Osciloscópio Digital De 4 canais e Analisador Lógico ... - DEE-Logo

Osciloscópio Digital De 4 canais e
Analisador Lógico de até 16 Canais
Renato Batista Pereira
1030375
Departamento de Engenharia Electrotécnica
Instituto Superior de Engenharia do Porto
2009
1

Este relatório satisfaz, parcialmente, os requisitos que constam da Ficha da
Disciplina
Seminário/Estágio, do 3º ano, da Licenciatura em Engenharia Electrotécnica e de
Computadores
Candidato: Renato Batista Pereira, Nº 1030375, 1030375@isep.ipp.pt
Orientação científica: José Miguel Lopes Vieira dos Santos, jvs@isep.ipp.pt
Organização: Instituto Superior de Engenharia do Porto
Supervisão: José Miguel Lopes Vieira dos Santos, jvs@isep.ipp.pt
Departamento de Engenharia Electrotécnica
Instituto Superior de Engenharia do Porto
25 de Março de 2009
2

Agradecimentos
Agradecemos a atenção dada pelo engenheiro José Miguel Lopes Vieira dos Santos,
pela ajuda dada e pela oportunidade de poder realizar este projecto. Agradecemos
também aos elementos do Departamento de Engenharia Electrotécnica e aos da
Direcção do ISEP por nos permitir usar os laboratórios fora do horário de aulas.
Agradecemos a colaboração dos fabricantes que nos forneceram amostras de alguns
componentes utilizados no nosso projecto.
Microchip, Maxim e Cypress Semiconductors.
3

Resumo
Este projecto é baseado no desenvolvimento de um Osciloscópio Digital de 4 canais
e Analisador Lógico de até 16 canais, em PC.
Através da análise prévia dos requisitos, foram determinados quais os métodos a
aplicar, os componentes que poderiam ser mais apropriados e organizado o
desenvolvimento do projecto por várias etapas. Entre vários tipos de interface de
comunicação do sistema com o PC, a escolha recaiu sobre o interface USB, visto este
projecto ter como requisitos principais a elevada rapidez de comunicação com o PC,
com a finalidade da transmissão de dados amostrados por 4 canais analógicos e 16
canais digitais.
O microprocessador utilizado para a realização deste trabalho foi a PIC 18F4550,
pois possui um módulo USB integrado, que atinge velocidade teórica máxima de
12Mbits por segundo.
O condicionamento de sinal analógico foi conseguido através de AD’s de 8bits
paralelos, Multiplexer’s Analógicos e Amplificadores Operacionais. Utilizou-se
também 2 buffer’s digitais de 8 bits cada para isolar e proteger o circuito na obtenção
de sinal digital. Ponderámos o uso de um módulo exterior com Fifo’s, de 18 bits
paralelo e com 32K memória, com o intuito de fazer a amostragem digital,
armazenando-a em tempo real e descarregando os dados para o PC assim que fossem
requisitados.
O software da PIC foi desenvolvido no compilador MPLAB C18 da Microchip, e foi
baseado no exemplo genérico de HID USB MOUSE. O software no PC foi
desenvolvido com recurso ao Visual Basic 6.0. Todos os esquemas e desenho de
placa de circuito impresso foram desenvolvidos no Eagle da Cadsoft.
Palavras-Chave
USB “Universal Serial Bus”, Analisador lógico de 16 canais, Osciloscópio digital.
4

Abstract
This project is based on the development of a 4 channel Digital Oscilloscope and 16
channel Logic Analyser, with PC communication.
By previous analysis of the requirements, it was agreed which methods to apply, the
components to use and the several steps of the project development were organized.
Among many possible interfaces, the USB interface was selected due to its
bandwidth and transmission rate, which comply with the heavy requirements needed
for the transmission of the signal attained through sampling of 4 analog input
channels and 16 digital input channels.
The PIC 18F4550 was selected because it has an integrated USB module, with
12Mbit of maximum theoretical transfer speed.
The analog signal manipulation was made through Analog Multiplexer’s,
Operational Amplifiers and Analog-to-Digital Converters. It was also used Digital 8
bit Buffer’s to isolate and protect the circuit. It was also considered to use a Fifo to
store the digital samples in real time and send them to the PC through the PIC when
they were needed.
The PIC software was developed in Microchip C18 compiler and was based in HID
USB MOUSE generic example. The PC software was developed in Visual Basic 6.0.
All of the schematics were developed in Cadsoft Eagle.
Keywords
USB “Universal Serial Bus”, Logic Analyser of 16 channels, Digital Oscilloscope.
5

Índice
Agradecimentos ........................................................................................................... 3
Resumo ........................................................................................................................ 4
Abstract........................................................................................................................ 5
Índice ........................................................................................................................... 6
Índice de Figuras.......................................................................................................... 9
Índice de Tabelas ....................................................................................................... 11
Acrónimos.................................................................................................................. 12
1 – Introdução ............................................................................................................ 13
1.1 - Contextualização.............................................................................................13
1.2 – Objectivos ......................................................................................................14
1.3 - Calendarização................................................................................................15
1.4- Organização Do Relatório ...............................................................................15
2 - Pesquisa efectuada................................................................................................ 16
2.1 - USB (Universal Serial Bus)............................................................................17
2.1.2 - O que é USB............................................................................................ 17
2.1.3 - Características técnicas ........................................................................... 19
2.1.4 - Estrutura eléctrica e sinais do cabo USB ................................................ 19
2.1.5 - Tipos de interfaces .................................................................................. 20
2.1.6 - Protocolo USB ........................................................................................ 21
2.1.7 – Descritores.............................................................................................. 22
2.1.8 - Processo de enumeração ......................................................................... 22
2.2 – Comunicação RS232......................................................................................22
2.2.1 - Detalhes do padrão.................................................................................. 23
2.2.2 – Configurações......................................................................................... 26
2.3 - Ethernet...........................................................................................................27
2.3.1 – História ................................................................................................... 28
2.3.2 - Descrição geral........................................................................................ 29
2.3.3 - Ethernet com meio compartilhado CSMA/CD ....................................... 29
2.3.4 - Hubs Ethernet.......................................................................................... 31
6

2.3.5 - Ethernet Comutada (Switched Ethernet)................................................. 31
2.3.6 - Tipos de quadro Ethernet e o campo EtherType..................................... 32
2.3.7 - Variedades de Ethernet ........................................................................... 33
2.3.8 - Algumas variedades antigas de Ethernet................................................. 33
2.3.9 - 10 Mbit/s Ethernet................................................................................... 34
2.3.10 - Fast Ethernet.......................................................................................... 35
2.3.11- Gigabit Ethernet ..................................................................................... 36
2.3.12 – “10-Gigabit Ethernet”........................................................................... 36
2.3.13 - Padrões Relacionados............................................................................ 37
2.4 - Microcontrolador PIC .....................................................................................38
2.4.1 - Periféricos internos.................................................................................. 38
2.4.2 - Programação e desenvolvimento............................................................. 39
2.4.3 - Modelos comuns de PICs........................................................................ 39
2.4.4 - Aplicações ............................................................................................... 40
2.4.5 – História ................................................................................................... 40
2.4.6 - Curiosidade Científica............................................................................. 41
2.4.7 - Do controle de portas para controlador RISC......................................... 42
3 - Opções de projecto ............................................................................................... 44
3.1 - Avaliação dos requisitos .................................................................................44
3.2 - USB.................................................................................................................45
3.3 - PIC 18F4550...................................................................................................45
3.4 - Construção do Programador ...........................................................................46
3.5 - Compilador (Assembly ou C).........................................................................46
3.6 - Visual Basic 6 .................................................................................................47
3.7 - Condicionamento sinal [Analógico e Digital] ................................................48
3.8 - FIFO’s.............................................................................................................48
3.9 - Investigação sobre alimentação do circuito. ...................................................49
4 - Descrição do Circuito ........................................................................................... 50
4.1 - Desenvolvimento da placa de comunicação USB: .........................................50
4.2 - Placa programadora ........................................................................................51
4.3 - Condicionamento de sinal...............................................................................52
4.4 - Conversão Analógico para Digital..................................................................55
4.5 - PIC18F4550....................................................................................................55
7

4.6 – Esquema da Placa Global...............................................................................56
4.8 - PCB do esquema Global.................................................................................57
5 - Descrição do Programa/Código............................................................................ 58
5.1 - Software Bootloader .......................................................................................58
5.2 - Software Placa Principal e Periféricos............................................................62
5.3 – Software de Interface Gráfica no PC .............................................................65
6 - Placa Programadora.............................................................................................. 69
6.1 - Programador JDM...........................................................................................69
6.2 - Construção ......................................................................................................70
6.3 – Utilização .......................................................................................................71
6.4 – Software .........................................................................................................72
7 – Construção caseira de PCB.................................................................................. 76
Método com Lâmpadas UV ....................................................................................76
Método com ferro de engomar................................................................................80
8 - Conclusão ............................................................................................................. 84
Referências Documentais .......................................................................................... 86
Anexo A..................................................................................................................... 90
Placa de Aquisição de dados USB ..........................................................................90
Anexo B. .................................................................................................................... 91
Placa de tratamento de dados:.................................................................................91
Anexo C. .................................................................................................................... 92
Placa de aquisição de sinal:.....................................................................................92
Anexo D..................................................................................................................... 93
Fonte de alimentação: .............................................................................................93
Anexo E. .................................................................................................................... 94
Bootloader: (anexo digital) .....................................................................................94
Anexo F...................................................................................................................... 95
Código PIC: (anexo digital) ....................................................................................95
Anexo G..................................................................................................................... 96
Microchip C18 Toolsuite ........................................................................................96
8

Índice de Figuras
Figura 1- Calendarização ........................................................................................... 15
Figura 2 – PCS100A.................................................................................................. 16
Figura 3 – USB Basic Board...................................................................................... 50
Figura 4 – Programador JDM .................................................................................... 51
Figura 5 – Fluxograma Hardware.............................................................................. 52
Figura 6 – Condicionamento de sinal universal......................................................... 53
Figura 7 – Circuito básico para o AD MAX154........................................................ 55
Figura 8 – Circuito global em schematic ................................................................... 56
Figura 9 – Circuito global em PCB ........................................................................... 57
Figura 10 – USB Bootloader Version 1.00................................................................ 59
Figura 11 – Fluxograma Software PIC ...................................................................... 60
Figura 12 – Ilustração USB PICDEM(TM)............................................................... 62
Figura 13 – Firmaware Mouse Demo ........................................................................ 63
Figura 14 – Processo de inicialização........................................................................ 64
Figura 15 – Interface windows .................................................................................. 66
Figura 16 – Interface Windows basica ...................................................................... 66
Figura 17 – Programador JDM em schematic ........................................................... 69
Figura 18 – Programador JDM em PCB.................................................................... 70
Figura 19 – Programador em schematic completo .................................................... 71
Figura 20 – Palabras de configuração........................................................................ 72
Figura 21 – Interface principal WinPic800................................................................ 73
Figura 22 – Detecção de pic no WinPic800 .............................................................. 73
Figura 23 – Processo de escrita WinPic800............................................................... 75
Figura 24 – Placa de cobre......................................................................................... 76
Figura 25 – Cobre polido........................................................................................... 77
Figura 26 – Acetado do layout................................................................................... 77
Figura 27 – Maquina de foto impressão .................................................................... 78
Figura 28 – Corrosão em percloreto de ferro............................................................. 78
Figura 29 – Experiencias especiais............................................................................ 79
9

Figura 30 – PCB estanhado ....................................................................................... 79
Figura 31 – layout em papel fotografico.................................................................... 80
Figura 32 – Foto impressão ....................................................................................... 81
Figura 33 – Aquecimento com ferro de engomar ...................................................... 81
Figura 34 – Mergulho em água.................................................................................. 82
Figura 35 – limpeza do exesso de papel .................................................................... 82
Figura 36 – Placa concluida....................................................................................... 83
Figura 37 – USB PCB board...................................................................................... 90
Figura 38 – USB layout Board .................................................................................. 90
Figura 39 – Placa de tratamento de dados PCB......................................................... 91
Figura 40 Placa de tratamento de dados SCH............................................................ 91
Figura 41 – Condicionamento de Sinal PCB e SCH ................................................. 92
Figura 42 – Fonte de alimentação PCB e SCH.......................................................... 93
Figura 43 – Bootloader code...................................................................................... 94
Figura 44 – PIC code ................................................................................................. 95
Figura 45 – Configuração de palavras no MPLAB ................................................... 98
10

Índice de Tabelas
Tabela 1 – Analisador lógico no mercado ................................................................. 17
Tabela 2 – RS232 pinagem........................................................................................ 25
Tabela 3 – Protocolo TCP/IP..................................................................................... 28
Tabela 4 – Tabela MAX338 ...................................................................................... 53
Tabela 5 – Ganhos de selecção de tensão .................................................................. 54
Tabela 6 – Estado de funcionamento USB ................................................................ 65
11

Acrónimos
API – Application Programming Interface
CSMA/CD – Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection
USB – Universal Serial Bus
FIFO – First In First Out
12

1 – Introdução
Um osciloscópio é uma ferramenta que se pode considerar o braço direito de um
Engenheiro, pois, no que diz respeito ao desenvolvimento de um projecto,
manutenção ou reparação de equipamentos é uma ferramenta de mais-valia. Em
aplicações de electrónica analógica seria muito difícil criar ou reparar um circuito
sem um osciloscópio, pois com ele, podemos observar em tempo real todo o processo
do sinal entre a saída e a entrada do circuito. Deste modo, podemos observar onde
existe o problema e concentrar forças para o resolver enquanto que a utilização de
um multímetro pouca informação nos daria.
Um analisador lógico também é uma ferramenta útil em várias áreas da electrónica.
Com ele podemos analisar um barramento inteiro, bem como sinais de controlo e
dados e verificar se os dados enviados ou recebidos correspondem aos esperados,
comparando com os dados para o qual o circuito foi projectado.
1.1 - Contextualização
Este trabalho está a ser realizado no âmbito da cadeira de Seminário/Estágio do
Instituto Superior de Engenharia do Porto, no qual os alunos envolvidos devem criar
um projecto de elevado grau de dificuldade, para poder testar, aprofundar e
desenvolver os conhecimentos adquiridos ao longo do curso. Este trabalho tenta
ajudar na preparação do aluno de maneira eficaz para o mundo de trabalho, visto que
na realidade, o mundo de trabalho acarreta dificuldades em que o aluno deve estar
preparado.
13

