TEXAS INSTRUMENTS MSP430 PORTÁTIL À BASE DE MICROCONTROLADOR

02/11/2019
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Anais do 6º European Embedded Design in Education and Research, 2014
TEXAS INSTRUMENTS MSP430 PORTÁTIL À BASE DE MICROCONTROLADOR
INSTRUMENTO MULTIUSOS PARA PLATAFORMAS ANDROID
por Robert Katona 1 e Dénes Fodor 2, membro do IEEE
Instituto de Mecatrônica Automotiva, Faculdade de Engenharia, Universidade da Panônia
Egyetem u. 10, 8200, Veszprem, Hungria
telefone: + 36-88 / 62-4777, fax: + 36-88 / 62-4776, e-mail: 1 [email protected], 2 [email protected],
web: http://autolab.uni-pannon.hu/
ABSTRATO
Dia após dia, mais e mais pessoas usam smartphones ou
tablets durante o trabalho e em casa. A maioria dos
smartphones opera no popular sistema operacional Android
do Google. Devido às exigências cada vez maiores do
mercado, esses dispositivos móveis evoluem muito
rapidamente, eles têm uma tela grande ou processador
suficientemente forte para visualizar e avaliar os dados de
medição em sua tela e capacidade de computação suficiente
para realizar análises de sinais como o real- tempo fast
Fourier Transform (FFT). Outra grande vantagem dos
smartphones é o potencial de conectividade sem fio (por
exemplo, Bluetooth). Com base nessa capacidade, eles
podem ser usados em medições de laboratório para exibir os
resultados e os alunos podem se movimentar sem a
suspensão das medições. Este artigo mostrará um
propósitoinstrumento de teste e medição, baseado em um
microcontrolador MSP430 de baixo custo e baixo consumo
de energia e capaz de se conectar a um smartphone Android
via Bluetooth. Combina várias funções em um dispositivo,
portanto, é uma boa oportunidade para instrumentos caros
utilizados nas medições de laboratório [1], [2].
1.
Atualmente, muitas pessoas têm smartphones nos bolsos,
então é óbvio usar esse dispositivo para plotar alguns dados
medidos em suas telas, grandes o suficiente para avaliar
sinais analógicos ou digitais. Eles têm poder de
processamento suficiente para analisar sinais de conteúdo
harmônico, distorção, ruído, vibração e outros pontos de
vista. Os principais benefícios da conexão sem fio são que a
medição pode ser avaliada e visualizada na tela sem perder a
mobilidade do usuário. Esse é um recurso muito útil para um
instrumento de laboratório.
Smartphones e tablets podem oferecer uma solução mais
flexível para qualquer medida. Os engenheiros seriam
capazes de escrever software especificamente para suas
necessidades de aplicação. Por último, mas não menos
importante, pode ser uma ótima ferramenta para os
entusiastas
substituirem
armários
volumosos
por
instrumentos caros.
2. CONCEITO BÁSICO
Gostaríamos de mencionar desde o início que, é claro,
não podemos cobrir todas as áreas onde osciloscópios,
multímetros e geradores são usados, por isso tentamos
encontrar um compromisso entre os preços e o desempenho
de cada circuito do instrumento. Queremos manter o preço
entre US $ 100 e US $ 200. As seguintes especificações
foram levadas em consideração: 200 MSPS, osciloscópio de
2 canais com função de coleta de dados e FFT em tempo real
, gerador de sinal de frequência de faixa sonora com geração
de sinal de onda senoidal pura de 1Hz-150kHz e uma função
multímetro que inclui resistência e tensão de faixa
automática medidor e um medidor de corrente de dois
intervalos. O conceito do instrumento pode ser visto na fig.
2)
INTRODUÇÃO E MOTIVAÇÃO
Na engenharia elétrica, não há como evitar ferramentas de
medição, como multímetro, osciloscópio e gerador de sinais.
Estes são instrumentos usados comuns durante experimentos
em sala de aula ou na realização de tarefas de pesquisa e
desenvolvimento. Estes instrumentos são caracterizados por
dimensões relativamente grandes, como na fig. 1 mostra e às
vezes eles devem ser caros. Esses fatores nos deram uma
idéia para desenvolver um instrumento portátil que integre
esses três instrumentos em um único pacote.
3. ANTECEDENTES DO HARDWARE
O instrumento pode ser dividido em cinco circuitos
individuais, conforme a fig. 3 shows. Existem dois circuitos
condicionadores de sinal para o gerador de osciloscópio e
função e existem três circuitos para as medições de corrente,
resistência e tensão. O núcleo do instrumento é um
microcontrolador de sinal misto MSP430F5525, que executa
tarefas de uso geral, como seleção de função, comunicação
entre ICs por I 2 C, UART, SPI e assim por diante. Os
processadores MSP430 são a melhor escolha do mercado, por
serem baratos, possuem modos de baixo consumo de energia,
diversos periféricos de sinal misto e canais de E / S.
