SAMISH - Sistema de Aquisição

Departamento de Engenharia Electrotécnica

S.A.M.I.S.H.
Sistema de Aquisição e Monitorização de Informação
Sensorial de um Helicóptero

Diogo Sousa, nº 042165697
João Cardoso, nº 042165686

Projecto Final de Curso de
Licenciatura em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Orientadores:
Prof. Tito Amaral
Prof. Filipe Cardoso

Fevereiro/2010

Curso:
Licenciatura em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Título do Projecto:
SAMISH - Sistema de Aquisição e Medição de Informação Sensorial de um
Helicóptero

Autores:
Diogo Rodrigues de Sousa, nº 042165697 - Ramo de Electrónica e Computadores
João Vitor Ramalho Cardoso, nº 042165686 - Ramo de Electrónica e Telecomunicações

Orientador:
Prof. Tito Gerardo Batoreo Amaral
Co-Orientador:
Prof. Filipe Duarte dos Santos Cardoso

Projecto entregue em:
Fevereiro de 2010

Sistema de Aquisição e Monitorização de Informação Sensorial de um Helicóptero

Agradecimentos
A realização deste projecto final é o culminar de um longo percurso académico,
o qual não teria sido possível sem o apoio, ajuda e motivação dos meus pais e família,
que sempre estiveram presentes e sempre compreenderam os motivos que me levaram a
roubar-lhes tempo para a escola, para o trabalho e para este projecto.
Aos colegas e amigos deixo aqui expresso um grande obrigado, por todo o apoio
e ajuda, mas principalmente pelos bons momentos e recordações da vida académica.
Obrigado aos nossos orientadores, Prof. Tito Amaral e Prof. Filipe Cardoso, por
acreditarem em nós e pela vossa orientação e ajuda ao longo do projecto. Por último,
mas não menos importantes, obrigado aos encarregados de trabalhos João Silva e Rui
Pimenta, pela paciência e disponibilidade.
João Vitor Ramalho Cardoso

Antes de mais gostaria de expressar os meus sinceros agradecimentos a todas as
pessoas que, de alguma forma, contribuíram para a realização deste Projecto Final de
Curso e de forma mais específica:
Ao Prof. Tito Amaral e Prof. Filipe Cardoso, orientadores do projecto, pela sua
coordenação, acompanhamento e motivação.
Por fim um agradecimento muito especial para os meus pais, amigos e Marisa
pelo permanente apoio e compreensão em cada momento da elaboração deste projecto.
Diogo Rodrigues de Sousa

-i-


Resumo
Os veículos aéreos autónomos (UAV - Unmanned Aerial Vehicle) têm vindo a
ser utilizados na vigilância e reconhecimento aéreo, onde a intervenção directa do ser
Humano é impossível, dispendiosa ou perigosa. O helicóptero é o veículo de eleição
devido à sua versatilidade dinâmica. No entanto é necessária a correcta aquisição e
processamento da informação sensorial existente no helicóptero, sendo este o contexto
do projecto SAMISH (Sistema de Aquisição e Monitorização de Informação Sensorial
de um Helicóptero).
O projecto é constituído por duas partes: uma estação remota e uma estação
base. A estação remota é constituída por uma rede sensorial que é composta por um
GPS, dois sonares, um acelerómetro, um giroscópio e um controlador ligados entre si
através de uma rede CAN (Controller Area Network). Esta rede consiste num
barramento composto por um par de fios e dois terminadores, proporcionando uma
comunicação em série. Os dados são recolhidos pelo nó CAN controlador que processa,
e envia os dados sensoriais através de um módulo ZigBee para uma estação base.
A estação base consiste numa aplicação para PC, desenvolvida na linguagem C#,
que permite a monitorização dos dados sensoriais adquiridos remotamente. O PC,
recorrendo a um módulo ZigBee, recebe os dados enviados pela estação remota
permitindo a sua visualização e registo em base de dados.
As áreas de aplicação do projecto estendem-se, entre outras, à detecção de
incêndios, busca e salvamento e fotografia aérea, sendo para tal necessário adicionar à
rede CAN os sensores específicos para cada aplicação.

Palavras-chave: veículo autónomo aéreo, GPS, sonar, acelerómetro, giroscópio, CAN,
ZigBee, estação remota, estação base.

