Dispositivos de E/S para Sistemas
Embarcados
Remy Eskinazi Sant´Anna
GRECO – Cin - UFPE
Agenda da Apresentação

Introdução aos sistemas analógicos




Sensores
Atuadores
Conversão AD e DA
Dispositivos de entrada e Saída e mecanismos de
tratamento




Leds e Displays
Chaves e teclados
Opto Sensor e Opto isolador
Motor contínuo e de Passo
Introdução aos sistemas analógicos

Sensores: São dispositivos que apresentam
sensibilidade a algum tipo de grandeza física:






Pressão
Temperatura
Proximidade
Umidade
Luminosidade
...
Diagrama básico de operação
Sensores e Atuadores

Exemplos de sensores:







Cilindro Pneumático (Ex.: Indutivo);
Sensores de distancia (Proximidade);
Lineares
Encoders
Fotosensores;
Termopares;
...
Sensores Contínuos
Sensores Discretos
Sensores Lineares
Sensores Lineares Ópticos
Sensores Rotativos Ópticos
(Encoders)
Exemplo: Sensor de Pressão indutivo
Exemplo: Sensor de Pressão
Piezelétrico
Sensores Piezoresistivos (Strain
Gages)
Atuadores

Dentro de uma malha de controle ou sistema
embarcado, o elemento final de controle, que tem
por objetivo reposicionar uma variável, de acordo
com um sinal gerado por um controlador, é
chamado de atuador, pois atua diretamente no
processo, modificando as suas condições
Atuadores

Tipos de Atuadores



Hidraulicos;
Pneumáticos
Elétricos






Relés
Resistores;
Eletroímãs;
Lâmpadas;
Alarmes sonoros
Motores CC e de Passo
Atuadores usados em Robótica
(Garras)
Atuadores Paralelo
Garra articulada
Garra três dedos
Garra por sucção
Conversores A/D e D/A

Porque Converter?



Grandezas físicas (pressão, umidade, temperatura, luz) são
intrinsecamente Analógicas;
Métodos de processamento, transmissão, processamento,
visualização e armazenamento são mais eficientes sob a
forma digital;
Freqüentemente após o processamento ou transmissão, o
sinal é necessário sob a forma analógica.
Teorema da Amostragem
Teorema da Amostragem: Ts  ½ fm
Exemplo de circuito Sample and Hold
-
+
+
+
VS
+
VO
-
-
VC
Multiplexação por divisão de Tempo
Quantização
a)
Sinal M(t)
b)
Característica de E/S do quantizador
c)
A saída do quantizador (Linha cheia)
Quantização
Posicionamento do
quantizador em relação
ao range R
Supondo:
Sinal pico a pico = R
Níveis de quantização = Q
Salto (Step) S = R/Q
Conclusão: Menor erro possível = S/2
Quantização
Notação complemento 2
Conversores A/D e D/A

Técnicas de Conversão

Conversores D/A:



Malha resistiva ponderada
Malha resistiva R-2R (Escada)
Conversores A/D:




Flash
Contador
Aproximação sucessiva
Dupla inclinação
Conversor D/A de Malha Ponderada
R
D0
R/2
D1
Iout
R/4
D2
Entrada Digital
R/8
D3
N
R/2
.
.
.
DN -1
Iout = Vref/R + 2Vref/R + 4Vref/R + 8Vref/R + … + 2nVref/R
Iout = Vref. ( 1/RD0 + 2/RD1 + 4/RD2 +8/RD3 +… + 2n/RDn-1 )
Conversor D/A de Malha R-2R

Conversor Malha R-2R
2R
R
R
R
D0
2R
R
R
D1
2R
R
R
R
D2
Vout
R
D3
Especificações para conversores D/A

Resolução


Linearidade


Incrementos numéricos iguais => Incrementos iguais na saída
Precisão


No de bits de um conversor => No de Tensões (Correntes) de saída
Diferença entre a tensão obtida e aquela que seria ideal
Tempo de acomodação

Intervalo compreendido entre o instante de variação de entrada e o
instante em que a saída se aproxima o suficiente do seu valor final.
Conversores A/D e D/A

Características importantes: linearidade e precisão
111
110
101
100
011
010
001
000
0
1
2
3
4
5
6
7
Conversores A/D



Mais complexos que conversores D/A
Geralmente utilizam um D/A para conversão final
Principais parâmetros: Precisão e velocidade
Conversor A/D Flash
Conversor A/D de Dupla inclinação

