2007.1Ortega TCC

(1)

Rafael Gustavo Santos Ortega

Automa¸

c˜

ao de Espectrˆ

ometro de

Fotoac´

ustica Utilizando Interface USB.

Feira de Santana – BA Marco / 2008

(2)

Rafael Gustavo Santos Ortega

Automa¸

c˜

ao de Espectrˆ

ometro de

Fotoac´

ustica Utilizando Interface USB

Monografia de conclusão de curso apresen-tada à Banca de Gradua¸cão em Engenharia de Computa¸cão da Universidade Estadual de Feira de Santana para a obten¸cão do t´ıtulo de Bacharel em Engenharia de Computa¸cão.

Orientador:

Prof. Dr. Paulo C´

esar Machado de Abreu Farias

Co-orientador:

Prof. Dr Germano Pinto Guedes

Departamento de Ciˆencias Exatas / Departamento de Tecnologia Universidade Estadual de Feira de Santana

Feira de Santana – BA Marco / 2008

(3)

Dedico esta disserta¸cão a meus pais, que me ensinaram a não desistir nunca, e a simplicidade das coisas, A minha querida avó, exemplo de perseveran¸ca e dedica¸cão. A querida Tia Eleonora e Elvio, onde vi altru´ısmo e a dedica¸cão ao próximo, sempre a oferecer me sábias palavras e suporte, Ao querido primo Juan Pablo (Pabo de Pabom) que muitas vezes teve de me dar uma carona, A tio J que desde pequeno me estimulou no mundo da tecnologia (nao sei como respondia ”tantaaaaaas”perguntas), A tio David pela disponibilidade constante. e, em especial, a minha amada Patr´ıcia, por onde me perco em devaneios e que tem me dado apoio, em todos os momentos

(4)

Agradecimentos

Primeiramente a Deus.

Ao professor Dr Paulo César M. de A. Farias, pela orienta¸cão e incentivo na realiza¸cão deste trabalho e pelos conselhos que extrapolaram o mesmo.

Ao professor Dr Germano Pinto Guedes, pelas broncas construtivas e aux´ılios em v´arios t´opicos.

Ao professor Dr Denis David, pelas valiosas contribui¸c˜oes na finaliza¸c˜ao desse tra-balho.

`

A Abraão Maia, gerente da área de Desenvolvimento da assessoria Especial de In-formática da UEFS, pelas dispensas, compreensão e frases geniais de incentivo.

Ao amigo Luciano Reis, pelo apoio no ”redesigner” da circuitaria. `

A toda equipe do Laborat´orio de Energia Solar da Universidade Estadual de Feira de Santana, em especial aos colegas Aroldo Lima e Jime Sampaio, pela ajuda e troca de informa¸c˜oes.

Aos meus amigos Ecomp da primeira turma de Engenharia de Computa¸c˜ao da UEFS em especial aos membros da Irmandade.

(5)

“Só sei que nada sei.” Sócrates “Devemos aprender durante toda a vida, sem imaginar que a sabedoria vem com a velhice.” Platão “Bixo, dif´ıcil mesmo é tirar cueca de estátua.” Gerente aconselhando estagiário

(6)

Resumo

Este projeto consiste na atualiza¸cão do sistema de controle de um Espectrômetro de Fotoacústica, englobando tanto a parte eletrônica como a reformula¸cão do software super-visor. Para sua concep¸cão, foi necessário o entendimento dos processos f´ısicos envolvidos pertinentes à ótica. Foram projetados e constru´ıdos circuitos para o condicionamento de sinal, controle de acionadores eletromecânicos e a porta paralela foi substitu´ıda pela porta USB, o que necessariamente implicou na escolha de um controlador USB. Além disso, O software do sistema supervisor foi desenvolvido em linguagem Java (fazendo uso de re-curso de chamadas ao sistema) o que abriu o caminho para um sistema portável, capaz de funcionar independentemente da escolha de sistema operacional Linux ou Windows. Testes foram realizados com sucesso no sistema operacional Windows.

(7)

Abstract

This project proposes an upgrade of control system of a Photoacoustic Spectrometer, encompassing both the electronics design and the reformulation of the software super-visor. For this purpose, it was necessary to understand the relevant aspects of optics physical involved. It was designed and built circuits for the signal conditioning and the electromechanical control of triggers and parallel port was replaced by the USB port, which necessarily implies the choice of a USB controller. Furthermore the software of the supervisor system was developed in Java language (using calls to the system resources) which opens the way to a portable system that can operate independently of the choice of the operational system, Linux or Windows. Tests have been done successfully on the Windows operating system.

(8)

Sum´

ario

Lista de Figuras

1 Introdu¸c˜ao e Motiva¸c˜ao p. 11

1.1 Vis˜ao geral do documento . . . p. 13

2 Defini¸c˜ao do Projeto p. 14

3 Metodologia p. 15

4 Revisão de Literatura e Defini¸cões p. 16 4.1 Espectroscopia ótica . . . p. 16 4.1.1 Importância da espectroscopia . . . p. 17 4.1.2 Experimento básico da espectroscopia . . . p. 17 4.1.3 Espectroscopia Fotoacústica . . . p. 19 4.2 Espectrômetro . . . p. 21 4.3 Lock-in . . . p. 22 4.4 USB . . . p. 23 4.5 Linguagens de Programa¸cão . . . p. 26 4.5.1 Java . . . p. 26 4.5.2 Java - JNI . . . p. 27 5 Desenvolvimento do Projeto p. 29 5.1 Controladores USB . . . p. 29 5.1.1 ATtiny2313 . . . p. 29

(9)

5.1.2 PIC 18F4550 . . . p. 31 5.1.3 FT232R . . . p. 31 5.2 Arquitetura do Projeto . . . p. 33 5.2.1 Montagem e atua¸cão dos componentes do espectrômetro . . . . p. 33 5.2.1.1 Montagem ótica . . . p. 35 5.2.1.2 Sistema de rota¸cão da rede de difra¸cão . . . p. 35 5.2.1.3 Instala¸cão dos fins de curso . . . p. 36 5.2.1.4 Organiza¸cão da eletrônica . . . p. 36 5.2.2 Desenvolvimento de software . . . p. 44 5.2.2.1 Configura¸cão do FT232R . . . p. 44 5.2.2.2 Rotinas principais . . . p. 46 5.2.3 Resultados . . . p. 50 5.2.3.1 Testes de linearidade do sistema de aquisi¸cão . . . p. 50 5.2.3.2 Testes de rotinas principais . . . p. 50 5.2.3.3 Testes de potência do circuito . . . p. 52

6 Conclus˜oes e Perspectivas p. 53

(10)

Lista de Figuras

1 Experimento básico da espectroscopia . . . p. 18 2 Célula fotoacústica . . . p. 19 3 Efeitos do aquecimento da amostra, Fonte (NAKAMURA, 2000) . . . p. 20 4 Diagrama montagem do espectromentro. . . p. 21 5 Topologia USB . . . p. 24 6 Máquinas Virtuais. Fonte (LINDHOLM; YELLIN, 2005) . . . p. 26 7 WebSphere Arquitetura de tempo real. Fonte: IBM . . . p. 27 8 Código nativo. Fun¸cão fornecida pela fabricante do chip . . . p. 28 9 Codigo modificado para permitir chamadas em Java. JNI . . . p. 28 10 Exemplo de circuito eletrônico. Interface USB no ATtiny2313. Fonte:

(CESKO, 2006a) . . . p. 30 11 Exemplo de programas desenvolvidos para teste. . . p. 30 12 Exemplo de aplicac˜ao desenvolvida em Java para o chip FT232R - Bra¸co

eletromecânico . . . p. 32 13 Circuito USB bus powered com fonte de 3.3V / 5V. Fonte FTDI . . . . p. 32 14 Arquitetura geral do projeto . . . p. 34 15 Montagem óptica. Fonte: (DENIS, 2007) . . . p. 35 16 Montagem do sistema de rota¸cão da rede de difra¸cão. Fonte (DENIS, 2007) p. 36 17 Rela¸cão entre passos do motor de passo e comprimento de onda . . . . p. 36 18 Circuito de fim de curso original. Fonte (DENIS, 2007) . . . p. 37 19 Modifica¸cão do circuito de fim de curso . . . p. 37 20 Diagrama dos componentes eletrônicos . . . p. 38

(11)

21 Sequência lógica gerado pelo L297 . . . p. 39 22 Diagrama de tempo da utiliza¸cão do AD. Fonte: (TEXAS, 2008) . . . . p. 40

23 Distribui¸cão dos pinos de entrada e sa´ıda . . . p. 41 24 Protótipo desenvolvido no protoboard . . . p. 42 25 Montagem do espectrômetro . . . p. 43 26 Fun¸cão SetTimeout() . . . p. 44 27 Software. Fluxograma da rotina de ordem zero . . . p. 47 28 Software. Modelo de entrada de dados para configura¸cão do espectrômetro p. 48 29 Software. Parâmetros de entrada para rotina de ordem zero . . . p. 49 30 Gráfico: verifica¸cão de linearidade do sistema de aquisi¸cão . . . p. 50 31 Gráfico: Localiza¸cão de ordem zero . . . p. 51 32 Gráfico: espectro da lâmpada . . . p. 52

(12)

11

1 Introdu¸

c˜

ao e Motiva¸

c˜

ao

A espectrometria ótica é a designa¸cão para toda técnica de análise e caracteriza¸cão de materiais a partir de suas propriedades óticas. Nos últimos anos vem se desenvol-vendo bastante e, em especial a técnica de espectroscopia fotoacústica. Esta técnica é voltada principalmente para análise das propriedades óticas em amostras opacas ou que apresentam alto fator de espalhamento (FONSECA, 2002).

