UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO FACULDADE DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS CURSO DE BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
EDUARDO RODRIGO THIESEN
PLACA DE AQUISIÇÃO DE DADOS PARA MONITORAMENTO DE SINAIS NA ENGENHARIA
UNEMAT – Campus de Sinop
2016/2
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO FACULDADE DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS CURSO DE BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
EDUARDO RODRIGO THIESEN
PLACA DE AQUISIÇÃO DE DADOS PARA MONITORAMENTO DE SINAIS NA ENGENHARIA
Projeto de Pesquisa apresentado à Banca Examinadora do Curso de Bacharelado em Engenharia Elétrica – UNEMAT, Campus Universitário de Sinop – MT, como pré-requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Elétrica.
Prof. Orientador: Dr. Vlademir de Jesus Silva Oliveira.
UNEMAT – Campus de Sinop
2016/2
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Caracteristicas de um Sistema DAQ ... 13
Figura 2 – Placas PCI e suas Configurações ... 18
Figura 3 – Esquemático PIC16F887 ... 21
Figura 4 – Configuração Simples para Aquisição de Dados ... 25
Figura 5 – Configuração Completa para Aquisição de Dados ... 26
Figura 6 – Representação de um Sinal ... 27
Figura 7 – Sinal Digital ... 28
Figura 8 – Sequência de Pulsos Digitais ... 28
Figura 9 – Sinal Analógico CC ... 29
Figura 10 – Sinal Analógico CA ... 30
Figura 11 – Diagrama de Blocos Funcional do Hardware ... 32
LISTA DE ABREVIATURAS
ADC – Conversor Analógico-Digital A/D – Analógico-Digital
CA – Corrente Alternada CC – Corrente Contínua
CCS – Custom Computer Services CI – Circuito Integrado
DAC – Conversor Digital-Analógico DAQ – Data Acquisition
DMA – Direct Memory Acess
EISA – Extended Industry Standard Architecture E/S – Entrada-Saída
FTDI – Future Technology Devices International GPIB – General Purpose Interface Bus
IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers ISA – Industry Standard Architecture
LED – Light Emitter Diode
LIT – Linear Invariante no Tempo PC – Personal Computer
PCI – Peripheral Component Interconnect
PDS – Processamento Digital de Sinais
PIC – Peripheral Interface Controller
PWM – Pulse Width Modulation
USB – Universal Serial Bus
DADOS DE IDENTIFICAÇÃO
1. Título: Placa de Aquisição de Dados para Monitoramento de Sinais na Engenharia.
2. Tema: 3.04.00.00-7 Engenharia Elétrica.
3. Delimitação do Tema: 3.04.03.03-0 Circuitos Eletrônicos.
4. Proponente(s): Eduardo Rodrigo Thiesen.
5. Orientador(a): Vlademir de Jesus Silva Oliveira.
6. Estabelecimento de Ensino: Universidade do Estado de Mato Grosso.
7. Público Alvo: Acadêmicos, profissionais e pesquisadores de engenharia elétrica e áreas afins.
8. Localização: Avenida dos Ingás, nº 3001, Centro – Sinop – MT, CEP 78555-000.
9. Duração: 8 meses.
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ... I LISTA DE ABREVIATURAS ... II DADOS DE IDENTIFICAÇÃO ... III
1 INTRODUÇÃO ... 6
2 PROBLEMATIZAÇÃO ... 8
3 JUSTIFICATIVA... 10
4 OBJETIVOS ... 11
4.1 OBJETIVO GERAL ... 11
4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 11
5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 12
5.1 SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS ... 12
5.1.1 Sensores e Transdutores ... 13
5.1.2 Estrutura de Fiação e Cabeamento de Comunicação ... 14
5.1.3 Condicionamento do Sinal ... 14
5.1.4 Hardware de Aquisição de Dados ... 15
5.1.5 Software de Aquisição de Dados ... 16
5.1.6 Computador Hospedeiro ... 17
5.1.7 Configuração do Sistema de Aquisição de Dados e Controle ... 17
5.1.8 Placa com E/S Conectadas nos Barramentos de Computadores 18 5.1.9 Entrada e Saída (E/S) Distribuída ... 19
5.1.10 Controladores/ Registradores Autônomos ou Distribuídos ... 19
5.1.11 Instrumentos Programáveis Remotos IEEE-488 ... 20
5.2 HARDWARE DE AQUISIÇÃO DE DADOS ... 20
5.2.1 Microcontrolador PIC16F887 ... 20
5.2.2 Comunicação USB... 22
5.2.3 Buffer de Tensão ... 22
5.2.4 Acopladores Ópticos ... 23
5.2.5 Programação do Microcontrolador ... 23
5.3 LABVIEW ... 23
5.4 CLASSIFICAÇÃO DE SINAIS ... 26
5.4.1 Sinais Digitais ... 27
5.4.2 Sinais Analógicos ... 29
5.5 FILTROS DIGITAIS ... 30
6 METODOLOGIA ... 32
7 CRONOGRAMA ... 34
8 REFERENCIAL BIBLIOGRÁFICO ... 35
1 INTRODUÇÃO
Um sistema de aquisição de dados é um sistema capaz de mensurar variáveis analógicas do ambiente, processar os dados matematicamente e registrar em dispositivos de armazenamento para futuras análises (ALCIATORE & HISTAND, 2014). Outra aplicação é utilizar os dados coletados e aplicar algum controle no sistema analisado. Para adquirir esses dados e efetuar o controle de variáveis há necessidade de criar um dispositivo que atue como ponte para este processo, efetuando a comunicação com um computador pessoal.
Dados os benefícios que um hardware de aquisição de dados possa trazer na engenharia, se torna importante desenvolver um aparato de custo baixo na universidade, possibilitando ajudar os usuários a tomar decisões e fazer descobertas, aproximando a teoria com a prática e motivando-os. Placas microcontroladas e computadores pessoais são utilizados de forma ampla na aquisição de dados e controle de variáveis, “isso é muito importante para que os engenheiros entendam como é feito o acesso direto da informação e como os dados circundam nesses dispositivos nesse ambiente” (ALCIATORE & HISTAND, 2014, p.
