/*#define ppp xp

 * /## define */#define x =
 #define zim void
 /*\**\*\***//*/ #denife $/*/
 #define p ()
 #define iu for(
 /*\**\*\***//*/ #defie $##def x^3printdf/*/
 #define xyz <
 /*/*  8/ *******/ #define o ;}
 #define v "\na l o   m u n d o "
 int s (zim) { char b x 1; iu b x 9;\
 b xyz 21; b++){ printf( v ) o /*}}}*/}
 zim main( zim ) { s p o

void exemplo ( void ) {
    if ( a > 5 ) {
        b += 3;
        for ( i=0; i<5; i++ ) {
          z++;
          x--;
        }
     }
 }

for ( cont = 0, aux = 3;
   cont < 100;
   cont++, aux+=2 ) {

     a = c + b;
     d = e - f;
 }

aux = ( cont < aux ) ? cont : cont * -1;

if ( cont < aux )
     aux = cont;
 else
     aux = cont * -1;

aux = ( cont < aux )
 ? cont
 : cont * -1;

Isto será especialmente útil caso você utilize o operador ternário de forma encadeada. Este código:

a = ( b < z )
 ? x
 : ( i > x )
     ? i
     : ++i;

a = ( b < z ) ? x : ( i > x ) ? i : ++i;

z = a++ + ++b;

a[b] = b++;

while ( tensao_bateria < 30 ) {
    if ( potencia_transmissor > 50 )
        diminua_potencia();
    else {
        desliga_radio();
        while ( tensao_bateria < 30 ) { /* espera bateria carregar */ }
        liga_radio();
    }
 }

while ( tensao_bateria < 30 ) { /* espera bateria carregar */ }

while ( tensao_bateria < 30 );

- Constantes: para as constantes utilize sempre letras maiúsculas. Desta forma será fácil distingui-la entre as variáveis.
 Ex.:
 #define LIMITE_TEMPERATURA 40
 #define BATERIA_BAIXA 30

char*   s, t, u;

char   *s, *t, *u;

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Outros arquivos (GERBER, SCH e BRD) podem ser baixados aqui:

• FT232RL Breakout Básico – Esquema.sch
• FT232RL Breakout Básico – PCI.brd
• FT232RL Breakout Básico – Esquema PDF.pdf
• FT232RL Breakout Básico – GE

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Sistemas robóticos podem ser compreendidos como sistemas concebidos de liberdade de movimentos para realizarem tarefas de forma autônoma, suas aplicações estendem-se por um amplo espectro de áreas, tais como: automação industrial; medicina; exploração espacial e outros. O presente artigo utiliza ferramentas de software livre para simular um sistema de navegação nebuloso para um agente robótico. O software Simbad, em conjunto com a biblioteca jFuzzyLogic, foram aplicados para realizar esta simulação, cujos resultados demonstram que o agente robótico é capaz de percorrer o trajeto proposto, ao mesmo tempo em que desvia dos obstáculos.

Palavras-chave: robótica móvel, lógica nebulosa, software livre

1. Introdução

O emprego de robôs para a realização de diversas tarefas tem sido cada vez mais comum, facilitando, dessa forma, o desempenho de inúmeras atividades, inclusive as mais perigosas, nas quais seria inviável ou impossível a realização delas pelo homem. Algumas vantagens proporcionadas pela utilização de robôs são: aumento de produtividade na indústria; maior precisão e velocidade na fabricação e montagem dos produtos e afastamento da mão de obra humana dos locais inóspitos. Dessa maneira, o incentivo ao desenvolvimento da robótica torna-se cada vez mais crucial para a melhoria da qualidade de vida e desenvolvimento da sociedade.

Sistemas robóticos podem ser compreendidos como sistemas concebidos de liberdade de movimentos para realizarem tarefas com certo nível de autonomia de decisão, suas aplicações estendem-se por um amplo espectro de áreas, como: automação industrial (FILHO et al., 2010); medicina (PREISING et al., 1991); exploração espacial (HIRZING et al., 1994) e outros.

O avanço da robótica também é percebido no ramo educacional, onde diversos robôs têm sido empregados para o ensino, para o provimento da multidisciplinaridade e interdisciplinaridade, fornecimento de conhecimento tecnológico e principalmente para disseminar conceitos da mecânica, eletrônica, engenharia e computação (SOLIS et al., 2009). Dessa forma, a utilização de robôs autônomos proporciona inúmeras vantagens e possui grande empregabilidade em inúmeras áreas de atuação.

A utilização de softwares livres, da mesma maneira, tem se mostrado cada vez mais notória em iniciativas governamentais e privadas. As vantagens oriundas desses softwares vão além do custo econômico, a possibilidade de modificar o código-fonte do software fornece uma grande liberdade e flexibilidade para os sistemas computacionais (STALLMAN, 1999). As características existentes no software livre contribuem para elaboração de ferramentas de simulação de sistemas robóticos, auxiliando na resolução de diversos problemas nessa área.

O objetivo deste artigo é realizar a simulação de um sistema de navegação robótica através da utilização de softwares livres. Para isso, foi utilizado o simulador Simbad (HUGUES e BREDECHE, 2006) escrito em Java, o mesmo fornece um ambiente de simulação contendo um ou mais robôs, que podem ser equipados com câmeras e sensores e um cenário contendo obstáculos e vários outros recursos adicionais. Foi utilizado também um pacote, o jFuzzyLogic (CINGOLANI, 2011), para implementar o paradigma reativo para o desvio de obstáculos através da utilização da lógica fuzzy, proporcionando ao sistema uma metodologia para representar a percepção baseada em ações. Estas duas ferramentas de software livre foram aplicadas para realizar essa simulação, cujos resultados demonstram que o agente robótico é capaz de percorrer a sequência de coordenadas especificadas, ao mesmo tempo em que desvia dos obstáculos do ambiente.

O restante do trabalho está dividido em seis seções. A seção 2 traz conceitos de robótica móvel e as dificuldades existentes na navegação robótica. A seção 3 do artigo discorre sobre a lógica fuzzy. A seção 4 detalha as ferramentas utilizadas na simulação. A seção 5 mostra como foi implementado o sistema robótico. A seção 6 exibe os resultados da simulação. Finalmente, a última seção mostra as considerações finais obtidas com a conclusão desse trabalho.

2. Robótica Móvel

A robótica móvel engloba todos aqueles dispositivos automatizados capazes de se locomoverem em um determinado ambiente. A movimentação pode ser controlada através da intervenção humana, onde temos o uso de controle remoto, por exemplo, ou através de inteligência computacional, onde os robôs podem tomar decisões sobre a rota a ser seguida através da leitura do ambiente. Existe uma grande variedade de ferramentas para a locomoção de robôs, cada uma atendendo a características específicas do ambiente. Por exemplo, robôs podem atuar em solos rochosos ou arenosos, em ambientes aquáticos ou até mesmo em céu aberto. Cada ambiente requer equipamento e controles especiais para atenderem suas especificidades.

Os paradigmas da robótica móvel são mostrados na Figura 1. A escolha de qual paradigma empregado no projeto depende da necessidade e da complexidade da tarefa a ser executada.

Figura 1 – Paradigmas na robótica: (i) hierárquico, (ii) reativo, (iii) híbrido (SIMÕES et al., 2006).

Para projetos mais complexos, nos quais o ambiente apresenta uma grande quantidade de informações, o paradigma hierárquico é mais adequado porque o robô pode tomar decisões baseadas no grau de dificuldade obtida, permitindo um domínio maior da situação. Por sua vez, o paradigma reativo procura diminuir a complexidade gerada pelo paradigma hierárquico, pois com o decorrer dos anos a etapa de planejamento se tornou demasiadamente complexa. Com o intuito de mesclar as vantagens dos dois paradigmas apresentados, surge o paradigma híbrido. Assim, uma tarefa pode ser decomposta em sub-tarefas para que o robô possa escolher qual a ação mais adequada para executá-las (SIMÕES et al., 2006).

A navegação robótica torna-se um obstáculo encontrado no desenvolvimento da robótica móvel. Inúmeros fatores podem torná-la mais complicada uma vez que é necessária a leitura e a interpretação do ambiente para que as decisões sejam tomadas, visando permitir ações rápidas que evitem colisões e garantindo que a trajetória seja percorrida com sucesso (FRACASSO et al., 2005).

A percepção territorial realizada pelo robô pode ser feita através de diversos métodos, dependendo do terreno onde o mesmo se encontra. Pode-se utilizar sonares em ambientes em que a informação é pouca ou nenhuma (OTTONI et al., 2003) ou o rastreamento pode ser feito através da visão (MOTTA et al., 2008). As informações captadas passam por um estágio de processamento, onde muitas vezes são filtradas para que sejam interpretadas com maior precisão. A partir daí, os resultados obtidos pela etapa de processamento são usados para realizar a ação do robô, onde os comandos são enviados para os atuadores.

