PROJETO NEUTRINOS ANGRA - SISTEMA DE
CONTROLE E MONITORAMENTO DE ALTA-TENSÃO
Leonardo F. Feliciano, G. P. Guedes, P. C. M. A. Farias Universidade Estadual de Feira de Santana (UEFS)
Km 03, BR-116 Campus Universitário – 44.031-460 – Feira de Santana – BA – Brasil lekturecomp@gmail.com
Abstract. This article describes the steps to build a microcontrolled system to adjust the operating point (setpoint) from high voltage sources and acquire their data of current and voltage output. For this purpose, will be approached aspects of analog electronics, digital electronics, embedded systems and software development in JAVA programming language.
Resumo. Este artigo descreve as etapas de construção de um sistema microcontrolado para ajustar o ponto de operação (setpoint) de fontes de alta tensão e adquirir os seus dados de corrente e tensão de saída. Para tal objetivo, serão abordados aspectos de eletrônica analógica, eletrônica digital, sistemas embarcados e desenvolvimento de software em linguagem de programação JAVA.
1. Introdução
Nos últimos anos, a física experimental realizou grandes progressos na construção de um panorama consistente da fenomenologia de neutrinos [T. Kajita and Y. Totsuka 2001, Q. R. Ahmad 2002], com importante contribuição de experimentos que usam reatores nucleares como fonte de partículas (Goesgen, Bugey, Chooz, KamLAND, Palo Verde) [G. Zacek 1986, B. Achkar 1995, Apollonio 2003, A.Suzuki 2004, F.Boehm 2001]. Este cenário abre perspectivas concretas para o uso de neutrinos como sondas confiáveis de processos físicos dos quais participam.
O Projeto Neutrinos Angra propõe o uso de um detector de antineutrinos com capacidade de monitorar parâmetros significativos relacionados à atividade de reatores nucleares. De modo que a partir da análise das amostras coletadas pelo detector antineutrinos possam ser explicitadas informações diversas inerentes ao comportamento e funcionamento do reator em questão.
Alguns parâmetros viabilizados pelas coletas, como a composição isotópica do combustível e a potência térmica instantânea liberada pelo reator são cruciais para verificação de itens das salvaguardas ditadas pela Agência Internacional de Energia Atômica (AIEA) para não-proliferação de armas nucleares, além de contribuir com informações que podem aperfeiçoar o processo de geração de energia elétrica.
Dentro deste contexto, o objetivo esperado para este projeto é adquirir o domínio de técnicas instrumentais no desenvolvimento de detectores associados à área nuclear. Conseqüentemente, surge a necessidade de proceder com o desenvolvimento de um sistema para controle e monitoramento das fontes de alta tensão utilizadas pelos tubos fotomultiplicadores (PMTs).
Esta etapa do projeto consiste em projetar, montar e testar um sistema baseado em microcontroladores da família Microchip PIC, para ajustar o ponto de operação da fonte de alta tensão e adquirir os seus dados de corrente e tensão de saída. Cada unidade controladora terá a tarefa de monitorar os sinais de saída da fonte de alta tensão e concomitantemente fazer a interação com um sistema supervisório que poderá apenas armazenar estas informações ou até mesmo gerar comandos que façam a unidade controladora intervir no sinal de alimentação a fonte, em condições necessárias.
A partir de estudos e desenvolvimentos na área de microcontroladores, é possível viabilizar uma ferramenta fundamental para o desenvolvimento de um sistema para monitoramento e controle de fontes de alta tensão. Do qual tem como núcleo de controle de operações, o firmware desenvolvido para o microcontrolador, sendo capaz de realizar operações como aquisição de dados, controle de variáveis externas, armazenamento local e canais de comunicação com seus respectivos protocolos de comunicação.
2. Conceitos Envolvidos
Nas seções seguintes serão explicitados alguns conceitos e técnicas fundamentais para o desenvolvimento deste projeto, bem como a maneira e a importância de cada elemento dentro da solução final proposta.
2.1. Microcontrolador
De forma objetiva, o microcontrolador pode ser definido como um microprocessador com memórias RAM e ROM, funções de entrada/saída, circuito de clock e periféricos diversos embutidos. Através da programação dos microcontroladores podem-se controlar suas saídas, tendo como referência as entradas ou um programa interno [Martins 2005].