350). Uma placa de aquisição de dados comercial no Brasil tem um custo elevado devido a maior parte de seus fabricantes serem estrangeiros. Outro ponto importante que podemos levar em consideração é o custo baixo em se desenvolver a própria placa, pois com conhecimentos na área de eletrônica e utilização de microcontroladores, que são componentes de custo baixo com inúmeras funcionalidades, viabilizando a aplicação destes na confecção de placas que apresentam um bom desempenho.
Desse modo, ocorreu a necessidade de estudar um sistema de aquisição de dados, analisar os sensores a serem utilizados do ponto de vista prático (facilidade de implantação, robustez e custo) e teórico (precisão exigida e tempo de resposta dentro do limite desejado) verificar e elaborar testes em bancada com microcontrolador pesquisar software que estabeleça comunicação entre o sistema de aquisição e o computador pessoal, buscar uma forma de registrar os dados em ferramenta computacional de edição de texto para posterior utilização no projeto.
Assim pretende-se desenvolver um sistema de aquisição de dados para
sensores de tensão e corrente elétrica aplicado no monitoramento de sinais na
engenharia para ser utilizado em laboratórios, em aparelhos de aferição, e
aplicações que envolvem a automação, sendo indispensável equipamentos de
aquisição de dados e controle para aplicações na área de engenharia.
2 PROBLEMATIZAÇÃO
Nas pesquisas relacionadas ao desenvolvimento de uma placa de aquisição de dados, encontram-se vários trabalhos relevantes sobre o assunto nos mostrando a importância e flexibilidade que o usuário tem em trabalhar com equipamentos de aquisição de dados e software de instrumentação virtual.
Em cursos de graduação em Engenharia é indispensável equipamentos que possam servir de auxílio no aprendizado, para analisarmos problemas e tomar decisões. Mais especificamente na engenharia elétrica, em aulas de laboratório, é necessário analisar fenômenos físicos que sem um equipamento adequado não seria possível. No entanto levando em consideração que bons equipamentos são caros, aliado à dificuldade e demora para adquirir os mesmos em instituições públicas no Brasil, se torna importante ter a disposição um equipamento de aquisição de dados com custo baixo, para ser utilizado nos laboratórios, podendo auxiliar o aluno em inúmeras aplicações que necessitam de aquisição de dados para serem analisadas e resolvidas.
Filho (2010) desenvolveu um sistema de controle e aquisição para fins de aplicação educacional e industrial. Sendo um kit de custo baixo, seu sistema é composto por duas partes distintas que são: software de interface com o usuário e o hardware que basicamente é composto por um microcontrolador PIC18F4550, circuitos de proteção e conversores Digital-Analógico – D/A. A placa possui seis entradas analógicas, três saídas analógicas, duas saídas Pulse Width Modulation – PWM e cinco pinos que podem ser configurados como entradas ou saídas digitais. A comunicação utilizada entre a placa e computador foi via Universal Serial Bus – USB através de um módulo intrínseco ao microcontrolador.
Este trabalho será baseado na placa descrita em Filho (2010), com alguns
diferenciais, no qual um deles é a escolha do microcontrolador. Para este projeto
selecionamos o microcontrolador PIC16F887, porém encontra-se menos recursos se
comparado ao PIC18F4550, por exemplo neste microcontrolador não há um modulo
interno para comunicação USB. No entanto optou-se pela escolha do mesmo devido
seu custo baixo, e características relacionadas as entradas e saídas satisfatórias
para o projeto. Um dos motivos que levou a não escolha do mesmo microcontrolador
utilizado em Filho (2010) foi devido à incompatibilidade dos drivers da comunicação
USB com sistemas operacionais mais atuais, também dificuldades encontradas para
realizar a comunicação USB com o PIC18F4550 relatadas por quem já trabalhou com o mesmo. Para contornar o problema e continuar com a comunicação USB será utilizado um circuito integrado – CI modelo FT232R que converte comunicação serial, disponível no microcontrolador escolhido, em comunicação USB.
Os autores Kale, Bankar e Jagtap (2014) utilizaram um microcontrolador Peripheral Interface Controller – PIC junto com um transdutor de corrente para projetar um modulo de aquisição de dados, o trabalho descreve a construção de uma solução de baixo custo com boa resolução e alta confiabilidade. O sistema de aquisição de dados foi proposto com interface serial para comunicação visto que a maioria dos computadores pessoais suporta este tipo de comunicação. Os dados adquiridos passados para o computador são utilizados com o programa LabVIEW que plota gráficos e indicadores de acordo com o respectivo transdutor. A aquisição de dados é uma parte importante da indústria de controle e sistemas, normalmente se utiliza sistemas microcontrolados para funções relativamente independentes.
Dentre inúmeras funcionalidades de um sistema de aquisição de dados,
principalmente sua utilização em aplicações que envolvem o monitoramento de
variáveis na engenharia, podendo assim auxiliar estudantes em atividades
experimentais. Neste trabalho o problema proposto é desenvolver um sistema de
aquisição de dados com um custo baixo, aplicado no monitoramento de sinais na
engenharia, mais especificamente sinais elétricos, utilizando sensores de tensão e
corrente.
3 JUSTIFICATIVA
O desenvolvimento deste dispositivo é proposto devido à falta de sistemas de aquisição de dados de custo baixo para sensores de tensão e corrente, com aplicação no monitoramento de sinais na engenharia, também com possibilidade em outras aplicações como controle de sistemas, processamento e análise de dados.
No entanto, mesmo tendo uma vasta gama de possibilidades para aplicação, o presente projeto tem um foco voltado para monitoramento de sinais na engenharia auxiliando assim, acadêmicos e engenheiros na resolução de problemas em atividades experimentais realizadas em laboratórios de engenharia. Especificamente na área elétrica, há uma necessidade fundamental em se trabalhar com equipamentos para aferição e análise de sinais de tensão e corrente, podendo assim aproximar a teoria com a prática, motivando e auxiliando os acadêmicos na realização de atividades práticas.