1.2 – Objectivos
O objectivo principal deste projecto é a aquisição de sinais analógicos e digitais,
amostrados a várias frequências e transmitidos para o PC, para posteriormente serem
processados e apresentados. Devido à extensão, ao grau de desenvolvimento e
trabalho de investigação necessário para atingir os objectivos, o projecto foi dividido
em várias etapas, com a finalidade de facilitar o controlo de erros e de simplificar o
planeamento de cada etapa seguinte.
As etapas podem ser consideradas as seguintes:
• Investigação e escolha de equipamentos relevantes ao projecto;
• Aquisição de amostras do equipamento escolhido ou equivalente;
• Construção de um programador para a PIC;
• Estudo de protocolos de comunicação possíveis entre PIC e PC, focando-se o
USB, o seu modo de funcionamento e implementação. Estudo dos exemplos da
Microchip;
• Inserção do Bootloader na PIC e teste ao seu funcionamento correcto em
breadboard;
• Desenvolvimento de um programa na PIC com o básico de comunicação USB e
controlo por aplicação no PC. Desenvolvimento em paralelo de aplicação em
Visual Basic 6.0 para interface com o dispositivo;
• Implementação do AD, multiplexer e aplificador operacional na breadboard, teste
e desenvolvimento do condicionamento de sinal em hardware e software;
• Implementação do Buffer ou FIFO na PIC e desenvolvimento da aquisição de
sinal digital em hardware e software;
• Aperfeiçoamento da interface de utilizador na aplicação de controlo e ligeiras
afinações no software da PIC;
• Construção de placa circuito impresso final com todo os componentes do
projecto;
14

1.3 - Calendarização
Tendo este projecto um grande número de etapas e sendo algumas bastante
complexas, o melhor método para analisar o tempo dispensado em cada parte deste
projecto foi calendarizar o mesmo. A tabela abaixo apresentada, ilustra todas as
etapas pelas quais o processo passou apresentando todas as datas em que cada etapa
se iniciou e terminou.
1.4- Organização Do Relatório
Figura 1- Calendarização
Este relatório está dividido em seis partes.
1 - Introdução
2 - Pesquisa efectuada
3 - Opções de projecto
4 - Descrição do Hardware
5 - Descrição do software
6 - Conclusão
7 – Placa Programadora
8 - Referências Documentais
15

2 - Pesquisa efectuada
Neste capítulo demonstra-se a pesquisa efectuada de produtos semelhantes existentes
no mercado, interfaces e os protocolos de comunicação.
Osciloscópio digital:
Figura 2 – PCS100A
Osciloscópio digital de armazenamento de dados que recorre ao monitor de um
computador para mostrar as formas de onda (comunicação pela porta paralela).
PCS100A - Osciloscópio para computador com 1 canal, com adaptador
Características:
- base de tempo: 0,1 µs
- 100 ms por divisão
- ajuste de trigger
- sensibilidade: 10 mV
- 3 V por divisão
- armazenamento: 4096 amostras
- frequência de amostragem: 800 Hz - 32 MHz
- true RMS
- tempo máx. de gravação: 9,4 h/ecrã
16

Analisador lógico:
Tabela 1 – Analisador lógico no mercado
2.1 - USB (Universal Serial Bus)
USB é a sigla de Universal Serial Bus. Trata-se de uma tecnologia que tornou mais
simples e fácil a conexão de diversos tipos de aparelhos (câmaras digitais, drives
externos, modems, rato, teclado, etc) ao computador, evitando o uso de um tipo
específico de conector para cada dispositivo. Esta introdução visa mostrar a razão do
USB ter essas características e de ser tão essencial aos computadores nos dias de
hoje.
2.1.2 - O que é USB
Algum tempo atrás, instalar um periférico no computador era considerada uma tarefa
digna apenas de técnicos ou de pessoas com mais experiência. Entre a vários tipos de
cabos e conectores, era preciso descobrir, quase que por instinto, em qual porta do
computador deveria ser conectado o periférico em questão. Quando a instalação era
interna, o utilizador precisava de abrir o computador e quase sempre tinha que
configurar jumpers e/ou IRQs, tarefa essa que desencorajava a adição de um novo
17

dispositivo ao PC. Com o padrão PnP (Plug and Play), diminuiu toda a complicação
existente na configuração de dispositivos. O padrão PnP permitiu instalar um novo
periférico e usá-lo imediatamente, sem complicações mas esse padrão ainda era (é)
complicado para alguns, principalmente quando, por alguma razão, falha.
Diante de situações como essa, foi criada em 1995, uma aliança promovida por
várias empresas (como NEC, Intel e Microsoft) com o intuito de desenvolver uma
tecnologia que permitisse o uso de um tipo de conexão comum entre computador e
periféricos: a USB Implementers Forum. Em pouco tempo, surgia o USB, um
barramento que adota um tipo de conector que deve ser comum a todos os aparelhos
que o usarem. Assim, a interface USB tornou-se o meio mais fácil de conectar
periféricos ao computador. Fabricantes passaram a adoptá-la em seus produtos.
Poder conectar num único tipo de entrada diversos tipos de aparelhos ajudou o USB
a popularizar-se. Qualquer utilizador pode instalar dispositivos USB, não precisam
chamar um técnico para instalar um aparelho, já que problemas como conflito de
IRQ’s praticamente já não existem. O USB permite ao sistema operacional
reconhecer e disponibilizar imediatamente o dispositivo instalado desde que o
sistema operativo seja compatível. Além de ser "plug and play", é possível conectar e
desconectar qualquer dispositivo USB com o computador ligado, sem que este sofra
danos e não é necessário reiniciar o computador para que o aparelho instalado possa
ser usado. Basta conectá-lo devidamente e ele estará pronto para o uso. Também é
possível o uso de "hubs USB", aparelhos que usam uma porta USB do computador e
disponibilizam 4 ou 8 outras portas. Teoricamente, pode-se conectar até 127
dispositivos USB numa única porta, mas isso não é viável, visto que a velocidade de
transmissão de dados de todos os equipamentos envolvidos seria comprometida.
A imagem abaixo mostra um "pen drive", um dispositivo móvel que permite
armazenar até milhares de MBs em dados de qualquer tipo. Aparelhos desse tipo
usam quase que exclusivamente a conexão USB do computador.
18

2.1.3 - Características técnicas
Uma característica importante e interessante do USB, é que sua
interface permite que o dispositivo conectado seja alimentado pelo
cabo de dados, desde que sejam equipamentos que consumam
pouca energia. Os restantes necessitam de alimentação externa. É importante frisar
que os cabos USB devem ter até 5 metros de comprimento. Acima disso, o aparelho
pode não funcionar correctamente. Caso seja necessário instalar dispositivos em
distâncias longas, é recomendável o uso de hubs USB a cada cinco metros.
Quanto à velocidade, o barramento USB pode operar de 1,5 Mbps (megabits por
segundo) à 12 Mbps. A velocidade mais baixa geralmente é usada por dispositivos
como rato, teclado e joysticks. Já velocidades mais altas, são utilizadas por
equipamentos como scanners e câmaras digitais, que precisam de alta velocidade na
transmissão de dados.
O USB é tido como um padrão satisfatório quanto ao aspecto desempenho. É bem
mais rápido que as tradicionais portas seriais e paralelas, mas, está abaixo de outros
tipos de barramento, como o SCSI (80 a 160MB por segundo) e o FireWire
(400Mbps). A maioria dos computadores com mais de uma porta USB divide o
barramento entre os diversos dispositivos conectados. O USB com essas
características é conhecido como USB 1.1. Recentemente apareceu a versão USB 2.0
(480 Mbps). Estes acontecimentos tornaram o padrão USB indispensável em
qualquer computador.
2.1.4 - Estrutura eléctrica e sinais do cabo USB
O cabo USB é composto por 4 fios e uma malha para eliminação de ruídos simples.
Desses, 2 são fios que transportam energia para alimentar dispositivos. Essa energia
é fornecida pela controladora e gerida pelo Driver do Controlador Host.
O Cabo USB usa cores padrão para os fios, sendo assim, o fio de cor vermelho é
chamado Vbus (5v), ou seja, é o fio positivo de fornecimento de energia. O fio de cor
19

preto é o GND (0v). Este é o pino negativo de energia do Bus.
O bus USB pode fornecer no máximo 5 Volt de tensão e 500mA de corrente
eléctrica, isso para cada porta do Root Hub do host. A quantidade de corrente que o
dispositivo irá precisar para funcionar pode ser configurada via software. Os outros
dois fios D+ (data+) e D– (data-) são usados pelo sistema USB para transferência de
dados entre o Host, hub e dispositivos. Todos os sinais de dados trafegam apenas por
esses dois fios usando a codificação NRZI (No Return to Zero Inverted). Ou seja, o
bit 1 é codificado através de uma transição ocorrendo da maior voltagem para a
menor, ou também o inverso, da menor para a maior. Já o bit 0 é codificado sem
haver transição. Durante o intervalo de um bit a voltagem é constante.
2.1.5 - Tipos de interfaces
Há dois tipos de interface em que um dispositivo USB pode trabalhar: Bus-powered
e Self-powered. No Bus-powered o dispositivo é alimentado pelo próprio Bus USB
através dos pinos Vbus e Gnd podendo fornecer no máximo 500mA directo de uma
Porta do Root Hub (host) ou de uma Porta de um Hub comum que tenha sua própria
fonte de alimentação. Se o Hub não tiver uma fonte de alimentação, os dispositivos
conectados a ele só poderão consumir cada um, no máximo 100mA do Bus USB. Já
o tipo self-powered não consome energia do Bus USB, mas deve ser alimentado com
uma fonte externa para que o circuito possa funcionar.
Para que um dispositivo USB trabalhe no modo Bus-powered ou Self-powered, é
necessário que o fabricante configure o circuito electricamente para que possa
trabalhar da maneira desejada.
20

Dispositivos configurados para trabalhar no modo Bus-powered devem consumir no
máximo 100mA, podendo retirar essa corrente directamente da porta do Root hub, ou
de qualquer tipo de Hub. Dispositivos Bus-powered que consomem 500mA devem
ser conectados somente no Root Hub ou na porta de um Hub que disponha de sua
própria fonte de alimentação.
Dispositivos Bus-powered são desligados involuntariamente quando o computador é
ligado ou desligado. Já dispositivos electricamente configurados como Self-powered
mantêm o circuito ligado mesmo que o computador seja desligado, isso porque são
alimentados através de uma fonte externa. Esses tipos de interface deve ser levados
em consideração quando criarem circuitos críticos, como alarmes, controles de abrir
e fechar portas, portões e quaisquer outros dispositivos que, em hipóteses nenhuma,
devam ser accionados involuntariamente. Nesse caso Self-powered é a ideal.
2.1.6 - Protocolo USB
O protocolo é uma das partes mais importantes do funcionamento do sistema USB, é
através dele que um ou mais dispositivos trocam informações com o Host. No Host a
pilha do protocolo está disponível em forma de drivers de arquivos. sys, dll, drv, exe,
etc. Já no dispositivo o protocolo pode ser encontrado dentro de um
microprocessador específico, como por exemplo um PIC que disponha de uma certa
quantidade de memória. Nesse caso, o protocolo é escrito com base na norma USB,
numa linguagem específica (C ou Assembler), depois é compilado e gravado na
memória do microprocessador através de um programador de PIC. Há
microprocessadores PIC como o 18F2550 e 18F4550 que internamente já dispõe do
protocolo, tornando assim mais fácil o desenvolvimento de aplicações. Uma outra
maneira é através de um chipset que carrega dentro de si toda a funcionalidade do
protocolo USB, livrando o microprocessador de todo o trabalho pesado. É diferente
da Porta Série ou Paralela onde simplesmente através dos sinais eléctricos dos pinos
e um programa básico se pode comunicar com um dispositivo. O protocolo USB tem
vários recursos como: CRC (Cyclic Redundancy Check), detecção e correcção de
erros, detecção de conexão e remoção de dispositivos, controle de fluxo de dados
21

assegurando transmissões síncronas (tráfego contínuo de dados), disponibilidade
assegurada de largura de banda, entre outros.
2.1.7 – Descritores
Todos os dispositivos USB têm uma hierarquia de descritores que informam ao Host
o que o dispositivo é, ou seja, sua "personalidade", suas características de
funcionamento, como; número de série do produto, identificação do fabricante, tipo
do dispositivo (impressora, scanner, modem, rato, etc.), número de configurações,
número de canais (endpoints), tipo de transferência, tipo de interface, etc.
2.1.8 - Processo de enumeração
No sistema USB o processo de enumeração refere-se à conexão, detecção, leitura dos
descritivos dos dispositivos e desconexão. É uma actividade ininterrupta. É tudo
gerido em tempo real pelo controlador Host e o software do sistema. Do ponto de
vista do usuário do computador, o processo de enumeração é transparente, desde que
se tenha antes instalado no sistema operacional, os drivers do fabricante do
dispositivo. Após isso, o carregamento dos drivers é automático quando um
dispositivo é conectado.
2.2 – Comunicação RS232
O protocolo de comunicação RS-232 tem sido progressivamente substituído pelo
USB para comunicação local. O protocolo USB é mais rápido, possui conectores
mais simples de usar e tem um melhor suporte por software. Mesmo assim, este
22

protocolo continua a ser utilizado em periféricos para pontos de venda (caixas
registadoras, leitores de códigos de barra ou fita magnética) e para a área industrial
(dispositivos de controle remoto). Por essas razões, computadores para estes fins
continuam sendo produzidos com portas RS-232, tanto on-board ou em placas para
barramentos PCI ou barramento ISA. Como alternativa, existem adaptadores para
portas USB, que podem ser utilizados para conectar teclados ou ratos PS/2, uma ou
mais portas séries e uma ou mais portas paralelas.
2.2.1 - Detalhes do padrão
No protocolo de comunicação RS-232, caracteres são enviados um a um como um
conjunto de bits. A codificação mais comum é o "start-stop assíncrono" que usa um
“start bit”, seguido por sete ou oito bits de dados, possivelmente um bit de paridade,
e um ou dois “stop bits” sendo, então, necessários 10 bits para enviar um único
crater. A alternativa mais comum ao "start-stop assíncrono" é o HDLC. O padrão
define os níveis eléctricos correspondentes aos níveis lógicos um e zero, a velocidade
de transmissão padrão e os tipos de conectores.
Conector fêmea RS-232 de nove pinos
O padrão especifica 20 diferentes sinais de conexão, e um conector em forma de D é
comummente usado. São utilizados conectores machos e fêmeas - geralmente os
conectores dos cabos são machos e os conectores de dispositivos são fêmeas - e estão
disponíveis adaptadores m-m e f-f. Há também os chamados "null modems" para
conectar unidades utilizando-se ambas como terminais de dados (ou modems). Para
23