A espectroscopia fotoacústica difere das demais técnicas uma vez que a intera¸cão de fótons com o material sob investiga¸cão não é obtida diretamente pela deteçcão e análise de fótons espalhados ou transmitidos, mas por meio de medidas de energia absorvida pelo material resultante da intera¸cão da amostra com o feixe de medida (FONSECA, 2002).

O Laboratório de Energia Solar (Labensol), lotado no Departamento de F´ısica da Universidade Estadual de Feira de Santana, possui um espectrômetro fotoacústico e vem realizando experimentos desde 2003 (DENIS, 2007). Contudo, o sistema de controle foi desenvolvido a partir da porta paralela, com o software supervisor ou de controle concebido para executar em ambiente DOS. Atualmente, tanto a utiliza¸cão da interface paralela quanto o sistema operacional DOS encontram-se em desuso.

Em razão do contexto exposto, encontrou-se uma oportunidade de desenvolver um trabalho contemplando a área hardware/software ao propor um projeto que visa a atual-iza¸cão do sistema de controle do referido espectrômetro. Em linhas gerais, isso condiz a tornar o software utilizável sob o paradigma multiplataforma e a substitui¸cão da interface de comunica¸cão atual pela interface USB.

A atualiza¸cão da capta¸cão dos dados através da porta USB permitirá dentre outros benef´ıcios, facilidade de uso por parte do usuário, uma vez que a tendência é a substitui¸cão total dos periféricos que fazem uso da interface RS-232 e paralela para USB (AXELSON, 2005).

Dentre a ampla gama de aplica¸cões em rela¸cão à caracteriza¸cão de materiais este espectrômetro será utilizado por alunos da Universidade Estadual de Feira de Santana na

(13)

1 Introdu¸c˜ao e Motiva¸c˜ao 12

(14)

1.1 Vis˜ao geral do documento 13

1.1 Vis˜

ao geral do documento

Nas se¸cões seguintes será dado prosseguimento a descri¸cão do projeto. Na se¸cão 2 será abordada a defini¸cão do projeto e os objetivos propostos. A se¸cão 3 tem por finalidade descrever sucintamente a metodologia utilizada. A se¸cão 4 oferece uma revisão de literatura sobre os assuntos pertinentes ao projeto. Serão abordados elementos da espectroscopia e da tecnologia do protocolo USB. A se¸cão 5 aborda o desenvolvimento do trabalho e os resultados alcan¸cados. A se¸cão 6 apresenta as conclusões do trabalho.

(15)

14

2 Defini¸

c˜

ao do Projeto

Este projeto propõe a atualiza¸cão do sistema de controle do espectrômetro, englobando tanto a parte eletrônica como a reformula¸cão do software supervisor. Para isso, será necessário projetar e construir circuitos para o condicionamento de sinal, controle de acionadores eletromecânicos e a substitui¸cão da interface paralela pela USB, o que ne-cessariamente implica na escolha de um controlador USB. Além disso, o software será reformulado utilizando uma linguagem de alto n´ıvel e será portável, de modo a executar independentemente da escolha de sistema operacional (Linux ou Windows).

(16)

15

3 Metodologia

O projeto foi dividido em duas áreas principais: eletrônica e software. A primeira área concerne à concep¸cão dos circuitos atuadores e a eletrônica responsável pela aquisi¸cão e transmissão dos dados ao computador supervisor. A segunda área refere-se ao desen-volvimento do software supervisor em linguagem de alto n´ıvel e ao software utilizado em rotinas de baixo n´ıvel (controlador USB, ADC).

Para melhor realiza¸cão das tarefas propostas, o projeto foi dividido em três etapas, cada uma delas, composta de atividades espec´ıficas. São elas:

Etapa 1: Dimensionamento - estudo da arquitetura do projeto buscando identi-ficar os principais aspectos do problema proposto, variáveis envolvidas, pontos de atua¸cão e leitura visando conceber o projeto f´ısico e lógico.

Etapa 2: Desenvolvimento dos Controles Eletrônicos - concep¸cão dos módulos eletrônicos necessários, analógicos e digitais; teste com cada unidade separada e sua pos-terior integra¸cão. Dentre estes módulos, citamos os circuitos de aquisi¸cão e comunica¸cão, circuito de controle do motor de passo (malha aberta) e circuito conversor anal´ ogico-digital.

Etapa 3: Integra¸cão Software Hardware - Concep¸cão e desenvolvimento do software supervisor. Implementa¸cão das rotinas de alto n´ıvel e processamento dos dados coletados.

(17)

16

4 Revis˜

ao de Literatura e

Defini¸

c˜

oes

4.1 Espectroscopia ´

otica

A espectroscopia ótica é a designa¸cão para toda técnica de levantamento de dados f´ısicos qu´ımicos através do estudo das propriedades óticas, ou seja: transmissão, absor¸cão ou reflexão da energia radiante incidente em uma amostra em fun¸cão do comprimento de onda (FONSECA, 2002). Por conseguinte, o resultado gráfico de uma técnica espec-troscópica qualquer é chamado de espectro.

Historicamente, a espectroscopia dizia respeito ao uso da luz vis´ıvel para o estudo teórico da estrutura da matéria através de análises qualitativas e quantitativas. Recente-mente, entretanto, a defini¸cão foi ampliada uma vez que novas técnicas foram desenvolvi-das com a aplica¸cão de muitas outras formas de radia¸cão, entre elas, raios gama, raios X e ultra violeta.

De acordo com James (2007) os três principais tipos de processos pelos quais a radia¸cão interage com a amostra e que definem o tipo de espectroscopia utilizada são designados abaixo:

• Espectroscopia de absor¸cão: Correlaciona a quantidade da energia absorvida em fun¸cão do comprimento de onda da radia¸cão incidente.

• Espectroscopia de emissão - Analisa a quantidade de energia emitida por uma amostra contra o comprimento de onda da radia¸cão absorvida. Consiste funda-mentalmente na reemissão de energia previamente absorvida pela amostra

• Espectroscopia de espalhamento (ou de dispersão) - Determina a quantidade da energia espalhada (dispersa) em fun¸cão de parâmetros tais como o comprimento de onda, ângulo de incidência e ângulo de polariza¸cão da radia¸cão incidente.

(18)

4.1 Espectroscopia ´otica 17

4.1.1 Importˆ

ancia da espectroscopia

A espectroscopia é de interesse de conhecimento de várias áreas do saber. Encontra aplica¸cões em campos que vão desde a medicina a astrof´ısica nuclear. Os estudos são poss´ıveis em praticamente todos os tipos de substâncias, sejam elas orgânicas ou não, materiais biológicos e ainda nos três estados que a matéria se encontra ordinariamente (sólidos, l´ıquidos ou gases) (FONSECA, 2002). Na F´ısica, por exemplo, é poss´ıvel a deter-mina¸cão das propriedades dos materiais sejam elas térmicas, elásticas, etc; na Qu´ımica, têm se estudos de rea¸cões qu´ımicas de maneira a determinar, por exemplo, estágios in-termediários da rea¸cão; na Biologia encontra aplica¸cão, por exemplo, na monitora¸cão do crescimento de agentes biológicos; muito utilizada para estudo de novos materiais.

Dentre a gama de pesquisas e trabalhos em rela¸cão à caracteriza¸cão de substâncias utilizando alguma técnica da espectroscopia podemos citar: determina¸cão de varia¸cões de volume e entropia envolvendo energia de transferência de elétrons (FEITELSON; MAUZER-ALL, 1996), a verifica¸cão de café adulterado e sua classifica¸cão sem a necessidade do método tradicional de prova de degusta¸cão (VINHA, 1998) e a investiga¸cão das carac-ter´ısticas óticas dos filmes finos de SnO2 e que são usados no revestimento de coletores solares (MAGALHãES, 2006).