Estudos têm buscado diminuir várias dificuldades encontradas na navegação de um robô (BATISTA et al., 2010). Nosso trabalho tem como objetivo realizar uma simulação de um sistema robótico móvel e nebuloso, o qual será descrito nas seções seguintes, utilizando ferramentas de software livre.

3. Lógica Fuzzy

A lógica fuzzy ou lógica nebulosa é uma forma de realizar a interface entre processos inerentemente analógicos, que se movem através de uma faixa contínua de valores, para o universo digital, onde os valores são definidos como discretos. Foi inicialmente proposta por Lotfi A. Zadeh (PERRY, 1995) na Universidade da Califórnia em Berkeley em um artigo datado de 1965.

As implementações da lógica nebulosa permitem que estados indeterminados possam ser tratados por dispositivos de controle. Desse modo, é possível avaliar conceitos não quantificáveis. A lógica fuzzy deve ser vista mais como uma área de pesquisa sobre tratamento da incerteza, ou uma família de modelos matemáticos dedicados ao tratamento da incerteza, do que uma lógica propriamente dita. A lógica nebulosa normalmente está associada ao uso da teoria de conjuntos fuzzy.

A lógica fuzzy pode ser empregada no ramo industrial, possibilitando automatizar diversas tarefas. Tal fato pode encorajar a utilização da lógica fuzzy na robótica móvel, possibilitando desta forma a navegação robótica de uma maneira mais simplificada. Alguns trabalhos que seguem tal linha de pesquisa podem ser encontrados em Joshi e Zaveri (2009) e Raguraman et. al (2009), por exemplo. A lógica fuzzy também pode ser aplicada em outras funcionalidades existentes no robô.

Em um sistema de controle fuzzy, possuímos variáveis de entrada que representam os valores que podem ser obtidos através de sensores. Tais valores podem ser categorizados em faixas: muito longe, longe, normal, perto, muito perto. Esses estados são conhecidos como estados fuzzy e não possuem um limiar definido de um para outro. As variáveis de entrada podem pertencer a vários estados com diferentes níveis de pertinência. A Figura 2 apresenta um exemplo de funções de pertinência de uma variável fuzzy.

Figura 2 – Note que a um dado instante, a distância será um grau de pertinência com respeito a dois conjuntos fuzzy: 0.3 Muito Longe e 0.7 Longe, 0.4 Normal e 0.6 Perto, assim por diante.

Os valores de entrada, conhecidos como crisp, são convertidos para valores fuzzy em um processo conhecido como “fuzzificação”, utilizando as funções de pertinência dos termos fuzzy de entrada. O grau de participação de uma grandeza de entrada é dado em função dos termos primários definidos como o “Universo do Discurso” de entrada. Assim, cada valor de entrada tem um grau de pertinência para cada termo primário definido. A arquitetura fuzzy pode ser observada na Figura 3.

Dados “mapeamentos” das variáveis de entrada para as funções de pertinência e valores verdade, um micro-controlador pode então tomar decisões sobre a ação a ser executada baseada em um conjunto de regras, da forma:

“Se a distância frontal é muito perto e a velocidade é muito rápida então gire acentuadamente à esquerda”

É possível perceber que, neste exemplo, a variável de saída é também definida como um conjunto fuzzy que pode assumir os valores como “acentuadamente à esquerda”, “levemente à direita” e assim por diante. Existe uma ampla gama de funções que podem ser utilizadas, como: NÃO-fuzzy, E-fuzzy e OU-fuzzy.

Figura 3 – Arquitetura de um controlador fuzzy.

Os valores obtidos por todas as regras de inferência que foram acionadas são “defuzzificados” para valores exatos por meio de um dentre vários métodos possíveis. Por exemplo, o método do centróide retorna o centro de massa do resultado como valor exato. Por sua vez, o método da altura retorna o maior valor. A Figura 4 apresenta um exemplo de um sistema de inferência nebuloso que utiliza o método do centróide para realizar a defuzzificação.

Figura 4 – Exemplo de ativação das regras em um sistema de inferência nebuloso e o processo de defuzzificação pelo cálculo do centroide.

 4. Ferramentas de software livre

Esta seção apresenta as ferramentas de software livre utilizadas para simular o sistema nebuloso de navegação proposto neste trabalho.

4.1 Simulador Simbad

O Simbad é um simulador de sistemas robóticos utilizado para fins científicos e educacionais. Esta ferramenta é principalmente dedicada a pesquisadores/programadores que querem uma base simples para estudar Inteligência Computacional (IC), aprendizado de máquina e outros algoritmos IC no contexto da robótica autônoma e agentes autônomos. O projeto Simbad está hospedado no SourceForge, este projeto é livre para ser usado e modificado sob as condições da Licença Pública Geral GNU.

O emprego de um simulador de sistemas robóticos traz inúmeras vantagens. Uma destas vantagens é a sua utilização no desenvolvimento da programação offline (programas elaborados em um computador e carregados posteriormente no robô, possibilitando que o mesmo não seja retirado das funções de produção e ocupado com a tarefa de programação), permitindo que sejam feitos testes dos programas antes de executá-los no robô real (REDEL e HOUNSELL, 2004). Outra vantagem é a possibilidade de seu uso para o ensino, pois permite que cada aluno se familiarize com o robô de forma individual, mesmo sem a existência física do mesmo, fazendo com que estes alunos adquiram os conhecimentos básicos necessários antes de utilizarem o robô real.

O simulador Simbad possui sensores de visão, sensores de alcance (com sonares e infravermelho) e sensores de contato. O uso destes sensores permite a interação do robô com o ambiente que o rodeia de uma forma flexível. Existem vários tipos de sensores e cada um se adapta a uma função específica. Estes são adicionados no sentido anti-horário em cada robô e retornam o alcance, o ângulo e informam se houve colisão.

O Simbad possui uma interface que permite a manipulação e a visualização dos eventos da simulação. Durante a execução do programa, aparecerá uma janela dividida em três setores, como mostra a Figura 5. A janela World exibe o mundo da simulação descrito pelo usuário ou algum dos exemplos presentes no Simbad. Na parte lateral situada à esquerda são exibidas as informações do robô e de seus acessórios, como o nome do robô, alcance dos sensores, velocidade translacional e rotacional, visão da câmera, colisão, tempo de vida do robô, entre outras, que podem variar de acordo com o projeto. A terceira janela é a Control, esta é dividida em três abas. As abas View From e a Follow são responsáveis pela visualização da simulação. A aba Simulator permite rodar, pausar, reiniciar ou passar cada etapa da simulação manualmente, além de alterar a velocidade da simulação na opção Time Factor.

Figura 5 – Visão geral do simulador Simbad.

4.2 jFuzzyLogic

O jFuzzyLogic é um pacote de lógica fuzzy escrito em Java, disponível pela licença “LGPLv3”, este pacote implementa uma Linguagem de Controle Fuzzy (FCL). A FCL é um padrão para a programação de Controle Difuso, publicado pela Comissão Electrotécnica Internacional (IEC). As especificações para a sintaxe FCL podem ser encontradas no documento IEC 61131-7. Esta linguagem é uma linguagem de programação de domínio específico, ou seja, possui características diretamente relacionadas com a lógica fuzzy. Dessa forma, o FCL permite ao programador especificar conjuntos fuzzy, que são listas de pontos em um gráfico, bem como o conjunto de regras do sistema de inferência e o método de defuzzificação.

5. Sistema Robótico móvel e nebuloso

O sistema robótico móvel e nebuloso proposto neste trabalho objetiva controlar os movimentos do agente robótico de forma que este seja capaz de alcançar uma sequência especificada de coordenadas no ambiente, ao mesmo tempo em que desvia dos obstáculos. Neste modelo, o agente robótico é ciente de sua localização no ambiente, bem como das coordenadas que devem ser alcançadas para completar sua trajetória.

Figura 6 – Módulo de navegação e diferença de direção, adaptado de Fracasso (2005).

A postura do robô é determinada pela sua orientação no ambiente (x, z, ξ), na qual x e z representam suas coordenadas no plano bi-dimensional e o ângulo ξ representa a direção do seu movimento. Durante a navegação, a postura atual, a próxima postura e o ângulo atual são utilizados para calcular o ângulo de rotação necessário para o robô alcançar o objetivo, como ilustrado na Figura 6. Os sonares frontais indicam a distância dos obstáculos que possam existir no caminho. O controlador nebuloso utiliza as informações sobre a diferença angular das posturas e da distância dos obstáculos para definir o ângulo de rotação. A velocidade de translação do robô é mantida fixa para simplificar a modelagem.