Um campo experimental necessita de mecanismos dinâmicos e supervisão
em tempo real de todas as variáveis relacionadas as grandezas físicas envolvidas
no monitoramento, logo, a quantidade de sensores, atuadores e o armazenamento
de dados são elementos chave no processo.
4 OBJETIVOS
4.1 OBJETIVO GERAL
Desenvolver uma placa de aquisição de dados com condicionamento de sinal para sensores de tensão e corrente. Busca-se uma aplicação geral, porém de custo baixo, aplicada no monitoramento de sinais na Engenharia. Para comprovar os resultados teóricos obtidos por formulação matemática e simulação virtualizada pretende-se implementar um protótipo da placa e testá-lo experimentalmente.
4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Especificar o projeto definindo todas as funções de comunicação da placa (ex.: Conversor Analógico-Digital - A/D) e definir qual microcontrolador utilizar com base nas especificações do projeto;
Projetar a comunicação com o computador host usando interface USB;
Escolher sensores adequados para o protótipo, os quais devem ser aplicados ao monitoramento de sinais de tensão e corrente na Engenharia;
Determinar o tipo de filtro digital e algoritmo que melhor se aplica ao sistema, buscando minimizar ruídos indesejados, minimizando o uso de circuitos analógicos para tal função;
Conforme os sensores escolhidos para testar o protótipo, projetar o condicionamento de sinal capaz de atender a cada canal da entrada analógica, com as características inerentes a cada sensor;
Projetar um protótipo de sistema embarcado da placa de aquisição de dados
para realizar testes que permitam comparar o sistema proposto com
equipamentos de aferição confiáveis.
5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Segundo Park e Mackay (2003) a aquisição de dados é o processo pelo qual fenômenos físicos do mundo real são transformados em sinais elétricos, que são medidos e convertidos em formato digital para processamento, análise e armazenamento através de um computador. .
5.1 SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS
Sistema de aquisição de dados também conhecido como Data Acquisition - DAQ, é o dispositivo que permite não só a aquisição de dados, mas também atuar sobre eles, caso seja necessário o controle de processos do sistema total. Controle é o processo pelo qual os sinais de controle digital do hardware do sistema são convertidos para um formato de sinal para serem utilizados por dispositivos de controle tais como relés e atuadores (PARK & MACKAY, 2003).
Um sistema de aquisição de dados e controle é construído à partir do nível de potência e flexibilidade do Computador Pessoal – PC, podendo constituir uma larga variedade de blocos de hardwares de equipamentos de diferentes fabricantes.
Um sistema de aquisição possui as características expressas na Figura 1:
Sensores e transdutores;
Fiação de campo;
Condicionamento de sinal;
Hardware de aquisição de dados;
Computador pessoal;
Software para aquisição de dados.
Figura 1 – Caracteristicas de um Sistema DAQ (Fonte: Park e Mackay, 2003)
Cada elemento do sistema total de aquisição é importante para a precisão das medições e coleta dos dados do processo ou fenômeno físico que está sendo monitorado.
5.1.1 Sensores e Transdutores
Sensores, são componentes eletrônicos que fornecem a interface entre o
mundo real e os dados, convertendo a grandeza de fenômenos físicos em sinais
elétricos que o dispositivo de condicionamento de sinal, ou hardware de aquisição
dados pode aceitar. Estes componentes medem a variável física em questão e
dispõem sinais de saída para comunicação com o sistema de aquisição. Exemplos
destes componentes são os termopares, detectores de temperatura resistiva (RTDs),
termistores. Os transdutores também medem grandezas físicas com um diferencial
em relação aos sensores, pois algumas vezes o sinal elétrico produzido não é útil, ou seja, não produz uma informação significativa, então é necessário efetuar o condicionamento deste sinal para obter uma informação significativa, portanto esta é a característica que diferencia o transdutor de um sensor. Tais grandezas físicas podem ser medidas utilizando transdutores de pressão, tensão mecânica e outros que mensuram o deslocamento linear e angular, luz, propriedades químicas, velocidade e aceleração. Em cada caso, os sinais elétricos produzidos são proporcionais para a quantidade física sendo medida de acordo com alguma relação definida (PARK & MACKAY, 2003).
5.1.2 Estrutura de Fiação e Cabeamento de Comunicação
A estrutura de fiação do sistema de aquisição de dados representa a estrutura física de conexão que conectam os transdutores e sensores ao dispositivo de condicionamento de sinais ou hardware aquisição de dados. Nesse caso, quando o sinal condicionado e, ou do dispositivo de aquisição de dados está remotamente localizado a partir do PC, a estrutura de fiação provê a ligação física entre os elementos do dispositivo ao computador hospedeiro (PC host). Se esta ligação física é uma interface de comunicação RS-232 ou RS-485, então este componente da estrutura de fiação é frequentemente referido como cabeamento de comunicação.
A estrutura de fiação e cabeamento de comunicação geralmente representam o mais extenso e exposto componente do sistema total, sendo mais suscetível aos efeitos do ruído externo, especialmente em ambientes industriais severos. O correto aterramento e blindagem da estrutura de fiação e do cabeamento de comunicação são de suma importância, pois reduz os efeitos do ruído. A negligência destas técnicas de fiação pode transformar o sistema que seria confiável em impreciso (PARK & MACKAY, 2003).
5.1.3 Condicionamento do Sinal
Sinais elétricos gerados por transdutores muitas vezes precisam ser
convertidos em uma forma adequada para o dispositivo de aquisição de dados,
particularmente ao conversor A/D, que converte os dados do sinal ao formato digital
necessário. Além disso, muitos transdutores requerem alguma forma de excitação
ou aperfeiçoamento da ponte (ligação entre transdutor e dispositivo) para operação apropriada e precisa.
Os principais recursos efetuados por condicionamento de sinal são: filtragem;
linearidade; amplificação; linearização; isolação; excitação.
A filtragem consiste na aplicação num processo para eliminação de ruído proveniente do ambiente, como por exemplo, ambientes ruidosos onde o sinal transmitido pelo sensor tem amplitude muito baixa (na ordem de mili-volts), como termopares e sensor de tensão mecânica, o ruído pode comprometer a transmissão de dados devido à magnitude deste ser similar ao valor medido pelo sensor. Desse modo, recorre-se a filtros passa-baixa para a eliminação de ruído de frequências altas, que podem levar dados imprecisos (PARK & MACKAY, 2003).