4.1.2 Experimento b´

asico da espectroscopia

Ao iluminar uma substância com uma fonte de radia¸cão, esta pode absorver como transmitir radia¸cão em determinado comprimento de onda e desta forma permitir uma observa¸cão de seu comportamento e de suas propriedades f´ısicas.

A figura 1 ilustra o experimento básico da espectroscopia que consiste na incidência de um feixe de luz gerado por uma fonte luminosa sobre uma amostra e sua posterior análise. Ela apresenta a equa¸cão básica para o sistema: Io = It + Ir + Ia (1) que nos informa que a intensidade de luz emitida é igual ao somatório das intensidades de luz refletida, absorvida e transmitida.

Há uma serie de outras equa¸cões que relacionam as variáveis citadas, mas que foram omitidas por não fazerem parte do escopo deste trabalho.

Os resultados da análise espectroscópica, ou o espectro de uma amostra, nos fornecem dados sobre caracter´ısticas da amostra, tais como geometria de liga¸cão, natureza qu´ımica de um dado átomo, comprimentos de liga¸cões qu´ımicas, etc.

(19)

(20)

4.1.3 Espectroscopia Fotoac´

ustica

Essa é uma das poucas técnicas que permitem por meio indireto informar sobre o n´ıvel de energia absorvido pela amostra. Implica necessariamente na utiliza¸cão de um recipiente para acondicionamento da amostra, chamada de célula fotoacústica (FONSECA, 2002).

A célula é constitu´ıda por um recipiente fechado preenchido por um gás, em geral o ar e uma janela por onde permite a passagem de luz para incidir sobre a amostra. A amostra deve ser hermeticamente encerrada no interior da célula fotoacústica conforme ilustra a figura 2 .

Figura 2: C´elula fotoac´ustica

O efeito fotoacústico é obtido através da incidência de luz modulada sobre a amostra e a conseqüente absor¸cão de energia. Ao absorver a energia modulada da fonte de ex-cita¸cão, a amostra ficará aquecida, resultando numa flutua¸cão periódica da pressão igual a da modula¸cão ótica. O gradiente de pressão comporta-se como uma onda sonora que pode ser detectada com o auxilio de um microfone, transdutor capacitivo ou piezoelétrico (FONSECA, 2002).

Para a produ¸cão do sinal fotoacústico em uma amostra sólida, coexistem três mecanis-mos básicos: o da difusão térmica, o da expansão térmica e o da expansão termoelástica (NAKAMURA, 2000). A figura 3 ilustra as três situa¸cões.

Basicamente, o fenômeno da difusão térmica consiste na varia¸cão da temperatura do gás circundante sobre a amostra, resultado do aquecimento desta. Esta varia¸cão possui a mesma freqüência de modula¸cão da luz incidente. Já o processo de expansão térmica consiste na dilata¸cão e contra¸cão da amostra que funciona como um pistão vibratório sobre o resto da coluna de gás.

(21)

Figura 3: Efeitos do aquecimento da amostra, Fonte (NAKAMURA, 2000)

Por sua vez, o processo de expansão termoelástica é ocasionado quando a amostra encontra-se presa nas extremidades. De acordo com Nakamura (2000), ”a luz incidente sobre a amostra gera um gradiente de temperatura dentro dela, perpendicular à sua face de maior dimensão. Devido a este gradiente, a expansão térmica será dependente da profundidade, flexionando a amostra”.

(22)

4.2 Espectrˆometro 21

4.2 Espectrˆ

ometro

´

E o equipamento destinado à análise de radia¸cão incidente sobre uma substância (FONSECA, 2002). Os espectrômetros compreendem: uma fonte de energia radiante, um elemento de dispersão de luz, um sistema colimador, um local destinado à amostra, um sistema monocromador e um sistema detector. A figura 4 ilustra os componentes de um espectrômetro.

Figura 4: Diagrama montagem do espectromentro.

A lâmpada é disposta no foco de um espelho côncavo de modo a projetar a imagem do filamento no conjunto fenda-lente convergente de um colimador a fim de orientar a dire¸cão da luz de modo a gerar feixes paralelos. O feixe policromático é enviado ao monocromador, composto de uma rede de difra¸cão (que pode ser entendido como um prisma, cuja fun¸cão é separar os comprimentos de onda de luz - luz monocromática), uma lente convergente e um colimador, cuja fenda de entrada serve de fenda de sele¸cão.

Dessa forma, posi¸cão angular da rede de difra¸cão está relacionada com o comprimento de onda selecionado. O amplificador lock-in, cujo alguns comentários a respeito serão tecidos na próxima se¸cão, se faz necessário quando há necessidade de amplificar e retificar as componentes do sinal que possuem a mesma freqüência de modula¸cão de um sinal de referência. É mais utilizado na espectroscopia fotoacústica devido à própria natureza do sinal fotoacústico: sinal fraco e sujeito a ru´ıdos externos devido a alta sensibilidade do elemento sensor. Em seguida, o sinal é enviado ao sistema de aquisi¸cão e posteriormente enviado ao microcomputador onde é processado e analisado.

(23)

4.3 Lock-in 22

4.3 Lock-in

Na sua forma mais básica um amplificador lock-in é um instrumento com dupla fun¸cões. Pode recuperar sinais na presen¸ca de um forte ru´ıdo de fundo ou, em alter-nativa, pode fornecer medi¸cões de alta resolu¸cão relativamente limpa de sinais das mais várias ordens de grandeza e freqüência (ELMER, 2000).

Em termos bastante simplificado, o sinal de entrada é amplificado, junto com o ruido até um valor adequado para o modulador. Em seguida o sinal passa por um estágio de amplifica¸cão seletiva onde um filtro passa faixa elimina as freqüências de alta ordem incrementando a rela¸cão sinal/ruido. Na seqüencia ocorre a multiplica¸cão do sinal de entrada proveniente do amplificador seletivo com o sinal de referência e por fim um filtro passa baixa, antes de apresentar o sinal para sa´ıda. Maiores informa¸cões podem ser consultadas em (ELMER, 2000).

(24)

4.4 USB 23

4.4 USB

O USB (Universal Serial Bus) surgiu em 1995 como resultado de uma parceria entre várias empresas de alta tecnologia (Compaq, HP, Intel, Lucent, Microsoft, NEC e Philips). O protocolo USB define as caracter´ısticas elétricas do barramento (camada f´ısica Padrão ISO), codifica¸cão dos bits de dados, taxa de transmissão e protocolo de comunica¸cão ( AX-ELSON, 2005). Esse protocolo pode ser implementado em hardware (circuito integrado espec´ıfico) ou via software. O uso da interface USB necessariamente envolve um chip con-trolador USB no Host (normalmente um PC) como também no dispositivo ou periférico. Obedece aos padrões de uma arquitetura do tipo Mestre/Escravo.

A interface USB destaca-se entre seus predecessores, mais especificamente a interface RS232 e a porta paralela, por uma série de fatores tais como: elevada taxa de transmissão, controle de erros mais apurado (utiliza CRC ), é plug and play permitindo conexão a quente (hot pluggable - o PC não precisa estar desligado para ser conectado um dispositivo USB), bus powered - que significa que pode fornecer alimenta¸cão para o dispositivo através de seu conector.

Com um único controlador USB no host é poss´ıvel adicionar até 127 dispositivos sem problemas de endere¸camento, que é realizado internamente pelo protocolo. São fun¸cões do Host, detectar a conexão e a retirada dos dispositivos (processo de enumera¸cão), gerenciar a comunica¸cão entre os dispositivos e realizar a conversão da informa¸cão entre o sistema operacional (SO) e o barramento, além do controle de erros (AXELSON, 2005).

Na figura 5 temos a representa¸c˜ao da topologia de um barramento USB.

Como pode ser observado na figura 5, caracteriza uma topologia estrela no qual pode ser cascateada em n´ıveis apenas com a adi¸cão de um hub USB obedecendo ao limite de cinco n´ıveis a partir do host. São fun¸cões do hub: repetir o tráfego em ambas as dire¸cões, gerenciar a energia, enviar e receber mensagens de controle e status além de realizar conversões de taxas de transferência (AXELSON, 2005).

