, trabalhar subrotinas de atraso. Por último temos dois displays de 7 segmentos, que é um periférico bastante comum no trabalho de microcontroladores. Com ele é possível interfacear a porta de saída do microcontrolador e trabalhar facilmente com a decodificação por software, além de subrotinas de atraso. Neste caso, a idéia principal do kit é dar ao aluno a base teórica e prática necessária ao desenvolvimento de habilidades com microcontroladores. Os três experimentos possíveis com este kit englobam a grande maioria dos conhecimentos necessários a qualquer programador de microcontroladores. E a forma de produção permite uma fácil adaptação a qualquer microcontrolador a ser utilizado, deixando-o livre para adaptações futuras.. Figura 22 - Kit Efeitos Luminosos.

(39) Todos os periféricos deste kit são leds, à exceção do display que já vem pronto (embora sua construção comumente seja feita com leds também). Eles estão dispostos de forma a simular os experimentos descritos anteriormente e a construção em acrílico torna-o bastante apresentável e robusto. O uso de bornes para acionar os leds e o display permite a interface do kit com quase qualquer tipo de controlador eletrônico no mercado, não reduzindo o uso deste kit a um único tipo de controlador como é mais comum no mercado..

(40) 3. CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL Controlador Lógico Programável é um tipo de hardware de controle e automação de uso industrial, normalmente projetado para resistir a severas condições ambientais, tais como ambientes altamente empoeirados ou de temperaturas fora dos padrões. Além disso, eles normalmente fornecem grande flexibilidade de operação e programação de alto nível. A Figura 23 traz um CLP da WEG, bastante comum no Brasil. E a Figura 24 um CLP da ABB também muito conhecido.. Figura 23 - Foto de um Clic 02. 3.1. HISTÓRIA DO CLP O Controlador Lógico Programável (CLP) nasceu praticamente dentro da indústria automobilística americana, especificamente na Hydronic Division da General Motors, em 1968, devido à grande dificuldade de mudar a lógica de controla de painéis de comando a cada mudança na linha de montagem. Tais mudanças implicavam em altos gastos de tempo e dinheiro..

(41) A empresa Bedford Associates, na cidade de Bedford (Massachusetts, Estados Unidos) propôs algo chamado de Controlador Digital Modular, a um grande fabricante. Sob a liderança do engenheiro Richard Morley, foi preparada uma especificação que refletia as necessidades de muitos usuários de circuitos à reles, não só da indústria automobilística, como de toda a indústria manufatureira. Nascia o MODICON 084 (Modular Digital Controller, em português Controlador Digital Modular), que foi o primeiro CLP em produção no mundo. Nascia assim, um equipamento bastante versátil e de fácil utilização, que vem se aprimorando constantemente, diversificando cada vez mais os setores industriais e suas aplicações. Desde o seu aparecimento, até hoje, muita coisa evoluiu nos controladores lógicos, como a variedade de tipos de entradas e saídas, o aumento da velocidade de processamento, a inclusão de blocos lógicos complexos para tratamento das entradas e saídas e principalmente o modo de programação e a interface com o usuário. 3.2. VANTAGENS DO CLP Os CLPs são bastante versáteis como dispositivos de controle. Abaixo suas principais vantagens: . Tamanho reduzido. . Baixo consumo elétrico. . Reprogramáveis (erros não implicam em um sistema de controle novo, apenas na reprogramação do CLP, assim como uma mudança na linha pode ser feita apenas com um novo programa, reduzindo custos).. . Alta confiabilidade. . Alta robustez (sobrevivem bem mesmo em ambientes insalubres, em ampla faixa de temperaturas e poluição do ambiente). . Possibilidade de trabalho em rede. . Facilmente monitoráveis.

(42) Figura 24 - CLP da ABB. 3.3. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Os CLPs normalmente são controlados por microprocessadores ou microcontroladores internos, e por isso existe um algoritmo interno que processa as entradas e atualiza as saídas. Neste caso temos um diagrama de blocos que exemplifica o modo de funcionamento da grande maioria dos CLPs em funcionamento nas indústrias da atualidade. A Figura 25 traz o ciclo em diagrama de blocos. 3.3.1. Inicialização O processo de inicialização é semelhante à inicialização de qualquer dispositivo microprocessador. O microprocessador é inicializado por um firmware, e então inicializa os periféricos e faz uma checagem em todos os dispositivos internos. Então ele desativa as saídas e procura por um programa interna para executar. A maioria dos CLPs mostra mensagens de.