Após filtrar o sinal de entrada no dispositivo, ocorre a necessidade de amplificá-lo para que se alcance uma resolução maior. A resolução máxima é obtida por meio do módulo de amplificação, amplificando o sinal de entrada de modo que a máxima oscilação de tensão seja igual ao alcance do conversor A/D contido dentro do dispositivo de aquisição.
Equipamento de condicionamento de sinal também pode ser destinado para a isolação de sinais dos transdutores dos transientes de alta tensão que podem ser provenientes do computador e que afetam o sistema em monitoramento caso ocorra falha elétrica ou descarga eletrostática. A isolação protege de danos o equipamento computacional caro e, além disso, permite que as medições sejam mais seguras e precisas em ocasiões em que os níveis de tensão são comumente baixos ou altos, como em aplicações médicas.
5.1.4 Hardware de Aquisição de Dados
O hardware de aquisição e controle pode ser definido como os componentes de um sistema de aquisição de dados completo, que permite a execução das seguintes funções:
Entrada, processamento e conversão de dados do sinal analógico mensurado, de um sistema ou processo, para o formato digital, usando Conversores Analógico-Digitais - ADC. Os dados então são transferidos para um computador para exibição, armazenamento e análise;
Entrada de sinais digitais, que contém informações de sistemas ou processos;
O processamento, conversão para o formato analógico usando Conversores Digital-Analógicos - DAC, do sinal digital do computador. Os sinais analógicos de controle são usados para controlar um sistema ou processo;
A saída de sinais digitais de controle.
O hardware de aquisição de dados está disponível em muitas formas, de vários fabricantes diferentes. Placas de barramento de expansão que são conectadas nos barramentos de expansão do computador são itens comumente utilizados pelo hardware de aquisição. Outros formatos de hardware são os registradores autônomos inteligentes, que podem ser monitorados, controlados e configurados do computador via interface RS-232, e ainda pode ser deixado para operar independentemente do computador.
Outro item dos dispositivos de aquisição, especialmente em testes R&D e testes ambientais, é o instrumento autônomo remoto, que pode ser configurado e controlado pelo computador através da interface de comunicação IEEE-488 (PARK
& MACKAY, 2003).
5.1.5 Software de Aquisição de Dados
Um hardware de aquisição de dados não funciona sem um ambiente computacional com software, porque esta é a ferramenta que opera no computador pessoal e o transforma em um sistema completo de aquisição, análise, visualização de dados e controle.
A aplicação computacional permite que o sistema opere em um sistema operacional de simples tarefa, como o DOS, ou multitarefa, como o Windows, Unix, OS2, podendo deixar em funcionamento várias aplicações simultaneamente.
Esta aplicação computacional pode ser uma tela cheia de painéis interativos, um programa de controle dedicado de entrada e saída de dados, um registrador de dados, manipulador de comunicação ou a combinação de todas essas funções.
Deste modo, há três opções disponíveis, considerando o programa requerido,
para que se faça a interação com o hardware de aquisição: programas que registram
os dados diretamente do dispositivo; um programa controlador de baixo nível, que
provê ao dispositivo, uma tarefa simples de aplicação; software off-the-shelf (de
prateleira), que são programas fornecidos com o próprio hardware e que fazem
todas as tarefas exigidas. Alternativamente, há o pacote de terceiros, como o
LabVIEW e o Labtech Notebook que dispõem de interface gráfica para a programação das tarefas requeridas de um dispositivo particular, e que disponibilizam as ferramentas de análise e visualização dos dados adquiridos (PARK
& MACKAY, 2003)
5.1.6 Computador Hospedeiro
O computador hospedeiro (ou host) é o computador pessoal que é utilizado na aquisição de dados e que podem afetar significativamente na velocidade com que os dados podem ser adquiridos simultaneamente e precisamente, processados e armazenados para uma aplicação particular. A alta velocidade de aquisição de dados é alcançada por meio de uma placa de expansão plug-in que são disponibilizadas pelas arquiteturas de barramento de expansão, como o barramento Peripheral Component Interconnect – PCI que tem velocidade maior que o empregado com os barramentos de expansão padrões Industry Standard Architecture – ISA ou Extended Industry Standard Architecture – EISA.
Dependendo da aplicação particular, a velocidade do processador, tempo de acesso do disco rígido e os tipos de transferência de dados que podem ser utilizados, tem um impacto na velocidade que o computador está habilitado para adquirir dados continuamente. Todos os computadores pessoais são capazes de programar a entrada e saída – E/S de dados e interromper a transferência de dados.
O uso da Memória de Acesso Direto – DMA, em que um circuito analógico-digital dedicado é utilizado para a transferência de dados diretamente na memória do computador, aumenta o rendimento do sistema e deixando o computador livre para outras tarefas (PARK & MACKAY, 2003).
5.1.7 Configuração do Sistema de Aquisição de Dados e Controle
Em muitas aplicações, especialmente em aquisição de dados para controle
de processos, a potência e flexibilidade do computador pessoal. Permitem que os
sistemas DAQ sejam configurados de várias maneiras. Cada tipo de configuração
apresenta suas vantagens distintas. A chave para o uso eficaz do PC é o cuidado
com requisitos específicos de uma determinada aplicação com a escolha de
hardware e software apropriados. A escolha do hardware e da configuração do
sistema é amplamente direcionado ao ambiente em que o sistema irá operar, a sua
localização física em relação ao computador (host), o número de sensores e atuadores necessários, o tipo de condicionamento do sinal, e hostilidade do local ou ambiente são fatores chave (PARK & MACKAY, 2003).
As configurações mais comuns são:
Placa com E/S conectadas nos barramentos de computadores;
Entradas e saídas distribuídas;
Registradores e controladores autônomos ou distribuídos;
Instrumentos IEEE-488.
5.1.8 Placa com E/S Conectadas nos Barramentos de Computadores
Na Figura 2, tem-se um modelo de configuração de um sistema de aquisição de dados, com computador pessoal.