O microcontrolador utilizado neste projeto é o PIC 18F4550 fabricado pela MICROCHIP®. Este chip possui, entre outros periféricos, um controlador USB 2.0 (low/full speed), 13 canais de conversão analógica digital (ADC) de 10 bits, interfaces I2C e SPI, quatro módulos temporizadores e uma saída PWM com até 10 bits de resolução.
2.2. Conversão Analógica Digital/Digital Analógica
A conversão analógica digital (ADC) é uma técnica capaz de gerar uma representação digital de uma grandeza analógica. Para processar sinais analógicos usando circuitos digitais (microcontrolador), deve-se efetuar uma conversão para um sinal digital (cadeia de bits). A conversão digital analógica (DAC) é a técnica de caminho inverso. A partir de uma grandeza digital é gerada uma representação analógica desta.
2.3. Comunicação USB (HID - Human Interface Device)
Uma das características marcantes do protocolo de comunicação USB está na sua grande versatilidade, pois o padrão consegue abranger uma grande diversidade de periféricos.
O reconhecimento do dispositivo é automático, a porta USB reconhece o aparelho conectado à mesma através de um processo de configuração inicial denominado enumeração (enumeration).
O protocolo é dividido em duas pontas: host e devices. O host é o responsável por controlar todos os processos da comunicação, como a detecção de conexão ou remoção de dispositivos, além de gerenciar o fluxo de dados dos dispositivos. Existe apenas um host para cada rede USB. Os devices são todos aqueles que ao serem conectados ao barramento USB conseguem responder de acordo com o protocolo.
Outro componente importante é endpoint, um buffer que armazena múltiplos bytes, e que é definido em toda transmissão. O endpoint é um bloco de memória de dados ou um registrador presente no chip de controle. Os dados guardados no endpoint podem ser dados recebidos ou em espera para serem enviados.
Uma comunicação USB pode ser realizada a partir de várias classes de dispositivos. O tipo abordado neste projeto é a HID. O driver desta classe está embutido nos sistemas operacionais, e possui funções básicas de entrada/saída, sendo utilizado em mouses e teclados.
Ao ser conectado a uma unidade de processamento, um dispositivo USB-HID necessita ser enumerado, ou seja, configurar as suas funções na unidade de processamento. Estas configurações são enviadas através de descritores, os quais enviam informações sobre o fabricante, o nome do dispositivo, e outras configurações referentes à transferência dos dados. Entre estas configurações encontra-se o tipo de driver a ser utilizado, neste caso se utilizará a classe HID, para fazer a interface dos dados enviados.
Tendo em vista tais informações, o dispositivo USB desenvolvido teve seus descritores configurados de forma a ser um dispositivo HID. Desta forma, ao ser conectado ao PC, o sistema operacional identifica o dispositivo, recebendo todas as informações contidas nos descritores. Após esta identificação o sistema operacional disponibiliza ao sistema, os canais de entrada e saída do dispositivo através de funções básicas de E/S [USB Implementers Forum 2001]. Assim, estará pronta uma transmissão de dados entre um host e um device.
3. Desenvolvimento
Após o esclarecimento na seção anterior sobre alguns conceitos fundamentais para a construção deste projeto, será visto a seguir como estes componentes serão associados para compor a solução desenvolvida.
3.1. Proposta do Sistema
O sistema de controle e monitoramento da fonte de alta tensão a que este projeto se dispôs a desenvolver, como parte da instrumentação eletrônica necessária para o Projeto Neutrinos Angra, pode ser ilustrado a partir de uma visão simplificada mostrada na Figura 1.
Existem atualmente algumas opções de fontes e módulos integrados de alta tensão e disponíveis para uso com PMT’s. Os mais usados são, em geral, módulos de eletrônica nuclear oferecidos em diversos modelos pelos fabricantes. Como é o caso do sistema de alta tensão da série VISyN da Universal Voltronics [Universal Voltronics 2010], cujos módulos de alta tensão são conectados à sua própria interface de controle. Sendo esta uma solução integrada, já que não necessitará de nenhum dispositivo externo (ADC’s, DAC’s, circuitos externos, cabos de sinais, etc). Este tipo de solução possui as
desvantagens do custo alto e da falta de flexibilidade, e sistema aqui descrito se propõe a ser uma solução intermediária.