Técnica de aproximação sucessiva

Algoritmo:
Conversor de Aproximação sucessiva

Técnica de aproximação sucessiva
•Circuito:
Conversores AD e DA

Características importantes:





Resolução - Relacionada com o numero de bits do
conversor
Precisão - Valor convertido corretamente
Linearidade - relacionada com a precisão
Monotonicidade – Incremento da tensão =>
Incremento na saída digital
Formato – Tipo do código fornecido
Conversor ADC679
Conversor ADC679

Tabelas Funcionais:
Conversor ADC679

Tabelas Funcionais:
Conversor ADC679

Tabelas Funcionais:
Conversor ADC679 - Exemplo de
Interfaceamento
FPGA
8051
D7
ADC 679
‘373
P07
|
P00
P27
|
P20
RD
WR
RST
|
D0
SC
CS
OE
EOCEN
HBE
EOC
SYNC
Leds e Displays

LED – Light Emitter Diode
+
-
Leds e Displays

a
b
Display de 7 segmentos
c
d
e
f
g
pd
a
b
f
g
c
e
d
pd
Displays LCD

São periféricos ativos e independentes
(possuem controlador próprio) que permitem
a interligação com outros sistemas através de
um barramento de dados de modo a receber
caracteres ou gráficos que deverão aparecer
no display.
Displays LCD Gráficos

LCD Gráficos

Resolução por Dot Pixel:





128
128
240
240
x
x
x
x
32;
64;
64;
128;
20 pinos/conexão
Displays LCD Alfanuméricos

Especificados por




Colunas
Linhas
Ajuste de contraste
Iluminação (Backlight opcional)
Displays LCD Alfanuméricos

Pinagem para módulos LCDs disponíveis:
Displays LCD
Controlador
Interface
Data
bus
R/W
C/D
. . .
RAM
Caracteres /
Pontos
.
.
.
LCD
Exemplo de interfaceamento com
microcontrolador 8051
D7
|
D0
8051
‘373
P07
|
P00
A0
A1
A15
|
P27
|
P20
CS
A2
RD
RD
WR
WR
RST
RST
8255
PA7
D7
|
|
PA0
D0
PB0
PB1
PB2
LCD
RS
R/W
E
Instruções utilizadas freqüentemente
Endereços dos caracteres na DDRAM
Chaves Mecânicas
1
0
Circuito Anti bounce 1
Circuito Anti bounce 2
Teclado Mecânico
P1.0
P1.3
P1.4
P1.7
0
4
8 C
1
5
9
D
2
6
A
E
3
7
B
F
Algoritmo: Tecla = Peso + Deslocamento
P1.4
P1.5
P1.6
P1.7
=
=
=
=
0
0
0
0
=>
=>
=>
=>
Peso
Peso
Peso
Peso
0
4
8
12
P1.0
P1.1
P1.2
P1.3
=
=
=
=
0
0
0
0
=>
=>
=>
=>
deslocamento
deslocamento
deslocamento
deslocamento
0
1
2
3
Teclado Mecânico: Algoritmo de
codificação
Subrotina
Tecla
1
INICIO
Subrotina
Tecla
P1.4  0
Tecla = Peso + 0
P1.0 = 0 ?
S
N
Peso = 0
S
Tecla?
(A
Tecla?
 FF?)
P1.1= 0 ?
N
N
Tecla = Peso + 1
S
N
Shift Bit Esq P1
P1.2 = 0 ?
Tecla = Peso + 2
S
S
Peso = Peso+4
1
P1.3 = 0 ?
N
1
N
Peso = 16?
S
RET
N
RET
S
Tecla = Peso + 3
Motor de Passo
Motor de Passo: Acionamento com
passo completo
•Gasta menos energia
•Gira mais rápido
•É mais simples
•Possui menos torque
•Possui menos precisão
Motor de Passo: Acionamento com
passo completo
•Gasta o triplo de energia
•Gira mais devagar
•É mais complexo
•Possui 1.4 vezes mais torque
•Possui o dobro da precisão
Motores CC
Motores CC
Referencias

Sensores:


Atuadores:


Taub & Schling, Eletrônica Digital, McGraw Hill
Motores de Passo



http://www.dee.bauru.unesp.br/~marcelo/robotica/Robot6.htm
Conversores AD e DA:


http://www.senaiformadores.com.br/Cursos/01/unidade/uni3_aut4.htm
http://users.hotlink.com.br/rmenezes/informa/mpasso/mpasso.htm
http://www.mrshp.hpg.ig.com.br/rob/passo_steps.htm
Displays LCD

http://www.hotlink.com.br/users/res