Figura 2 – Placas PCI e suas Configurações (Fonte: Park e Mackay, 2003)
Também na Figura 2 é mostrado exemplos de placas de conexão de entrada e saída de dados, que são plugadas diretamente no barramento de expansão PCI.
Esta é geralmente compacta e representa o método mais rápido de aquisição de
dados para a memória do computador e, ou, alterando as saídas. Estas placas geralmente representam o menor custo (PARK & MACKAY, 2003).
5.1.9 Entrada e Saída (E/S) Distribuída
Frequentemente muitos sensores são remotamente localizados do computador em que são realizados o processamento e armazenamento dos dados.
Isto ocorre especialmente em ambientes industriais, onde os sensores e atuadores são localizados em ambiente hostil sobre uma vasta área, possibilitando centenas de metros de distância. Em ambientes ruidosos, é muito difícil os sinais de baixa amplitude (na ordem de mili-volts), como os de termopares, alcançar longas distâncias sem que a qualidade dos dados sejam comprometidas.
Alternativamente à aplicação de cabos longos e caros, pode ser a utilizado entrada e saída distribuída, que é disposta em módulos de condicionamento de sinal remotos, próximo a sensores aos quais fazem interface. O módulo é requerido para cada sensor utilizado, permitindo altos níveis de modularidade (pontos únicos à centenas de pontos por localização). Enquanto isto pode-se adicionar sistemas razoavelmente caros com larga contagem de pontos, apesar de beneficiar o sistema total em termos de melhoria de qualidade e precisão.
Uma das formas de distribuição E/S mais comumente implementadas é o de transmissão digital. Os dispositivos inteligentes executam todas as funções de condicionamento de sinal (amplificação, filtragem, isolação, etc.) necessárias, contém microcontrolador e conversor A/D, para que se tenha a conversão digital do sinal dentro do próprio módulo. Os dados convertidos são transmitidos ao computados por meio de interfaces de comunicação, conforme citam Park e Mackay (2003).
5.1.10 Controladores/ Registradores Autônomos ou Distribuídos
O uso de controladores e registradores autônomos fornecem benefícios como
a capacidade de tomar decisões remotamente dos módulos de condicionamento
inteligente e alta confiabilidade do sistema. Isto ocorre porque uma vez programado,
o registrador autônomo pode operar continuamente mesmo quando o computador
(host) não está conectado ou funcional. Estes registradores são fabricados para
operar sem um computador (host), tornando-os assim úteis em aplicações onde a
unidade deve ser localizada em um lugar remoto ou hostil. Esses dispositivos são
poderosos, flexíveis e inteligentes com interface para uma ampla gama de transdutores além de fornecer entradas digitais e saídas de controle para controle de processos. Sua programação é feita através de uma interface de comunicação ou utilizando cartões portáteis e reutilizáveis (PARK & MACKAY, 2003).
5.1.11 Instrumentos Programáveis Remotos IEEE-488
O padrão de comunicação agora conhecido como General Purpose Interface Bus – GPIB foi desenvolvido pela Hewlett-Packard em 1965 como uma interface digital para interconectar e controlar seus instrumentos de teste programáveis.
Devido sua velocidade, flexibilidade e utilidade na conexão de instrumentos em ambiente de laboratório. Levou a sua ampla aceitação e adoção como padrão mundial (IEEE-488). O GPIB é um sistema paralelo de interface de comunicação que permite a conexão simultânea de até 15 dispositivos, foi evoluindo a partir da necessidade de se coletar dados para uma série de instrumentos diferentes que se encontram em um laboratório. Milhares de instrumentos laboratoriais e indústriais estão disponíveis no mercado como voltímetros, osciloscópios e muitos outros instrumentos (PARK & MACKAY, 2003).
5.2 HARDWARE DE AQUISIÇÃO DE DADOS
5.2.1 Microcontrolador PIC16F887
Microcontrolador é um CI contendo circuitos especialistas e funções que são aplicadas no desenvolvimento de sistemas mecatrônicos. Em um único chip encontra-se microprocessador, memória, recursos de entrada e saída de dados e outros tipos de funções, sendo basicamente considerado um microcomputador dentro de um simples CI (ALCIATORE & HISTAND, 2014).
Os microcontroladores são usados em uma ampla gama de aplicações desde domésticas, automotivas, transporte, aviação, telecomunicações e qualquer outra aplicação que envolva controle inteligente.
Microcontrolador pode ser considerado um computador de chip único. O
nome micro sugere que o dispositivo é pequeno, controlador sugere que o
dispositivo é usado em aplicações de controle. O termo controlador devesse ao fato
dele ser constituído por dispositivos de controle. Um microprocessador difere de um
microcontrolador de várias maneiras, sendo uma das principais distinções é que um
microprocessador requer vários outros componentes para o seu funcionamento (IBRAHIM, 2008).
O microcontrolador PIC da Microchip possui muitos recursos e flexibilidade de aplicações, os microcontroladores da família PIC16F possuem barramento de dados de 8 bits. O esquemático do PIC16F887 pode ser visualizado na Figura 3.
Figura 3 – Esquemático PIC16F887 (Fonte: Microchip, 2015)
O microcontrolador da família PIC16F apresenta funcionalidades como:
14 DAC com 10 bits de resolução;
Memória de dados EEPROM 256 bytes;
Frequência de operação até 20 MHz;
Oscilador interno de precisão com frequência ajustável entre 31KHz a 8MHz;
Modulo USART;
2 Comparadores;
35 E/S Digitais;
2 Módulos Capture/Compare/PWM;
5.2.2 Comunicação USB
Para microcontroladores sem compatibilidade para comunicação USB pode ser utilizado um CI que irá converter a comunicação serial para USB, visto que além de eliminar dificuldades encontradas ao utilizar um microcontrolador que já tem um modulo para tal tarefa, evita incompatibilidade com drivers. Também por ser uma opção barata e confiável o CI FT232R é fabricado pela empresa Future Technology Devices International – FTDI.
É um dispositivo de interface USB para serial USART que simplifica USB para uma série de projetos. Ele foi projetado para operar eficientemente com um controlador host USB usando o mínimo possível da largura da banda USB total disponível.