(43) erro para qualquer falha que ele encontre. Caso tudo esteja certo, ele passa para a próxima etapa onde inicializa o programa, caso esteja no modo de funcionamento (normalmente definido como “RUN”).. Figura 25 - Ciclo de varredura. 3.3.2. Verificar estado das entradas O programa então, depois de inicializado, é alimentado com os valores das entradas do CLP. Desta forma, o programa recebe os valores lidos nas portas de entrada para que possa realizar a próxima etapa.. 3.3.3. Transferir para a memória O programa, tendo posse dos dados dos valores das entradas do CLP, ele as grava na memória de programa para torná-los acessíveis à lógica programada. É esta memória que será usada em todo o processo de processamento do controlador do CLP..

(44) 3.3.4. Comparar com o programa Nesta etapa os dados armazenados na memória na etapa anterior, e os deixados no ciclo anterior (se houver um) são comparados no programa, e a lógica é processada pelo controlador. Com isto, os valores das saídas são atualizados e gravados na memória para que as saídas possam ser atualizadas.. 3.3.5. Atualizar estados das saídas Agora o controlador pega os valores encontrados pela lógica do programa e atualiza as saídas reais do CLP. Neste momento as alterações (caso existam) são feitas no sistema controlado pelo CLP. E após isto, inicia-se outro ciclo de varredura, retornando ao estado de verificar os valores das entradas.. Note que em cada ciclo as entradas são lidas uma única vez, assim como as saídas são atualizadas uma única vez. Neste caso, o tempo de reação do CLP a alterações em suas entradas depende da freqüência e do tempo de varredura do CLP. Assim quanto mais complexo o programa, mais demora para ser processado (o ciclo de varredura é maior) e quanto mais rápido for o processador, menor o tempo de processamento. Em qualquer dos casos, para o atual padrão de tecnologia a grande maioria dos CLPs à venda faz vários ciclos completos por segundo, tornando-os eficiente mesmo para sistemas que exijam respostas rápidas, a menos que estas sejam na ordem de microssegundos, caso em que controladores mais específicos são necessários. 3.4. EXPERIMENTOS COM CLP Os experimentos que faremos com o CLP são simples e bem voltados ao aprendizado. A idéia básica é ensinar a programação Ladder e a utilizar os recursos disponíveis no CLP em questão, no caso o Clic da WEG. O Kit de ensino tem um microCLP em um trilho junto com botões atuadores e as quatro saídas que podem ser alimentadas com tensão AC ou CC, a depender do uso. No Apêndice 3 temos a proposta de projeto do kit a ser utilizado para o CLP..

(45) 3.4.1. Programação Ladder Neste caso, utilizaremos a programação para o Clic da WEG, entretanto o Ladder é comum à maioria dos CLPs em uso no mercado e é facilmente adaptável a outros tipos de arquitetura. Assim, utilizaremos o ambiente de programação Clic da WEG para exemplificar.. Tal qual qualquer tipo de programação, inicialmente deve-se iniciar um projeto. Podese utilizar o ícone de novo, ou o menu como na Figura 26.. Figura 26 - Abertura de um novo projeto. Logo em seguida, deve-se selecionar o modelo no qual o programa deve funcionar. Para este exemplo, selecionamos na Figura 27 o 10HR-A que é o disponível no laboratório durante a escrita deste documento.. Figura 27 - Seleção do modelo do Clic.

(46) A tela de apresentação normalmente é utilizada para simulação. Nela há lâmpadas nas saídas, que permitem ver quando os relés estão ativos, e chaves nas entradas, para que controlemos as entradas do CLP. Para programar, é mais fácil na visão do Ladder do programa. A Figura 28 mostra botão que leva a esta tela.. Figura 28 - Seleção de tela 'Ladder'. A tela então aberta mostra toda a área onde faremos o programa, e na parte inferior temos as funções a serem utilizadas nos programas. Na Figura 29 temos a tela. Ela é dividida em linhas e colunas. O mais importante são as colunas, já que variáveis têm que estar em colunas ímpares, sendo a última somente para as saídas. As colunas pares servem para as ligações entre duas linhas.. Figura 29 - Tela de programação Ladder. A programação em Ladder é bastante simples. Assemelha-se muito à lógica Booleana. Ela é feita em cima da lógica de relés, onde relés em paralelo formam uma função “OU” (em inglês OR). Em série formam uma “E” (em inglês AND). Para exemplificar, a Figura 30 e a Figura 31 trazem as duas funções em Ladder..