O USB trabalha com as seguintes taxas m´aximas de transferˆencias: 1. High speed 480 Mbits/s (USB 2.0)

2. Full speed 12 Mbits/s (USB 1.1) 3. Low speed 1.5 Mbits/s (USB 1.0)

(25)

4.4 USB 24

Figura 5: Topologia USB

1. High speed 424 Mbits/s (USB 2.0) 2. Full speed 9.6 Mbits/s (USB 1.1) 3. Low speed 6.4 Kbits/s (USB 1.0)

Além dos dados, trafegam no barramento sinais de controle, status e checagem de erros. Todos os dispositivos compartilham o mesmo canal f´ısico (AXELSON, 2005) cuja largura de banda cedida depende da utiliza¸cão do canal e do tipo de transferência de dados utilizada pelo dispositivo.

Existem quatro tipos de transferˆencia de dados poss´ıveis utilizados pelo protocolo USB.

1. Bulk : Situa¸cões onde a taxa de transferência não é cr´ıtica; a transferência pode esperar até o barramento ficar livre; dispositivos full-speed e high-speed.

2. Interrupt : Para dispositivos que precisam de aten¸c˜ao peri´odica; dispositivos low-speed.

3. Isochronous: Tem taxa de transmissão garantida; não faz verifica¸cão de erros; dis-positivos full-speed e high-speed (áudio e v´ıdeo)

(26)

4.4 USB 25

Outro argumento interessante a favor da utiliza¸cão de dispositivos USB é sobre o que se chama de classes de dispositivos. Estes são grupos de dispositivos que compartilham os mesmos atributos e servi¸cos como, por exemplo, a classe HID - human interface devices, no qual pertencem dispositivos como o mouse e teclado. O sistema operacional fornece suporte diretamente a determinadas fun¸cões sem haver necessidade da constru¸cão de um driver espec´ıfico. Isso provê facilidade ao desenvolvimento por parte do desenvolvedor. A classe ao qual o dispositivo pertence é identificado no processo de enumera¸cão.

Fica evidenciado que a partir da perspectiva do desenvolvedor, existe uma maior complexidade de programa¸cão em compara¸cão à utiliza¸cão da porta paralela ou RS232 a qual poderia ser programada apenas tomando como base o endere¸co do dispositivo sem necessidade de drivers adicionais.

Outro fator a ser considerado pelo projetista concerne à obten¸cão dos códigos chama-dos respectivamente de Vendor ID e Product ID. Estes números são utilizados na iden-tifica¸cão do dispositivo através do sistema operacional. Todos que distribuem um dispo-sitivo USB devem obter o direito de utiliza¸cão desses códigos e, para tanto, é necessário um pagamento de royaltes cujo valor para uso e comercializa¸cão está na faixa de USD 1500,00 - o que dificulta para quem produz dispositivos USB em pequena escala. Fe-lizmente, alguns fabricantes já fornecem esses números sem ônus para projetos que não sejam destinados à comercializa¸cão.

(27)

4.5 Linguagens de Programa¸c˜ao 26

4.5 Linguagens de Programa¸

c˜

ao

Neste projeto, em variados momentos foram utilizados as seguintes linguagens de pro-grama¸c˜ao: C, Delphi, Visual Basic e Java. Entretanto, como o foco do projeto baseia-se na portabilidade proporcionada pela plataforma Java apenas ser´a abordado essa linguagem.

4.5.1 Java

Um aplicativo Java roda sobre a Máquina virtual Java (JVM - Java virtual machine): um programa que carrega e executa os aplicativos java, convertendo os bytecodes em código executável de máquina (LINDHOLM; YELLIN, 2005).

A figura 6 ilustra a abstra¸cão da maquina virtual, no qual fornece para aplica¸cão uma interface idêntica ao hardware sobre qual esta sobreposta. A máquina virtual dá à aplica¸cão a ilusão de se ter um processador para cada processo em execu¸cão conforme ilustra a figura 6.

Figura 6: M´aquinas Virtuais. Fonte (LINDHOLM; YELLIN, 2005)

Desde a versão 1.2 da JRE, a implementa¸cão da Sun da JVM inclui um compilador Just-in-time (JIT). De acordo com a SUN, com este compilador todo o bytecode de um programa é transformado em instru¸cões nativas e carregado na máquina virtual em uma só opera¸cão, permitindo um ganho de desempenho muito grande em compara¸cão com a implementa¸cão anterior, onde as instru¸cões em bytecode eram interpretadas uma por vez (SUN, 2007).

(28)

4.5 Linguagens de Programa¸c˜ao 27

Linux e Windows obdecendo certas restri¸cões de tempo. Segundo IBM deve-se considerar a unidade de tempo na ordem dos milisegundos. Neste projeto em si, apenas o conversor AD trabalha em unidades na ordem dos microsegundos sendo necessário pelo menos 21µs para a realiza¸cão de uma conversão completa (TEXAS, 2008). Entretanto, escrever um array de bytes no buffer do dispositivo USB informando a opera¸cão de aquisi¸cão, custa apenas uma instru¸cão Java, ficando a cargo do chip USB (hardware dedicado) de realizar a opera¸cão de escrita e leitura nos tempos requeridos.

A DAWSON et al. (2007) cita o próprio mecanismo de maquina virtual como o re-sponsável por um pequeno overhead (da casa de milisegundos), bem como o próprio sistema gerenciador de threads Java; e o mecanismo de limpeza da memória ou garbage collection (LINDHOLM; YELLIN, 2005). Devido a esses fatores os autores propõe algu-mas altera¸cões na arquitetura supracitada e a que compõe a JMV de modo a propiciar aplica¸cões de tempo real de alta criticidade: da ordem de resposta de microsegundos. É a chamda arquitetura WebSphere. A figura 7 ilustra essa solu¸cão. Maiores informa¸cões consultar (DAWSON et al., 2007)

Figura 7: WebSphere Arquitetura de tempo real. Fonte: IBM

4.5.2 Java - JNI

JNI é um framework que permite que códigos Java rodando na máquina virtual Java chamem e sejam chamados por aplica¸cões nativas (programas espec´ıficos para um

(29)

hard-4.5 Linguagens de Programa¸c˜ao 28

ware e sistemas operacionais) e bibliotecas escritas em outras linguagens como C, C++ e assembly (LIANG, 2005).

´

E usado em situa¸cões em que um aplicativo não pode ser escrito inteiramente em Java ou nos casos em que a biblioteca padrão Java não suporta recursos espec´ıficos de um sistema operacional. Por exemplo, encapsular fun¸cões em assembly, a fim de ganhar desempenho, e rotinas de escrita e leitura de arquivos, são algumas das aplica¸cões mais comuns.

´

E também usado para modificar aplica¸cões existentes em outras linguagens e tornar-las acess´ıveis a aplica¸cões desenvolvidas em Java. O projeto em questão se enquadra nessa categoria, uma vez que, para acessar o chip USB utilizado a fabricante fornece a biblioteca de fun¸cões na linguagem C. Foi utilizado a implementa¸cão JNI fornecida por (WERNER, 2007) que encapsula essas fun¸cões. As figura 8 apresenta uma chamada a um codigo nativo fornecido pela fabricante do chip, enquanto que a figura 9 ilustra a modifica¸cão realizada pelo padrão JNI.

Figura 8: C´odigo nativo. Fun¸c˜ao fornecida pela fabricante do chip

(30)

29

5 Desenvolvimento do Projeto

5.1 Controladores USB

Conforme proposta deste trabalho, foi realizado o estudo de trˆes controladores USB, respectivamente o microcontrolador ATtiny2313, o microcontrolador PIC18F4550 e o con-trolador USB FT232RL.

5.1.1 ATtiny2313

O primeiro consiste num micro-controlador de propósito geral no qual foi desenvolvido um firmware projetado pelo engenheiro Igor Cesko (CESKO, 2006a) implementando os requisitos do protocolo USB 1.0, cuja taxa de transferência máxima alcan¸cava 1.5Mbit/s. Em termos gerais o microcontrolador foi transformado num conversor USB - RS232 possuindo então os oito bits de dados do padrão RS232. Foi fornecido o driver apenas para a plataforma Windows e uma DLL de acesso por (CESKO, 2006a) o qual permite que os oito bits do padrão RS232 sejam utilizados como bits de I/O. Particularmente, o datasheet dessa implementa¸cão (CESKO, 2006b) consiste num relevante material de estudo sobre o funcionamento do protocolo USB, pois, além de explicitar as rotinas implementadas em software aborda também sobre aspectos de baixo n´ıvel, a exemplo dos n´ıveis lógicos para deteçcão de um novo dispositivo e a deteçcão da velocidade de transferência suportada pelo dispositivo.

A figura 10 extraida de (CESKO, 2006a) ilustra a interface USB com o micro-controlador ATtiny2313.