MSP430F5525é excelente para o nosso projeto, pois é fácil
de programar, possui porta de E / S suficiente para atender os
dispositivos conectados, roda a 25 MHZ e possui controlador
DMA interno. A comunicação
Figura 1 - Instrumentos comumente usados em laboratório
978-1-4799-6843-5 / 14 / $ 31,00 © 2014 IEEE
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entre o instrumento e o Smartphone foi realizado com uma
conexão Bluetooth, onde foi utilizado o módulo transceptor
Bluetooth <-> UART pré-montado (JY-MCU) .
3.1 Implementação do gerador de sinal
O objetivo desse estágio é obter um sinal senoidal de alta
precisão e baixo ruído de 10 Hz a 150 kHz. O circuito
gerador de sinal é construído no conversor DA paralelo
THS5641 de 8 bits e em um circuito condicionador de sinal.
O controlador DMA interno do MSP430 fornece os dados da
onda senoidal da RAM interna do MSP430 para a entrada
digital do DAC. Um dos cronômetros do MSP430 aciona o
DMA. O MCU é executado em 25 MHz, a amostra por
período é 40 e a transferência de DMA requer um ciclo
mínimo de 4 instruções, de modo que uma frequência de
amostragem máxima de 6,25 MHz pode ser realizada. Isso
significa que cerca de 156 kHz de onda senoidal pode ser
gerada.
As 40 amostras por período são bastante baixas, portanto
a forma de onda de saída não é pura senoidal, de fato a saída
escalonada do conversor resulta em harmônicos de
alta frequência . Esses harmônicos aparecem em cada
múltiplo da taxa de amostragem, mais ou menos o tom
fundamental. Portanto, se o módulo que gera um sinal
senoidal de 20 kHz, amostrado a 100 kHz, harmônicos
podem ser vistos em 80, 120, 180, 220, ... kHz. A Figura 4
mostra o domínio da frequência da onda senoidal de 20 kHz
[5].
Figura 2 - Conceito básico do instrumento
A função de gerador de sinal foi realizada com o auxílio
do controlador DMA interno. Não está diminuindo a
velocidade do processador para que ele possa funcionar de
forma independente, independentemente de quaisquer
medições. Autorange tensão CA e CC, resistência à faixa
automática e detecção de corrente de duas faixas foram
construídas no circuito do multímetro. A detecção de tensão
de faixa automática foi realizada com um amplificador de
ganho programável de dois canais ( PGA113 ), onde o ganho
do amplificador pode ser definido por software. Um dos
canais é para medições de corrente contínua e outro é para
medições de corrente alternada. A chave de corrente e a faixa
de resistência foram feitas com chaves analógicas (
TS5A3159 e TS5A23157) A conversão digital analógica foi
feita com o conversor AD interno de 12 bits do MSP430.
Como a função do osciloscópio requer alta frequência de
amostragem, se a frequência do sinal medido estiver na faixa
de MHz e a velocidade do AD interno do MSP430 for muito
baixa, não será possível executar uma alta taxa de
amostragem. Portanto, dois conversores externos de dados
ADC08B200 foram utilizados para obter alta frequência de
amostragem [3].
Tom de 20 kHz
Harmônicas de sinal
Figura 4 - Espectro de saída do DAC
Como o gráfico ilustra, os harmônicos espectrais de
alta frequência podem distorcer o domínio da frequência do
sinal que é gerado. Para obter um sinal sinusoidal puro, é
necessário remover os harmônicos de alta frequência. A
Figura 5 mostra um sinal DAC bruto e o filtrado também.
Figura 5 - Saída DAC bruta e um sinal filtrado
Figura 3 - O diagrama de blocos do instrumento
Para manter o sinal sinusoidal puro, projetamos um
circuito que contém um filtro RC de primeira ordem
sintonizável digitalmente e um circuito de estabilização de
amplitude constante. Desta maneira, o sinal sinusoidal exato
de baixo ruído pode ser obtido em todas as frequências.
O gerador de sinal e a função do osciloscópio serão
descritos na próxima parte do artigo. A função multímetro
não será descrita em detalhes porque se baseia em um
método de medição muito comum [4].