configuração e diagnóstico de problemas com cabos RS-232 pode-se utilizar uma
"breakout box". Este dispositivo possui um conector macho e um conector fêmea, e
deve ser anexado em linha. Além disso, possui luzes para cada pino e meios de
interligar os pinos com diferentes configurações.
A maioria dos pinos é inutilizada pela maioria dos dispositivos sendo, então, comum
que máquinas economizem espaço e dinheiro, utilizando conexões menores. A
segunda geração dos IBM PC AT foi disponibilizada com um conector em forma de
D com apenas 9 pinos, tornando-se o padrão. Grande parte dos dispositivos utiliza
conectores de 25 pinos. Consequentemente, cabos com 9 pinos numa extremidade e
25 em outra são comuns.
Os cabos para RS-232 podem ser construídos com conectores disponíveis em
qualquer loja de electrónica. Os cabos podem ter de 3 a 25 pinos. Cabos "Flat RJ"
(cabos de telefone) podem ser usados com conectores RJ-RS232 e são os de mais
fácil configuração. A razão pela qual é possível criar uma interface mínima com
apenas três fios é que todo sinal RS-232 utiliza o mesmo fio terra para referência. O
uso de circuitos desequilibrados deixa o RS-232 altamente susceptível a problemas
devido a diferenças de potencial entre os sinais de terra dos dois circuitos. Este
padrão também tem um pobre controlo dos tempos de picos e descidas do sinal,
levando a potenciais problemas de comunicação.
O RS-232 é recomendado para conexões curtas (quinze metros ou menos). Os sinais
variam de 3 a 15 volts positivos ou negativos, valores próximos de zero não são
sinais válidos. O nível lógico um é definido por ser voltagem negativa, a condição de
sinal é chamada marca e tem significado funcional de OFF (desligado). O nível
lógico zero é positivo, a condição de sinal é espaço, e a função é ON (ligado). Níveis
de sinal +-5, +-10, +/- 12 e +/-15 são vistos normalmente, dependendo da fonte
eléctrica disponível.
Três são os sinais carregados por esses fios: terra, transmissão/recepção e
"handshake". Existem códigos para estes sinais, por exemplo:
24

Sinal Significado
SG ou GND Terra
TD ou TX Transmissão de dados
RD ou RX Recepção de dados
DTR Terminal de dados pronto
DSR Conjunto de dados pronto
RTS Pronto para enviar(computador)
CTS Envie os dados (modem)
DCD Portadora detectada
RI Indicador de telefone tocando
FG (Frame Ground)
Tabela 2 – RS232 pinagem
Os dispositivos RS-232 podem ser classificados em DTE e DCE. Essa classificação
permite definir quais fios irão mandar e/ou enviar sinais de dados. De qualquer
modo, estas definições nem sempre são seguidas. Normalmente é necessário
consultar a documentação ou testar as conexões com uma "breakout box" para
determinar os sinais necessários.
Se os equipamentos estiverem muito longe, com diferentes fontes eléctricas, a
diferença entre terras dos dois dispositivos será muito grande e a comunicação irá
falhar, sendo esta uma condição difícil de detectar. Em conectores de 25 pinos, o
pino 7 geralmente é a terra (pino 1 e terra do chassis são raramente usados). Neste
mesmo conector, os pinos 2 e 3 são os pinos de transmissão e recepção, um
dispositivo deve enviar no 2 e receber no 3; o outro deve ser o contrário (se não, essa
inversão deve ser feita no fim do cabo, como num cabo para null modem, também
chamado “crossover”). No caso de desenvolver cabos para uma conexão, pode-se
testá-lo com uma “breakout box” qual pino está transmitindo. Os “handshakes”
podem ser necessários por um ou por outro dispositivo. Por exemplo, o pino 20 é
frequente ser usado para indicar "dispositivo pronto". Os pinos também podem ser
curto-circuitados. Por exemplo, um pino que pergunte "você está pronto?" que parte
do dispositivo A pode ser ligado directamente no pino referente a resposta "estou
25

pronto" no dispositivo A se o dispositivo A não transmitir tal sinal. Os pinos
normalmente utilizados para “handshake” são os pinos 20, 8, 4 e 6.
2.2.2 – Configurações
Há várias configurações de software para conexões serie. As mais comuns são
velocidade e bits de paridade e “stop bits”. A velocidade é a quantidade de bits por
segundo transmitida de um dispositivo para outro. Taxas comuns de transmissão são
300, 1200, 2400, 9600, 19200, etc. Tipicamente ambos os dispositivos devem estar
configurados com a mesma velocidade. Alguns dispositivos, porém, podem ser
configurados para auto-detectar a velocidade. Paridade é um método de verificar a
precisão dos dados. Paridade é normalmente nula (não usada), mas pode ser par ou
ímpar. Paridade funciona modificando os dados, em cada byte enviado. Paridade
nula é simples, os dados não são modificados. Na paridade par, os dados são
acomodados de modo que o número de bits 1 (isto é, sua contagem em um byte) seja
um número par; isto é feito definindo o bit de paridade (geralmente os bits mais ou
menos significativo) como 0 ou 1. Na paridade impar, o número de bits 1 é um
número impar. A paridade pode ser usada pelo receptor para detectar a transmissão
de erros - se um byte foi recebido com o número errado de bits 1, então ele deve estar
corrompido. Se a paridade estiver correcta então não deve haver erros, ou então há
um número par de erros. “Stop bits” são enviados no fim de cada byte transmitido
com o intuito de permitir que o receptor do sinal se sincronize. Existe uma
convenção para a notação de uma configuração de software de uma conexão serie,
sendo essa notação da forma D/P/S. Sendo que a configuração mais comum é a 8/N/1
que especifica que são transmitidos 8 bits de dados, paridade nula e um “Stop bit”.
O número de bits de dados pode ser 7, 8 ou (às vezes) 9. Paridade pode ser nula (N),
impar (O) ou par (E); o bit de paridade é emprestado dos bits de dados, então 8/E/1
significa que um dos oito bits de dados é utilizado como bit de paridade. Pode haver
1, 1,5 ou 2 “stop bits”. Outras configurações definem quando pinos enviam sinais de
"handshake", ou outras verificações de integridade dos dados. Combinações comuns
são RTS/CTS, DTR/DSR, ou XON/XOFF (que não usam pinos no conector, mas
26

caracteres especiais no fluxo dos dados). O caracter XON diz ao receptor que o
remetente do caracter está pronto para receber mais dados. O caracter XOFF diz ao
receptor para parar de enviar caracteres. O XON/XOFF está em desuso, e é preferível
que se utilize o controlo de fluxo RTS/CTS. XON/XOFF é um método "em banda"
que funciona entre dois pontos, mas ambos devem suportar o protocolo, e há uma
confusão em potencial no início. Pode ser feito numa interface com três fios.
RTS/CTS foi desenvolvido com o intuito de permitir que a teletypewriter e o modem
coordenassem ligações half-duplex onde apenas um modem pode transmitir por vez.
O terminal deve "levantar" o sinal Pronto Para Enviar e esperar que o modem
responda com Envie os Dados. RTS/CTS é um "handshake" no nível do hardware,
mas tem suas vantagens.
2.3 - Ethernet
Ethernet é uma tecnologia de interconexão para redes locais - Local Area Networks
(LAN) - baseada no envio de pacotes. Ela define cabeamento e sinais eléctricos para
a camada física, e formato de pacotes e protocolos para a camada de control0 de
acesso ao meio (Media Access Control - MAC) do modelo OSI. A Ethernet foi
padronizada pelo IEEE como 802.3. Desde os anos 90, ela tem sido a tecnologia de
LAN mais amplamente utilizada e tem tomado grande parte do espaço de outros
padrões de rede como Token Ring, FDDI e ARCNET.
27

2.3.1 – História
Camada Protocolo
Protocolos Internet (TCP/IP)
5.Aplicação HTTP, SMTP, FTP, SSH, RTP, Telnet, SIP, RDP,
IRC, SNMP, NNTP, POP3, IMAP, BitTorrent, DNS,
Ping, IPSec ...
4.Transporte TCP, UDP, SCTP, DCCP ...
3.Rede IP (IPv4, IPv6) , ARP, RARP, ICMP ...
2.Enlace Ethernet, 802.11 WiFi, IEEE 802.1Q, 802.11g,
HDLC, Token ring, FDDI, PPP, Frame Relay,
1.Física Modem, RDIS, RS-232, EIA-422, RS-449, Bluetooth,
USB, ...
Tabela 3 – Protocolo TCP/IP
A Ethernet foi originalmente desenvolvida como um projecto pioneiro da Xerox
PARC. Por conhecimento geral, a Ethernet foi inventada em 1973, e concebida
durante um período de vários anos. Em 1976, Metcalfe e David Boggs (seu
assistente) publicaram um artigo, Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local
Computer Networks.
Metcalfe deixou a Xerox em 1979 para promover o uso de computadores pessoais e
redes locais (LANs), e para isso criou a 3Com. Ele conseguiu convencer DEC, Intel,
e Xerox a trabalhar juntas para promover a Ethernet como um padrão, que foi
publicado em 30 de setembro de 1980. Competindo com elas na época estavam dois
sistemas grandemente proprietários, token ring e ARCNET. Em pouco tempo ambos
foram afogados por uma onda de produtos Ethernet. No processo a 3Com se tornou
uma grande companhia.
28

2.3.2 - Descrição geral
Uma placa de rede Ethernet típica com conectores BNC e par trançado.
Ethernet é baseada na ideia de pontos da rede enviando mensagens, no que é
essencialmente semelhante a um sistema de rádio, cativo entre um cabo comum ou
canal. Cada ponto tem uma chave de 48 bits globalmente única, conhecida como
endereço MAC, para assegurar que todos os sistemas em uma Ethernet tenham
endereços distintos.
2.3.3 - Ethernet com meio compartilhado CSMA/CD
Um esquema conhecido como Carrier Sense Multiple Access with Collision
Detection (CSMA/CD) organizava a forma como os computadores compartilhavam o
canal. Originalmente desenvolvido nos anos 60 para ALOHAnet - Hawaii usando
Rádio, o esquema é relativamente simples se comparado ao token ring ou rede de
controlo central (master controlled networks). Quando um computador deseja enviar
alguma informação, este obedece o seguinte algoritmo:
1. Se o canal está livre, inicia-se a transmissão, senão vai para o passo 4;
2. [transmissão da informação] se colisão é detectada, a transmissão continua
até que o tempo mínimo para o pacote seja alcançado (para garantir que todos
os outros transmissores e receptores detectem a colisão), então segue para o
passo 4;
3. [fim de transmissão com sucesso] informa sucesso para as camadas de rede
superiores, sai do modo de transmissão;
4. [canal está ocupado] espera até que o canal esteja livre;
29

5. [canal se torna livre] espera-se um tempo aleatório, e vai para o passo 1, a
menos que o número máximo de tentativa de transmissão tenha sido
excedido;
6. [número máximo de tentativa de transmissão excedido] informa falha para as
camadas de rede superiores, sai do modo de transmissão;
Na prática, funciona como um jantar onde os convidados usam um meio comum (o
ar) para falar com um outro. Antes de falar, cada convidado educadamente espera
que outro convidado termine de falar. Se dois convidados começam a falar ao mesmo
tempo, ambos param e esperam um pouco, um pequeno período. Espera-se que cada
convidado espere por um tempo aleatório de forma que ambos não aguardem o
mesmo tempo para tentar falar novamente, evitando outra colisão. O tempo é
aumentado exponencialmente se mais de uma tentativa de transmissão falhar.
Originalmente, a Ethernet fazia um compartilhamento via cabo coaxial, que passava
através de um prédio ou de um campus universitário para interligar cada máquina. Os
computadores eram conectados a uma unidade transceiver ou interface de anexação
(Attachment Unit Interface, ou AUI), que por sua vez era conectada ao cabo. Apesar
de que um fio simples passivo fosse uma solução satisfatória para pequenas
Ethernets, não o era para grandes redes, onde apenas um defeito em qualquer ponto
do fio ou em um único conector fazia toda a Ethernet parar.
Como todas as comunicações aconteciam num mesmo fio, qualquer informação
enviada por um computador era recebida por todos os outros, mesmo que a
informação fosse destinada para um destinatário específico. A placa de interface de
rede descarta a informação não endereçada a ela, interrompendo a CPU somente
quando pacotes aplicáveis eram recebidos, a menos que a placa fosse colocada em
modo de comunicação promíscua. Essa forma de “um fala e todos escutam” definia
um meio de compartilhamento de Ethernet de fraca segurança, pois um nodo na rede
Ethernet podia escutar às escondidas todo o tráfego do cabo se assim desejasse. Usar
um cabo único também significava que a largura de banda (bandwidth) era
compartilhada, de forma que o tráfego de rede podia tornar-se lentíssimo quando, por
exemplo, a rede e os nós tinham de ser reinicializados após uma interrupção
eléctrica.
30