5.1 Variáveis linguísticas

Neste sistema nebuloso, são utilizadas três variáveis linguísticas de entrada. As variáveis esquerda e direita indicam a distância dos obstáculos obtida pela leitura dos pares de sonares existentes. A última variável linguística é o ânguloє1, queé obtida pela diferença dos ângulos de orientação das posturas inicial e final. Além disso, existe apenas uma variável linguística de saída: o ângulo de rotaçãoє2.

As funções de pertinência das variáveis linguísticas são apresentadas na Figura 7. Pode-se observar que o universo do discurso dos sonares varia de 0 à 1.5m, com os valores linguísticos: Perto e Longe, simplificando o projeto para que o robô apenas evite as colisões. Por outro lado, o universo do discurso dos ângulos de entrada є1 e de saída є2 varia de -30º à +30º, ambos possuem doze variáveis linguísticas, Ângulo Muito Pequeno (AMP), Ângulo Pequeno (AP), Ângulo Médio (AM), Ângulo Médio Zero (AMZ), Ângulo Grande (AG), Ângulo Muito Grande (AMG), que podem ser positivos ou negativos.

Figura 7 – Funções de pertinência das variáveis de entrada: direita/esquerda e ângulo. A função de pertinência para o ângulo de saída é a mesma da função que representa o ângulo de entrada.

5.2 Regras, sistema de inferência e defuzzificação

As regras de inferência são colocadas no arquivo navigation.fcl, tendo um objetivo com duas premissas: fazer o robô desviar dos obstáculos, se os mesmos estiverem próximos, ou fazer simplesmente o robô continuar a sua trajetória quando o caminho está livre. A Figura 8 apresenta algumas das regras utilizadas. O sistema utilizado foi o método dos mínimos de Mamdani. No processo de defuzzificação, os valores obtidos pelas regras acionadas foram defuzzificados através do método de máximo mais à esquerda.

Figura 8 – Exemplo de algumas regras utilizadas na simulação.

6. Resultados

Após a implementação dos sistemas de fuzzificação, motor de inferência e defuzzificação, bem como a implantação do conjunto de regras elaboradas, iniciou-se a etapa de simulação. O código-fonte do simulador Simbad foi modificado para que a rota realizada pelo robô seja exibida em tempo de simulação. Possibilitando, dessa forma, a visualização do percurso realizado.

A avaliação do sistema proposto utiliza dois ambientes de simulação. Nos quais foram criados obstáculos no intuito de bloquear a trajetória do robô através das coordenadas inseridas, representadas pelas esferas vermelhas no cenário, testando assim, a lógica nebulosa para desvio de obstáculos. Para o primeiro ambiente, foi modelado um cenário simples, com dois obstáculos do tipo parede, o qual é ilustrado na Figura 9. Através da utilização da lógica fuzzy, a navegação do robô foi realizada com êxito. A Figura 9 demonstra também como o robô consegue seguir as coordenadas estipuladas e, ao mesmo tempo, desviar dos obstáculos dispostos no ambiente.

Figura 9 – Rota realizada pelo robô antes e após a simulação.

Em uma segunda simulação, foi utilizado um ambiente com mais obstáculos. A Figura 10 demonstra o ambiente antes do início da simulação e o percurso realizado pelo robô com tais obstáculos. Durante essa simulação, o robô consegue novamente percorrer com êxito as coordenadas definidas.

Figura 10 – Rota realizada pelo robô em um segundo ambiente de simulação.

Como foi visto, a lógica nebulosa para o desvio de obstáculos funcionou perfeitamente para os dois ambientes de simulação propostos. O robô apresentou como saída os movimentos giratórios para esquerda ou direita, fazendo com que o mesmo consiga evitar as colisões validando, dessa forma, o sistema fuzzy proposto.

7. Considerações finais

Este artigo apresenta o modelo e a simulação de um sistema robótico móvel e nebuloso baseado nas ferramentas de software livre: Simbad e jFuzzyLogic. Os resultados demonstram que o agente robótico consegue não só desviar dos obstáculos, mas percorrer a trajetória designada nos dois ambientes de simulação propostos. Contudo, o modelo apresentado não é capaz de percorrer trajetos em um ambiente mais complexo e com muitos obstáculos, nesse caso é necessário modificar as regras e tornar o sistema mais robusto. Assim, surgem duas motivações principais para um futuro trabalho: adicionar e melhorar as regras existentes, com o objetivo de deixar o sistema mais tolerante a falhas, e realizar a implementação desse projeto em um ambiente com elementos reais.

Referências

BATISTA, I. J. L. et al. Navegação de Robôs Móveis com Ênfase em Planejamento e Supervisão de Trajetórias. In: XVIII Congresso Brasileiro de Automática, 1., 2010, Bonito. Anais… Bonito: UNESP-MS. 1 CD-ROM.
CINGOLANI, P. jFuzzyLogic. Disponível em: <http://jFuzzyLogic.sourceforge.net> Acesso em: 20 jul. 2011.
FILHO, F. A. R. et al. Development of Robots for the Pipeline Industry… 2010.Trabalhoapresentadoao41st International Symposium (ISR) on and 2010 6th German Conference on Robotics (ROBOTIK), Munique, 2010.
FRACASSO, P. T.; REALI COSTA, A. H. Navegação reativa de robôs móveis autônomos utilizando lógica nebulosa com regras ponderadas. In: IEEE LATIN-AMERICAN ROBOTICS SYMPOSIUM. São Luis, MA, 2005. SBAI IEEE LARS. São Luis: IEEE, 2005. pp. 1-7.
FUZZY INFERENCE SYSTEMS. Disponível em: <http://www.mathworks.com/help/toolbox/fuzzy/fp351dup8.html>. Acessado em: 21 jul. 2011.
GOEBEL, G. A Introduction To Fuzzy Control Systems. Disponível em: <http://www.faqs.org/docs/fuzzy/> Acesso em: 19 jul. 2011.
HIRZINGER, G. et al. ROTEX-the first remotely controlled robot in space.In: Proc. IEEE Conf. on Robotics and Automation. Anais Proceedings San Diego: IEEE, 1994. pp. 2604-2611.
HUGUES, L.; BREDECHE, N. Simbad: An Autonomous Robot Simulation Package for Education and Research. In: Proceedings of SAB’2006. pp.831~842
JOSHI, M.M.; ZAVERI, M.A.; Fuzzy Based Autonomous Robot Navigation System. Proceedings of the India Conference (INDICON), 2009 Annual IEEE, ISBN: 978-1-4244-4858-6, DOI: 10.1109/INDCON.2009.5409419, pp. 1-4, Gujarat, India, 18-20 Dec. 2009.
MOTTA, J. M. S. T.; TOURINO, S. R. G. Sistema de Rastreamento por Visão em Robôs Móveis com Otimização por Projeto Fatorial. Revista Iberoamericana de Ingeniería Mecánica. Vol. 12, N° 1, pp. 25-34, jan. 2008.
OTTONI, G. L.; LAGES, W. F. Navegação de robôs móveis em ambientes desconhecidos utilizando sonares de ultra-som. Sba Controle & Automação [online]. 2003, vol.14, n.4, pp. 402-411.
PERRY, T.S. Lotfi A. Zadeh [fuzzy logic inventor biography]. Ieee Spectrum. Disponível em: <http://ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_all.jsp?arnumber=387136> Acesso em: 21 jul. 2011.
PREISING, B.; HSIA, T. C.; MITTELSTADT, B. A literature review: robots in medicine. IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine. Vol. 10, N° 2, pp. 13-22, jun. 1991.
REDEL, R.; HOUNSELL, M.S. Implementação de Simuladores de Robôs com o Uso da Tecnologia de Realidade Virtual. In: IV Congresso Brasileiro de Computação, Itajaí – SC. IVCBCOMP, v. 1, 2004, pp. 398-401.
RAGURAMAN, S.M.; TAMILSELVI, D.; SHIVAKUMAR, N. Mobile robot navigation using Fuzzy logic controller. In: International Conference on Control, Automation, Communication and Energy Conservation, Perundurai – 638052, Erode, Tamilnadu, Índia – INCACEC 2009. pp. 1-5.
SIMBAD PROJECT HOME. Disponível em: <http://simbad.sourceforge.net/> Acesso em: 21 jun. 2011.
SIMÕES, A. S.; MARTINS, A. C. G.; CARRION, R. Robôs móveis autônomos na missão marte: projetando um sistema reativo com transição sequencial de comportamentos. In: Anais do XXVI Congresso da Sociedade Brasileira de Computação (SBC). ENRI’06: Encontro de Robótica Inteligente. Campo Grande, 17-20 de julho de 2006.
SOLIS, J.; TAKANISHI, A. Practical Issues on Robotic Education and Challenges Towards RoboEthics Education. In: 18th IEEE International Symposium on Robot and Human Interactive Communication, 3., 2009, Toyama. IEEE Press, 2009 pp. 561-565.
STALLMAN, R. Open Source: Voices from the Open Source Revolution. 1. ed. Sebastopol: O’Reilly & Associates. 1999.

