PTI 2011 - WORKSHOP DE PESQUISA, TECNOLOGIA E INOVAÇÃO
SENAI/DR-BA
Desenvolvimento de uma Prancha Eletrônica Portátil para
Comunicação Alternativa Aumentativa (CAA) para crianças
com deficiência
Gustavo Moura Costa *, Xisto Lucas Travassos Júnior **, Cleber Vinícius Ribeiro De Almeida***
* Bolsista de Iniciação Tecnológica da Faculdade de Tecnologia SENAI CIMATEC, [email protected],
** Engenheiro Eletricista, Doutor em Engenharia Elétrica , Orientador de Iniciação Científica da Faculdade de Tecnologia
SENAI CIMATEC, [email protected]
*** Engenheiro Eletricista, Mestre em Engenharia Elétrica , Orientador de Iniciação Científica da Faculdade de Tecnologia
SENAI CIMATEC. [email protected]
Resumo
O projeto “Sistema Eletrônico Portátil Baseado na Comunicação Alternativa
Aumentativa (CAA) para Portadores de Necessidades Especiais”, viabilizado pelo
Edital 008/2008 – Apoio a Projeto em Temas Estratégicos, da FAPESB, visa o
desenvolvimento de um dispositivo eletrônico que facilite a comunicação e o
aprendizado de portadores de necessidades especiais. Até o momento, têm-se o
software de comunicação testado e validado por pacientes do CEPRED. Na fase
atual, pretende-se desenvolver o hardware da versão final e comercial do dispositivo
supracitado. Este é o objetivo principal das atividades desenvolvidas ao longo deste
trabalho. Serão descritas a seguir as atividades desenvolvidas, bem como os
resultados obtidos. Este artigo está estruturado em três tópicos: uma Introdução,
com uma breve contextualização do problema e do projeto como um todo, a
Metodologia, onde serão descritas as tarefas realizadas e os resultados alcançados,
e, encerrando o documento, uma Conclusão.
Palavras chave: Projeto de Sistemas Embarcados, Tecnologias Assistivas,
Comunicação Alternativa Aumentativa, tablets.
1. Introdução
O projeto consiste no desenvolvimento de um sistema eletrônico, portátil, adaptável,
dinâmico, interativo e acessível de Comunicação Alternativa Aumentativa (CAA),
aplicável em situações de comprometimento da expressão e compreensão
lingüística associado à deficiência intelectual, transtornos específicos da linguagem,
problemas sensoriais e/ou motores. Conta com o apoio da FAPESB (Fundação de
Amparo à Pesquisa do Estado da Bahia) e as parcerias do SENAI CIMATEC, do
CEPRED (Centro Estadual de Prevenção e Reabilitação de Deficiências), da Faculté
Polytechnique de Mons (Bélgica) e da empresa Distak Computadores Ltda. O
sistema facilitará o desenvolvimento lingüístico, emocional, cognitivo e social de
pessoas com transtornos comunicativos e/ou linguagem de natureza congênita,
adquirida, degenerativa ou temporária.essas portadoras de necessidades especiais
normalmente precisam de auxílio para executar tarefas básicas do dia-a-dia.
Visando aumentar a inserção na sociedade destas pessoas o projeto propõe um
equipamento inovador e de baixo custo baseado na comunicação alternativa e
aumentativa para diminuir a dependência e aumentar a auto-estima objetivando uma
maior inclusão na sociedade. A técnica atual baseia-se na confecção de pranchas
de papel com figuras do padrão PCS (Picture Communication Symbols) ilustradas na
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Figura 1. A confecção é feita com xerox das páginas de livros com figuras PCS
ilustradas na Figura 2, que posteriormente são recortadas, montadas e coladas em
uma folha de papel em branco. É um processo trabalhoso, que resulta em um
material facilmente e rapidamente degradável, preto-e-branco e de baixo
acamamento. Diferente do sistema eletrônico proposto, o qual fornece o material
necessário para a comunicação efetiva e possui uma vida útil estendida.
Figura 1 – Figuras PCS adaptada do software “Editor de
Prancha Livre”.
Figura 2 – Livro de figuras PCS.
O objetivo é construir uma prancha eletrônica portátil resistente a manuseio abrupto com
uma tela sensível ao toque (touchscreen) de 15 polegadas e espessura de 20 milímetros
aproximadamente, alimentado por uma bateria de íon de lítio. O dispositivo se assemelha
a um tablet, porém mais enxuto no que concernem os recursos de hardware.
Antecedendo o período de vigência da bolsa, o desenvolvimento do software da Prancha
Eletrônica Portátil de Comunicação (PEPC), proposta neste projeto e que será utilizado
no sistema eletrônico a ser projetado, encontrava-se finalizado. O objetivo desse trabalho
visa o estudo e concepção dos sistemas e circuitos que atendam aos requisitos mínimos
para suprir as necessidades já conhecidas de hardware, de forma a compor as
especificações do dispositivo. Assim, criando um sistema portátil. Viabilizando, dessa
forma, o desenvolvimento da versão final de um produto de baixo custo e competitivo
comercialmente, que possa ser distribuído como mais um dos recursos de Tecnologias
Assistivas na rede pública de saúde em unidades como o CEPRED, parceira deste
projeto.