A arquitetura USB é fácil de se utilizar na expansão de periféricos, pois possui soluções de baixo custo com boa taxa de transferência e dá suporte a dados em tempo real, fator importante para projetar um dispositivo de aquisição de dados.
Fisicamente os dispositivos USB são ligados através de cabos que para versão até 2.0 possuem quatro fios condutores sendo dois destinados a alimentação e dois para transmissão de dados.
Devido ao fato da tecnologia USB não ser de domínio público, é interessante a utilização de chips que emprestam o código chamado vendor ID e product ID para seus clientes que pretendem desenvolver aplicações com USB (OLIVEIRA &
ANDRADE, 2010).
5.2.3 Buffer de Tensão
O buffer de tensão fornece um meio de isolar um sinal de entrada de uma carga ao utilizar um estágio com ganho unitário de tensão, sem inversão de fase, e agir como um circuito ideal com impedância de entrada muito alta e impedância de saída muito baixa. Em outras palavras, basicamente ele serve para isolar uma fonte com alta impedância de saída de uma carga com baixa impedância de entrada, sendo também conhecido como circuito acoplador ou casador de impedância (BOYLESTAD & NASHELSKY, 2013).
Os circuitos do tipo buffer serão previstos para todas as entradas e saídas
analógicas e digitais, visto que nas saídas analógicas poderão ser associados
também outros circuitos condicionadores de sinal.
5.2.4 Acopladores Ópticos
São amplamente utilizados em transferência de sinais e informações entre circuitos, sendo capaz de isolar dois circuitos eletrônicos distintos mantendo a comunicação e controle entre ambos. Estes circuitos serão necessários na saída PWM da placa (FILHO, 2010).
Geralmente estes acopladores ópticos são fototransistores e optoisoladores onde o optoisolador é composto por um Light Emitter Diode – LED e um fototransistor separados por uma pequena lacuna, a luz emitida pelo LED provoca circulação de corrente no fototransistor podendo assim ter uma tensão de saída desejada, com uma grande vantagem da saída ser protegida de qualquer tensão de entrada excessiva, ou seja o acoplador ótico faz com que haja isolamento elétrico entre os circuitos de entrada e de saída, não existindo ponto de contato entre os dois circuitos. Além disso quaisquer flutuações ou distúrbios que venham ocorrer não terão efeito sobre o sinal de controle que neste caso pode ser a saída PWM do microcontrolador (ALCIATORE & HISTAND, 2014).
5.2.5 Programação do Microcontrolador
Tradicionalmente os microcontroladores foram construídos para serem programados na linguagem assembly. Embora a linguagem assembly seja rápida ela possui várias desvantagens, pois consiste em mnemônicos o que dificulta a aprendizagem. Alternativamente os microcontroladores podem ser programados com linguagem de alto nível como BASIC, C e PASCAL sendo muito mais fáceis de aprender quando comparado a linguagem assembly. Elas também facilitam no desenvolvimento de programas grandes e complexos (IBRAHIM, 2008).
O microcontrolador PIC será programado em linguagem C através do compilador PCWH da Custom Computer Services – CCS que consiste em um ambiente integrado de desenvolvimento IDE para o sistema operacional Windows e suporta toda a linha de microcontroladores PIC (PEREIRA, 2011).
5.3 LABVIEW
Este tópico trata a linguagem de programação gráfica utilizada para criar a
interface com o usuário. No presente projeto, após a construção da placa para se
utilizar diferentes sensores, será possível controlar inúmeras variáveis através da criação de algoritmos em linguagem gráfica utilizando este software.
LabVIEW é um ambiente de programação que nos traz várias características de aquisição de dados, além de trabalhar com cartões comerciais DAQ. Existem duas janelas primárias no LabVIEW, que é o diagrama de blocos e o painel frontal. A janela com o digrama de blocos contém o programa gráfico criado pelo usuário, e a janela do painel frontal contém a interface com o usuário. No painel frontal faz-se a entrada de parâmetros, leitura, escrita e visualização de resultados (ALCIATORE &
HISTAND, 2014).
Antigamente o LabVIEW era apenas uma linguagem de programação gráfica desenvolvido para facilitar a aquisição de dados dos instrumentos de laboratório. O LabVIEW pode ser usado para as seguintes aplicações:
Aquisição de dados dos instrumentos;
Processamento de dados (ex.: Filtragem, transformações);
Análise de dados;
Controle de instrumentos e equipamentos.
Para os engenheiros o LabVIEW torna possível trazer informações do mundo exterior para um computador, tomar decisões com base nos dados adquiridos, enviar dados computados de volta ao mundo externo para controlar algum processo como parte de um equipamento operacional.
O software LabVIEW era utilizado como um ambiente de simulações, devido a isso um programa criado nesse ambiente era chamado de Instrumento Virtual – VI.
Atualmente o LabVIEW é usado para muitas outras aplicações do que apenas criar a simulação de um instrumento virtual no computador, no entanto os programas em LabVIEW continuam referidos como Vis. Um VI tem duas partes fundamentais, são elas:
Painel Frontal: Exibe os controles (Knobs, botões, gráficos, etc.) e representa a interface gráfica de um VI.
Digrama de Blocos: Mantém os elementos de programação (chamados de
blocos, funções ou as vezes subVIs) que são conectados para criar o
programa gráfico.
A capacidade de extrair dados de uma fonte externa, processar os dados e enviar sinais para os dispositivos de controle é o que diferencia o LabVIEW de outros softwares que podem ser usados para analisar dados. O objetivo da aquisição é capturar dados de um ou mais instrumentos de laboratório enviar para o computador para que possam ser analisados e armazenados. Ao projetar aquisição de dados para outros sistemas, o termo aquisição de dados refere-se ao processo de Importar dados de um ou mais sensores ou transdutores diretamente para o computador.