2.3.4 - Hubs Ethernet
Este problema foi contornado pela invenção de hubs Ethernet, que formam uma rede
com topologia física em estrela, com múltiplos controladores de interface de rede
enviando dados ao hub e, daí, os dados são então reenviados a um backbone, ou para
outros segmentos de rede.
Porém, apesar da topologia física em estrela, as redes Ethernet com hub ainda usam
CSMA/CD, no qual todo pacote que é enviado a uma porta do hub pode sofrer
colisão; o hub realiza um trabalho mínimo ao lidar com colisões de pacote.
As redes Ethernet trabalham bem como meio compartilhado quando o nível de
tráfego na rede é baixo. Como a chance de colisão é proporcional ao número de
transmissores e ao volume de dados a serem enviados, a rede pode ficar
extremamente congestionada, em torno de 50% da capacidade nominal, dependendo
desses fatores. Para solucionar isto, foram desenvolvidos "comutadores" ou switches
Ethernet, para maximizar a largura de banda disponível.
2.3.5 - Ethernet Comutada (Switched Ethernet)
A maioria das instalações modernas de Ethernet usa switches Ethernet ao invés de
hubs. Embora o cabeamento seja idêntico ao de uma Ethernet com hub, com switches
no lugar dos hubs, a Ethernet comutada tem muitas vantagens sobre a Ethernet
média, incluindo maior largura de banda e cabeamento simplificado. Redes com
switches tipicamente seguem uma topologia em estrela, embora elas ainda
implementem uma "nuvem" única de Ethernet do ponto de vista das máquinas
ligadas.
No início, switches Ethernet funcionam como os hubs, com todo o tráfego sendo
repetido para todas as portas. Contudo, ao longo do tempo o switch "aprende" quais
31

são as pontas associadas a cada porta, e assim ele pára de mandar tráfego não-
broadcast para as demais portas a que o pacote não esteja endereçado. Desse modo, a
comutação na Ethernet pode permitir velocidade total de Ethernet no cabeamento a
ser usado por um par de portas de um mesmo switch.
Já que os pacotes são tipicamente entregues somente na porta para que são
endereçadas, o tráfego numa Ethernet comutada é levemente menos público que
numa Ethernet de média compartilhada. Contudo, como é fácil subverter sistemas
Ethernet comutados por meios como ARP spoofing e MAC flooding, bem como por
administradores usando funções de monitoramento para copiar o tráfego da rede, a
Ethernet comutada ainda é considerada como uma tecnologia de rede insegura.
2.3.6 - Tipos de quadro Ethernet e o campo EtherType
Há quatro tipos de quadro Ethernet :
• Ethernet original versão I (não mais usado)
• O quadro Ethernet versão 2 ou quadro Ethernet II, chamado quadro DIX
(iniciais de DEC, Intel, e Xerox). É o mais comum atualmente, já que é
muitas vezes usado directamente pelo Protocolo Internet.
• quadro IEEE 802.x LLC/SNAP
Os tipos diferentes de frame têm formatos e valores de MTU diferentes, mas podem
coexistir no mesmo meio físico.
A Ethernet Versão 1 original da Xerox tinha um campo de comprimento de 16 bits,
embora o tamanho máximo de um pacote fosse 1500 bytes. Esse campo de
comprimento foi logo reutilizado na Ethernet Versão 2 da Xerox como um campo de
rótulo, com a convenção de que valores entre 0 e 1500 indicavam o uso do formato
Ethernet original, mas valores maiores indicavam o que se tornou conhecido como
um EtherType, e o uso do novo formato de frame. Isso agora é suportado nos
protocolos IEEE 802 usando o header SNAP.
32

O IEEE 802.x definiu o campo de 16 bits após o endereço MAC como um campo de
comprimento de novo. Como o formato de frames do Ethernet I não é mais usado,
isso permite ao software determinar se uma frame é do Ethernet II ou do IEEE 802.x,
permitindo a coexistência dos dois padrões no mesmo meio físico. Todos os frames
802.x têm um campo LLC. Examinando o campo LLC, é possível determinar se ele é
seguido por um campo SNAP.
As variantes 802.x de Ethernet não são de uso geral em redes comuns. O tipo mais
comum usado hoje é a Ethernet Versão 2, já que é usada pela maioria das redes
baseadas no Protocolo da Internet, com seu EtherType colocado em 0x0800. Existem
técnicas para encapsular tráfego IP em frames IEEE 802.3 mas isso não é comum.
2.3.7 - Variedades de Ethernet
Além dos tipos de frames mencionados acima, a maioria das diferenças entre as
variedades de Ethernet podem ser resumidas em variações de velocidade e
cabeamento. Portanto, em geral, a pilha do software de protocolo de rede vai
funcionar de modo idêntico na maioria dos tipos a seguir.
As sessões seguintes provêem um breve sumário de todos os tipos de média Ethernet
oficiais. Em adição a esses padrões, muitos fabricantes implementaram tipos de
média proprietários por várias razões, geralmente para dar suporte a distâncias
maiores com cabeamento de fibra óptica.
2.3.8 - Algumas variedades antigas de Ethernet
• Xerox Ethernet -- a implementação original de Ethernet, que tinha duas
versões, Versão 1 e Versão 2, durante seu desenvolvimento. O formato de
frame da versão 2 ainda está em uso comum.
33

• 10BASE5 (também chamado Thicknet) -- esse padrão antigo da IEEE usa um
cabo coaxial simples em que você literalmente conseguia uma conexão
furando o cabo para se conectar ao núcleo. É um sistema obsoleto, embora
devido a sua implantação largamente difundida antigamente, talvez ainda
possa ser utilizado por alguns sistemas.
• 10BROAD36 -- Obsoleto. Um padrão antigo suportando Ethernet para
distâncias mais longas. Utilizava técnicas de modulação de banda larga
similares àquelas empregadas em sistemas de cable modem, e operava com
cabo coaxial.
• 1BASE5 -- Uma tentativa antiga de padronizar uma solução de LAN de baixo
custo, opera a 1 Mbit/s e foi um fracasso comercial.
• StarLAN 1 -- A primeira implementação de Ethernet com cabeamento de par
entrançado.
2.3.9 - 10 Mbit/s Ethernet
• 10BASE2 (também chamado ThinNet ou Cheapernet) -- Um cabo coaxial de
50-ohm conecta as máquinas, cada qual usando um adaptador T para conectar
seu NIC. Requer terminadores nos finais. Por muitos anos esse foi o padrão
dominante de ethernet de 10 Mbit/s.
• 10BASE5 (também chamado Thicknet) -- Especificação Ethernet de banda
básica de 10 Mbps, que usa o padrão (grosso) de cabo coaxial de banda de
base de 50 ohms. Faz parte da especificação de camada física de banda de
base IEEE 802.3, tem um limite de distância de 500 metros por segmento.
• StarLAN 10 -- Primeira implementação de Ethernet em cabeamento de par
trançado a 10 Mbit/s. Mais tarde evoluiu para o 10BASE-T.
• 10BASE-T -- Opera com 4 fios (dois conjuntos de par trançado) num cabo de
cat-3 ou cat-5. Um hub ou switch fica no meio e tem uma porta para cada nó
da rede. Essa é também a configuração usada para a ethernet 100BASE-T e a
Gigabit.
34

• FOIRL -- Link de fibra óptica entre repetidores. O padrão original para
ethernet sobre fibra.
• 10BASE-F -- um termo genérico para a nova família de padrões de ethernet
de 10 Mbit/s: 10BASE-FL, 10BASE-FB e 10BASE-FP. Desses, só o
10BASE-FL está em uso comum (todos utilizando a fibra óptica como meio
físico).
• 10BASE-FL -- Uma versão actualizada do padrão FOIRL.
• 10BASE-FB -- Pretendia ser usada por backbones conectando um grande
número de hubs ou switches, agora está obsoleta.
• 10BASE-FP -- Uma rede passiva em estrela que não requer repetidores,
nunca foi implementada.
2.3.10 - Fast Ethernet
• 100BASE-T -- Designação para qualquer dos três padrões para 100 Mbit/s
ethernet sobre cabo de par trançado. Inclui 100BASE-TX, 100BASE-T4 e
100BASE-T2.
• 100BASE-TX -- Usa dois pares, mas requer cabo cat-5. Configuração "star-
shaped" idêntica ao 10BASE-T. 100Mbit/s.
• 100BASE-T4 -- 100 Mbit/s ethernet sobre cabeamento cat-3 (Usada em
instalações 10BASE-T). Utiliza todos os quatro pares no cabo. Actualmente
obsoleto, cabeamento cat-5 é o padrão. Limitado a Half-Duplex.
• 100BASE-T2 -- Não existem produtos. 100 Mbit/s ethernet sobre cabeamento
cat-3. Suporta full-duplex, e usa apenas dois pares. Seu funcionamento é
equivalente ao 100BASE-TX, mas suporta cabeamento antigo.
• 100BASE-FX -- 100 Mbit/s ethernet sobre fibra óptica. Usando fibra óptica
multimodo 62,5 mícrons tem o limite de 400 metros.
35

2.3.11- Gigabit Ethernet
• 1000BASE-T -- 1 Gbit/s sobre cabeamento de cobre categoria 5e ou 6.
• 1000BASE-SX -- 1 Gbit/s sobre fibra.
• 1000BASE-LX -- 1 Gbit/s sobre fibra. Optimizado para distâncias maiores
com fibra mono-modo.
• 1000BASE-CX -- Uma solução para transportes curtos (até 25m) para rodar
ethernet de 1 Gbit/s num cabeamento especial de cobre. Antecede o
1000BASE-T, e agora é obsoleto.
2.3.12 – “10-Gigabit Ethernet”
O novo padrão Ethernet de 10 gigabits abrange 7 tipos diferentes de médias para uma
LAN, MAN e WAN. Ele está actualmente especificado por um padrão suplementar,
IEEE 802.3ae, e será incorporado numa versão futura do padrão IEEE 802.3.
• 10GBASE-SR -- projectado para suportar distâncias curtas sobre cabeamento
de fibra multi-modo, variando de 26m a 82m dependendo do tipo de cabo.
Suporta também operação a 300m numa fibra multi-modo de 2000 MHz.
• 10GBASE-LX4 -- usa multiplexação por divisão de comprimento de ondas
para suportar distâncias entre 240m e 300m em cabeamento multi-modo.
Também suporta 10km com fibra mono-modo.
• 10GBASE-LR e 10GBASE-ER -- esses padrões suportam 10km e 40km
respectivamente sobre fibra mono-modo.
• 10GBASE-SW, 10GBASE-LW e 10GBASE-EW. Essas variedades usam o
WAN PHY, projectado para comunicar com equipamentos OC-192 / STM-64
SONET/SDH. Eles correspondem à camada física do 10GBASE-SR,
10GBASE-LR e 10GBASE-ER respectivamente, e daí usam os mesmos tipos
de fibra e suportam as mesmas distâncias. (Não há um padrão WAN PHY
correspondendo ao 10GBASE-LX4.)
36

Ethernet de 10 gigabit é muito nova, e continua em vistas sobre qual padrão vai
ganhar aceitação comercial.
2.3.13 - Padrões Relacionados
Esses padrões de rede não são parte do padrão Ethernet IEEE 802.3 Ethernet, mas
suportam o formato de frame ethernet, e são capazes de interagir com ele.
• Wireless Ethernet (IEEE 802.11) -- Frequentemente rodando a 2 Mbit/s
(802.11legacy), 11 Mbit/s (802.11b) ou 54 Mbit/s (802.11g).
• 100BaseVG -- Um rival precoce para a ethernet de 100 Mbit/s. Ele roda com
cabeamento categoria 3. Usa quatro pares. Um fracasso, comercialmente.
• TIA 100BASE-SX -- Promovido pela Telecommunications Industry
Association. O 100BASE-SX é uma implementação alternativa de ethernet de
100 Mbit/s em fibra ótica; é incompatível com o padrão oficial 100BASE-
FX. Sua característica principal é a interoperabilidade com o 10BASE-FL,
suportando auto negociação entre operações de 10 Mbit/s e 100 Mbit/s -- uma
característica que falta nos padrões oficiais devido ao uso de comprimentos
de ondas de LED diferentes. Ele é mais focado para uso na base instalada de
redes de fibra de 10 Mbit/s.
• TIA 1000BASE-TX -- Promovido pela Telecommunications Industry
Association, foi um fracasso comercial, e nenhum produto desse padrão
existe. O 1000BASE-TX usa um protocolo mais simples que o padrão oficial
1000BASE-T, mas requer cabeamento categoria 6.
37

2.4 - Microcontrolador PIC
Os PIC (PICmicro) são uma família de microcontroladores fabricados pela
Microchip Technology, que processam dados de 8 bits (recentemente foi lançada
uma família de 16 bits com prefixo 24F) com extensa variedade de modelos e
periféricos internos, com arquitectura Harvard e conjunto de instruções RISC
(conjuntos de 35 instruções e de 76 instruções), com recursos de programação por
Memória Flash, EEPROM e OTP. Os microcontroladores PIC têm famílias com
núcleos de processamento de 12 bits, 14 bits e 16 bits e trabalham em velocidades de
0kHz (ou DC) a 48MHz, usando ciclo de instrução mínimo de 4 períodos de clock, o
que permite uma velocidade de no máximo 10 MIPS. Há o reconhecimento de
interrupções tanto externas como de periféricos internos. Funcionam com tensões de
alimentação de 2 a 6V e os modelos possuem encapsulamento de 6 a 100 pinos em
diversos formatos (SOT23, DIP, SOIC, TQFP, etc).
2.4.1 - Periféricos internos
Seus principais periféricos internos (a disponibilidade varia conforme o modelo):
• Conversores Analógico-Digitais de 8 a 12 bits
• Contadores e timers de 8 e 16 bits
• Comparadores Analógicos
• USARTs
• Controladores de comunicação I2C, SPI, USB
• Controladores PWM
• Controladores de LCD
• Controladores de motores
• Gerador de energia de alta potência
• Periféricos para LIN, CAN
• Controladores Ethernet
38

• Periféricos IRDA
• Codificadores para criptografia Keeloq
• Detetores de falha na alimentação
• Portas digitais com capacidade de 25mA (fornecer ou drenar) para accionar
circuitos externos
• Osciladores internos
2.4.2 - Programação e desenvolvimento
Os PICs podem ser programados em linguagem mnemônica (assembly) ou usando-se
compiladores de linguagem de alto nível (Pascal, C, Basic) que geram um código em
formato hexadecimal (Intel Hex format ou linguagem de máquina) que são usados
para serem gravados na memória de programa desses microcontroladores. Para tal
procedimento, utiliza-se um hardware especial (gravador) acoplado a um PC. (com
um PIC é possível rodar pequenos programas de computadores gravados neles). PICs
com memória FLASH são altamente flexíveis na fase de desenvolvimento pois
permitem uma rápida alteração do código de programa. Como ferramentas de
desenvolvimento, encontram-se disponíveis: gravadores, depuradores, emuladores,
placas de protótipos, etc.
2.4.3 - Modelos comuns de PICs
• PIC16F84/PIC16F84A
• PIC16F628/PIC16F628A
• PIC16F877/PIC16F877A
• PIC18F452/PIC18F4520
• PIC16F876
• PIC24F/PIC24H[1]
39