2. Revisão bibliográfica
Os componentes são organizados na placa de acordo com alguns critérios para evitar
interferência entre sinais (crosstalk), bem como facilitar o roteamento. Os componentes são
agrupados primeiramente pelo grupo funcional, Ethernet, USB, memória, etc. Depois são
posicionados de acordo com o tipo de sinal, digital, analógico, alimentação, e por último são
arrumados de modo a colocar os componentes que possuem o mesmo tipo de
alimentação, próximos um do outro para poder gerar um plano de alimentação
(MONTROSE, 2000).
O roteamento, etapa onde são traçadas as trilhas de cobre por onde passaram os sinais do
circuito eletrônico, ou seja, a definição de “rotas”, é uma etapa trabalhosa devido ao fato da
quantidade significativa de trilhas e do fato de ser realizado, preferencialmente, de forma
manual, aplicando os conhecimentos de compatibilidade eletromagnética (EMC) descritos
em (MONTROSE, 2000). Os algoritmos de roteamento automático mais poderosos
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existentes no mercado ainda não superam o discernimento humano (MONTROSE, 2000).
Para os sinais de alimentação e terra são gerados planos de alimentação e terra que
fornecem um isolamento entre as trilhas evitando a interferência produzida pelo campo
magnético gerado pelo fio condutor além de manter o retorno do sinal mais próximo a ele,
o que é importante. Existe um plano de terra para cada tipo de sinal, planos de terra
analógicos e digitais, e existe um plano de alimentação para cada tipo de alimentação,
3.3V, 5V etc. O layout foi realizado com o auxílio do livro Printed Circuit Board Design
Techniques for EMC Compliace, segunda edição, de Montrose publicado em 2000.
Devido ao fato da tecnologia dos tablets, dispositivo o qual mais se aproxima do
dispositivo proposto, ser recente, há ainda uma escassez de literatura técnica de
desenvolvimento sobre o tema.
3. Metodologia
Seguindo o fluxograma apresentado na Figura 3, as atividades realizadas neste trabalho
estão representadas pelos itens destacados em amarelo, os quais correspondem a
concepção do hardware do produto final. O projeto consiste de duas placas, a placa
principal, onde está posicionado o processador e as memórias, e uma placa secundária,
com processador próprio, responsável de gerenciamento de bateria e da alimentação do
sistema: monitoramento, carga e descarga da bateria, efetuar os processos de turnon
(ligar) e o shutdown (desligamento) do dispositivo. A placa de gerenciamente de baterias
foi desenvolvida de acordo com as referências: (IPENS, 1998), (IEEE, 2008), (Electric
Vehicles, 2005) e (PASSOLD et al., 2006).
Figura 3 – Fluxograma do projeto.
Uma bancada de múltipla exibição, representada pela Figura 4, foi utilizada para a
construção do hardware e criação do layout das PICs (Placas de Circuito Impresso) que
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foram desenvolvidas, além de duasSENAI/DR-BA
estações de montagem de placa onde os protótipos
foram montados sendo uma delas dedicada para componentes BGA (Ball Grid Array),
componentes que possuem os pads, terminais no formato de esferas feitas de solda, na
parte inferior, representados pelas Figuras 5 e 6.
Figura 4 – Estação de múltipla
exibição utilizada no projeto do
hardware e layout da PCI.
Figura 5 – Bancada de
montagem das Placas
eletrônicas do protótipo.
Figura 6 – Estação de
retrabalho para BGA.
Inicialmente foi feito um estudo de sistemas que possuiam ferramentas semalhantes às
que poderiam ser impregadas no projeto com atenção especial a placa dedicadas para
desenvolvimento. Após algum estudo e pesquisas de topologias diferentes de sistemas e
com algumas considerações de requisitos básicos para o projeto, foram definidos quais
serias as especificações necessário para serem implemantados no hardware.
Com as especificações do sistema definidas foram criadas bibliotecas dos componentes
que fariam parte da mecânica da placa. A biblioteca de componente possui duas partes: o
símbolo, representação do componente que o identificará no esquemático do circuito, e o
encapsulamento , representação do componente físico no ambiente de desenvolvimento
digital. Para o projeto da PCI foi utilizado como ferramenta computacional de CAD
(Computer Aided Design) o software EAGLE (Easily Applicable Graphical Layout Editor)
da CadService (SENAI CIMATEC, 2008), um software específico para a elaboração do
layout de placas de circuito impresso que integra as funções do desenho do circuito
elétrico (esquemático) ao projeto da PCI.