Autores

Jardel Rodrigues <jardel.ifce@gmail.com> – Aluno de graduação em Ciência da Computação, IFCE Campus Maracanaú.

Leandro Bezerra <leandrobezerramarinho@gmail.com> – Aluno de graduação em Ciência da Computação, IFCE Campus Maracanaú.

MSc. Otávio A. de Lima Jr. <otavio@ifce.edu.br> – Professor, IFCE Campus Maracanaú.

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O  aspecto mais desconsiderado foi a falta de capacitores de bypass. Então, após ler um artigo sobre a Lei de Murphy que referenciava um outro application note da Maxim, eu decidi escrever um pouco sobre capacitores de desacoplamento e bypass.

Como uma pessoa que pode ser considerada velha neste trabalho, eu já experimentei os problemas da ausência de desacoplamento em primera mão. Meu primeiro projeto em alta velocidade foi como aprendiz em meados dos anos oitenta em uma grande empresa de eletrônica. O projeto que eu estava construindo, um medidor de frequência digital, usava portas lógicas 74Fxx a uma velocidade de 11MHz (que era muito rápido para a época). Ele estava feito em “wire-up” em uma placa do tamanho de uma placa euro-card dupla e usava em torno de 40 CIs. Quando chegou a hora de ligar, eu notei que ele não funcionava como o esperado e todo o tipo de coisa apareceu em todos os lugares. Depois de verificar a montagem várias vezes eu conversei com o meu supervisor sobre o problema e ele me disse: “Não existem capacitores de bypass; monte-os em todos os chips, junto à alimentação, e nós conversaremos novamente”. Completamente desorientado eu fiz o que ele disse e, como um milagre, tudo simplesmente funcionou. Porque a aparente inerte capacitância da fonte de alimentação não faz as coisas simplesmente funcionarem?

Meu supervirsor então me falou sobre correntes de chaveamento/surto, indutância dos fios e sobre o conto do desacoplamento. Eu admito que somente alguns anos depois eu realmente entendi o que ele falava, mas a lição estava aprendida: sempre coloque capacitores na alimentação de CIs lógicos.

Os termos “capacitor de bypass” e “desacoplamento” não são simplesmente palavras aleatórias, elas possuem um significado específico neste contexto:
– desacoplamento (decoupling): o ato de separar (parcialmente) a fonte de energia do CI da fonte principal de alimentação.
– capacitor de bypass: o capacitor montado desta forma atua como bypass da fonte principal de alimentação e funciona (temporariamente) como uma fonte de energia local.

Mas porque isso é tão importante? Bom, deixe-me te mostrar uma imagem:

Figura 1: Ausência de capacitor de bypass

Isso parece com algum sinal digital? Isso é o que você tem sem capacitores de bypass.

Por favor atente ao fato que a frequência principal de operação é irrelevante. O problema são as bordas de subida e descida das saídas. Então sistemas com o clock 1Hz, 20kHz ou 50MHz necessitam das mesmas considerações. O uso das frequências nos exemplos abaixo foi escolhida apenas para tornar fácil a visualização no osciloscópio.
Deve-se destacar que projetos com alta frequência irão falhar mais rápido porque o número de transições é significamente maior que em projetos de baixa frequência. No entanto, isto não significa que projetos de baixa frequência são imunes. Longe disso, eles falham tão facilmente quanto Murphy nos ensinou. Há… você imaginou agora aquele seu pequeno microcontrolador rodando a 16Mhz ou talvez aquele controlador de LEDs, usado para o show de luzes?

Medindo correntes de surto

Para ver o que está acontecendo nós precisamos medir a corrente que flui. Um circuito de teste simples foi criado para ilustrar.

Figura 2: Circuito Inversor

Figura 3: Medição de Corrente

Um gerador de pulso é conectado a um inversor 74HC04 e um capacitor de 10pF de capacitância é colocado como carga. A saída, TP1, é mostrada no traço superior do osciloscópio. A fonte de alimentação é conectada nos pinos 14 e 7 com um resistor de 10 ohm para o GND. A corrente de alimentação do 74HC04 é medida em TP2 e visualizada no traço inferior do osciloscópio. O capacitor de bypass é montado e desmontado como indicado no texto.

As pontas do osciloscópio usadas são do tipo 1:10, então todos os valores no eixo Y da imagem do osciloscópio devem ser multiplicados por um fator de 10. Todos os pinos não utilizados do 74HC04 são conectados ao GND. A configuração se parece com isso:

Figura 4: Montagem na breadboard

A Figura 5 ilustra o problema em baixas e altas frequências de entrada. As imagens da esquerda são sem os capacitores e os da direita são com os capacitores montados:

Figura 5: Saída e corrente sem (esquerda) e com (direita) capacitores de bypass

Algumas observações sobre a figura 5:

– A corrente medida é somente a que flui entrando e saindo através do GND da fonte de alimentação e o pino do 74HC04 e pelo capacitor de bypass, quando montado. Isto não representa toda a corrente que entra e sai da saída do inversor. É difícil medir correntes que fluem nos dois sentidos pelo Vcc e GND simultanetamente (com o osciloscópio no modo DC). No entanto, a corrente de GND é suficiente para ilustrar o problema do circuito.

– “Ruído” de alta frequência no nível alto da saída. Esta “oscilação” é de mais de 2V pico-a-pico e supera a fonte de alimentação (5V) significativamente. Adicionando os capacitores de bypass esta “oscilação” é reduzida a um nível virtualmente inexistente. Ainda existe este overshoot, mas ele é suprimido muito mais eficientemente.

– “Spikes” (picos) de corrente nas transições. Adicionar um capacitor de bypass reduz os spikes e torna-os simétricos nas transições de subida e descida. Os picos de corrente vão de -22 a +45mA sem o capacitor de bypass e de -32 a +36mA com o capacitor.

– A simetria da corrente nas imagens com o capacitor de bypass montado mostra que a energia é tando recuperada como armazenada. Isso é um fator muito importante.

– O ruído residual de altíssima frequência depende bastante da posição das ponteiras (não mostradas), o que indica que existem significativas antenas de RF no circuito (circuitos LC indesejados). O layout da breadboard (matriz de contatos) e a posição dos fios de conexão possuem impacto significativo na amplitude e frequência. Isso não pode ser eliminado mas pode ser bastante reduzido em um bom layout de PCI (placa de circuito impresso).

Olhando as transições em mais detalhes:

Figura 6: Detalhes da borda de saída e da corrente sem (esquerda) e com (direita) o capacitor de bypass

As correntes que fluem

O 74HC04 é um projeto de chip totalmente CMOS. Isso significa que a corrente estática drenada é próxima de zero. A corrente é desenhada nas transições de alto para baixo e de baixo para alto. Nas transições é que todas as cargas, parasitas ou não, precisam ser (des)carregadas. O circuito de teste da figura 2 possui um capacitor de 10pF como carga. O pino – e sua capacitância devem ser adicionadas, o que nós dá algo na ordem de 5pF+2pF. A ponteira do osciloscópio também possui sua capacitância, que adiciona outros 10pF. A capacitância total da carga na saída é, então, da ordem de 27pF.
Considerando somente essa capacitância de saída, nós estamos (des)carregando a carga com 5V a cada 4,3ns. Se assumirmos a medida da corrente constante (tornando os cálculos mais fáceis) nós podemos estimar a corrente através dos parâmetros acima, utilizando a equação da carga:

Q = I • t  =  C • U I = 5 • 27 • 10 -12 4.3 • 10 -9 ≅ 31.4mA

Isto significa que uma enorme corrente está fluindo em ambas direções para equilibrar a corrente em todas as direções. De onde vem todo este poder? Bom, da fonte de alimentação. Isso pode ser visto claramente na figura 6, onde temos que a corrente não é instantânea; ela acumula-se a um nível específico e depois cai de novo. Este comportamento indica claramente um elemento indutivo.