2.4.4 - Aplicações
A linha de microcontroladores PIC é comum ser utilizada em:
• Electrónicas de consumo
• Automação
• Robótica
• Instrumentação
• Electrónica embebida
• Periféricos de informática.
2.4.5 – História
As raízes dos PICs têm origem na universidade de Harvard com um projecto para o
Departamento de Defesa, mas este foi vencido por um projecto de memória mais
simples (e mais confiável na época) da Universidade de Princeton. A arquitectura
Harvard foi primeiramente usada no 8x300 da Signetics, e foi adoptada pela General
Instruments para uso como interface controladora de periféricos (PIC) que foi
projectada para compensar o fraco barramento de I/O da sua CPU CP1600 de 16 bits.
A divisão de micro electrónica foi depois transformada na Arizona Microchip
Technology (por volta de 1985), com os PICs como seu produto principal. Os PICs
tinham um grande conjunto de registos (de 25 a 192 registos de 8 bits, comparado
com os 144 do Z8). Existem até 31 registos directos, mais um acumulador W,
embora R1 a R8 também tenham funções especiais - R2 é o PC (com uma pilha
implícita de 2 a 16 níveis), e R5 a R8 controlam as portas de I/O. R0 é mapeado no
registo R4 (FSR) e serve como apontador (semelhante ao ISR no F8, ele é o único
meio de se aceder ao registo R32 ou acima).
O PIC16x é muito simples, tem somente 33 instruções de 12 bits de largura fixa,
incluindo diversas instruções de salto condicional a flags para a próxima instrução
40

(para loops e rotinas condicionais), produzindo um código enxuto importante para
aplicações em sistemas embebidos. Ele tem pipelines marginais (2 estágios, 1 de
busca e 1 de execução), combinados com execução em um ciclo (excepto para saltos,
com 2 ciclos), tendo um desempenho muito bom para a sua categoria.
O PIC 17x tem mais modos de endereçamento (directo, indirecto, e relativo; as
instruções de modo indirecto gastam 2 ciclos para execução), mais instruções (58 de
16 bits), mais registos (232 a 454), mais até 64k palavras de espaço de programa (2k
a 8k no chip). As versões top de linha também possuem instruções de multiplicação
de 8 bits sem sinal de 1 ciclo. Este modelo está obsoleto, não sendo mais
recomendado para novos projectos de acordo com a Microchip.
O PIC 16x é uma variante interessante do projecto de 8 bits feita por volta de 1985
pela General Instruments com técnicas de projecto mais inovadoras do que a de
outras CPUs da lista (o 1650, o sucessor do 1600 mais comum). Ela perdeu para
outras CPUs mais populares e foi posteriormente vendida para a Microchip
Technology, que ainda o vende para pequenas aplicações em sistemas embebidos.
Um exemplo deste microcontrolador é uma pequena placa chamada Basic Stamp que
consiste em 2 circuitos integrados (1 PIC 16C56 de 18 pinos, um interpretador Basic
em 512 palavras de ROM e uma memória EEPROM serial de 256 bytes) com uma
porta de I/O onde os programas do usuário podem ser armazenados (por volta de 80
linhas de comando de Basic).
2.4.6 - Curiosidade Científica
Na verdade a arquitetura PIC foi primeiramente integrada pela Signetics para uma
empresa em San Jose usando tecnologia bipolar e usado no 8X300. Antes disso, a
arquitectura tinha sido uma curiosidade científica desde a sua invenção pela
Universidade de Harvard numa competição criada pelo departamento de Defesa que
colocou Princeton contra Harvard. Princeton ganhou a competição porque o tempo
médio entre falhas (MTBF) da sua arquitectura de memória mais simples era muito
melhor, embora mais lenta que a proposta de Harvard. Com o desenvolvimento dos
41

transístores e dos circuitos integrados, a arquitectura Harvard finalmente foi
reconhecida. A Microchip fez melhoramentos na arquitectura original, e actualizou
os blocos funcionais do projecto original com avanços modernos que estão em
compasso com os processos arquitectónicos existentes e capacitados pelo baixo custo
dos semicondutores.
2.4.7 - Do controle de portas para controlador RISC
Em 1965 a General Instruments criou a divisão de microelectrónica, e sem dúvida
usou esta divisão para gerar algumas das primeiras arquitecturas de memórias
EPROM e EEPROM viáveis. A Divisão de microelectrónica da General Instrumens
foi responsável também por uma grande variedade de funções digitais e analógicas,
com as famílias AY3-xxxx e AY5-xxxx.
A General Instruments também criou um microprocessador de 16 bits chamado
CP1600, no começo dos anos 70. Era um microprocessador razoável, mas
especialmente era pobre em portas de entrada e saída. Para algumas aplicações muito
específicas onde as portas de I/O eram necessárias, a General Instruments projectou
uma interface controladora de periféricos (ou PIC abreviadamente, de Peripherical
Interface Controller em inglês), por volta de 1975. Ele era projectado para ser muito
rápido, dado que era para ser portas de I/O de uma máquina de 16 bits, mas não tinha
uma grande capacidade de funcionalidade, tendo um conjunto de instruções
microcodificadas pequeno. A arquitectura projectada em 1975 é substancialmente a
arquitectura de hoje do PIC16C5x. A versão de 1975 foi fabricada em NMOS, e era
somente disponível em versões ROM mascaradas. O mercado, contudo, não pensava
particularmente assim, e os PICs permaneceram projectados somente para um
punhado de grandes clientes.
No final dos anos 80, a General Instruments fez uma grande revisão no seu negócio e
se reestruturou, deixando para se concentrar nas suas actividades principais, que
eram essencialmente semicondutores de potência. A Divisão de microelectrónica da
General Instruments se tornou a General Instruments Microelectronics Inc.
42

(subsidiária integral), da qual 85% foi finalmente vendida para alguns investidores,
incluindo a fábrica em Chandler, no Arizona. O pessoal desses investidores analisou
profundamente a linha de produtos e fez uma limpeza na maioria deles, como a linha
AY3 e AY5 e outros produtos, restando como negócio principal os PICs e as
EEPROMs paralelas. Houve uma decisão de reiniciar uma nova empresa, chamada
Arizona Microchip Technology.
Como parte da estratégia, a família NMOS PIC165X foi reprojectada para usar um
recurso em que a empresa era muito boa, o EPROM, o conceito de ser baseado em
CMOS, one-time-programmable e assim a família PIC16C5X de memória de
programa EPROM apagável tinha nascido.
PIC é uma família de microcontroladores RISC fabricada pela Microchip, derivada
do PIC1650 originalmente desenvolvida pela divisão de microelectrónica da General
Instruments. A Microchip não usa PIC como um acrónimo, na realidade a marca é
PICmicro. Geralmente é conhecido que PIC significa Peripherical Interface
Controller, embora o acrónimo original para o PIC1650 era Programmable
Intelligent Computer.
O PIC original foi fabricado para ser usado com a nova CPU de 16 bits da General
Instruments, o CP1600. Apesar de ser uma boa CPU, o CP1600 tinha fraco
desempenho de portas de I/O, e o PIC de 8 bits foi desenvolvido em 1975 para
melhorar o desempenho do sistema em geral liberando as tarefas de I/O da CPU. O
PIC usava simples microcódigos armazenados na ROM para desempenhar suas
tarefas, e e embora o termo não tenha sido usado na época, ele tinha um projeto
RISC que executava uma instrução por ciclo (4 ciclos de clock).
Em 1985, a General Instruments vendeu a divisão de microeletrônica, e os novos
donos cancelaram quase tudo, o que na época era obsoleto. Os PICs contudo, foram
actualizados com EPROM para produzir um controlador programável, e hoje uma
grande variedade de PICs é disponível com vários periféricos internos (módulos de
comunicação serial, UARTS, núcleos de controle de motores, etc.) e memória de
programa de 512 a 32k palavras.
43

3 - Opções de projecto
O objectivo deste projecto é realizar um osciloscópio digital de 4 canais e um
analisador lógico de até 16 canais.
3.1 - Avaliação dos requisitos
Os requisitos indicam que é necessária uma comunicação entre o microprocessador e
o PC com largura de banda suficiente, e com uma taxa de transferência elevada. É
necessário transferir dados rapidamente e em grande quantidade. Para isso
analisámos várias interfaces de comunicação, série RS232, usb e ethernet. A
comunicação série, de momento em declínio, permite no máximo 115200bps, o que
embora seja suficiente para amostrar dados a uma boa frequência, há problemas ao
amostrar 4 canais simultaneamente. A comunicação via USB permite taxa de
transferência até 480Mbps (USB2.0) estando esta interface a atingir a maturidade no
ciclo de vida. A comunicação via Ethernet 10/100/1000 permite taxas de
transferência ate 1Gbps e no caso de estar ligado a um switch ou hub numa rede
permite o seu acesso por qualquer tipo de máquina da rede, possibilitando a
verificação do circuito, até mesmo por Internet caso o software de suporte seja
desenvolvido. Foi escolhida a interface USB em prol da Ethernet, visto haver a
possibilidade de obter os recursos necessários para o desenvolvimento do projecto
por USB, não havendo conhecimento de como obter ou desenvolver hardware capaz
de fazer interface do microprocessador com Ethernet.
44

3.2 - USB
A interface USB poderia ser aplicada neste projecto de 2 formas. Através de um
módulo externo, simplificando o trabalho a nível de software mas havendo a despesa
de cerca de 30 . O módulo externo continha também o software (drivers) para o PC
simplificando também o desenvolvimento nesse lado. A outra forma de aplicação da
interface USB seria através de um módulo integrado num microprocessador, que
permitiria ter um maior controlo sobre o método de transferência de dados, reduzir os
custos monetários mas incrementando o esforço do desenvolvimento da interface no
software. No entanto, achamos que esta decisão é a mais viável a longo prazo pois se
necessitarmos de repetir várias vezes o projecto ou elaborar projectos com interface
USB, o custo de um módulo externo será deduzido a cada projecto extra,
compensando a longo prazo. Outra das razões, embora menos lógica, seria a escolha
deste método de interface pelo desafio que impõe a nível de conhecimentos, pelo
gozo de desenvolver algo que não conhecemos apenas familiarizamos o conceito
exterior. Caso utilizássemos o módulo externo poderíamos ter escolhido um
microprocessador utilizado frequentemente no ISEP, visto que seria disponibilizado
pelo Instituto, não necessitando de ser muito avançado. Um 16F84A ou um 8051
serviria para o efeito.
3.3 - PIC 18F4550
Recorreu-se à pesquisa na Internet de microprocessadores com módulos de USB
integrados, requisitando amostras de Microprocessadores da Microchip, Atmel e
Maxim. Após recepção e a não recepção das amostras, foi decidido que o
microprocessador seria a PIC 18F4550 pois foi o único que veio como amostra com
módulo de USB. O 8051 e AVR seria necessário adquirir através de compra. A PIC
tinha a vantagem de ter sido a primeira a ser apresentada na cadeira de LABSI e por
possuirmos alguns fundamentos sobre o seu funcionamento. Os fóruns on-line
indicavam também a superioridade da PIC em relação ao 8051 na interface USB.
45

Descartamos a utilização da FPGA como peça principal deste projecto visto já haver
um projecto disponível para esse efeito.
3.4 - Construção do Programador
Após investigação inicial sobre funcionamento da PIC 18F4550, em comparação
com a 16F84A, tentamos elaborar um código simples de inicialização do hardware e
colocação do código de alternância de um led, para teste do funcionamento da PIC e
da montagem correcta do circuito inicial. Na tentativa de programação da PIC
através do programador existente no ISEP, verificamos que o programador não é
compatível com as novas famílias de microprocessadores da Microchip, entre eles o
nosso modelo. Decidiu-se construir um programador para a PIC. Investigação na
Internet revelou vários tipos de modelos de programadores, sendo escolhido um que
têm bastante sucesso e revela não ser necessário muito equipamento electrónico, pois
queremos ter o mínimo de despesa. O modelo JDM2 foi o escolhido. Inicialmente
resolvemos desenvolver e construir um programador que pudesse ser alimentado pela
porta série ou com conector de alimentação externo baseado em vários modelos.
Após a sua construção verificou-se que não funcionava. Construiu-se o programador
em breadboard, alimentado exclusivamente pela porta série, tendo funcionado.
3.5 - Compilador (Assembly ou C)
De seguida programámos na PIC o código de alternância de estado de um led,
desenvolvido em assembly. O led funcionou demonstrando que a PIC obtida por
amostra aparentemente estava em boas condições de funcionamento. Iniciou-se a
pesquisa nos “Application Notes” e “Source Codes” distribuídos pela Microchip
sobre a PIC, sobre a interface USB e sobre vários outros tipos de “Source Codes”
com alguma relevância para o nosso projecto. Após descodificação e compreensão
de parte do funcionamento do código de interface USB por assembly, decidimos
46

abandonar a linguagem assembly devido à extrema complexidade de compreender
todo o código necessário ao seu desenvolvimento e tentar mudar para um compilador
C. O compilador de assembly utilizado foi o MPLAB IDE 7.60 com o módulo
MPASM, o compilador C utilizado foi o MPLAB IDE 7.60 com o módulo C18.
Embora existam actualmente vários compiladores para a PIC, como o CCS C ou o
HI-TECH C, foi escolhido o C18 devido a ser o oficialmente distribuído pela
Microchip, ser o formato do código encontrado nas “application notes” e “source
codes” distribuídas. É necessário referir que neste compilador (C18) as instruções de
USB na PIC não estão presentes em funções pré-compiladas e têm que ser
adicionadas ou programadas de raiz pelo utilizador. Utilizou-se como base do nosso
programa o código exemplo de HID MOUSE da Microchip. Este código já executava
a enumeração e autenticação USB. Como curiosidade, após análise do ficheiro
bootloader distribuído pela MICROCHIP verificamos que este exemplo foi
desenvolvido a partir do código fonte do bootloader visto que as configurações e
desenho do pacote de dados USB é idêntico, assim como as funções utilizadas para
os transferir e até mesmo grande parte dos comentários. Mais uma vez se verifica que
“não é necessário reinventar a roda”.
3.6 - Visual Basic 6
A escolha deste compilador deve-se principalmente a duas razões, o programa base
para o PIC tem como interface de comunicação e controlo um programa simples em
Visual Basic 6, que envia um byte para a PIC por USB e recebe esse mesmo byte. O
Visual Basic 6 é um compilador de programação orientada a objectos, sobre o qual
nós já possuíamos algumas ideias de como realizar um programa deste tipo.
47