Na etapa de dimensionamento do projeto foram realizados alguns experimentos uti-lizando esse micro-controlador, a exemplo da implementa¸cão de um conversor A/D por aproxima¸cão sucessivas e do acionamento de led através do PC, além da simula¸cão da leitura de dados provenientes de um sensor. Foram desenvolvidos programas nas

(31)

lin-5.1 Controladores USB 30

Figura 10: Exemplo de circuito eletrˆonico. Interface USB no ATtiny2313. Fonte: (CESKO, 2006a)

guagens C, Delphi e Visual Basic. A figura 11 ilustra algumas janelas dos programas desenvolvidos para demonstra¸c˜ao escritos em Object Pascal utilizando a plataforma Del-phi de desenvolvimento.

Figura 11: Exemplo de programas desenvolvidos para teste.

Através dos experimentos foi poss´ıvel observar certa instabilidade de funcionamento do dispositivo, de tal maneira que, a m´ınima presen¸ca de ru´ıdo externo ocasionava a sua desconexão lógica mesmo que este estivesse fisicamente conectado ao PC. De fato, os testes foram realizados utilizando kits comerciais da (TATO, 2007), mais especificamente com 8 kits e não se pode concluir a respeito do mal funcionamento.

(32)

5.1 Controladores USB 31

5.1.2 PIC 18F4550

O segundo chip USB utilizado é o encontrado no microcontrolador (MICROCHIP, 2008) Pic18F4550 que possui o protocolo USB implementado em hardware. Foi realizado o estudo da arquitetura do microcontrolador e do ambiente de programa¸cão, entretanto não foi confeccionado o circuito eletrônico necessário à transmissão de dados. Esse estudo preliminar nos levou a concluir que haveria uma subutiliza¸cão do microcontrolador em questão, e por isso, não foi utilizado no projeto.

5.1.3 FT232R

O terceiro chip, o FT232R (FTDI, 2007) é originalmente um conversor USB para Serial RS232. Entretanto, este possui o protocolo de comunica¸cão USB 2.0 implementado em hardware. Dentre as principais caracter´ısticas deste controlador temos: interface UART de 8 bits - no modo denominado Bitbang pode funcionar como pinos de I/O de propósito geral; quatro bits de I/O que podem funcionar de modo independente; EEPROM con-figurável para armazenamento de dados como descri¸cão do produto; suporte a modo de transferência control e bulk ; clock interno de 48 MHz que pode ser usado como sa´ıda para um microcontrolador ou FPGA; suporta configura¸cão USB bus powered ; o fabri-cante ainda fornece os drivers para as plataformas Linux e Windows além dos códigos Vendor ID e Product ID.

Com este controlador além dos experimentos anteriormente citados foram realizados testes no circuito de controle do motor de passo e no circuito de condicionamento de sinal na aquisi¸cão de dados provenientes de um conversor A/D ligado a um potenciômetro.

O fabricante fornece uma biblioteca em C com a assinatura das fun¸cões utilizadas e para plataforma Windows ainda fornece uma DLL. Conforme explica¸cão no cap´ıtulo 4, com essa biblioteca de fun¸cões em C é poss´ıvel utilizar Java como linguagem de pro-grama¸cão fazendo uso do recurso chamado de JNI (Java Native Interface). Foram de-senvolvidas rotinas de testes em C e em Java utilizando a API fornecida por (WERNER, 2007)

Essas rotinas buscavam basicamente testar os circuitos de controles do motor de passo e de condicionamento do sinal. A figura 12 ilustra a interface de um dos programas desenvolvidos em Java com o propósito de testar o motor de passo. Ele foi utilizado no controle de um bra¸co eletromecânico desenvolvido na disciplina de projeto anual do curso da UEFS. Possu´ıa a fun¸cão de controlar a dire¸cão e a velocidade do movimento do bra¸co.

(33)

5.1 Controladores USB 32

Figura 12: Exemplo de aplicac˜ao desenvolvida em Java para o chip FT232R - Bra¸co eletromecˆanico

Foi utilizado o kit USB da empresa Tato Eletrônica (TATO, 2007), é importante frisar, apenas em razão de o encapsulamento do chip fornecida pela fabricante ser do tipo SMD,o que demandaria recursos de soldagem especializado o que, de outra forma, dificultaria o seu uso. Este kit provê a interface para o chip possibilitando fácil acesso aos pinos de modo a ser utilizado, por exemplo, em um protoboard. Entretanto, o circuito confeccionado é relativamente simples conforme pode ser visto na figura 13, cujo esquema é fornecido pelo próprio fabricante.

(34)

5.2 Arquitetura do Projeto 33

5.2 Arquitetura do Projeto

A arquitetura do projeto consiste num computador (IBM PC) como supervisor do sistema que se conecta através da interface USB ao circuito eletrônico do chip conversor USB-Serial FT232R, que dentre os três controladores citados foi escolhido por possuir a melhor especifica¸cão para o problema proposto uma vez que:

• Numero de bits de controle suficiente: conforme expresso anteriormente pode-se utilizar um total de 12 bits de modo independente.

• protocolo USB implementado em Hardware: oferece garantias do funciona-mento da arquitetura USB. Ademais, implementa a vers˜ao 2.0 do protocolo USB.

No PC, um programa desenvolvido em linguagem de alto n´ıvel possibilita a intera¸cão com o usuário, permitindo a entrada de dados. E respons´´ avel tanto pelo envio dos parâmetros de controle ao espectrômetro, a exemplo do comprimento de onda de interesse (movimenta¸cão da rede de difra¸cão), como pela requisi¸cão, armazenamento e análise dos dados aferidos. Conforme a tecnologia utilizada, esse software pode ser executado tanto na plataforma Linux quanto na Windows.

O chip foi configurado no modo Bitbang que permite a utiliza¸cão dos 8 bits do padrão serial RS232 pinos de I/O. Serão tecidos mais comentários sobre este modo de utiliza¸cão mais adiante. Maiores informa¸cões podem ser adquiridas em (FTDI, 2007) e (FTDI, 2006). A figura 14 ilustra a arquitetura geral do sistema.

Conforme metodologia de desenvolvimento, foi desenvolvido o circuito de controle do movimento da rede de difra¸cão - que compreende circuito lógico e de potência do motor de passo; o circuito de condicionamento do sinal proveniente do amplificador lock-in; o circuito de controle de acionamento da lâmpada. Para cada um desses elementos, foram implementados módulos com rotinas de testes pontuais. Numa etapa posterior os módulos foram totalmente integrados ao espectrômetro.

5.2.1 Montagem e atua¸

c˜

ao dos componentes do espectrˆ

ometro

Neste tópico, para um completo entendimento do escopo do projeto, abordaremos em linhas gerais sobre o a atua¸cão dos elementos que compõe o espectrômetro projetado por (DENIS, 2007).

(35)

Figura 14: Arquitetura geral do projeto

Fazendo uso da figura 14, a luz monocromática que emerge do monocromador é en-trecortada por um modulador mecânico, o chopper, com uma freqüência que pode ser variada segundo a necessidade. Esta freqüência deve ser tal ordem a permitir o completo relaxamento térmico do sistema conforme explica¸cão encontrada no cap´ıtulo 4. O uso de luz modulada é de suma importância, pois têm como objetivo eliminar o ru´ıdo externo, aumentando a seletividade do sistema de deteçcão.

A posi¸cão angular da rede de difra¸cão está relacionada com o comprimento de onda selecionado. Esta posi¸cão é determinada pelo motor de passo e controlada pelo software supervisor, assim de maneira simultânea e ao final de cada passo de avan¸co da mecânica, a informa¸cão fornecida pelos elementos sensores pode ser adquiridas e processada num PC. Por sua vez, o lock-in recebe o sinal acústico do microfone da célula fotoacústica, possuindo a fun¸cão de amplificar e retificar apenas os componentes deste sinal que possuem a mesma freqüência de modula¸cão do sinal de referência, ou seja, da mesma freqüência do sinal gerado pelo chopper. Em seguida, o sinal é enviado para um microcomputador onde é processado e analisado.

(36)

5.2.1.1 Montagem ´otica

A figura 15 ilustra como os elementos ´oticos est˜ao dispostos sobre a bancada.

Figura 15: Montagem ´optica. Fonte: (DENIS, 2007)

Os seguintes componentes s˜ao utilizados: • Lˆampada: 12V / 60W

• Rede de difra¸c˜ao: 590 tra¸cos/mm 50x50 mm2 (delta = 1.7 micrometros) • Lente n1: f = 175 mm phi= 110 mm

• Lente n2: f = 200 mm phi = 120 mm • Lente n3: f = 75 mm phi = 80 mm

5.2.1.2 Sistema de rota¸c˜ao da rede de difra¸c˜ao

A figura 16 ilustra a montagem do sistema de rota¸c˜ao da rede de difra¸c˜ao.