Para este sistema de controle e monitoramento da fonte de alta tensão, será implementada a solução proposta inicialmente no documento Angra Note 002-2007 [G.P. Guedes, P.C.M.A. Farias, V.L. Filardi, I.M. Pepe, 2007], que consiste em desenvolver um sistema baseado em microcontroladores da família Microchip PIC (PIC18F4550), para ajustar o ponto de operação da fonte alta tensão e adquirir os seus dados de corrente e tensão de saída.
Figura 1. Proposta geral do sistema.
Para projetar o firmware de monitoramento das variáveis de saída da fonte, e conseqüentemente o controle da mesma, é válido ressaltar que estes sinais, associados à corrente e à tensão de saída (Imonitor e Vmonitor - Figura 1), são destinados ao
microcontrolador em níveis de tensão que vão de zero a cinco volts. Na verdade estes valores de tensão são linearmente proporcionais aos valores reais enviados à PMT.
O microcontrolador tem a tarefa de receber estes dois sinais analógicos através de dois pinos de entrada configurados como canais do ADC, de modo que converta este sinal numa amostra digital, utilizando a resolução 10 bits para o modelo PIC 18F4550.
De posse dos valores das amostras dos sinais Imonitor e Vmonitor, o microcontrolador os transmitirá para o sistema supervisório através de uma comunicação USB do tipo HID. Por sua vez, o sistema supervisório analisa estes dados e retorna para o microcontrolador um valor de tensão de controle que deve ser enviado à fonte de alta tensão. Este novo valor de tensão de controle na verdade só será modificado caso haja alguma condição anômala. Ou seja, o sistema supervisório envia um valor de tensão de controle a partir do monitoramento e análise dos sinais de saída Imonitor e Vmonitor.
Para gerar os sinais analógicos de realimentação e de controle foram adicionadas rotinas de geração de perfis em rampa do sinal de setpoint do módulo de alta tensão. Como o PIC18F4550 não possui conversor digital analógico integrado, a tensão DC de controle foi gerada a partir de um sinal PWM de 1kHz e submetido a um filtro passa baixa de 1ª ordem.
Então, neste sistema existem três componentes importantes. A unidade controladora formada pelo microcontrolador e a eletrônica analógica associada,
responsáveis pela aquisição e controle de sinais. Em seguida, o sistema supervisório que gerencia as ações da unidade controladora. Por último, o módulo de alta tensão que é ajustado pela unidade controladora, e responsável por fornecer sinais analógicos de realimentação ao microcontrolador.
3.2. Firmware
O sistema de controle e monitoramento da fonte de alta tensão demanda algumas tarefas ao microcontrolador que serão executados por meio do firmware embarcado neste chip. Estas tarefas compreendem: conversão analógica digital, utilização da unidade PWM (Pulse Width Modulation – Modulação por Largura de Pulso) para geração de sinais de controle da fonte e comunicação USB. O firmware desenvolvido é totalmente portável, pois foi escrito em linguagem de programação C, usando as ferramentas da MICROCHIP® (MPLAB e C18).
3.2.1 Módulo de Conversor Analógico Digital
Como o microcontrolador utilizado (PIC 18F4550) já possui o módulo conversor analógico digital incluso no circuito integrado, não foi necessário adicionar nenhum outro chip, apenas ajustar a configuração de como o microcontrolador será utilizado.
Segundo o sistema proposto, existem dois sinais analógicos (Imonitor e Vmonitor)
externos que deverão ser convertidos em amostras digitais pelo conversor. Tais sinais variam entre zero a cinco volts. Foram utilizados dois dos treze canais disponíveis para a conversão. Ressaltando que será utilizado um canal escolhido por vez, já que ocorre um chaveamento do canal a ser utilizado naquele determinado momento.
Para que seja possível obter os valores das suas variáveis num tempo razoável, foi implementada uma máquina de estados com dois estágios que envolvem configuração do ADC, aquisição e conversão – um estado para cada canal.