3.7 - Condicionamento sinal [Analógico e Digital]
Os sinais amostrados digitalmente são lidos através de buffer’s digitais que filtram o
sinal mas mantém os níveis lógicos, isto para impedir surtos de tensão que possam
danificar a PIC e o resto do circuito. No condicionamento de sinal analógico a
filtragem e protecção são feitas pelo AD. Foi escolhido um AD da Maxim
(MAX154BCNG) de interface paralela visto poder ser obtido por amostra, cumprir
os requisitos mínimos de amostragem necessária para o projecto e ter interface de
comunicação de saída paralela, o que simplificava o trabalho no código interno da
PIC. Definimos que a tensão que o AD iria amostrar variava apenas entre 0V e +5V
utilizando Amplificadores Operacionais com regulação de ganho para permitir ler
valores entre 0,1V e 20V, positivos e negativos. A regulação de ganho é feita
digitalmente com controlo por parte da PIC para evitar a necessidade de ajuste
manual do circuito, permitindo controlo completo de tudo através da interface no PC.
Para esse efeito utilizamos multiplexer’s digitais de 8 canais da MAXIM
(MAX338EPE) em conjunção com o integrado que contém 2 amplificadores
operacionais (TL082CP).
3.8 - FIFO’s
Para a leitura de sinais digitais com frequência superior á de amostragem máxima do
circuito recorremos a uma FIFO assíncrona colocada num módulo externo
(CY7C4275-15ASC) com 32Kb de profundidade de memória com 18 bits em
paralelo, com possibilidade de interligar mais FIFO’s em série para obter maior
memória onde guardar as amostras.
48

3.9 - Investigação sobre alimentação do circuito.
Na alimentação do circuito, toda a energia de 0V até +5V é obtida a partir da
interface USB, estando já a PIC programada para permitir até 450 mA de corrente de
consumo do circuito completo. Para as tensões requisitadas pelo multiplexer e
amplificadores operacionais, positivas e negativas, utiliza-se um transformador de
220V / 12V (AC) com ponte rectificadora e 2 rectificadores de tensão para obter
+12V e -12V (7812 e 7912 respectivamente). A placa é parcialmente alimentada por
USB para permitir utilizar o analisador lógico em locais que não possuam energia
eléctrica. Também é possível amostrar sinais analógicos desde que estejam contidos
entre 0V e +5V, sem alimentação externa.
49

4 - Descrição do Circuito
4.1 - Desenvolvimento da placa de comunicação USB:
O tipo de comunicação utilizada é USB e para tal foi usada a PIC18F4550, pois, já
tem integrado uma porta USB. A comunicação USB foi escolhida porque é um meio
de comunicação que nos permite elevadas taxas de transmissão, o que não era
exequível com o protocolo RS232. Para tal usamos o esquema em baixo que nos
permite realizar a parte da comunicação com o PC.
Figura 3 – USB Basic Board
Este circuito simples é o requisito mínimo para estabelecer comunicação USB com o
PC. Realizamos este esquema através da informação adquirida pelo fabricante
“Microchip”. O hardware ilustrado só por si não faz nada, para tal é preciso
programa-lo com o Bootloader, programa este, que possui todas as rotinas do
protocolo USB bem como o processo de inicialização da PIC. O Bootloader
50

desenvolvido foi uma alteração do disponibilizado pelo fabricante que estava
preparado para outro tipo de hardware, nomeadamente as boards de desenvolvimento
da Microchip. O software utilizado para compilar o código foi o MPLAB C18,
disponibilizado pela Microchip. Depois de compreender o Bootloader, disponível
pelo fabricante, procedemos á modificação para compatibilizar com o nosso
hardware. No entanto os programadores de PIC do ISEP não tinham suporte para
programar a PIC18F4550, o que fez regressar ao trabalho de pesquisa por um
programador que nos permitisse programar a PIC.
4.2 - Placa programadora
Para programar a PIC, utilizamos um programador básico do tipo JDM que nos
permitiu programar o dispositivo pela porta RS232.
Figura 4 – Programador JDM
51

Depois de programada a PIC, testamos o firmware ligando ao PC. Tivemos alguns
problemas no inicio pois nem sempre o firmware funcionava bem ou nem mesmo
funcionava. Com umas rectificações atingiu-se o funcionamento correcto.
De momento, o dispositivo estabelece comunicação com o PC e possui a
possibilidade de ser programado via USB. Para tal é necessário o driver USB da PIC
18F4550 e o pacote de desenvolvimento PICDEM FS USB Starter Kit.
Quanto ao desenvolvimento do Osciloscópio, foi decidido desenvolver um
osciloscópio de 4 canais. Para isso utilizou-se a seguinte filosofia:
Figura 5 – Fluxograma Hardware
Na primeira fase, o circuito de condicionamento de sinal é feito com Amplificadores
Operacionais e controlado por computador. De seguida, o sinal é convertido pelo AD
e transmitido à PIC que envia a informação para o PC, e este mostra o sinal na
aplicação desenvolvida em visual Basic.
4.3 - Condicionamento de sinal
A parte de condicionamento de sinal resume-se a um conjunto de ampops que
transformam uma variação de sinal na entrada para uma variação de sinal na saída
entre [0,+5] V, independentemente dos valores de entrada, o ganho dos ampops pode
52

ser controlado por PC através de um switch analógico fornecido como sample da
Maxim.
Figura 6 – Condicionamento de sinal universal
Os Amplificadores Operacionais estão contidos num integrado (CA320EN), em par,
num formato DIP de 8 pinos. A primeira etapa tem montagem de amplificador
inversor. Este amplificador condiciona a onda de entrada “Vi” para que as
amplitudes máximas sejam sempre de 2.5 V de pico. O switch/multiplexer analógico
usado é o Max 338. Este componente permite fazer uma selecção das resistências de
forma simples e sem alterações no circuito de montagem inversora. Em baixo está
ilustrada a tabela de verdade do Max338.
Tabela 4 – Tabela MAX338
As entradas A2 a A0 são controladas pelo utilizador na aplicação em Visual Basic
permitindo total controlo do dispositivo.
53

Para cada canal de selecção, foram calculadas as resistências R2, em que R1=10k .
Variação Vi (Vp) Vo1 (Vp) Ganho 1º Ampop R (Ohm)
0,1 2,5 25 250000
0,2 2,5 12,5 125000
0,5 2,5 5 50000
1 2,5 2,5 25000
2 2,5 1,25 12500
5 2,5 0,5 5000
10 2,5 0,25 2500
20 2,5 0,125 1250
Tabela 5 – Ganhos de selecção de tensão
Estes ganhos foram calculados de acordo com a fórmula:
A = −
Para garantir os ganho de uma forma perfeita ou mais próxima da ideal usamos
54
R2
R1
potenciómetros para garantir os valores exactos de resistência.
No entanto, nesta fase, para as variações máximas do sinal para cada selecção, o sinal
na saída do primeiro ampop varia entre [-2.5;2.5] V. O AD funciona com tensões de
referencia de [0;+5] V, e para garantir isso, utilizamos um circuito somador na saída
da primeira etapa do circuito para somar uma componente continua de +2,5V.
O potenciómetro R53 é variado na fase final para que a tensão de referência seja
2,5V e os potenciómetros R49, R50 e R54 são iguais, para que a saída do circuito
seja:
Vo 2 = Vref + Vo1
Assim é garantido um condicionamento de sinal de [0,+5] V para qualquer tipo de
variação de entrada.

4.4 - Conversão Analógico para Digital
O AD utilizado é o Max154, de 8 bits, com uma taxa de conversão de 2.5µs. Possui 4
entradas analógicas, o que possibilita lerem 4 sinais analógicos com o mesmo
integrado. O circuito seguinte representa o circuito do AD:
Figura 7 – Circuito básico para o AD MAX154
Os 4 diodos que estão na entrada analógica servem para em caso de sobretensão não
danificar o AD. Os 2 bits de selecção de canal servem para seleccionar um dos 4
canais para o AD converter, o bit de leitura é o bit que serve de amostragem, que faz
com que o AD converta a uma taxa de amostragem predefinida pelo utilizador. Este
bit a “1” faz com que o AD desligue, a “0” faz a conversão e leitura. O barramento
de dados está ligado ao Porto B da PIC que processa e envia os dados para o PC.
4.5 - PIC18F4550
Este dispositivo e o núcleo principal de todo este projecto. É ele que controla os
componentes, processa os dados e os transmite para o PC. É baseado no ultimo
modelo de microprocessador RISC da Microchip. Funciona a cerca de 40 MHz com
10 MIPS.
55

4.6 – Esquema da Placa Global
Aqui temos o desenho completo do trabalho realizado, com todos os componentes
descriminados:
Figura 8 – Circuito global em schematic
56

4.8 - PCB do esquema Global
Figura 9 – Circuito global em PCB
57

5 - Descrição do Programa/Código
5.1 - Software Bootloader
O bootloader da Microchip é uma sequência de código de inicialização que configura
a PIC para poder receber dados pela interface de USB, permitindo a execução de
comandos provenientes de uma aplicação de programação no PC, para
descarregamento de código desenvolvido pelo construtor através da mesma interface
USB. Este bootloader é vantajoso em comparação com a programação em
programador externo, pois não é necessário remover a PIC do circuito onde ela
opera, permitindo apagar e programar novas aplicações em caso de actualização ou
necessidade de alteração do software. É comummente denominado como “Flash
Bootloader“ pois permanece na memória flash do microprocessador e é sempre a
primeira aplicação a ser executada após o reset.
O bootloader da Microchip foi descarregado para a PIC por meio do programador
JDM em conjunção com a aplicação WinPic800. Foi necessário ajustar as palavras
de configuração do ficheiro “.HEX” devido às alterações existentes no hardware
(cristal, temporizador interno, modo USB, interrupções, etc). Embora houvesse
dificuldade na calibração correcta das palavras de configuração, após análise da
datasheet e consulta online do fórum da Microchip, a programação da PIC foi bem
sucedida, visto a PIC enumerar e autenticar correctamente por USB quando
conectada. O “Source Code” do Bootloader não foi alterado, apenas foi estudado de
forma a aprofundar o conhecimento sobre a programação da interface USB.
58

O cabeçalho do código principal do Bootloader está apresentado na figura seguinte:
Figura 10 – USB Bootloader Version 1.00
59

O funcionamento do bootloader é descrito no diagrama de blocos seguinte e no texto
que o procede:
Figura 11 – Fluxograma Software PIC
Após o inicio do programa (“Start”), são inicializados os registos, definidas variáveis
e verificadas os pinos dos portos que definem se o código do bootloader será
executado (“Bootloader Button Pressed”).
Se o pino 2 do Porto E estiver no nível lógico zero, o código a executar será o do
bootloader. O código do bootloader começa por inicializar as portas dos leds para
coloca-los a piscar, em padrões definidos (ver tabela no capitulo seguinte), consoante
o estado de comunicação do módulo USB (“mInitAllLeds”).
60

De seguida, é configurado o módulo USB interno e inicializados os buffers dos
canais de entrada e saída (“mInitializeUSBDriver”).
O estado da interface USB no hardware é verificada (“USBCheckBusStatus”) e o
serviço de enumeração e autenticação USB é inicializada (“USBDriverService”).
Caso a enumeração não ter terminado ou ainda se encontrar em progresso, a secção
de código do “BootService” não é executada.
Se a interface de comunicação USB estiver completamente configurada e
correctamente enumerada, os leds devem piscar alternadamente, indicando canal
preparado para comunicação. O programa ficará a correr em ciclo fechado apenas
colocando os leds nos estados lógicos do estado da interface USB, esperando a
recepção de um comando de controlo vindo pelo USB por parte da aplicação no PC
(“USBDriverService”), executando o código ao qual o comando se refere,
preparando a resposta à execução do comando (“BootService”) e enviando os dados
de volta à aplicação no PC (“USBDriverService”).
Os comandos, enviados pela aplicação de programação por USB, “Microchip
PICDEM FS USB Demonstration Tool”, permitem realizar algumas operações tais
como leitura da versão do bootloader instalado, leitura do código existente no espaço
de programação dedicado a código a ser programável por USB, escrita de código a
ser executado em funcionamento normal, formatação do espaço dedicado a código de
funcionamento normal, leitura de dados de EEPROM, escrita de dados na EEPROM,
escrita de configuração da PIC, executar o reset á PIC, entre outros.
O modo de comunicação de USB do bootloader é baseado em interrupções
provenientes do PC, o PC envia dados e a PIC retorna os dados respondendo, não ao
contrário. A comunicação é feita em pacotes de um byte de dados de cada vez, célere
a suficiente para permitir a execução da programação em menos de 5 segundos.
A figura seguinte demonstra a interface de programação por USB fornecida no
pacote de software “Microchip USB Framework, distribuída e disponível no site da
Microchip.
61

Figura 12 – Ilustração USB PICDEM(TM)
5.2 - Software Placa Principal e Periféricos
Através da análise do código do bootloader, e de um exemplo de código rato USB
fornecido pela Microchip no pacote de desenvolvimento USB, começou-se a
desenvolver o software da PIC, no compilador C18 fornecido pela Microchip.
Inicialmente ponderou-se a programação em linguagem assembly, ideia essa que foi
colocada de parte devido à elevada complexidade dos protocolos e funções USB
nessa linguagem. Estudamos e utilizamos a linguagem C, do compilador C18 no
MPLAB C18.
62

O cabeçalho do código principal do Bootloader está apresentado na figura seguinte:
Figura 13 – Firmaware Mouse Demo
63

Na figura abaixo está descrita, em diagrama de blocos, o funcionamento do código
geral na PIC.
Figura 14 – Processo de inicialização
Após o modo de bootloader ter sido verificado no arranque e negado, o programa
coloca o “program counter” a 0x800, sendo este o inicio do código do programa
normal (principal) da PIC, o equivalente ao 0x000. As interrupções também são
deslocadas o mesmo número estando agora nas posições 0x808H (interrupções de
alta prioridade, alterada colocando um salto na 0x008H) e 0x818H (interrupções de
baixa prioridade, alterada colocando um salto na 0x018H).
Após o inicio do programa principal, são re-inicializados os registos, definidas
variáveis e colocados os estados nos portos e são inicializadas as portas dos leds para
coloca-los a piscar, em padrões definidos (ver tabela seguinte), consoante o estado de
comunicação do módulo USB (“InitializeSystem”).
De seguida, é configurado o módulo USB interno e inicializados os buffers dos
canais de entrada e saída. O estado da interface USB no hardware é verificada e o
serviço de enumeração e autenticação USB é inicializada (“USBTasks”). Caso a
enumeração não tenha terminado ou ainda se encontrar em progresso, a secção de
código do “ProcessIO” não é executada.
64