Um sensor é um dispositivo que responde a uma mudança física e sua saida gera um sinal elétrico;
Um transdutor é um dispositivo que converte energia de uma forma para outra tratando o sinal provido do sensor através de um condicionador de sinais;
Por exemplo, um termopar é um sensor que gera uma força eletromotriz (Fem) devido a dois metais dissimilares unidos na junção do termopar. A Fem gerada é uma tensão de baixo nível (geralmente em mili-volts), que enviada através de um fio condutor torna-se um sinal elétrico de tensão. Um transdutor pode ser usado para converter a baixa tensão em uma tensão mais alta. Dispositivos de medição modernos frquentemente utilizam um conjunto de sensores e transdutores para gerar e transformar a saída do sinal em uma forma útil (LARSEN, 2011).
Um sistema simples de aquisição é mostrado na Figura 4. Este sistema requer um transdutor que emite um sinal um hardware de aquisição de dados (DAQ) e um computador.
Figura 4 – Configuração Simples para Aquisição de Dados (Fonte: Larsen, 2011)
O sistema pode parecer simples, no entanto há muitas coisas que podem
tornar o sistema não trivial. Primeiro, que nem todos os instrumentos em um
laboratório geram um sinal que possa ser transmitido por um fio, uma vez que o sensor esteja enviando um sinal que possa ser transmitido por um fio, pode haver incompatibilidade entre o tipo e o intervalo do sinal, também o tipo e o intervalo que o sistema de aquisição de dados foi projetado para tratar este sinal. Logo o condicionamento do sinal se mostra necessário para o sinal ajustar-se com o tipo e faixa do sinal de saída, adequando-se aos requisitos do sistema de aquisição de dados como mostrado na Figura 5. Uma vez que o sinal de saída tenha sido ajustado para os requisitos do sistema, os dados podem ser adquiridos. Quem estiver operando o computador deverá saber qual o tipo de sinal a ser medido, com qual frequência realizar a medição e quantas leituras necessárias ou quanto tempo necessário continuar realizando a leitura do sinal.
Figura 5 – Configuração Completa para Aquisição de Dados (Fonte: : Larsen, 2011)
A abordagem do LabVIEW é criar uma tarefa de aquisição de dados que contém essas informações. Os dados coletados (chamados como forma de onda em LabVIEW) estarão disponíveis no computador podendo ser visualizados, modificados (por exemplo filtrado digitalmente), analisados ou simplesmente armazenados (LARSEN, 2011).
5.4 CLASSIFICAÇÃO DE SINAIS
No mundo real, os fenômenos físicos variam de acordo com as leis da natureza. As leis da natureza exibem propriedades que variam continuamente no tempo. Os transdutores convertem fenômenos físicos em sinais elétricos como corrente para o condicionamento e medição de sinais dentro dos sistemas DAQ.
Enquanto que os sinais de corrente e tensão na saída de transdutores tem uma
relação direta com os fenômenos ao qual estão sujeitos a medir. Nem sempre a
informação contida no sinal de saída do transdutor está clara. Por exemplo enquanto
a variação de um sinal pode variar lentamente com o tempo, sua representação em
um transdutor pode ser em forma de pulsos que variam rapidamente com o tempo.
Na Figura 6 podemos visualizar esse fenômeno.
Figura 6 – Representação de um Sinal (Fonte: Park e Mackay, 2003)
Isso nos leva a necessidade de classificar os sinais em sistemas DAQ, pois as informações contidas em um sinal é o fator que determina sua classificação e assim pode-se definir o método de medição que será utilizado e o hardware necessário para reproduzir este sinal. Logo os sinais que podem ser encontrados na aquisição e controle de dados são classificados como sinais analógicos e sinais digitais (PARK & MACKAY, 2003).
5.4.1 Sinais Digitais
Um sinal digital, ou binário, pode ter apenas dois níveis ou estados possíveis,
podendo ser nível alto, estado “ligado” ou estado “desligado” no qual o seu nível é
mais baixo. Podemos visualizar seus estados na Figura 7.
Figura 7 – Sinal Digital (Fonte: Park e Mackay, 2003)
Sequência de pulsos digitais é um tipo especial de sinal digital compreendendo uma sequência que pode ser visualizada na Figura 8.
Figura 8 – Sequência de Pulsos Digitais (Fonte: Park e Mackay, 2003)
Como todo sinal digital, um pulso digital pode ter apenas dois níveis ou estados definidos. É definido como pulso porque permanece em um estado não quiescente por um curto período de tempo. Um pulso positivo é aquele que faz transição de seu estado lógico mais baixo para o estado lógico mais alto e permanece no estado lógico mais alto por um curto período de tempo retornando para estado lógico baixo. Um pulso negativo faz uma transição do estado lógico alto para o baixo permanecendo por um curto período de tempo e retornando para o estado lógico alto.
As informações transmitidas em uma sequência de pulsos digitais são
relacionadas com o número de pulsos, velocidade ao qual ocorrem ou o tempo entre
pulsos (PARK & MACKAY, 2003).
5.4.2 Sinais Analógicos
Os sinais analógicos contém informações dentro da variação da magnitude do sinal com relação ao tempo. As informações relevantes contidas no sinal dependem de se a magnitude do sinal analógico está variando lentamente ou rapidamente em relação ao tempo, ou se o sinal é considerado nos domínios de tempo ou frequência.
Os sinais de Corrente Contínua – CC analógicos são sinais estáticos ou que variam lentamente. As informações transmitidas neste tipo de sinal está contida no nível ou amplitude do sinal em um dado instante de tempo, não em como esse nível varia em relação ao tempo. Isso pode ser visualizado na Figura 9.
Figura 9 – Sinal Analógico CC (Fonte: Park e Mackay, 2003)
Como o tempo de medições em sinais que variam lentamente não é crítico, o hardware DAQ só seria necessário para conversão do nível do sinal para um formato digital para poder ser processado pelo computador utilizando um ADC.
Baixa velocidade A/D seria suficiente para medir este tipo de sinal. Estes sinais podem ser utilizados como entradas para displays digitais ou processado para indicar uma ação de controle. Para enviar um sinal desse tipo para efetuar uma ação de controle usualmente é necessário um conversor DAC. Logo, uma placa D/A de baixa velocidade poderia executar essa função. Os parâmetros mais importantes a serem considerados por uma placa A/D e D/A de baixa velocidade são a precisão e a resolução para que um sinal de variação lenta possa ser medido ou respectivamente enviado.