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Figura 6 - Diagrama de blocos do gerador de sinal
Obtemos um sinal sinusoidal estável muito puro e com
amplitude na saída do instrumento de ~ 10 Hz a 150 kHz. A
medição de comparação foi feita com um osciloscópio
Tektronics, onde o sinal de referência foi feito com um
gerador de funções HAMEG HM8030 com a mesma
amplitude e frequência do sinal sinusoidal gerado. Nas
figuras a seguir podem ser vistos o sinal de saída do
instrumento (CH1) e o sinal de saída HAMEG (CH2).
Figura 8 - Onda senoidal bruta medida ~ 50 kHz e onda
quadrada de 400 kHz
3.3
Era muito importante obter uma fonte de tensão estável e
sem ruído para o circuito analógico, porque na presença de
qualquer ruído, o circuito poderia distorcer o sinal de entrada,
causando medições incorretas. Portanto, capacitores de filtro
foram empregados em muitos locais dos PCB e os filtros LC
foram usados para rejeição de ruído da fonte de alimentação.
O instrumento requer um adaptador externo de 5V DC. O
regulador de baixa evasão TLV1117 foi usado para produzir o
suprimento de 3V3. Possui uma grande eficiência e alta
capacidade de acionamento de corrente. A fase do gerador de
sinal de saída requer -5V de alimentação onde um TPS60400
foi usada para obter uma tensão negativa. Como o TPS60400
é um conversor de voltagem no modo de comutação que
pode gerar ruído considerável no circuito, distorcendo o sinal
de entrada do osciloscópio, como mencionado anteriormente.
Dois filtros LC foram empregados para eliminar o ruído
causado pelo conversor de modo de comutação. A frequência
de comutação é de cerca de 150-200 kHz, portanto a
frequência de corte do filtro (f 0 ) foi ajustada entre 2-5 kHz.
Figura 7 - Comparação da saída de sinal e da saída HAMEG
HM8030 a ~ 50 kHz e ~ 84 kHz
3.2
Fonte de Alimentação
Implementação do osciloscópio de dois canais
A função do osciloscópio é construída a partir de um
circuito condicionador de sinal e um conversor AD paralelo
ADC08B200 externo . O circuito de condicionamento de
sinais é necessário porque o ADC não pode lidar com a
entrada de tensão negativa e pode medir apenas tensão muito
baixa ou sinal de pico a pico de valor baixo. Para obter uma
medição de um sinal maior que a tensão de alimentação, é
necessário atenuar sua amplitude para a faixa de entrada do
ADC. Se a tensão CA for medida, também é necessário
adicionar uma tensão de compensação ao sinal de entrada
para obter
um terreno virtual de fornecimento intermediário . O
LMH6619 foi usado para essas tarefas porque possui baixo
ruído, alta velocidade e a saída pode ser conduzida até o
trilho de alimentação, de forma que seja adequada ao circuito
de entrada. O OPA364 foi escolhido para acionar o ADC
porque possui uma excelente capacidade de acionamento de
carga capacitiva e possui um pacote miniatura SOT-23 . Para
obter um comutador de faixa de voltagem digital , usamos
um PGA113 conectado ao MSP430 via SPI. O canal de duas
entradas possui dois circuitos de condicionamento de sinal
independentes e ADCs independentes, para que medições
simultâneas possam ser executadas ao mesmo tempo nas duas
entradas.
4.
SOFTWARE ANDROID
Um software simples foi escrito para testar os periféricos
do dispositivo. O software pode ser conectado ao instrumento
via Bluetooth para inicializar o gerador de funções ou o
osciloscópio. A comunicação é baseada em uma
comunicação serial simples, para a qual pacotes de 1 byte são
enviados. Na figura a seguir, a interface do usuário da função
de escopo pode ser vista onde o usuário pode alterar a divisão
da tensão de entrada ou a divisão do tempo. Ele também
pode escolher uma visualização de tiro único ou visualização
de modo contínuo com combinação de filtragem e
acionamento digital.
Com esse conceito, sem usar um DSP rápido, é necessário
usar um ADC paralelo e um ram paralelo para obter a maior
taxa de amostragem possível. O ADC08B200 possui memória
FIFO interna de 1kbyte, portanto não são necessárias RAMs
FIFO externas ( solução que consome espaço / custo ) e
possui multiplicador de clock para que no modo de
armazenamento com frequência de saída de 25 MHz MCU
com um multiplicador de oito, 200 MSPS possam ser
executados. As capturas de tela podem ser vistas na Fig. 8 de
um smartphone HTC One X durante as medições [6].
Figura 9 - Superfície andróide do osciloscópio
O acionamento do software de detecção de borda ascendente foi
implementado
3
para obter um sinal estável na tela. Existem algumas funções
de medição implementadas, como V p-p , V max , V min ,
frequência e essas funções aparecem no canto da tela de
O instrumento de medição apresentado é muito seguro e fácil
de usar, pois não há conexão direta por cabo entre o
smartphone e o instrumento.