Quando a interface de comunicação USB estiver completamente configurada e
correctamente enumerada, os leds devem piscar alternadamente, indicando canal
preparado para comunicação. O programa ficará a correr em ciclo fechado apenas
colocando os leds nos estados lógicos do estado da interface USB, esperando a
recepção de um comando de controlo vindo pelo USB por parte da aplicação no PC
(“USBTasks”), executando o código do comando correspondente, preparando os
dados para envio da resposta de volta à aplicação no PC (“ProcessIO”) e envio dos
dados na secção (“USBTasks”).
Estado Interface USB Estado dos leds
SUSPEND 1: Toggle – 2: =LED1
DETACHED_STATE 1: Off – 2: Off
ATTACHED_STATE 1: On – 2: On
POWERED_STATE 1: On – 2: Off
DEFAULT_STATE 1: Off – 2: On
ADDRESS_STATE 1: Toggle – 2: Off
CONFIGURED_STATE 1: Toggle – 2: !LED1
Tabela 6 – Estado de funcionamento USB
5.3 – Software de Interface Gráfica no PC
Recorreu-se ao Visual Basic 6.0 para desenvolver a aplicação de interface com o
dispositivo, utilizável no PC, visto ser uma linguagem de alto nível, de programação
orientada a objectos que permite desenvolver uma interface de utilizador com
facilidade e rapidez. A interface gráfica desenvolvida até ao momento encontra-se
65

apresentada nas imagens seguintes, tanto para a parte de osciloscópio digital, tanto
como de analisador lógico.
Figura 15 – Interface windows
A aplicação em Visual Basic 6 foi baseada na aplicação de interface com o exemplo
do HID MOUSE EXAMPLE da Microchip, apresentado na figura seguinte.
Figura 16 – Interface Windows basica
A aplicação demonstra o envio de um byte para a PIC por USB e a recepção desse
mesmo byte por parte da aplicação. Permite enviar o byte a cada clique num botão,
ou continuamente num intervalo de tempo predefinido. O código em que nos
66

aseamos principalmente está contido num módulo de declarações de API’s de
interface USB (“Application Programming Interface”) que permite utilizar as
funções existentes de interface USB no sistema operativo. Para além do módulo de
API’s existente neste exemplo, foi necessário recorrer ao uso de outros módulos,
pesquisados e obtidos na Internet, posteriormente modificados para serem utilizados
na aplicação. Entre eles destacam-se os módulos de classes com funções de API’s de
contadores de alta performance, visto os timer’s do VB não terem a resolução
suficiente para determinarem intervalos de tempo de transferências por USB, pois a
resolução mínima deles é 1ms e não contam o intervalo de tempo quando o código da
sua interrupção é executado. As funções o timer de alta performance é baseado no
numero de clocks do CPU entre o inicio e a paragem do clock. Recorreu-se à
construção de um módulo de manipulação de bits visto ser necessária a conversão de
valores decimais para binário e vice-versa, decimal para hexadecimal e vice-versa,
binário para hexadecimal e vice-versa. A maior parte destas funções está presente na
livraria de desenvolvimento MSDN fornecida em conjunto com o Visual Studio 6.0
no qual está presente o Visual Basic 6.0 tendo o inconveniente de a maior parte das
funções serem encontradas se for conhecida a sua designação e finalidade, daí a
pesquisa por módulos já existentes.
A componente de código do DFT (Direct Fourier Transform) foi obtida na Internet
através da análise do código de uma função de um projecto de um osciloscópio
digital, desenvolvido numa outra faculdade. O link pode ser encontrado nas
referências. Actualmente a análise da DFT só é executada no canal a ser amostrado
de momento.
O analisador lógico, apresentado na figura da direita, lista a amostragem a ser
efectuada na PIC, 16 bits de cada vez. A amostragem está a ser feita a 16 bits, por
pedido da aplicação no PC. De momento a FIFO ainda não foi implementada,
limitando o funcionamento do analisador lógico. Taxa de amostragem seguida
409600 Hz, até 512 amostras guardadas no buffer interno. Taxa de amostragem por
pedido de interrupção de USB encontra-se nos 75Hz devido ao tempo de pedidos de
dados por parte da aplicação no PC. Análise da interface USB na PIC indica que é
possível atingir taxas de amostragem e taxas de transferências elevadas.
67

A PIC têm capacidade de enviar dados pela interface USB a cada milissegundo,
possui 16 canais (“endpoints” ), cada um com 64bytes por transferência, totalizando
cerca de 1024 KBytes por segundo de transferência máxima, ou 8Mbits por segundo.
Taxa de amostragem perto de 1MHz é teoricamente possível (em tempo real),
embora com utilização da FIFO possa atingir os 66Mhz.
68

6 - Placa Programadora
6.1 - Programador JDM
Na figura seguinte é apresentado o programador. As tensões da porta série não
possibilitam a programação directa da PIC. Para se programar uma PIC precisa-se
“Ground”, +5V para alimentação e +12.5V para o sinal de programação. A norma
RS232 indica que o valor lógico 0 está entre -3V a -25V (normalmente a -12V) e o
valor lógico 1 está entre +3V a +25V (normalmente a +12V). A norma RS232
estabelece como valores válidos para o valor lógico 0 o intervalo de -8V a -12V e
para o valor lógico 1 o intervalo de +8V a +12V. Na maioria dos PC’s as tensões dos
sinais andam perto de -8V e +8V.
Figura 17 – Programador JDM em schematic
69

Para se conseguir obter +12.5V de tensão de programação, cria-se uma massa de
alimentação da PIC que está a -5V relativamente ao Ground da porta série. Desta
forma o Ground da porta série está a +5V do Ground da PIC, servindo ela como
alimentação para a mesma. O condensador de 22uF carrega-se relativamente à queda
de tensão dos 2 diodos 1N 4148 (à direita) estabilizando-se no zener 5v1, servindo de
fonte de alimentação +5V. O condensador de 100uF carrega-se relativamente à
queda de tensão do diodo 1N 4148 (à esquerda) e do transístor 2N 3904 (à esquerda)
estabilizando-se na série dos zener 5v1 e 8v2 a cerca de 13V. Esta tensão é utilizada
para programação da PIC. Os sinais dos restantes pinos podem ser obtidos
directamente da porta série do PC, sendo estes os Data e Clock, obtidos
respectivamente do CTS, DTR e RTS. Este método é utilizado normalmente nos
programadores de alimentação por porta série, não tendo muito sucesso devido ás
características de temporização e consumo de Vpp da PIC, sendo neste desenho já
compensado da maneira descrita acima.
Frisa-se que este programador só funciona correctamente com um software de
programação preparado para ele. ICPROG 1.4 não funciona. Winpic800 funciona.
6.2 - Construção
Figura 18 – Programador JDM em PCB
O software escolhido para desenvolver esta placa circuito impresso foi o Eagle da
Cadsoft, versão 4.16. Este programador suporta PIC’s de 40, 28,18 e 8 pinos. A
figura acima mostra o PCB enquanto a figura seguinte mostra o esquemático.
70

6.3 – Utilização
Figura 19 – Programador em schematic completo
Na utilização deste programador convém ter em conta algumas medidas a serem
executadas, de modo a não danificar o programador, a PIC ou a porta série do PC.
Referem-se as seguintes:
Colocar a PIC no programador, estando ele desconectado de tudo.
1º. Colocar a PIC no programador, estando ele desconectado de tudo.
2º. Ligar o cabo série, ou o programador à porta série do PC.
3º. Programar, ler, etc (Descrito na parte do software, mais abaixo).
4º. Desligar o cabo série, ou o programador da porta série do PC.
5º. Remover a PIC do programador.
71

6.4 – Software
Foi escolhido o Winpic800 como software para programar em conjunto com este
programador. O facto de ser grátis, de utilização intuitiva e bastante compatível com
este programador levou à sua preferência. Nas figuras seguintes demonstra-se o
procedimento para programar um ficheiro compilado no formato hexadecimal
(*.hex) que será descarregado para a PIC.
Figura 20 – Palabras de configuração
Na figura acima, estão apresentadas as palavras de configuração do ficheiro “hex”
compilado. Estas servem para determinar a configuração do hardware onde será
descarregado, desde frequência de operação a definições de timer’s, programação de
baixa voltagem, AD’s internos, entre outros.
A próxima figura mostra o código em blocos hexadecimais, código esse que será
descarregado na PIC.
72

Figura 21 – Interface principal WinPic800
Os procedimentos para descarregar um ficheiro compilado para uma PIC através do
programador, estão descritos nas figuras seguintes.
1º. Iniciar aplicação Winpic800. Ao iniciar, o programador deve estar com a PIC já
inserida. A aplicação tenta fazer a auto-detecção do modelo da PIC. Se tiver sucesso,
o modelo será indicado, como na figura seguinte. Caso falhe a detecção, será
indicado como “Desconhecido”.
Figura 22 – Detecção de pic no WinPic800
73

2º. Ir a “Menu” -> “Configuração” -> “Hardware” e seleccionar “JDM
Programmer”. Escolher a porta série correspondente, neste caso COM1.
3º. Ir a “Menu” -> “Configuração” -> “Software” e seleccionar as seguintes
opções:
“General” -> Nada.
“Programar” -> “Verificar após programação”
“Dispositivo” -> “Usar Autoseleccção(…)” e “Detectar e autosel(…)”
“.hex” -> “Actualizar ficheiro (…)” e “File .HEX -> Data(…)”
“AVR” -> Nada.
“ICSP-Mode” -> “Code” , “Data” e “Configuration”
4º. Ir a “Ficheiro” -> “Abrir” e navegar até ao ficheiro *.hex que se deseja
descarregar para a PIC.
5º. Ir a “Dispositivo” e seleccionar “Programar Tudo”.
Se tiver sucesso na programação a barra ficará verde no fim e um aviso será
mostrado a indicar que a programação foi bem sucedida (Figura abaixo). Se não tiver
sucesso, será mostrado também um aviso, e a programação será interrompida. No
caso dos portáteis, certas interfaces RS232 não tem níveis de tensões suficiente altos
para permitir a programação, mas recomenda-se que se tente umas 10 vezes antes de
desistir.
Após a programação deve seguir-se os passos descritos na secção de hardware
anteriormente (remover cabo, retirar PIC, etc).
74

Figura 23 – Processo de escrita WinPic800
75

7 – Construção caseira de PCB
Neste capítulo mostramos duas maneiras fáceis de fazer placas de circuito impresso
em casa. Uma por via lâmpadas ultravioletas e outra com ferro de engomar caseiro.
Método com Lâmpadas UV
Este método é um pouco mais caro, caso não se tenha ainda o equipamento
necessário, que foi o nosso caso. Como previamente já possuíamos experiencia na
criação de placas de circuito impresso, o desenvolvimento tornou-se mais rápido. O
processo é dividido em várias fases:
Passo 1:
Figura 24 – Placa de cobre
Deve ser raspada a placa de cobre de maneira a retirar toda a sujidade, gordura ou
humidade. Para tal aconselha-se usar um esfregão de cozinha bem seco e sem
gorduras, ou seja, novo. Deve esfregar a placa até esta ficar com a placa de cobre
76

em limpa e uniforme. De seguida, deve-se limpar com um lenço de papel o pó e
resíduos que possam ter acumulado.
Figura 25 – Cobre polido
Em seguida deve ser colocada uma camada de “Positivo 20” na placa de cobre de
uma maneira rápida e uniforme, pois, se for demorado, o cobre começa a oxidar.
Deve-se deixar repousar o Positivo 20 por cerca de 30 mim, num local com ausência
de luz tanto solar como artificial.
Passo 2:
Depois de ter o desenho das pistas feito numa aplicação, o Eagle por exemplo, deve-
se imprimir o esquema em acetato com qualidade fotográfica.
Figura 26 – Acetado do layout
77

Seguidamente deve-se colocar a placa em cima do acetato de forma correcta e leva-la
a 2 minutos de exposição a radiação ultravioleta.
Figura 27 – Maquina de foto impressão
Este é o nosso protótipo do aparelho de foto impressão, depois de feita a foto
impressão passamos a placa numa solução aquosa de soda cáustica, que testamos
anteriormente, para retirar o excesso de positivo 20.
Passo 3:
Neste passo mergulha-se a placa numa solução de percloreto de ferro onde o cobre
em excesso será retirado.
Figura 28 – Corrosão em percloreto de ferro
78

Um conselho, pegar numas luvas de borracha e ir mexendo a solução. Nesta fase é
preciso ter muito cuidado, pois os químicos são fortes. Recomenda-se muita
paciência, pois o processo pode ser demorado. NÃO ENTREM EM DESESPEROS
como aconteceu aqui, em que se aqueceu a solução num fogão e levando à corrosão
do material de cozinha… O problema foi o que a dona de casa achou da ideia…
Passo 4:
Figura 29 – Experiencias especiais
Após a retirada a camada do cobre, a placa deve ser limpa em água e depois deve ser
removida a camada restante de positivo 20 com álcool. Em seguida deve-se aplicar
um spray protector para o cobre não oxidar ou então estanhar as pistas.
Figura 30 – PCB estanhado
79

Este processo de fabricação é simples e consegue-se ter bastante qualidade no
acabamento final.
Método com ferro de engomar
1.º Passo – Desenhe o lay-out do circuito utilizando qualquer software para circuitos
eletrónicos. O nosso utilizado foi o Eagle 4.16 por ser “freeware”. Caso já tenha o
desenho em algum formato de imagem, pode utilizá-lo. Imprima com impressora
laser o desenho em uma folha de papel fotográfico para impressora jato de tinta e
verifique se o tamanho e as pistas estão corretas.
Figura 31 – layout em papel fotografico
2.º Passo – Prepare a placa limpando a superfície de cobre de sujidades, oxidação e
gordura, utilize algum produto químico ou se preferir, passe um esfregão de cozinha
(de preferência novo) que dá o mesmo resultado. Importante é que a placa não sofra
contacto com absolutamente nada nesta etapa, nem sequer soprar para a placa.
Coloque o papel com a face impressa sobre a placa já cortada no tamanho exacto.
80

Figura 32 – Foto impressão
3.º Passo – Com um ferro de engomar bem quente, pressione o papel sobre a placa
por aproximadamente 2 minutos. Escolha bem a superfície onde vai apoiar a placa,
evitando estragar alguma superfície com o calor do ferro. Cuidado também para não
exagerar ao fazer pressão e acabar danificar o ferro de engomar, pois, certamente vai
arranjar problemas com a mãe ou esposa...
Figura 33 – Aquecimento com ferro de engomar
4.º Passo – Feito isso, o toner impresso no papel estará preso no cobre da placa.
Nesta fase ainda não remova o papel da placa de cobre. Prepare uma pequena bacia
com água quente e um pouco de detergente, quantidade suficiente para cobrir a placa.
Mergulhe a placa na água e aguarde cerca de 30 minutos. Isso vai amolecer o papel e
facilitar sua remoção.
81