A calibra¸cão do comprimento de onda deste espectrômetro é feito obedecendo a geome-tria dos componentes conforme projeto descrito por (DENIS, 2007). A fórmula que fornece

a rela¸cão entre o numero de passos realizado pelo motor de passo e o comprimento de onda é dado pela equa¸cão expressa na figura 17:

Conforme ilustra a figura 16, a rota¸cão é obtida através de um bra¸co acoplado ao eixo de rota¸cão vertical da rede. O bra¸co é articulado através do deslocamento de uma correia de impressora pelo motor de passo.

(37)

Figura 16: Montagem do sistema de rota¸c˜ao da rede de difra¸c˜ao. Fonte (DENIS, 2007)

Figura 17: Rela¸c˜ao entre passos do motor de passo e comprimento de onda

5.2.1.3 Instala¸c˜ao dos fins de curso

Uma pequena altera¸cão no projeto original foi necessária no circuito de fim de curso, a fim de economizar um pino de chip USB. A figura 18 ilustra o esquema original, enquanto que a figura 19 exibe as altera¸cões efetuadas.

Devido a essas altera¸cões, a tarefa de verificar qual dos extremos foi alcan¸cado, passou a ser do software. Simplesmente basta uma efetiva verifica¸cão da dire¸cão de deslocamento do motor.

5.2.1.4 Organiza¸c˜ao da eletrˆonica

Para realizar os espectros fotoac´usticos, precisamos dos seguintes elementos:

• Controle do comprimento de onda do monocromador atrav´es de um motor de passo.

(38)

Figura 18: Circuito de fim de curso original. Fonte (DENIS, 2007)

Figura 19: Modifica¸c˜ao do circuito de fim de curso

• Pré-amplifica¸cão do sinal fotoacústico,

• Interface com um computador de aquisi¸c˜ao.

Como a organiza¸cão desses elementos já fora descrita na arquitetura do sistema res-tringiremos neste tópico a descri¸cão dos componentes eletrônicos. A figura 20 ilustra o diagrama eletrônico.

Como verificado na figura 13, o circuito do chip USB foi confecionando para suportar o modo bus powered. Seguindo as especifica¸cões do protocolo USB 2.0 neste modo é poss´ıvel fornecer ao barramento uma corrente máxima de 100mA com uma tensão 5V. Por esta razão, constitui de fundamental importância a verifica¸cão das caracter´ısticas técnicas de consumo de cada CI componente do protótipo geral alimentado pelo barramento USB

(39)

Figura 20: Diagrama dos componentes eletrˆonicos

afim de atender a especifica¸c˜ao. No chip FT232R faz-se necess´ario acessar a EEPROM e informar a corrente a ser fornecida. Neste caso, utilizando o programa Mprog fornecido pelo fabricante foi configurado o valor de 100mA.

Buffer SN74HCT245: o buffer é utilizado de modo isolar o chip USB do circuito garantindo prote¸cão contra eventuais varia¸cões de corrente, principalmente de problemas decorrentes na parte do controle de potência do motor de passo. Baixo consumo de energia possuindo Icc (corrente de consumo) de apenas 80 µA por pino.

Motor de passo: O projeto atual utiliza motor de passo, pois, segundo Denis (2007) propicia maior precisão no controle do posicionamento e maior facilidade de utiliza¸cão, haja vista que elimina a necessidade de um circuito decodificador de posi¸cão, anterior-mente necessário quando utilizava-se um motor DC. Ademais, permite total adapta¸cão a lógica digital.

O motor de passo em si suporta dois modos de opera¸cão: passo completo (full step) e meio passo (half step). De acordo com a especifica¸cão desse motor, o deslocamento angular é de 7,5 graus em cada passo para o modo full step e de 3,75 graus no modo half step; O motor de passo possui três estados básicos de funcionamento:

• Desligado: Não há alimenta¸cão suprindo o motor. Nesse caso não existe consumo de energia, e todas as bobinas estão desligadas. É cortada a alimenta¸cão das bobinas.

• Parado: Pelo menos uma das bobinas fica energizada e o motor permanece est´atico num determinado sentido.

(40)

• Em movimento: As bobinas s˜ao energizadas em intervalos de tempos determina-dos, impulsionando o motor a girar numa dire¸c˜ao.

Circuito de controle do motor de passo: Compreende as CIs L297 e L298. O controle lógico do motor de passo é definido pelo CI L297. É o CI responsável por gerar a seqüência correta de pulsos conforme o modo de opera¸cão desejado (meio passo ou passo completo). Este CI permite 3 modos de opera¸cão como é ilustrado na figura 21. Essa figura permite acompanhar a seqüência lógica em cada passo. As colunas 1a, 1b, 2a, 2b representam as entradas da bobina do motor de passo, enquanto que cada linha representa o passo seguinte para uma determinada dire¸cão. Cada célula marcada com 1 significa que foi introduzido o nivel lógico 1 na entrada da bobina corresponde.

Figura 21: Sequˆencia l´ogica gerado pelo L297

Neste projeto, afim de se obter uma melhor resolu¸cão e obedecendo a especifica¸cão estabelecido por (DENIS, 2007) este CI foi configurado no modo Normal drive, que define o modo de opera¸cão meio passo, entretanto, oferecendo um maior torque, já que aciona duas bobinas simultaneamente para cada passo realizado. Portanto, conforme a resolu¸cão do passo, para o motor em questão, faz-se necessários 96 passos para uma dar uma volta completa.

A utiliza¸cão desse CI proporcionou a redu¸cão do uso dos pinos de I/O do chip USB pertinentes ao controle do motor, ao tempo que propiciou praticidade ao desenvolvimento, haja vista que, a não necessidade de escrita da lógica de controle em software. As sa´ıdas deste chip fornecem apenas 10mA, sendo, portanto, necessário para elas, um circuito amplificador, ou melhor, um driver de potência para interfacear com um motor de passo bipolar.

(41)

Esse é o papel da CI L298 quem a têm a fun¸cão de fornecer a corrente necessária ao funcionamento do motor de acordo com suas especifica¸cões. O motor em questão é pode ser alimentado com tensão de até 24V e com uma corrente máxima de 2A. O CI L298 também pode ser utilizado para limitar a corrente das bobinas quando essa ultrapassa um valor definido. Como o motor foi alimentado por 12V não foi utilizada essa op¸cão.

Conversor analógico digital: foi utilizado neste trabalho o CI TLC1542 que possui resolu¸cão máxima de 10 bits e 11 canais de aquisi¸cão. Ele possui 6 modos de opera¸cão que são determinados pela taxa de clock e a opera¸cão do pino CS, ou chip select. Uma transi¸cão alto para baixo redefine os contadores e controles internos e habilita os pinos Data Out (sa´ıda de dados), Address (endere¸co do canal), e o clock. A figura 22 ilustra o diagrama de tempo de funcionamento deste ADC. Para cada subida ou descida nos n´ıveis lógicos dos pinos citados é necessário a altera¸cão nos bits correspondentes ao byte escrito no buffer do chip USB. De acordo com a figura, para que uma aquisi¸cão seja completada é necessário que o intervalo de tempo para os 10 pulsos de clock seja de no m´ınimo 21µs. O modo de opera¸cão foi o fast mode 1 cujo detalhes de opera¸cão podem ser encontrados em (TEXAS, 2008).

Figura 22: Diagrama de tempo da utiliza¸c˜ao do AD. Fonte: (TEXAS, 2008)

Considera¸cões: O uso dos pinos de entrada e sa´ıdas do chip USB foi feito de modo a maximizar a sua utiliza¸cão, ou seja, compartilhando sempre que poss´ıvel os pinos. A tabela exposta na figura 23 ilustra a distribui¸cão da conexão entre os pinos do chips USB, AD e o L297.

Nas fotografias seguintes teremos a ilustra¸cão da montagem eletrônica no protoboard e da disposi¸cão dos componentes do espectrômentro na bancada.

(42)

(43)

(44)

(45)

5.2.2 Desenvolvimento de software

Para melhor organiza¸c˜ao, o software foi dividido nos seguintes pacotes: • gui: Todas as classes de interface com o usu´ario, ou janelas.

• control: Todas as classes de controle. Englobando controle do ADC, controle do motor de passo e a interface com o dispositivo USB.

• util: Todas as classes de apoio como gera¸cão de gráficos, conversões numéricas, conversões de tipo, e a abstra¸cão dos dados.