Após a criação das bibliotecas iniciou-se o desenvolvimento do esquemático do circuito
do projeto. O esquemático possui circuitos de alimentação, controlador, memória,
configuração de boot e periféricos que incluem uma porta micro usb host e uma USB
devise, uma entrada para SD-Card dedicada para boot do sistema e uma outra para
utilização normal, comunicação ethernete e serial via RS-232 para comunicação com o
módulo GSM e memória RAM de 256Mb. Boa parte do circuito é baseada na placa de
desenvolvimento iMX515-EVK, a qual utiliza o procerssador adotado no projeto (iMX515),
sugerida pela fabricante Freescale, com algumas adaptações específicas para o
atendimento dos requisitos do projeto (Freescale, 2009).
A construção do layout da placa iniciou-se com um estudo da mecânica que envolve a
placa e os outros componentes que integram o sistema. O componente principal a ser
analisado é a tela de LCD (Liquid Crystal Display - Mostrador de Cristal Líquido) que será
utilizada no protótipo, pois será a referência dimensional do produto. Baseado nas
dimensões da tela definiu-se as dimensões da placa do circuito. Assim, as restrições
mecânicas levaram às primeiras considerações para o projeto da placa: quais as áreas
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onde não poderiam haver componentes,
como superfícies de contato e localização de
conectores, as quais podem depender de outro objeto que se juntará a este, e pontos de
fixação. Neste protótipo a placa ficará na extremidade inferior do LCD na parte traseira,
logo, os conectores só poderão ser disponibilizados externamente se estiverem
posicionados na lateral da PCI. As placas eletrônicas foram concebidas utilizando
componentes com encapsulamentos (invólucros) para montagem em superfície (Surface
Mounted Devices ou SMD), pertencentes à tecnologia SMT (Surface Mounted
Technology) em 90% da área, sendo os 10% restantes utilizando a tecnologia
convencional ou PTH (Pin-Thought Hole). Foi adotada a estratégia de multilayer
(multicamada) para a placa do dispositivo, permitindo o aumento de densidade de
componentes e redução das dimensões físicas (MONTROSE, 2000). Os sinais foram
separados por funcionalidade em oito camadas: duas de alimentação, duas de terra e
quatro de sinal de dados e controle, sendo que em alguns momentos quando há um
congestionamento de sinais devido ao número muito grande de trilhas em um mesmo
lugar é preciso passar alguns sinais de dados para uma camada de terra.
4. Resultados e Discussão
O andamento do projeto se encontra avançado. As bibliotecas de componentes e o
esquemático dos circuitos estão prontos, faltando apenas a conclusão do layout da placa.
O estudo da mecânica da placa foi feito com sucesso, os componentes distribuídos e as
trilhas de sinal roteadas faltando apenas a criação dos planos de alimentação e terra e a
revisão geral.
A conclusão do layout da placa finaliza a criação do primeiro protótipo da prancha
eletrônica de comunicação alternativa aumentativa. Após a aprovação do protótipo
algumas alterações já estão previstas para as próximas versões do dispositivo. Será
incluído nas versões futuras conexão wi-fi, aumento da memória para 1Gb, atualização
do processador e ferramenta GSM integrada. O protótipo utilizado nos teste foi
implementado em uma placa de desenvolvimento e apresentava um porte mais robusto
como mostra a Figura 7.
Figura 7 – Protótipo utilizado para testes de software.
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5 Conclusão
Neste texto foram descritas as atividades voltadas as desenvolvimento do hardware do
dispositivo que constituirá o Sistema Eletrônico Portátil Baseado na Comunicação
Alternativa Aumentativa (CAA) para Portadores de Necessidades Especiais. Trata-se de
um desenvolvimento complexo, pois sistemas similares aos tablets apresentam um nível
de integração de componetes eletrônicos, redução de tamanho e peso e recursos de
software elevados.
A complexidade da placa requer um sólido conhecimento em layout de PCI e aplicação
de muito conceitos de compatibilidade eletromagnética (EMC). A participação nesse
projeto agrega experiências relevantes no desenvolvimento de produtos eletrônicos, na
programação estruturada, utilzando principalmente a linguagem C/C++, além de noções
layout de placa com considerações de EMC.
6. Referências
Freescale. i.MX51 Generic Reference Design, 2009, SCH-26203
IPENZ Transactions, Vol. 25, No.1/EMCh, 1998
O
IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 55, n. 6, June 2008
O
Journal of Asian Electric Vehicles, Vol. 3, n. 1, June 2005
ND
MONTROSE, Mark I; Printed Circuit Board Design Techniques For EMC Compliance. 2
7803-5376-5
Ed. 2000. ISBN 0-
PASSOLD, F., POSSA, Paulo Ricardo. Recarregador inteligente de Baterias In: INDUSCON 2006
(Conferência Internacional de Aplicações Industriais), 2006, Recife, PE. Proceedings. Recife: UFPE, 2006.
SENAI CIMATEC. Layout de Placas Eletrônicas no software CAD EAGLE, Salvador, Bahia, Brasil, 2008.
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