3.2.2 PWM
Como será necessário enviar um sinal analógico de controle para a fonte de alta tensão, na faixa de zero a cinco volts, é essencial o uso de um conversor digital analógico (DAC). Contudo, o microcontrolador utilizado (PIC 18F4550) não possui este módulo de conversor integrado. Será utilizada uma técnica que venha a utilizar a função de modulação por largura de pulso (PWM), existente neste modelo, que combinada a um filtro passa baixa de 1º ordem consiga transformar o trem de impulsos num sinal DC, realizando uma conversão digital analógica.
Para gerar os pulsos PWM conforme o objetivo, foi necessário configurar no módulo CCP (Capture/Compare/PWM) do microcontrolador a operação PWM. Neste modo, pode-se gerar uma saída PWM com uma resolução de até 10 bits [Microchip 2004]. O firmware de controle do módulo PWM (Figura 2) define uma base de tempo (período) e um intervalo em que a saída fica em alta (duty cycle - ciclo ativo). A frequência do PWM é o inverso do período.
Figura 2. Saída de pulso PWM [Microchip 2004].
O período do PWM é fixado escrevendo-se no registrador apropriado e definido aqui em um valor igual a 1 ms, logo a frequência do PWM será de de 1khz. O ciclo ativo é especificado escrevendo-se em dois registradores que permitem uma resolução de até 10 bits. O trem pulsos PWM é então submetido a um filtro passa baixa, gerando o sinal DC.
3.2.3 Comunicação USB
O sistema desenvolvido possui comunicação USB utilizando a classe HID (Human Interface Device) para que possa enviar e receber dados a dispositivos externos, neste caso um computador no qual está instalado o sistema supervisório.
Para esta função foi utilizado o framework Microchip USB Firmware [Microchip 2007] disponibilizado no site da MICROCHIP®,que implementa de maneira genérica um conjunto de interfaces modulares no firmware, que manipulam a maior parte das tarefas para a implementação de comunicação USB utilizando a classe HID.
As tarefas de comunicação USB são tratados pela rotina USBDriverService(), que verifica o estado do serviço e de todas as interrupções de hardware USB [Microchip 2007]. As rotinas que implementam a transmissão de dados estão dentro de uma função padrão ProcessIO(), por sua vez está dentro do loop principal do programa. Quando a aplicação necessita de enviar ou receber um pacote de dados, esta função padrão pode chamar funções como HIDRxPacket() e HIDTxPacket() que respectivamente, recebe e envia um pacote de dados.
De maneira geral, o firmware configura uma transmissão de dados e em seguida fica realizandoba contínua verificação do estado do barramento USB e de possíveis interrupções geradas pelo dispositivo USB.
3.3. Sistema Supervisório
Enquanto em uma extremidade da comunicação USB está a unidade microcontrolada, na outra ponta está o sistema supervisório que tem a função de gerenciar as tarefas exercidas pela unidade. Dentre estas tarefas enumera-se: monitoramento de dados e gravação destes em arquivo para uma posterior geração de relatórios e controle de sinal de tensão enviado da unidade microcontrolada para o sistema de alta tensão.
O protótipo inicial do software vem sendo desenvolvido em linguagem de programação JAVA (Figura3) e tem como principal tarefa o envio e recebimento de dados via USB. Como o firmware embarcado no PIC 18F4550 foi projetado para realizar operações constantes de conversão analógico digital e envio do resultado pela porta USB, o software presente no computador deve ser capaz de capturar esses dados enviados. Na próxima etapa deste projeto, com o sistema supervisório totalmente operacional, será feita a validação do sistema de alta tensão proposto, coletando
resultados de medidas de sinais de tensão e corrente de saída que serão posteriomente comparados com medidas independentes.
Figura 3. Tela referente ao sistema supervisório proposto.
Como pode ser observado na Figura 3, o software pode iniciar diretamente a conexão e monitorar os valores das variáveis externas (Imonitor e Vmonitor) tanto
graficamente, como nos espaços a esquerda da tela, destinados para cada variável em separado, identificando a hora e a data relativa a aquele determinado valor de tensão.
Caso seja necessário, o usuário poderá clicar no botão “Gerar Relatório” e a partir deste momento gravar todos os pontos de tensão do sistema (com data e hora) em um arquivo de extensão “.txt”.