Figura 34 – Mergulho em água
5.º Passo – Remove-se o papel friccionando as pontas dos dedos sobre. Se for
preciso molhe algumas vezes a placa na água da panela e vá fazendo o movimento
com os dedos até retirar todo o papel.
Figura 35 – limpeza do exesso de papel
6.º Passo – Procede-se à corrosão do cobre não protegido pelo toner. Após a
corrosão ele é retirado com auxílio mais uma vez do esfregão de cozinha. Coloca-se
uma camada homogénea de verniz protector e perfura-se a placa. A placa deverá ter
uma qualidade parecida com uma produzida por métodos profissionais. Para a
corrosão deve-se utilizar percloreto de ferro ou outro, que poderá ser adquirido nas
lojas de electrónica.
82

Figura 36 – Placa concluida
Para placas de dupla face, primeiramente faz-se um lado seguindo os seis passos
descritos, porém na hora da corrosão proteje-se o lado sem toner com adesivo,
perfura-se a placa para se ter referências na outra face e procede-se novamente aos
seis passos, protegendo na hora da corrosão a face já pronta.
Atenção: Este processo só funciona com impressões feitas a partir de uma
impressora à laser, pois utilizam o toner na impressão que possui partículas metálicas
que ficarão agarradas no cobre durante o aquecimento com o ferro de passar;
portanto impressoras jacto de tinta não funcionam.
83

8 - Conclusão
Ao longo deste texto foram sendo apresentadas conclusões que permitiram sustentar
as opções de desenvolvimento efectuadas ao longo do projecto. Assim, nesta última
secção é realizada uma síntese das principais conclusões, consequências e relevância
do trabalho realizado e perspectivados futuros desenvolvimentos.
A interface por comunicação RS232, a porta série, não possui uma largura de banda
e taxa de transferência suficientes. Foi analisada a interface de comunicação via
Ethernet mas descartada visto não haver bases (conhecimento sobre hardware e
software) que suportassem o seu desenvolvimento. No entanto, esta ultima forma de
interface seria mais vantajosa do ponto de vista de desenvolvimento, em relação à
interface USB, pois possibilitava integração e controlo a partir de outros sistemas de
comunicação (poderia ser controlado e monitorizado a partir de qualquer sistema
com ligação Ethernet ou até mesmo por Internet).
Como alternativa, poderia ter sido escolhido um módulo de desenvolvimento USB
com conversão para RS232 não necessitando assim de um microprocessador tão
complexo, permitindo o uso de uma PIC 16F84A ou um AT89C51. No entanto, foi
escolhido o desenvolvimento de USB na PIC, visto que, em termos de aprendizagem,
permite obter um conhecimento mais aprofundado sobre esta interface de
comunicações do que o que seria possível com a utilização do módulo que se pode
considerar como “Plug and Play”. Se o objectivo deste projecto fosse a
comercialização imediata, seria viável reduzir o tempo e custo de desenvolvimento,
assim como obter uma robustez aparentemente garantida, a utilização deste módulo
seria uma opção bastante apelativa.
No que diz respeito a realização de hardware, este deve ser testado sempre que
possível em breadboard para garantir que na passagem do mesmo para PCB não
traga problemas futuros. Sempre que possível recomenda-se realizar módulos de
hardware e interliga-los entre si, pois, permite um desenvolvimento mais rápido e
eficaz do hardware, possibilitando teste passo a passo do desenvolvimento do
84

circuito. Com a filosofia dos blocos podemos também reutilizar o hardware
desenvolvido com outras finalidades.
Sempre que possível preparar e organizar com antecedência os procedimentos para a
realização da próxima etapa, pois assim pode-se verificar se os objectivos estão ou
não a ser cumpridos.
85

Referências Documentais
[1] – www.microchip.com
Application Notes and Source Codes [Assembly, C and Visual Basic]
[1.1] - http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=2121
[1.2] - http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1408
[1.2] - http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1469&filter1=function
[1.3] - http://www.lvr.com/hidpage.htm#MyExampleCode
[2] – http://pt.wikipedia.org
[3] – www.maxim-ic.com
[4] - http://pic18fusb.online.fr
[5] - www.jdm.homepage.dk/newpic.htm
[7] - http://www.microchipc.com/
[8] - http://www.ppgia.pucpr.br/~santin/ee/2005/1s/2/index.html
[9] - http://www.usbmadesimple.co.uk/ums_5.htm
[10] - http://www.hep.princeton.edu/~tziegler/electronics/microchip/C18compiler.html
Informação DFT’s
http://www.ppgia.pucpr.br/~santin/ee/2005/1s/2/index.html
Datasheet da PIC18F2455/2550/4455/4550 :
http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39632D.pdf
86

Datasheet MAX154/MAX158 [AD]
http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX154-MAX158.pdf
Datasheet MAX338/MAX339 [Switch]
http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX338-MAX339.pdf
Datasheet TL082 [Amplificar Operacional Eq. CA3240]
http://www.ortodoxism.ro/datasheets/nationalsemiconductor/DS008357.PDF
Datasheet 7812, 7912 [Reguladores de tensão]
http://www.geocities.com/romulo1954/DataBook/78XX.htm
http://www.tranzistoare.ro/datasheets/150/44435_DS.pdf
http://www.tranzistoare.ro/datasheets/320/438291_DS.pdf
Datasheet 74HCT245N [Buffer]
http://www.ortodoxism.ro/datasheets2/8/0utcapw7a6iaajft0o1x649sy2py.pdf
Datasheet CY7C4265V-15ASC [FIFO]
http://www.ortodoxism.ro/datasheets2/0/01795sszd1i0k9g2xp6od7eiizyy.pdf
Sebenta Engº João Paulo da Costa Baptista : "Arquitectura de Computadores. Micro
controlador PIC16F84A" em
URL( https://portal.isep.ipp.pt/INTRANET/conta/down_file.asp?c=134286 )
87

Documento MPLAB C18 (v3.00) C Compiler Getting Started :
http://www.microchip.com/Microchip.WWW.SecureSoftwareList/secsoftwaredownl
oad.aspx?device=en010014&lang=en&ReturnURL=http://www.microchip.com/stell
ent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1406&dDocName=en010014#
Documento MPLAB C18 (v3.00) C Compiler User's Guide :
http://www.microchip.com/Microchip.WWW.SecureSoftwareList/secsoftwaredownl
oad.aspx?device=en010014&lang=en&ReturnURL=http://www.microchip.com/stell
ent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1406&dDocName=en010014#
Documento MPLAB C18 Libraries Documentation :
http://www.microchip.com/Microchip.WWW.SecureSoftwareList/secsoftwaredownl
oad.aspx?device=en010014&lang=en&ReturnURL=http://www.microchip.com/stell
ent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1406&dDocName=en010014#
Documento PIC18F Development Tools Product Overview :
http://www.microchip.com/Microchip.WWW.SecureSoftwareList/secsoftwaredownl
oad.aspx?device=en010014&lang=en&ReturnURL=http://www.microchip.com/stell
ent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1406&dDocName=en010014#
Documento MPLAB IDE Quick Start Guide
http://www.microchip.com/Microchip.WWW.SecureSoftwareList/secsoftwaredownl
oad.aspx?device=en019469&lang=en&ReturnURL=http://www.microchip.com/stell
ent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1406&dDocName=en019469&part
=SW007002#
88

Documento MPLAB IDE User's Guide
http://www.microchip.com/Microchip.WWW.SecureSoftwareList/secsoftwaredownl
oad.aspx?device=en019469&lang=en&ReturnURL=http://www.microchip.com/stell
ent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1406&dDocName=en019469&part
=SW007002#
Conjunto documentos PICDEM Full Speed USB [Incluindo software disponivel]
http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=14
06&dDocName=en021940
Documentos Codigo-Fonte Microchip Exemplos [Variados]
http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=2121
Lista de módulos de interface de Ethernet
http://www.beyondlogic.org/etherip/ip.htm
Lista de módulos de interface USB
http://www.beyondlogic.org/usb/usbhard2.htm
89

Anexo A.
Placa de Aquisição de dados USB
Este equipamento foi criado com base na filosofia de blocos. Este dispositivo foi
desenvolvido com o propósito de suportar todo o equipamento necessário para
estabelecer a comunicação via USB. Possui a capacidade de ser interligado a outros
circuitos para outros fins, pois, possui fichas de conexão para os portos do PIC. Este
dispositivo permite também programar o PIC através da ligação directa aos pinos
correspondentes. Aqui temos o PCB da placa:
Figura 37 – USB PCB board
Figura 38 – USB layout Board
90

Anexo B.
Placa de tratamento de dados:
Este equipamento possui dois dos componentes principais do circuito. O AD e o
barramento de protecção das entradas do analisador lógico. O barramento de
protecção tem a função de proteger o circuito interno de surtos de tensão do circuito
exterior. Permite que seja ligado directamente ao barramento onde se deseja fazer a
leitura do analisador lógico, bem como liga-lo ao FIFO para permitir obter taxas de
amostragem superiores. O barramento do AD tem as entradas analógicas com uma
ficha de engate fácil. A placa recebe 4 sinais analógicos, que são convertidos para
digital através do AD e enviados para a PIC.
Figura 39 – Placa de tratamento de dados PCB
Figura 40 Placa de tratamento de dados SCH
91

Anexo C.
Placa de aquisição de sinal:
A parte de condicionamento de sinal resume-se a um conjunto de ampops que
transformam uma variação de sinal na entrada para uma variação de sinal na saída
entre [0,+5] V, independentemente dos valores de entrada, o ganho dos ampops pode
ser controlado por PC através de um switch analógico fornecido como sample da
Maxim.
Os Amplificadores Operacionais estão contidos num integrado (CA320EN), em par,
num formato DIP de 8 pinos. A primeira etapa tem montagem de amplificador
inversor. Este amplificador condiciona a onda de entrada “Vi” para que as
amplitudes máximas sejam sempre de 2.5 V de pico. O switch/multiplexer analógico
usado é o Max 338. Este componente permite fazer uma selecção das resistências de
forma simples e sem alterações no circuito de montagem inversora.
As entradas A0 a A2 são controladas pelo utilizador na aplicação em Visual Basic
permitindo total controlo do dispositivo.
Figura 41 – Condicionamento de Sinal PCB e SCH
92

Anexo D.
Fonte de alimentação:
Na alimentação do circuito, toda a energia de 0V até +5V é obtida a partir da
interface USB, estando já a PIC programada para permitir até 450 mA de corrente de
consumo do circuito completo. Para as tensões requisitadas pelo multiplexer e
amplificadores operacionais, positivas e negativas, utiliza-se um transformador de
220V / 12V (AC) com ponte rectificadora e 2 rectificadores de tensão para obter
+12V e -12V (7812 e 7912 respectivamente). A placa é parcialmente alimentada por
USB para permitir utilizar o analisador lógico em locais que não possuam energia
eléctrica. Também é possível amostrar sinais analógicos desde que estejam contidos
entre 0V e +5V, sem alimentação externa. Os condensadores electrolíticos têm a
função de manter a onda em +12 e -12 V e servem como desacoplamento para evitar
que altas frequências alterem o funcionamento normal da fonte.
O PCB do circuito em cima é o seguinte:
Figura 42 – Fonte de alimentação PCB e SCH
93

Anexo E.
Bootloader: (anexo digital)
Figura 43 – Bootloader code
94

Anexo F.
Código PIC: (anexo digital)
Figura 44 – PIC code
95

Anexo G.
Microchip C18 Toolsuite
Modo de instalação:
1º Instalar o MPLAB IDE 7.60 adquirido no site :
http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=14
06&dDocName=en019469&part=SW007002
De preferência instalar no directório predefinido no instalador.
2º Instalar o C18 3.12 Toolsuite adquirido no site:
http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=14
06&dDocName=en010014
De preferência instalar no directório predefinido no instalador.
3º Iniciar a aplicação MPLAB IDE
Após a instalação do MPLAB IDE recomenda-se a verificação do seu funcionamento
normal. Deve-se testar o seu funcionamento desenvolvendo algum código simples,
compilando e verificando o seu funcionamento. Após verificação da compatibilidade
procede-se ao passo seguinte.
96

4º Configurar o C18 com as seguintes opções:
“Project”->”Select language toolsuite”->Active toolsuite: Microchip C18 Toolsuite
Verificar as seguintes localizações dos executáveis em toolsuite contents:
MPASM Assembler: C:\(…)\MCC18\mpasm\mpasmwin.exe
MPLink Object Linker: C:\(…)\MCC18\bin\mplink.exe
MPLAB C18 C Compiler: C:\(…)\MCC18\bin\mcc18.exe
MPLIB Librarian: C:\(…)\MCC18\bin\mplib.exe
“Project”->”Set Language Tool Locations”->Microchip C18 Toolsuite
Executables:
MPASM Assembler: C:\(…)\MCC18\mpasm\mpasmwin.exe
MPLAB C18 C Compiler: C:\(…)\MCC18\bin\mcc18.exe
MPLIB Librarian: C:\(…)\MCC18\bin\mplib.exe
MPLink Object Linker: C:\(…)\MCC18\bin\mplink.exe
Default Search Paths & Directories:
Output Directory: “ “
Intermediates Directory: “ “
Include Search Path: “ “
Library Search Path: C:\(…)\MCC18\lib
Linker-Script Search Path: C:\(…)\MCC18\lkr
97

“Project”->”Version Control”->Version Control System: None
Configure->Select Device->”PIC designada para o código neste caso
PIC18F4550”
Configure-> Configuration Bits
No caso da nossa PIC aplicaram-se os seguintes Configuration Bits
Configure->Settings:
Workspace:
Figura 45 – Configuração de palavras no MPLAB
Automatically save workspace upon closing -> “Prompt”
98

Debugger:
Automatically save files before running
Show disassembly if source is unavailable
Remove breakpoints upon importing a file
Program Loading:
Projects:
Clear memory before building a project
Clear program memory upon loading a program
Close open source files on project close
Clear output windows before build
Save Project before build
Save files before build
Halt build on first failure
Use one-to-one project workspace model
Os passos acima descritos indicam como configurar o MPLAB C18 para executar o
nosso código. No caso de a instalação ser feita num directório diferente do proposto
na instalação, provavelmente, ao compilar o código, haverá um erro que indica que
o ficheiro “c018i.o” não foi encontrado. Para resolver este problema, deve-se
colocar o ficheiro (vai também em anexo no CD) no directório “C:\MCC18\lib\ “,
criando caso não exista, e no directório “C:\(…)\MCC18\lib\ “ onde foi instalado.
Ao compilar o projecto, o ficheiro NOME_DO_PROJECTO.hex será criado no local
da “output directory”, por defeito na mesma pasta onde se encontra o “Workspace”
do projecto.
Para criar um novo projecto, utilizar a opção “Project”-> “Project Wizard”.
99