Isto pode ser visto melhor nas duas imagens da direita na figura 6 (com o capacitor de bypass), quando a corrente (o traço inferior) dá um pico no momento que a saída (traço superior) vai a zero. A corrente então cai, derrubando a saída com ela.

A corrente calculada comparada com as medições estão bem compatíveis, considerando que o nosso cálculo foi uma simples estimativa.

Então, para que o capacitor de bypass?

Dê outra olhada de perto nas duas imagens inferiores da figura 6. A esquerda não atinge o nível dos 5V na saída por algum tempo, enquanto a da direita não tem nenhum problema neste aspecto. Não há energia suficiente sem o capacitor de bypass para suportar a borda de subida e ela trava em 4V por algum tempo. Adicionar o capacitor de bypass supre o 74HC04 com potência instantânea neste período.

O capacitor de bypass é cerca de 4000 vezes maior que a capacitância da carga, o que significa que a queda de tensão esperada é cerca de 4000 vezes menor (na faixa de 1 a 2mV) para dar suporte à transição.

Quando a transição é no sentido contrário, como na parte superior das duas imagens da figura 6, então o capacitor de bypass funciona como um reservatório para receber a energia liberada. A capacitância da carga precisa ser descarregada e então a corrente quer fluir para o GND. No entanto, a energia não pode se mover facilmente para a fonte de alimentação principal e então o capacitor armazena-a temporariamente.

Fonte de alimentação sem potência

A fonte de alimentação principal não pode prover o chip lógico com toda a energia necessária por causa da indutância. Todo fio possui indutância (parasita) e isso dificulta as variações de corrente. A equação básica na eletrônica para indutância é:

 U = L dI dt ⇒ dI = U • dt L

A partir desta equação pode ser visualizado que a mudança na corrente dI é inversamente proporcional a L (indutância). Em outras palavras, quando a indutância aumenta torna-se mais difícil alterar a corrente em determinado período de tempo, se todos os outros parâmetros permanecerem os mesmos. Além disso, uma mudança na corrente atual significa que há uma queda de tensão sobre a indutância. Um fio longo (ou uma trilha na PCI) tem indutância maior e, portanto, atua contra as mudanças rápidas de corrente provocando uma queda de tensão grande.
O capacitor de bypass é uma fonte local de energia. Ele precisa ser montado bem perto dos pinos de alimentação do CI, reduzindo assim a indutância entre o CI e o capacitor ao mínimo. Esta configuração desacopla a fonte principal do fornecimento de energia do chip.

Stress no inversor

Existem seis inversores no encapsulamento, então o circuito de teste foi modificado para consumir mais corrente:

Figura 7: Circuito de teste com carga adicional

Figura 8: Alta carga na saída e corrente sem (esquerda) e com (direita) o capacitor de bypass; note a mudança na escala da corrente

A corrente no pino de GND agora atinge pico de cerca de 70mA quando o capacitor de bypass não está instalado. Uma imagem simétrica é novamente visualizada com o capacitor de bypass instalado, mostrando +/-50mA, dependendo da borda, se subindo ou descendo.
Note que as transições, como mostrado na imagem inferior esquerda da figura 8, são significativamente mais irregulares. O 74HC04 simplesmente não possui energia para suportar a transição. Adicionando o capacitor de bypass (imagem da direita) a transição volta novamente a um nível aceitável.

Figura 9: Detalhe da borda alta com o capacitor de bypass; note a mudança na escala da corrente

O detalhe da borda revela uma alongado consumo de corrente, que é causado por uma demanda de energia muito mais alta. A carga no chip é seis vezes maior (o primeiro inversor tem uma carga 5 vezes ~5pF da capacitância dos inversores secundários).

Este foi só um exemplo com um CI de portas inversoras. Agora, extrapole a idéia para CIs lógicos complexos, que possuem muitas portas internamente com muitas transições. Existem muitas capacitâncias parasitas nas portas que precisam ser (des)carregados toda vez que uma entrada muda. Ou pense sobre microcontroladores, com milhares de portas lógicas lá dentro.

Aterramento

Apartir dessa explanação e visualização dos dados, deve ficar claro que o capacitor de bypass é um elemento importante com uma função bem definida. Ele armazena energia e libera quando necessário, além de recebê-la quando há excesso.

Esta fonte local está sempre sendo suprida pela fonte de alimentação principal através da conexão de Vcc. No entanto, o excesso de energia precisa ser devolvida para a fonte principal através da conexão de GND. Receber esta energia no capacitor de bypass eleva a tensão e, efetivamente, cria temporariamente uma ilha com um potencial diferente. Remover este desequilíbrio é muito importante e isto é feito através das conexões de GND.

Projeto de PCIs (Placas de Circuito Impresso) oferecem planos de aterramento que fazem conexões muito eficientes com a fonte principal. Um bom projeto de plano de GND é essencial para liberar a energia excessiva. Mas seja cauteloso, pois um simples plano de aterramento também pode induzir correntes parasitas (Foucault) e múltiplas conexões ao GND podem introduzir loops.

Sempre é uma boa idéia conversar com aquele experiente amigo projetista de PCIs. A maioria dos erros já foram cometidos e não há necessidade que sejam repetidos por nós ad infinitum.

Bertho Stultiens

Este artigo foi adaptado para o Eletronica.org a partir do original, em inglês, disponível em http://www.vagrearg.org/?p=decoupling, com autorização do autor.

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O equipamento vem acondicionado em uma embalagem bem desenhada que traz o manual de instruções em várias linguas (mas não o português), a própria estação de solda, seu ferro com ponta destacável (modelo FM-2028) e suporte para o ferro com sensor de posição. Além disso acompanha uma espuma para água (limpeza da ponta), chave para programação e uma placa de material resiste ao calor para a movimentação das pontas à quente.

Duas características deste equipamento se destacam no dia-a-dia: o ferro de solda extremamente leve e a resistência incorporada à ponta. Estes dois fatores, além das 85  pontas disponibilizadas pela Hakko para este modelo, tornam o conjunto imbatível em qualidade e conforto para a soldagem. O ferro, com a minha ponta  preferida (T2L 0,2mm),  pesa não muito mais que uma caneta “gordinha”  (e isso faz toda a diferença).

O suporte para o ferro de solda é conectado através de um jack simples para determinar se o ferro encontra-se em repouso. Nesta condição a temperatura é alterada, de forma a economizar energia e salvar a ponta de desgaste excessivo em altas temperaturas. Ao contrário do que parece a primeira vista,  isto não dificulta em nada a utilização pois a curva de subida da temperatura é extremamente elevada. O simples tempo de retirar o ferro do suporte e dirigir para o local da soldagem é suficiente para recuperar a temperatura setada digitalmente, com precisão de 1ºC, até o limite de 450ºC. Outro detalhe do suporte é o movimento articular que o coloca em uma posição ideal – e diferente – para colocação e remoção do ferro de solda.

A chave para programação é util para evitar mudanças incorretas nas temperaturas e ajustes do ferro. Quanto este chave (plástica, azul) não está inserida no equipamento a mudança de temperatura fica bloqueada.

Importante ressaltar que praticamente todos os itens, ferro, suporte e pontas, possuem algumas outras versões disponíveis para compras adicionais junto à Hakko, permitindo personalizar a estação para cada nicho específico.

Infelizmente, por tratar-se de um produto importado, o custo não é dos mais baixos aqui no Brasil. Comumente encontra-se em alguns distribuidores nacionais com preços variando entre R$1250,00 e R$1500,00. Por possuir um preço alto, esta estação é indicada para quem a utiliza de forma profissional e frequente, com necessidade de reposição de pontas e extrema precisão na soldagem.

Mais informações sobre este produto podem ser encontradas na página do fabricante.

Por Roberto Alcântara (roberto@eletronica.org)

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Antes de tudo eu devo avisar que essa resenha não pertence à série de resenhas que eu vinha fazendo, e que devo continuar em breve, à qual eu dei o nome de “Leitura Obrigatória”.

O livro de hoje é o Programming Embedded Systems, Second Edition. Eu já estou quase terminando a leitura deste livro e já me sinto à vontade para recomendá-lo por aqui porque eu realmente me empolguei com o material.

Como muitos já sabem eu voltei a praticar o antigo hobby de montar dispositivos eletrônicos, e desde que eu havia parado de brincar com essas coisas muita coisa mudou. Hoje em dia é muito comum encontrar microprocessadores e microcontroladores em vários projetos, e trabalhar com esses componentes exige um conhecimento que mora entre a eletrônica “pura” e a informática.

Programming Embedded Systems

Como eu já tenho bons conhecimentos de informática e meus conhecimentos de eletrônica “pura” estavam evoluindo com a prática do meu antigo hobby, estava faltando construir a ponte que iria unir essas duas áreas do conhecimento.