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plotagem se a caixa de seleção Medir estiver marcada. A tela
de plotagem possui alguns recursos que o usuário pode usar,
como zoom horizontal multitoque e a opção de rolagem por
toque para definir uma largura de janela de exibição explícita.
Esses recursos oferecem uma capacidade de manipulação
muito fácil e rápida ao dispositivo.
Figura 11 - Conceito do futuro instrumento completo
Para concluir, um instrumento econômico de medição e
análise de múltiplos propósitos foi projetado, implementado e
testado. O instrumento tem muitas vantagens como
mobilidade, segurança, precisão e precisa apenas de um
telefone inteligente com capacidade Bluetooth, o que é muito
comum hoje em dia.
Figura 10 - FFT em tempo real
O usuário tem a oportunidade de salvar os dados medidos
em um arquivo TXT, para que o registro de dados possa ser
realizado. Com uma única caixa de seleção, o usuário pode
realizar uma FFT em tempo real, como mostra a Fig. 10 [4].
Essa função da FFT não diminui a velocidade das medições
porque os smartphones têm poder de processamento
suficiente para processar os cálculos em segundo plano,
enquanto novas aquisições de dados estão em andamento.
5.
Figura 12 - Versão protótipo do instrumento
7.
Planejamos equipar o instrumento com um analisador
lógico de 8 ou mais bits. Além disso, há planos para o
desenvolvimento adicional do circuito gerador de sinal. Um
gerador de forma de onda arbitrária e programável pelo
usuário seria uma função muito boa. E por último, mas não
menos importante, estamos pensando em uma versão
alimentada por bateria para criar uma versão mais portátil do
instrumento.
BENEFÍCIOS DO INSTRUMENTO
EM EDUCAÇÃO
No futuro, esse instrumento barato poderá ser usado
durante o curso de Bacharelado e Mestrado em Engenharia
em eletrônica, sensores e laboratórios de programação da
Universidade da Panônia. Deve substituir os enormes e caros
instrumentos de laboratório. Os estudantes de graduação
podem examinar facilmente os eletrônicos básicos e as leis
físicas com esta ferramenta. Eles podem gerar sinal de teste
em um circuito e podem usar a função do osciloscópio para
rastrear o sinal na placa. Nas aulas de sistemas embarcados,
os alunos podem olhar dentro da “caixa” e seguir o princípio
de um complexo sistema de medição. Eles podem escrever
software personalizado facilmente em C e descobrir as
funções do instrumento. Nas aulas de programação, os alunos
podem escrever softwares no PC ou em smartphones para se
comunicar e coletar dados do mundo real. No PC, o usuário
pode fazer conexões via Bluetooth ou USB e pode escrever
um programa LabView simples, por exemplo, para usar a
ferramenta.
6.
PLANOS FUTUROS
8.
AGRADECIMENTOS
Gostaríamos de agradecer à Texas Instruments pelas peças e
ferramentas fornecidas. Sem eles, o projeto não pode ser
realizado. Reconhecemos o apoio financeiro deste trabalho
pelo Estado húngaro e pela União Européia sob o
Projetos TAMOP-4.1.1.C-12/1 / KONV-2012-0017, 4.1.1 /
C- 12/1 / KONV-2012-0002 .
RESUMO
Durante o trabalho, desenvolvemos uma versão protótipo
de um instrumento multifuncional universal para um
dispositivo Android. Achamos que há muitas oportunidades
nessa solução. Esta é uma área muito inexplorada, não
existem instrumentos no mercado que possam ser conectados
sem fio a smartphones ou tablets e tenham essas funções que
foram apresentadas. Achamos que a ferramenta pode ser uma
boa alternativa a um armário volumoso com instrumentos
caros.
4
REFERÊNCIAS
[1] Estatísticas globais StatCounter, empresa de análise da web
[2] NVIDIA Inc., “ Os benefícios de vários núcleos de
CPU em dispositivos móveis ”, white paper, 2010.
[3] MSP430F5525, microcontrolador de 16 bits , ficha técnica
[4] Agilent Technologies, Guia de serviço do
multímetro Agilent 34401A, 2000.
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[5] Alan V. Openheim, Ronald W. Shafer,
Processamento digital , Prentice Hall, 1974.
[6] ADC08B200, Conversor A / D de 200 MSPS, ficha técnica
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https://www.htmlpublish.com/newTestDocStorage/DocStorage/581466056/bcl_581466056.htm
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