O software também tem a tarefa de operacionalizar funções de controle do sistema de alta tensão pela unidade microcontrolada. Ao clicar em “Configurar Tensão de Controle” o usuário será deparado com a tela mostrada na Figura 4. Nesta tela o usuário terá a opção de configurar como deve se comportar o sistema. Indicando valores de tensão mínima e máximo que o módulo é capaz de trabalhar, configurando um intervalo de tensão que as variáveis Imonitor e Vmonitor deverão atuar.
Desta forma, o software realiza um contínuo processo de monitoramento do sistema, recebendo dados da unidade controladora ao mesmo tempo em que verifica se estes dados estão condizentes com a configuração prévia ajustada no software. Caso haja algum valor monitorado que esteja fora das faixas de operação, o software supervisório envia para a unidade controladora um comando capaz de atuar sobre o módulo de alta tensão e verificar em seguida se ele foi corretamente ajustado. Tal sinal de controle para a correção poderá ser o completo desligamento do módulo de alta tensão por parte da unidade controladora ou um reajuste do nível de tensão.
3.4. Esquemático do Hardware
O protótipo da unidade microcontrolada é composto pelo microcontrolador MICROCHIP® PIC18F4550 e de circuitos adicionais de condicionamento analógico (Figura 5).
Figura 5. Protótipo do hardware para a unidade controladora.
De acordo com a Figura 5 é observado um circuito padrão que viabiliza a comunicação USB, a entrada de sinais analógicos de variáveis externas através dos pinos 2 e 3 do microcontrolador e um circuito analógico acoplado ao pino 16 capaz de condicionar um sinal de controle na faixa de zero a cinco volts.
3.5. Resultados
Ao conectar a unidade microcontrolada a um computador, este será capaz de reconhecê-la como um dispositivo USB e estará pronto para iniciar uma conexão de transmissão de dados.
O computador com o software do sistema supervisório instalado terá a opção de iniciar uma transmissão de dados entre o computador e a unidade microcontrolada. Como ela é responsável diretamente pelo controle do setpoint e aquisição de sinais de saída (Imonitor e Vmonitor) e o software supervisório que gerencia todas as operações do
microcontrolador, este acaba por comandar através de uma comunicação USB toda a operação de monitoramento das variáveis e controle da alimentação do sistema de alta tensão.
Antes de iniciar o monitoramento do sistema é necessário configurar o sistema de alta tensão irá operar. Como já indicado na figura 4, o usuário tem a opção de indicar o nível de tensão de controle mínimo e máximo que o sistema pode atuar, no caso desta fonte será necessariamente entre 0 e 5V. Para operações em diferentes condições, o usuário poderá ajustar a faixa de tensão que as variáveis externas devem atuar.
Durante o monitoramento das variáveis, se algumas destas operarem numa faixa de valores diferentes do configurado, o sistema supervisório analisará a diferença de forma a corrigir tal valor, iniciando uma intervenção no sinal de controle da fonte de alta tensão, podendo apenas enviar um sinal de tensão de controle que faça com que seja corrigida aquela determinada variável ou até mesmo desligar a fonte de alta-tensão.
4. Conclusões
O sistema de controle e monitoramento da fonte de alta tensão foi capaz de alcançar seus objetivos inicialmente estabelecidos, comunicação USB com host, monitoramento e controle de um sistema externo.
Apesar do sistema microcontrolado aqui proposto estar acoplado a uma fonte de alta tensão, no qual desenvolvem funções de controle e monitoramento, este equipamento poderia desenvolver estas mesmas tarefas sobre qualquer outro sistema que necessite de controle, e monitoração e análise de variáveis advindas externamente.
Podendo o núcleo deste sistema, posteriormente, servir para outras etapas do Projeto Neutrinos Angra, para aquisição e controle de variáveis como temperatura, umidade, pressão, entre outras que possam ser condicionantes para alguma fase de construção do detector de antineutrinos.
5. Referências
T. Kajita and Y. Totsuka. (2001) Rev. Mod. Phys. 73, 85. Q. R. Ahmad. (2002) Phys.Rev.Lett. 89.
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Martins, Nardênio Almeida. (2005) Sistemas Microcontrolados. Uma abordagem com o Microcontrolador PIC 16F84. Editora Novatec Ltda, 1ª edição.
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G.P. Guedes, P.C.M.A. Farias, V.L. Filardi, I.M. Pepe. (2007) Front-end electronics integration for the Angra Project central detector, Angra Note 002-2007.
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