Na mesma época recebi uma proposta da O’Reilly para fazer resenhas dos livros de Python deles e aproveitei para pedir alguns títulos que tratavam de dispositivos embarcados. Recebi este livro juntamente com outros 3 de Python (aguardem resenhas) e comecei a lê-lo.

O livro tem foco prático como em quase todos os títulos da editora O’Reilly. Os autores realmente irão desenvolver o assunto em cima de uma plataforma real de desenvolvimento que usa um processador ARM XScale e irão conduzir o leitor desde o ponto onde a gente faz um LED piscar até o momento onde desenvolvemos aplicações reais com RTOS e Linux.

O livro fala sobre device drivers, interrupções, registradores, memória e sobre como gerenciar e desenvolver software em C (gcc) para usar todas essas funcionalidades.

Vale destacar que esse livro fica exatamente na fronteira entre um livro de nível básico e um livro avançado, ou seja, se você não entende nada de eletrônica e muito pouco de informática esse livro não irá lhe servir. Se você também já é um especialista no assunto pode achar o livro massante demais na primeira parte que trata de assuntos mais básicos.

O próximo passo agora é adquirir um kit de desenvolvimento parecido com esse que foi proposto no livro e começar a brincar. Eu tenho certeza que eu vou me divertir muito com esse tipo de coisa depois de ler este livro.

Para comprar: Programming Embedded Systems, Second Edition

Por Osvaldo Santana
Veja esta resenha também em www.pythonologia.org

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Em seguida o autor dedica capítulos específicos que abordam áreas importantes dos projetos de sistemas embarcados, iniciando com as fontes de alimentação. Baseado na sua própria experiência, algumas dicas básicas sobre redução de ruídos e interferências são mostradas após descrever e exemplificar, através de circuitos, meia dúzia de componentes específicos para a regulação da alimentação, em 5Vcc e em 3.3Vcc.

No sexto capítulo nós temos uma série de dicas sobre ferramentas, soldagem e prototipagem de circuitos impressos para em seguida, no sétimo capítulo, iniciar uma abordagem mais detalhada sobre alguns protocolos de comunicação utilizados como SPI, I2C, portas seriais, IRDA, USB, CAN e Ethernet. Algumas dessas abordagens são mais resumidas que outras, mantendo o foco do autor principalmente nos protocolos que ele posteriormente vem a utilizar quando trata, no capítulo “Analógico”, sobre diversos sensores e circuitos de conversores analógicos digitais. Neste ponto vê-se mais uma vez o uso da experiência do autor ao selecionar sensores que estão presente de forma bastante ativa nos projetos de sistemas embarcados tradicionais.

Os últimos seis capítulos do livro são dedicados aos microcontroladores. Nestas mais de 100 páginas o autor não foca exclusivamente em um fabricante ou arquitetura. Ele prefere abordar  algumas arquiteturas mais utilizadas no mercado para que o estudante possa adquirir uma bagagem de conhecimento que lhe seja útil para escolher o componente que melhor se adequa ao seu projeto. Os microcontroladores citados são os PIC e AVR, contando em seguida com textos sobre o 68HC11, MAXQ, 68k e DSPs. Neste espaço o autor detalha diversos parâmetros envolvidos nos projetos, como temporizações de clock, conexões de barramentos, lógica de decodificação de memórias, entre outros, sempre com a utilização de exemplo de circuitos reais que facilitam a absorção do conteúdo.

Muito dos conceitos descritos no decorrer do livro podem frustrar os mais experientes pela simplicidade, mas a abordagem é ideal para quem está tendo o primeiro contato com este mundo. Vale ressaltar também que, por não ser o foco do livro, muito pouco sobre software é abordado, obrigando os estudantes a procurarem outra referência sobre o tema.  Enfim, Designing Embedded Hardware é um livro ideal para quem está começando no mundo dos projetos de sistemas embarcados, mas não recomendado para usuários que já desenvolveram projetos de médio porte.
Para comprar (30% de desconto para os membros Eletronica.org): Loja Internacional da O’Reilly. Para comprar no Brasil: Livraria Cultura.

Não existe, até o momento, edição em português deste livro.

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Elementos matemáticos fundamentais, como raiz quadrada, exponenciais, logarítmos, seno, cosseno, tangente e suas variantes, e os fundamentos do cálculo numérico são revisados teoricamente e analisados através de uma abordagem prática, com exemplos de algorítmos com diferentes estratégias de cálculos, priorizando precisão e velocidade.

Outros temas, como ponto flutuante, constantes, erros, série de Taylor, transformada Z, são tratados em capítulos dedicados ou como subtema em um capítulo maior.

No final do livro, uma pequena biblioteca em C++ com funções estudadas no livro e um CD-ROM contendo as bibliotecas e todos os exemplos utilizados ajudam ainda mais o desenvolvedor em seus estudos.

Enfim, leitura fortemente recomendada se você se encaixa no perfil descrito no início ou se é um entusiasta da área. Como diz o autor, “Se você está procurando um livro sobre os últimos métodos para escrever Applets Java ou aprender como criar seus próprios controles VBx, devolva o livro e pegue o seu dinheiro de volta”.

Infelismente não existe uma versão em português do livro. Dois locais onde você pode encontrá-lo: Livraria Cultura e Amazon.

Por Roberto Alcântara

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Os capítulos que tratam da preparação do kernel, das bibliotecas, dos utilitários e dos compiladores são bastante práticos, com uma vasta lista de comandos necessários em cada etapa para construir os binários, o que facilita bastante para os desenvolvedores que não estão habituados com estes procedimentos de compilação. São estes tópicos os mais numerosos, mas sempre que algum detalhe da estrutura do kernel é necessária para o entendimento do texto este é devidamente tratado como, por exemplo, o capítulo sobre dispositivos de armazenamento precedendo a configuração e ajuste do sistema de arquivos.

Em suma, este livro é voltado para o desenvolvedor que pretende conhecer como selecionar, configurar e empacotar um sistema Linux para uma plataforma específica, criando um sistema de arquivos completo voltado para as suas necessidades, fazendo-o iniciar corretamente e depurá-lo. Porém, não é intenção do autor abordar detalhes da estrutura do kernel, teóricas ou práticas, que permitam ao desenvolvedor intervir nas estruturas de baixo nível do sistema para, por exemplo, portar o sistema para uma nova arquitetura. Se este é o seu foco, esta não é a literatura correta, mas se o seu objetivo é condizente com o do livro esta é uma obra bastante recomendada pela riqueza de detalhes e qualidade do texto.

Building Embedded Linux SystemsKarim Yaghmour ISBN 0-596-00222-X 416 Páginas – Editora O’Reilly Você pode encontrá-lo na Loja Internacional da O’Reilly (com desconto¹ de 35% para membros do Eletronica.org) e também na Livraria Tempo Real eLivraria Cultura. ¹ Para verificar como proceder clique aqui.

Roberto Alcântara
roberto@eletronica.org

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1. Introdução

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Veja bem: você tem que conectar 6 LEDs mas possui apenas três pinos do microcontrolador disponíveis. Utilizar outro microcontrolador não é sempre uma opção e outros circuitos decodificadores também não.

unsigned char leds;           // Os bits são os estados dos leds
void LEDs_refresh(void)
{
static unsigned char state;   // Taxa de atualização atual
OFF();                      // Coloca todos os pinos em alta impedância (entrada)
switch (state)
{
   default:
      CLR_0();                  // Coloca o pino 0 baixo
        if (leds &  1) {SET_1();} // Coloca o pino 1 alto para o led 1
        if (leds &  2) {SET_2();} // Coloca o pino 2 alto para o led 2
        state=1;                  // próximo estado
       break;
  case 1:
       CLR_1();                  // Coloca o pino 0 baixo
        if (leds &  4) {SET_0();} // Coloca o pino 0 alto para o led 3
        if (leds &  8 ) {SET_2();} // Coloca o pino 2 alto para o led 4
       state=2;                  //próximo estado
       break;
    case 2:
       CLR_2();                  // Coloca o pino 2 em nível baixo
       if (leds & 16) {SET_0();} // Coloca o pino 0 alto para o LED 5
       if (leds & 32) {SET_1();} // Coloca o pino 1 alto para o LED 6
       state=0;                 // Próximo estado
       break;
}//end switch
}
Esta função deve ser chamada com freqüência para evitar deixar visível a piscada dos LEDs. O melhor é utilizar a interrupção do timer.