• observator: Interface para implementa¸c˜ao do padr˜ao Observer

5.2.2.1 Configura¸c˜ao do FT232R

O chip FT232R foi configurado utilizando a fun¸c˜aoSetBitMode() no modo BitBang: o modo BitBang pode ser ass´ıncrono ou s´ıncrono e como foi citado anteriormente permitem a configura¸c˜ao dos pinos como pinos de I/O.

Nesse modo, a taxa te transferência do dispositivo é de dezesseis vezes o valor con-figurado como baudrate. Como exemplo, caso tenhamos o baudrate configurado para 9600 Baud poderemos transmitir a uma taxa de (9600X16) = 153600 bytes por segundo. Para essa configura¸cão é utilizado o comando SetBaundRate(). Podemos também utilizar valores não padronizados para o baudrate utilizando a fun¸cão SetDivisor. Esta permite fixar o baudrate a partir do relógio interno do módulo (48 MHz) divido por 16 (3 MHz). O divisor simplesmente divide essa freqüência pelo divisor escolhido.

´

E importante observar que, cada escrita e leitura realizadas nos buffers através das respectivas fun¸cões Read(), responsável pela leitura do buffer, e Write(), responsável pela escrita no buffer, obedece valores de tempo pré-configurados definidos através da fun¸cão SetTimeouts() expressa no quadro abaixo:

Figura 26: Fun¸c˜ao SetTimeout()

(46)

1. ftHandle: ´e a instancia do dispositivo USB.

1. dwReadTimeout: ´e o tempo em ms entre uma opera¸c˜ao e outra de leitura do Buffer.

1. dwWriteTimeout: ´e o tempo em ms entre uma opera¸c˜ao e outra de escrita do Buffer.

Isso significa que uso das fun¸cões que fazem uso do barramento USB (leitura e escrita) devem obedecer a essas condi¸cões cujo valor m´ınimo definido em (FTDI, 2007) é de 2ms. Por esta razão, para que seja logrado a taxa máxima de transferência, evitando o delay das opera¸cões citadas, deve se escrever nos buffers mais de um byte em cada uma das opera¸cões de escrita ou leitura.

Portanto, deve-se considerar um dos pontos mais importantes deste projeto, a rela¸cão que condiz entre a taxa de aquisi¸cão e a escolha do modo BitBang ass´ıncrono ou s´ıncrono. Durante a etapa de estudo e implementa¸cão de pequenos projetos, foi utilizado o modo ass´ıncrono como configura¸cão para o chip USB FT232R. Neste modo, as opera¸cões de escrita e leitura do barramento USB podem ser realizadas de forma independente. Apesar de satisfazer os requisitos do sistema atual, sendo realizadas em média 3 aquisi¸cões por segundo, esse modo não é o ideal quando deseja-se realizar opera¸cões de escrita e leitura em seqüencia. Esse tipo de opera¸cão é requisitado pelo ADC, que para cada ciclo de clock (transi¸cão de subida e descida) envia um bit do valor convertido (data out - conforme pode ser visto na figura 22), necessitando, portanto, de a cada duas opera¸cão de escrita (considerando a escrita de apenas um byte no buffer) uma opera¸cão de leitura ou, cor-respondentemente, uma opera¸cão de escrita (enviando dois bytes) e uma de leitura(lendo um byte). Como já foi especificado anteriormente, é necessário um tempo m´ınimo de 2 ms entre elas, o que de fato representa um delay significante.

Essa opera¸cão é maximizada utilizando o modo de opera¸cão s´ıncrono, que para cada comando de escrita, é realizado a leitura interna do dado anterior disposto nos pinos. Isso significa que ao dispor n bytes no barramento USB para escrita, n bytes serão lidos e dispostos no buffer de leitura, sem a necessidade de executar a instru¸cão Read().

Portanto, a rotina do ADC em questão é maximizada utilizando esse modo. Para rea-lizar uma aquisi¸cão é necessário um comando de escrita com envio de 21 bytes. Podemos então, enviar uma palavra n vezes 21, sendo n o número de aquisi¸cões a efetuar, e em seguida realizar a leitura com o mesmo tamanho, selecionando os bytes de interesse.

(47)

5.2.2.2 Rotinas principais

O software foi desenvolvido em Java utilizando a IDE Netbeans 6.0. De acordo com os requisitos do sistema, dentre as rotinas estabelecidas citamos as seguintes principais:

• (1) Calibra¸c˜ao do espectrˆometro.

• (2) Encontrar a ordem zero

• (3) Tra¸car o espectro da lˆampada.

• (4) Tra¸car o espectro da amostra.

• (5) Gerar gr´aficos com os resultados das espectros adquiridos.

Calibra¸cão do espectrômetro: Normalmente, essa rotina é comum aos espectrômetros. Entretanto, de acordo com o projeto deste espectrômetro a rotina de calibra¸cão do apa-relho, que consiste na determina¸cão da rela¸cão entre número de passos do motor de passo e o comprimento de onda correspondente, não se faz necessário, conforme visto na se¸cão de controle do movimento da rede de difra¸cão, uma vez que esta é estabelecida de acordo a geometria dos componentes envolvidos.

Ordem zero: A rotina de encontrar a ordem zero é primordial as rotinas de tra¸car o espectro da lâmpada e tra¸car o espectro da amostra. Objetiva encontrar o ponto inicial do posicionamento do bra¸co, ou a posi¸cão de maior energia. Consiste nas etapas de acordo com o que se segue:

Na célula fotoacústica é depositado como amostra um corpo negro, pois em teoria absorve todos os comprimentos de onda conforme cita Fonseca (2002). Em qualquer posi¸cão que esteja o bra¸co, este irá se deslocar até alcan¸car o lado onde está localizado o motor (vide figura 16 ). Devido ao circuito de final de curso, quando o bra¸co alcan¸car a posi¸cão limite imediatamente o movimento será interrompido e iniciará a movimenta¸cão para o lado oposto em até 100 passos. Para cada passo concretizado é realizado n leituras do canal do AD (com n estabelecido pelo usuário) e calculado a média das aquisi¸cões para essa posi¸cão. O valor de 100 passos é emp´ırico, uma vez que a posi¸cão da ordem zero é fixa para a configura¸cão do espectrômetro em questão e se encontra dentro desse intervalo. A posi¸cão da ordem zero será dado pela posi¸cão na qual for encontrado o maior valor médio

(48)

Figura 27: Software. Fluxograma da rotina de ordem zero

adquirido em cada passo, resultando por fim, no deslocamento do bra¸co até essa posi¸cão, denominada posi¸cão zero. O fluxograma da figura 27 ilustra esse procedimento.

Tra¸car o espectro da lâmpada: Objetiva medir a intensidade do espectro emitido pela lâmpada conforme varia¸cão do comprimento de onda. O espectro da lâmpada é o padrão, a partir do qual todas as medidas serão baseadas. Essa medida também é realizada tendo um corpo negro como amostra. Consiste basicamente em, a partir da posi¸cão ordem zero, realizar uma serie de aquisi¸cões até encontrar o limite de final de curso, onde um gráfico é plotado explorando a rela¸cão comprimento de onda versus intensidade absorvida. Um arquivo com os dados é salvo e o bra¸co retorna a posi¸cão de ordem zero. Na sessão de resultados, será exibido o gráfico correspondente.

(49)

Tra¸car o espectro da amostra: Objetiva medir a intensidade do espectro ab-sorvido pela amostra conforme varia¸cão do comprimento de onda. Basicamente, consiste no mesmo procedimento anterior, entretanto a análise é feita com a amostra de interesse. Nesta rotina o usuário poderá ter a op¸cão de selecionar o comprimento de onda de inter-esse e escolher o número de pontos a serem analisados, respeitando o limite máximo de pontos entre os comprimentos de onda.

As figuras 28 e 29 ilustram algumas das funcionalidades. A figura 28 ilustra a entrada onde é definido a configura¸cão geométrica do espectrômetro, necessário para o cálculo do comprimento de onda correspondente a posi¸cão do motor de passo. Já a figura 29 exibe os parâmetros de entrada para a rotina de localizar a ordem zero, sendo poss´ıvel ao usuário escolher o canal e determinar o número de aquisi¸cões em cada passo.

(50)

(51)

5.2.3 Resultados

Esta se¸cão apresenta os resultados obtidos a partir das altera¸cões propostas para o aparelho em questão e dos requisitos analisados.

5.2.3.1 Testes de linearidade do sistema de aquisi¸c˜ao

O sinal gerado pela amostra inserida na célula fotoacústica (sinal fotoacústico) foi verificado experimentalmente no osciloscópio. Feito isso, também foram realizados testes para verificar o comportamento da parte eletrônica destinada ao processamento do sinal fotoacústico.