(47) Figura 30 - Lógica OU no Ladder. Figura 31 - Lógica E no Ladder. A pesar de a lógica Booleana ser fácil de implementar, é mais difícil fazer coisas mais complexas, como contadores e temporizadores. Para isto o próprio programa traz uma série de funções, como temporizadores, contadores, relógio de tempo real, contato diferencial, etc. Todos estão disponíveis na barra que fica na parte inferior, logo acima da “Barra de Status”. Elas são abordadas nos respectivos guias de experimentos. 3.4.2. Experimentos com CLP. Figura 32 - Kit CLP. Na Figura 32 temos um kit do microCLP em si. Neste caso optamos por equipamentos que eventualmente acompanhariam um CLP em um ambiente industrial pois caracterizaria de forma mais fiel o que é encontrado no “chão de fábrica”. Como se tratam de elementos industriais mesmo, temos um trilho comumente encontrado nas caixas destinadas a elementos de controle, onde ficam acoplados o CLP e as respectivas chaves de controle..

(48) O kit é composto por uma placa de acrílico sobre a qual será montado um trilho onde ficarão encaixados o CLP e os acionadores. As saídas do CLP serão as próprias saídas do kit que deverá se conectar a um outro kit externo ou mesmo processo a ser controlado. A alimentação é mesmo em 220VAC disponível em laboratório, sem necessidade de fonte externa para o controlador. A montagem permite adaptação posterior a outros tipos de kit externo sem qualquer alteração neste kit. Os experimentos serão realizados com os kits externos que deverão ser conectados a este por meio de fios conectados aos acionadores ou às saídas do CLP. Os acionadores podem simular sensores externos, mas também podemos ter os sensores diretamente ligados às entradas do CLP. As saídas podem ser conectadas a leds ou podem comandar diretamente algum equipamento real, como bomba ou lâmpada. 3.4.3. Kit motores de corrente contínua. Figura 33 - Kit Motores de Corrente Contínua. O Kit de experimentos mostrado da Figura 33 reúne a simulação de um motor de passo e um sistema com caixa d’água e cisterna (também pode ser utilizado como um sistema de dois tanques). No caso do motor de passo os leds vermelhos indicam a posição do rotor, e à medida que o programa roda ele dá a noção de funcionamento do motor. Os leds azuis.

(49) indicam qual bobina está energizada, mostrando o porque da respectiva posição do rotor. No caso do sistema de caixas d’água, temos dois sensores e dois atuadores, cada um com o respectivo led. O sistema tanto pode ser utilizado apenas para simulação, onde os sensores seriam simulados por atuadores (podem ser os disponíveis no kit do CLP) como para mostrar o estado de um experimento real, dando a noção de como está o sistema real em um determinado momento. Em todo o kit temos bornes para cada entrada, permitindo o interfaceamento do mesmo com qualquer controlador externo compatível. A experiência de controle da bomba de água é extremamente simples e facilmente realizada. Ela invoca os principais conceitos de programação Ladder, assim como os recursos básicos do Clic da WEG. A idéia é montar um experimento onde o CLP faça o controle do nível de uma Caixa d’água alimentada por uma bomba que retira água de uma cisterna. Neste caso o funcionamento da bomba é limitado à presença de água na cisterna, e ao esvaziamento da caixa d’água. O controlador deve comandar a bomba e a válvula que enche a cisterna. O funcionamento simples e intuitivo permite que os acionadores sejam facilmente utilizados para comandar as ocorrências esperadas e simular o funcionamento do sistema antes do experimento real. Após a simulação o equipamento real será colocado em prática e o kit ainda servirá para dar uma visão clara de como está o processo controlado. O motor de passo é um tipo de motor comumente utilizado em processos que exijam preciso controle de posição. Além disso permite um alto torque para velocidades de funcionamento relativamente baixas. O experimento com este motor dará ao aluno não só a capacidade de programar o controlador, como também de entender o funcionamento do mesmo através da simulação das bobinas energizadas em cada estado. Após a simulação, este também pode ser interfaceado com o motor de passo para mostrar de forma simples e didática o funcionamento do motor. Como no kit de Efeitos Luminosos visto anteriormente, todos os leds deste kit são acionados por bornes externos que permitem o uso de quase qualquer controlador eletrônico disponível. Com isto este kit não ficará limitado ao uso de um único controlador, mas qualquer controlador conveniente, flexibilizando e dando vida útil bastante longa ao kit..