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double power(double x, int exp)
{
if (exp<=0) return(1);
return(x*power(x, exp-1));
}

double power(double x)
{
if (exp<=0)return(1);
--exp;
return(x*power(x));
}

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OK! Eu acho que posso continuar agora. Este foi um trabalho estudantil de quando eu iniciei no campo da biomedicina. Para fazer o meu CV parecer melhor eu queria contruir alguma coisa nessa área e fiz um ECG. A primeira coisa que eu procurei fazer foi ir até o google.com e pesquisar por projetos similares. Lá eu encontrei um bom número de projetos sobre o assunto. Alguns para logar dados de pacientes com doenças cardíacas, alguns outros sistemas de monitoramento cardíaco futuristas e mais alguns feitos apenas por diversão, como o meu.

Vamos iniciar com a definição do que é um ECG e algumas coisas sobre ele (retirado de “Introduction to Medical Electronics Application”, por D. Jennings, A. Flint, BCH Turton, LDM Nokes):

“O coração humano pode ser considerado um grande músculo que bate apenas por contrações musculares. Conseqüentemente, estas contrações causam uma diferença de potencial. O estudo da medida do potencial produzido pelo músculo cardíaco é chamada de eletrocardiologia.
O campo despolarizante no coração é um vetor que altera a sua direção e magnitude através do ciclo cardíaco. A colocação de eletrodos na superfície do paciente determina a visão que será obtida desse vetor em função do tempo.

O esquema de posicionamento mais utilizada dos eletrodos é mostrada na Figura 1. Aqui, a diferença de potencial é medida entre os braços direito e esquedo, entre o braço direito e a perna esquerda e entre o braço esquerdo e a perna esquerda. Estas três medidas podem ser referenciadas como I, II e III, respectivamente. Este posicionamento foi desenvolvida por Einthiven, que determinou que conhecendo o estado das medidas dos sinais das  ligações I e II, o sinal que ia ser visualizado em III poderia ser calculado. E este é o princípio básico do posicionamento das ligações do ECG: a partir dos vários recursos disponíveis, a despolarização do coração pode ser calculada.

Figura 1

 

Conseqüentemente, o sinal do ECG mostra ao clínico as formas de ondas elétricas associadas com as contrações dos ventrículos e artérias. Apartir de um ECG, o clínico pode determinar o tempo das contrações dos ventrículos e artérias e avaliar a magnitude relativa das polarizações e despolarizações ventriculares e arteriais. Esta informação pode permitir a identificação de pequenos bloqueios do coração. Depois de um ataque cardíaco, o ECG do paciente mostra alterações de sincronismo e forma de ondas, transmitidas através dos tecidos musculares. Estas alterações são associadas com danos cardíacos causados pelo ataques do coração”.

Figura 2., diagrama de conexão

 

Depois desta pequena introdução sobre o ECG, vamos falar da descrição eletrônica. A maneira mais simples de explicar como isso funciona é fazer um diagrama de blocos.
O sinal que vem do corpo inicia sendo amplificado (este sinal é muito pequeno e fraco, variando entre 0,5mV e 5,0mV), filtrado (para remover o ruído), amostrado (para amostrar eu preciso de um conversor Analógico/Digital, conhecido como ADC) e então envio ao computador através de uma interdace RS232 (uma interface sem fio ou qualquer outro tipo poderia ser escolhida, mas a RS232 é simples e rápida para desenvolver).

Os primeiros dois passos são mostrado na Figura 3.

Figura 3., Blocos ECG

Os amplificadores que nós usamos na engenharia de biomedicida, aquisição de dados ou qualquer outro lugar onde é interessante representar uma pequena flutuação de tensão sobreposto em um offset de tensão, são chamados amplificadores de Instrumentação. Estes amplificadores possuem uma grande CMMR (Commom Mode Rejection Ratio), o que significa que eles têm a habilidade de um amplificador diferencial em não passar (rejeitar) a parte do sinal que é comum nas entradas + e -. Os famosos produtores de amplificadores de instrumentação são a Texas Intruments e a Analog Devices. Eu utilizei um amplificador da segunda empresa, Analog Devices. O AD620, amplificador de intrumentação, e o OP97, amplificador operacional de alta precisão. Como eles precisam de uma fonte de tensão negativa, eu a gerei com o LTC1044 da Linear, conversor de tensão com chaveamento de capacitor, Figura 4. A tensão fornecida é 5V. O esquemático é mostrado na Figura 5, e mais detalhes sobre o seu funcionamento pode ser visto em seu datasheet.

Figura 4., LTC1044, gerador de tensão negativa

 

Figure 5., ECG Esquemático do ECG

Os ruídos podem vir das contrações musculares, interferências da rede na faixa de 50-60Hz, ruídos do contato dos eletrodos, ruídos vindo de qualquer outro dispositivo eletrônico, etc. O filtro para a aplicação do ECG deve ser um filtro de corte (passa-alta e passa-baixa). Ele deve filtrar a faixa de 0.5Hz até 50Hz. Eu criei um filtro simples RC passa-alta e passa-baixa, conectados em série (apenas dois capacitores e resistores).

 

Figura 6., Sinal do ECG

O ADC usado foi o interno da CPU Atmel, ATMega8. O código está aqui:

1. .include “m8def.inc”
2. .def temp = r16
3. .equ CLOCK = 4000000    ; define frequency speed
4. .equ BAUD = 9600    ; define baud rate of sending data
5. .equ UBRRVAL = CLOCK/(BAUD*16)-1
6. main:
7. ldi r16, 0b00100000    ; configure the ADC
8. out ADMUX, r16
9. ldi r17, 0b10000111
10. out ADCSRA, r17
11. ; Stackpointer initialisation
12. ldi temp, LOW(RAMEND)
13. out SPL, temp
14. ldi temp, HIGH(RAMEND)
15. out SPH, temp
16. ; Baudrate configuration
17. ldi temp, LOW(UBRRVAL)
18. out UBRRL, temp
19. ldi temp, HIGH(UBRRVAL)
20. out UBRRH, temp
21. ; Frame-Format: 8 Bit
22. ldi temp, (1<<
23. out UCSRC, temp
24. sbi UCSRB,TXEN    ; TX activate
25. ADC:
26. ldi r18, 0b00100000
27. out ADMUX, r18
28. ldi r19, 0b11000111
29. out ADCSRA, r19
30. loop:
31. in r24, ADCSRA    ; check if ADC done
32. sbrc r24, 6
33. rjmp loop
34. in temp, ADCH    ; fill the converted ADC value to temp
35. rcall serout    ; send ADC value to RS232(to computer)
36. rjmp ADC
37. serout:
38. sbis UCSRA,UDRE
39. rjmp serout
40. out UDR, temp
41. ret

Os resultados podem ser vistos nas figuras a seguir. Eu utilizei o LabView para ver o ECG do meu coração.

 

Figura 7. Resultado do ECG no LabView

Figura 8. Resultado do ECG no LabView

Figura 9. Este sou eu com os eletrodos (a imagem na camisa é o logo da Associação de Basquete da Bósnia)

Figura 10. A placa do ECG criada por mim, frente

Figura 11. A placa do ECG criada por mim, lado de baixo

Adaptado, com autorização do autor, por Eletronica.org.

_{Veja o original, em inglês, em http://www.e-dsp.com/how-to-build-your-own-heart-monitoring-device-a-simple-ecg/}

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    3. Temporização

O circuito do temporizador foi montado com um LM 555 configurado como um monoestável, já utilizado em práticas anteriores. Seu funcionamento permite elevar a tensão em sua saída para o valor da alimentação e mantê-la assim por um determinado período sempre que um pulso surgir na sua entrada de disparo (trigger). Nesse caso, a tensão de alimentação será de 5V, já que a alimentação do circuito é de 5V. Na saída do 555 teremos um flip-flop que será responsável por gripar o circuito em níveis lógicos 1 e 0, possibilitando ligar ou desligar o LED.

Na entrada do trigger do 555 foi conectada a saída do amplificador. Dessa forma, sempre que o microfone gerar um sinal elétrico capaz de disparar o 555, a saída permanecera por um período de tempo satisfatório ativada. Para que essa constante de tempo seja alcançada devemos calcular seus parâmetros de acordo com a fórmula apresentada abaixo:

Desejamos um tempo de aproximadamente 8 ms e escolhemos arbitrariamente um capacitor de 680 nF, temos que R deve ser igual a 10,7k ohm. Considerando esse valor, usaremos o valor comercial mais próximo e mais comum, que é 10k ohm.  Logo, o novo valor para o tempo será de 7,48 ms.