Testes de linearidade no sistema de aquisi¸cão mostraram uma excelente linearidade conforme ilustra a figura 30. Esses testes consistiram da inje¸cão de tensões conhecidas no nó de circuito equivalente a sa´ıda do lock-in e a sua conversão resultante.

Figura 30: Gráfico: verifica¸cão de linearidade do sistema de aquisi¸cão

O passo seguinte consiste na execu¸c˜ao das rotinas principais do programa.

5.2.3.2 Testes de rotinas principais

(52)

Figura 31: Gr´afico: Localiza¸c˜ao de ordem zero

Salientamos que a rotina de ordem zero nesse caso consistia na varredura total entre os finais de curso, ao contrário do exposto no se¸cão 5.2.2 Foi devido a esses testes que se estabeleceu a nova rotina de localiza¸cão da ordem zero conforme explicitado na referida se¸cão.

Esse teste foi realizado com um sensor ótico sem o uso do lock-in, como previsto inicialmente, em razão das aquisi¸cões anteriores com a célula fotoacústisca não mostrar valores em conformidade com o esperado. Com efeito, segundo Denis (2007) autor do projeto do espectrômetro, este modo de funcionamento ainda está em desenvolvimento.

Na análise da figura 31, o sistema localizou a ordem zero como sendo localizada no passo 355, pois esse tem a maior intensidade entre todos os pontos adquiridos. No entanto, o valor correto estaria no outro extremo do gráfico, entre os pontos 448 e 460. A seta no gráfico aponta o local aproximado. Acontece que o ganho no sistema de amplifica¸cão do sensor provocou a sua satura¸cão de modo que foi captado um valor um pouco maior que no local correto. A solu¸cão neste caso é diminuir o ganho do amplificador ou permitir menos passagem de luz através da fenda ótica. Por fim, omitimos propositadamente os valores iniciais no gráfico a fim melhor detalha-lo. No gráfico seguinte (o espectro da lâmpada) esses valores poderão ser visualizados.

(53)

Figura 32: Gr´afico: espectro da lˆampada

ordem zero anteriormente citado. Logo, com as devidas considera¸c˜oes explicitadas, fica constatado o funcionamento adequado do sistema.

Por fim, o ideal seria uma compara¸cão entre os resultados obtidos com o sistema an-terior a fim de verificar a conformidade. Entretanto o escopo desse trabalho, ampliou o esperado de modo que não houve tempo hábil para o mesmo. Ademais, exigiria algu-mas modifica¸cões no programa do (DENIS, 2007), uma vez que, o circuito eletrônico foi modificado.

5.2.3.3 Testes de potˆencia do circuito

Um dos fatores de alta importância na confeçcão do circuito eletrônico era saber se o barramento USB suportaria alimentar todos os CIs envolvidos. Foi realizado um teste com um amper´ımetro para verfica¸cão do consumo total de corrente com o circuito em standby e em funcionamento. O resultado desse teste mostrou que em standby o consumo ficava entre 74 a 75 mA, enquanto que com o sistema em funcionamento esse valor fica entre 84 a 85 mA, demostrando a viabilidade, uma vez que o barramento USB pode fornecer até 100mA.

(54)

53

6 Conclus˜

oes e Perspectivas

O projeto de automatiza¸cão do espectrômetro em questão utilizando a interface USB teve por principio o dimensionamento adequado dos componentes de modo a otimizar a sua utiliza¸cão. Os estudos teóricos e análise dos chips citados propiciaram o alcance deste objetivo. Foi em razão disto que se optou por utilizar o chip FT23R ao invés do micro-crontrolador Pic18F4550, uma vez que cumpria com todos os requisitos da especifica¸cão enquanto que o microcontrolador PIC seria subutilizado. Já o ATtiny foi desconsiderado uma vez que o firmware é implementado em software, de modo que isso poderia aumentar a probabilidade de mal funcionamento.

Enfatizamos a versatilidade da linguagem Java, normalmente utilizada para ambiente web, sendo neste trabalho usada para instrumenta¸cão eletrônica. Como melhoria para o projeto, a freqüência de rota¸cão do chopper poderia ser regulada e estabilizada por um sistema de controle ativo e retroalimentado de modo a se obter a taxa de rota¸cão desejada, ou a possibilidade de permitir que o próprio sistema encontrasse um valor adequado. At-ualmente, essa fun¸cão ainda é deixado a cargo do usuário. Com a eletrônica desenvolvida e a transforma¸cão do código em uma biblioteca, podemos imaginar também a concep¸cão de um kit espec´ıfico para controle de motor de passo e ADC.

O desenvolvimento desse trabalho implicou em leitura, levantamento bibliográfico, experimenta¸cão e análise, tanto no quesito interface hardware-software quanto no aspecto eletrônico. Esses estudos foram essenciais para o desenvolvimento deste projeto cuja importância acadêmica se sobressai considerando que espectrômetros utilizando interface USB ainda são poucos no mercado e de elevado valor final. Além disso, ressalta-se que o dom´ınio e a busca da proficiência sobre a tecnologia USB permitirá sua (re)utiliza¸cão em vários projetos que envolvam sua aplica¸cão, especialmente nos projetos de instrumenta¸cão eletrônica. Espera-se que o uso dessa tecnologia agregado ao espectrômetro possa ser de utilidade especialmente para comunidade acadêmica da UEFS.

(55)

6 Conclus˜oes e Perspectivas 54

(56)

55

Referˆ

encias

AXELSON, J. USB complete. Everything You Need to Develop Custom USB Peripherals. [S.l.]: Madison, 2005.

CESKO, I. AVR309: USB to UART Protocol Converter. [S.l.]: ATMEL, 2006. CESKO, I. AVR309:Software Universal Serial Bus (USB). [S.l.], 2006.

DAWSON, M. et al. Creating predictable-performance Java applications in real time. [S.l.], 2007.

DENIS, D. Projeto e constru¸cão de um espectrômetro de fotoacústica. [S.l.], 2007. ELMER, P. Whats is a lock in Amplifier. [S.l.], 2000.

FEITELSON, J.; MAUZERALL, D. Photoacoustic evaluation of volume and entropy changes in energy and electron transfer. triplet state porphyrin with oxigen and naphthoquinone. [S.l.], 1996.

FONSECA, J. R. L. Projeto e constru¸cão de um espectrômetro de fotoacústica: aplica¸cão para determina¸cão da energia de laser pulsado. Rio Claro – SP: UNESP, 2002.

FTDI. AN232R-01 BitBang modes for the FT232R. www.ftdichip.com, 2006.

FTDI. FT232R USB UART I.C datasheet. 10 2007. Dispon´ıvel em: www.ftdichip.com. IBM. Creating predictable-performance Java applications in real time. IBM, 2007. Dispon´ıvel em: <ibm.com/software/webservers/realtime>.

JAMES, J. F. Spectrograph Design Fundamentals. [S.l.]: Cambridge University Press, 2007.

LIANG, S. Java Native Interface: Programmer’s Guide and Specification. SUN, 2005. [On-line; acessado 15-outubro-2007]. Dispon´ıvel em: <http://java.sun.com/docs/books/jni>. LINDHOLM, T.; YELLIN, F. The JavaTM Virtual Machine

Specifica-tion. SUN, 2005. [Online; acessado 18-Outubro 2007]. Dispon´ıvel em:

<http://java.sun.com/docs/books/jvms/second edition/html/VMSpecTOC.doc.html>. MAGALHãES, E. C. S. Propriedades Ópticas de Filmes Finos de Dióxido de Estanho Puro e Dopados com Flúor. Disserta¸cão (Mestrado) — UFBA, 2006.

MICROCHIP. PIC18F2455/2550/4455/4550 Data Sheet. Microchip Tech-nology Inc., 2008. [Online; acessado 9-agosto-2007]. Dispon´ıvel em: <http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39760c.pdf>.

(57)

Referˆencias 56

NAKAMURA, O. O que ´e fotoac´ustica? 2000. [Online; acessado 5-abril-2007]. Dispon´ıvel em: <http://www.fis.ufba.br/ ossamu/Pesquisa/Fotoacustica/Fotoacustica.html>. SUN. 10 2007. Dispon´ıvel em: www.sun.com.

TATO. Industria de eletrˆonica. 2007. Dispon´ıvel em: <http://www.tato.ind.br>. TEXAS. TLC1542C, TLC1542I, TLC1542M, 10-BIT Analog to digital converters with serial control and 11 analog inputs. Texas Instruments Inc., 2008. [Online; acessado 10-outubro-2007]. Dispon´ıvel em: <http://www.ti.com>.

VINHA, C. A. Aplica¸cões da espectroscopia fotoacústica e ressonância paramagnética eletrônica a materiais biológicos. Tese (Doutorado) — Unicamp, 1998.