Sinais de Corrente Alternada – CA as informações transmitidas estão contidas
não apenas na amplitude do sinal em um determinado instante de tempo, mas
também como ela varia em relação ao tempo. A forma do sinal, inclinação em um determinado instante de tempo, frequência e a localização dos picos do sinal podem conter informações sobre o próprio sinal. Um sinal AC é mostrado na Figura 10.
Figura 10 – Sinal Analógico CA (Fonte: Park e Mackay, 2003)
Uma vez que um sinal AC analógico pode variar muito rapidamente em relação ao tempo, as medições feitas para este tipo de sinal podem ser críticas.
Logo para realizar a conversão deste sinal utilizando um ADC, seria necessário um hardware DAQ com relógio de amostra para indicar o tempo decorrente a cada conversão A/D, um trigger para iniciar e/ou parar as medições no momento adequado de acordo com algum evento ou condição externa de modo que a porção relevante do sinal possa ser obtida. Uma placa A/D de alta velocidade poderia executar estas funções. Todos os sinais variáveis no tempo podem ser representados pela soma de uma série de formas de ondas senoidais, de diferentes magnitudes e frequências de cada uma das componentes senoidais que compreendem o sinal, em vez das características baseadas no tempo do sinal (PARK & MACKAY, 2003).
5.5 FILTROS DIGITAIS
O processo conhecido como filtragem consiste em aplicações onde se
necessita mudar as amplitudes relativas das componentes em frequência de um
sinal, ou eliminar por completo alguns desses componentes em frequência. Filtros
conformadores de frequência são Sistemas Lineares Invariantes no Tempo – LIT, que mudam a forma do espectro. Filtros seletivos em frequência são sistemas projetados para deixar passar algumas frequências essencialmente não distorcidas e que atenuam significativamente ou eliminam outras. Convenientemente a filtragem pode ser realizada com uso de sistemas LIT a uma resposta em frequência apropriadamente escolhida. As ferramentas ideais para examinar essa classe de aplicações é proporcionada com utilização de métodos no domínio da frequência (OPPENHEIM & WILLSKY, 2010).
O Processamento Digital de Sinais – PDS proporciona maior flexibilidade, desempenho em termos de atenuação e seletividade, maior estabilidade tendo baixo custo na produção de equipamentos em comparação a utilização de técnicas analógicas tradicionais. Estas aplicações com PDS resultam em avanços na filtragem digital. A teoria da transformada de Fourier discreta afirma que a convolução linear de duas sequências no domínio do tempo, é o mesmo que a multiplicação de duas sequências espectrais no domínio da frequência. A essência da filtragem está na multiplicação do espectro do sinal pela resposta ao impulso no domínio da frequência do filtro. Para um filtro ideal passa-baixa a parte da faixa de passagem do espectro do sinal é multiplicada por um, e a parte da faixa de rejeição do sinal por zero.
Apresentam características de aplicações, onde, os filtros digitais são mais
eficientes em poder e tamanho comparado aos analógicos, são em aplicações de
fase linear, atenuação na banda de rejeição muito alta e ondulação na faixa de
passagem muito baixa. Outra importante característica é que a resposta do filtro é
programável ou adaptável. Microprocessadores de sinal digital de uso geral são
utilizados em uma ampla gama de aplicações podendo implementar sistemas
complexos de filtros na faixa de áudio frequência. A taxa de desempenho de um filtro
digital requer hardware projetado para executar a função do filtro pretendida, a
frequências de amostragem desejadas (INTERSIL, 1999).
6 METODOLOGIA
Segundo Alciatore e Histand (2014), na concepção de um novo projeto baseado em microcontroladores, deve-se, seguir um método para seu desenvolvimento, obtendo as declarações do problema a ser resolvido a partir de um microcontrolador programado, para ser aplicado em um hardware embarcado. Para o desenvolvimento da placa de aquisição de acordo com o problema, primeiramente identificamos as funcionalidades desejadas para o dispositivo. O objetivo deste projeto é utilizar um microcontrolador PIC para desenvolvimento de uma placa de aquisição de dados para sensores de tensão e corrente.
Os requisitos do dispositivo incluem entradas A/D para realizar leitura dos sensores, pinos digitais que podem ser configurados como entrada ou saída digital para fins de controle, saídas analógicas utilizando conversores D/A e uma saída PWM para aplicações onde é necessário efetuar controle de variáveis. Na Figura 11 pode-se visualizar um diagrama de blocos funcional do projeto.
Figura 11 – Diagrama de Blocos Funcional do Hardware (Fonte: Autoria própria)
Em uma primeira etapa, os sensores serão testados em bancada. Um osciloscópio digital pode ser usado para fazer a aquisição dos sinais dos sensores.
Esses dados serão usados para obter as características de instrumentação, alcance,
sensibilidade, resolução, etc. baseados nas especificações do projeto. A escolha dos
sensores e atuadores depende de vários fatores, dentre eles, custo, especificações do projeto, tempo de pesquisa. Estes sensores serão escolhidos de acordo com a aplicação ao monitoramento de sinais elétricos, como tensão e corrente.
Os testes experimentais serão realizados usando os equipamentos e componentes disponíveis no laboratório de ensino de engenharia elétrica.
Microcontroladores da microchip, em destaque o PIC16F887, gravador PICKIT 3, CI para realizar a conversão da comunicação serial para USB e periféricos diversos.
Para as simulações e programação serão utilizadas as ferramentas, CCS, LabVIEW e Proteus.
A escolha do microcontrolador apropriado para o projeto é baseada no
número de entradas e saídas necessárias para desenvolvimento do projeto. Outra
fator que influencia na escolha é saber antecipadamente a quantidade de memória
programável necessária.
7 CRONOGRAMA
.
ATIVIDADES
MÊS
JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO
Escolha do tema e do orientador Encontros com o
orientador Estudar as principais
referências bibliográficas Especificar o projeto
Projetar a comunicação Escolher sensores Determinar filtros e
algoritmo Projetar o condicionamento de
sinal
Projetar um protótipo Revisão e entrega
oficial do trabalho Apresentação do trabalho em banca