_{Figura 04: Circuito temporizador com CI LM555}

4. Acionamento

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Para os meus experimentos estou usando catrões da HID ISProx. Estes cartões são os mais simples de toda a linha de cartões RFID, que somente armazenam um número de série e não usam criptografia. A frequência da portadora é de 125kHz.
O primeiro passo é descobrir como desenvolver um leitor simples. Nós sabemos que o cartões RFID é alimentado pelo campo magnético emitido pelo leitos. As tags¹ RFID transferem informação de volta ao leitor consumindo este campo magnético, que é detectado pelo leitor como uma variação no campo.

¹ São chamados de “tags” RFID todos os elementos que armazenam informações e são móveis, como o cartão, neste caso específico.

 

O projeto mais comum de um leitor RFID faz uso de um circuito ressonante série. Ele consiste de um indutorsimples e um capacitor, excitados por uma fonte de tensão de baixa impedância. Se o Q do circuito for alto o suficiente, a tensão no ponto de amostragem (Vsample) vai exceder a tensão de alimentação. Quando o RFID é alimentado por este campo magnético o Q do circuito cai. O resultado é uma pequena alteração na tensão de amostragem (Vsample no circuito mostrado).

 

 

Eu criei um leitor simples com componentes encontrados em minha sucata. Usando um gerador de função como fonte de sinal e um osciloscópio no ponto de amostragem, eu pude sintonizar a frequência até encontrar o ponto ressonante do circuito. Eu continuei substituindo os capacitores neste circuito até encontrar a frequência que eu estava procurando. O cálculo da frequência é este:

 

Por alguma razão eu me confundi e iniciei o projeto tendo em mente a frequência de 150kHz ao invés de 125kHz. As tags RFID respondem bem a uma frequência mais alta, então eu mantive assim para evitar voltar a trás e redesenhar todo o circuito.

Com um ajuste simples eu verifiquei quais alterações aconteciam quando a tag RFID era submetida a 4 ou 5 ciclos de frequência da portadora. Uma vez que o sinal precisa ser AC e não DC, eu assumi que a frequência de transmissão seria 150kH/8 = 18.75kHz ou 150kHz/10 = 15kHz. Este detalhe eu encontrei em um site que foi realmente útil por conter boas informações sobre RFID:http://instruct1.cit.cornell.edu/courses/ee476/FinalProjects/s2006/cjr37/Website/index.htm.

A tag aparentemente codifica o dado usando FSK. As duas frequências representam o 0 e 1 lógicos.

Com esta informações em mãos, eu avancei e iniciei o projeto do meu próprio indutor-antena. Uma vez que eu mantive a idéia de usar 150kHz como frequência da portadora, eu fiz o cálculo e fiquei com uma indutância de 160uH e um capacitor de 10nF. Eu utilizei a seguinte equação para estimar o número de voltas que precisaria em minha bobina:

 

Onde x, y são o comprimento e a largura da bobina, h é a altura e b é a espessura da parte condutora. Eu utilizer x=y=6cm, h=1cm e b=0.3cm. O número encontrado foi 34. Eu enrolei a bobina em uma caixa de papel que encontrei, de onde eu extrai o x e y. Depois de enrolada, a bobina foi extraída e presa com fita adesiva.

 

 

 

Para um ajuste fino da frequência ressonante do sistema todo eu decidi brincar com o valor da capacitância. Usando o gerador de função para variar a frequência e visualizando o pico da saída com um osciloscópio, eu variei os valores dos capacitores até que o pico da resposta ressonante fosse a 150kHz. O capacitor final foi de 0.056uF. Uma vez que o meu capacitor precisa ser um valor de mercado, a bobina que eu construí precisa ter uma indutância maior que 160uH.

 

O próximo estágio era projetar o circuito analógico. Eu usei o confiável AMPOP TL062 (eu já possuia vários desses em casa). As frequências envolvidas neste circuito são relativamente baixas, então a baixa peformace em frequência deste AMPOP não é problema. Eu havia decidido evitar um circuito complexo, então elegi o circuito mais simples que poderia ser usado.

Então, a idéia é usar um simples diodo detector. Este detector de tensão passar por um primeiro AMPOP configurado como amplificador inversor com uma resposta em frequência passa baixa. Isso removerá uma boa parte do volume da portadora. O próximo estágio do circuito analógico é extrair o sinal FSK. O circuito mais simples que me veio a mente foi um filtro ressonante passa banda com frequência central em torno de 17kHz. Isso só me custaria um AMPOP. Este circuito foi desenhado no SPICE e o gráfico da frequência de resposta é mostrado no final desta página.

A saída do passa banda é um sinal que pode ser diretamente conectado à um microcontrolador PIC. Eu escolhi para este projeto o bom e velho microcontrolador PIC16F628A. Com o comparador interno eu posso receber o sinal diretamente do AMPOP e extrair o sinal digital.

A decodificação do sinal FSK é feita por software, o que realmente é interessante para não aumentar a nossa lista de componentes.
Para decodificar o sinal FSK eu implementei três subrotinas que usam o TMR0 para marcar o tempo passado entre as mudanças detectadas na saída do comparador. Nenhuma interrupção é usada. Ao invés disso, as rotinas foram colocadas em loop até que um estado de mudança é detectado. O loop que faz a detecção leva em torno de três ciclos de CPU para rodar; assim, dependendo de quando a mudança ocorre, o erro máximo é de 3 ciclos.

Alguém que conhece como o hardware do PIC funciona poderia me perguntar porque eu não usei o módulo CCP (Compare and Capture). Infelismente eu utilizei o módulo PWM para gerar a portadora de 150kHz. Como o CCP compartilha recursos com o módulo PWM, apenas um deles pode ser ativado por vez.

Para ter uma idéia geral de como o sinal FSK aparece depois de digitalizado, eu adicionei um modo debug onde ele irá capturar um número de ciclos de CPU ocorridos entre cada mudança no sinal de entrada.

Devido às limitações da memória on-chip, somente 80+64 pontos de dados foram capturados. Isso não é grande o sufuciente para decodificar o dado, mas é suficiente para nós desenharmos uma visão geral de como o sinal se parece.

Saída do modo Debug, logo após o final do contador de ciclos

  

Neste gráfico, os números no eixo Y representam o tempo (em ciclos de CPU) entre cada mudança de estado no sinal de entrada. Eu decidi que 85 era um número bom para saber se o sinal de entrada era zero ou um. No futuro eu acabei decidindo alterar a rotina de decodificação para contar o tempo gasto entre cada borda de subida do sinal (uma vez que o sinal não possui componente DC, isto economizaria memória já que eu só guardaria um bit ao invés de dois). Assim, a constante utilizada no firmware do PIC cresceu e eu estou usando 170 (2x 85).

A sequência decodificada dos dados se parece com:

	0000000000000000000000001111111111111111000001111110000001111100000011111000000111111 ... ...
	111111000001111110000001111100000011111111110000000000001111111111100000011111000000000000 ...
	0000001111110000001111111111000000111111000000000000000000000000111111111111111100000

Você pode ver que o dado inicia com vários zeros, seguidos de alguns números 1 que são o dado atual. A sequência inteira continua a se repetir.
Eu conheço o sinal codificado em Manchester, então, a partir do sinal, eu posso chegar à seguinte conclusão:
1. A sinal inicia com uma sequencia de zeros, superior a vinte zeros.
2. A segunda sequência também é sempre uma sequência de 1 com pelo menos 15 bits.
3. Para cada bit existem entre 10 e 12 números zero ou um.
4. O bit é zero se não existe nenhuma mudança no sinal durante o tempo de um bit.

Um gráfico rápido pode ser desenhado:

	111111000001111110000001111100000011111111110000000000001111111111100000011111000000000000
	-----------|-----------|----------|_________|___________|__________|----------|___________
	     1           1           1         0          0          0           1           0

Com essas regras em mente, eu adicionei a função para decodificar o dado. Como um resumo de todo o sistema eu adicionei os seguintes diagramas:

Diagrama de blocos

Esquemáticos:

Analógico

  Microcontrolador

Simulação Passa-Faixa:

Conclusão

Atualmente eu ajustei o Vcc para 10V. A tensão se +5V é extraída a partir de um regulador de tensão 78L05. O Vref é setado pata a metade da tensão de alimentação, 2,5V. Isso é feito utilizando um simples divisor resistivo de 4,7k ohm.

O código fonte pode ser baixado logo abaixo. Existem duas versões:

Revisão 1: 1º de Maio de 2007 – Lançamento inicial

Revisão 2: 5 de Maio de 2007 – Revisão 2

  Recursos adicionados:
Auto start, iniciado quando o pino PB7 é colocado em nível alto;
Suporte a um buzzer, saída no pino 4
Detecção automática do cartão

_{Desenvolvido por Rick Huang.}

_{Adaptado para o português por Eletronica.org, com autorização do autor.}

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