- ii -


Abstract
Unmanned Aerial Vehicle (UAV) have seen their applications in surveillance
and aerial recognition in situations where the direct Human intervention is impossible,
expensive or dangerous. The helicopter is the vehicle of choice due it´s dynamic
characteristics. The first step for controlling an unmanned aerial vehicle is the correct
acquisition and signal processing of the sensorial network in the helicopter, being this
the context of the SAMISH project.
The project is structured in two parts, a remote station and a base station. The
remote station consists in a sensorial network composed by a GPS, sonar,
accelerometer, a gyroscope and a controller node connected by CAN (Controller Area
Network). This network consists in a bus with a pair of lines and two terminators in
each end of the bus. The data is acquired and processed by a master CAN node, which
transmits the sensorial information to a base station via an ZigBee module.
The base station consists on a software application, developed in C#, which
allows the monitoring of the acquired sensorial data. The software application receives
the telemetric data through an ZigBee RF module, connected to a serial port (RS232),
and displays the information on the computer screen.
This project can be applied in areas, such as fire detection, search and rescue,
aerial photograph and others, requiring adding the desired sensors to the CAN network
for each specific application.

Keywords: unmanned aerial vehicle, GPS, sonar, accelerometer, gyroscope, CAN,
ZigBee, base station, remote station.

- iii -


Índice
Agradecimentos ................................................................................................................. i
Resumo ............................................................................................................................. ii
Abstract ............................................................................................................................ iii
Índice ............................................................................................................................... iv
Lista de Figuras ............................................................................................................... vi
Lista de Tabelas ............................................................................................................. viii
Lista de Siglas e Acrónimos ............................................................................................ ix
1. Introdução ..................................................................................................................... 1
1.1. Contexto e Motivação ............................................................................................ 1
1.2. Descrição Global do Projecto ................................................................................ 2
1.3. Organização do Trabalho ....................................................................................... 3
2. Conceitos Teóricos ....................................................................................................... 4
2.1. Sistema de Posicionamento Global........................................................................ 4
2.1.1. Contexto histórico ........................................................................................... 4
2.1.2. Conceitos básicos ............................................................................................ 5
2.1.3. Protocolo NMEA ............................................................................................. 9
2.2. O Ultra-Som ......................................................................................................... 12
2.3. Acelerómetro ....................................................................................................... 15
2.4. Giroscópio ............................................................................................................ 18
2.5. Controller Area Network (CAN) .......................................................................... 20
2.5.1. Características de uma rede CAN .................................................................. 20
2.5.2. Princípio de Funcionamento.......................................................................... 21
2.5.3. Sincronização ................................................................................................ 23
2.5.4. Tipos de Tramas numa Rede CAN ................................................................ 24
2.5.5. Detecção e Tratamento de Erros na Rede ..................................................... 26
3. Ferramentas de Desenvolvimento .............................................................................. 28
3.1. IDE MPLAB ......................................................................................................... 28
3.2. Programador PICKit2 .......................................................................................... 30
3.3. Programa X-CTU ................................................................................................. 31
3.4. Microsoft Framework .NET 3.5 ........................................................................... 33
3.4.1. Microsoft Visual C# Express ......................................................................... 33
3.4.2. Microsoft SQL Server Compact Edition........................................................ 34
4. Módulos XBee PRO 868 ............................................................................................. 36
5. Implementação da Estação Remota ............................................................................ 39
5.1. Funcionalidades dos Nós ..................................................................................... 40
5.2. Microcontrolador PIC18F2580 ........................................................................... 42
5.3. Nó GPS ................................................................................................................ 45
5.4. Nó Sonar .............................................................................................................. 50
5.5. Nó Acelerómetro.................................................................................................. 56
5.6. Nó Giroscópio ...................................................................................................... 64
5.7. Nó Controlador .................................................................................................... 70

- iv -


6. Implementação da Estação Base ................................................................................ 74
6.1. Funcionalidades da aplicação SAMISH .............................................................. 74
6.2. Modularidade de sensores .................................................................................... 76
6.3. Tratamento e visualização de dados .................................................................... 79
7. Resultados Experimentais .......................................................................................... 85
7.1. Actualização de Dados no Nó Controlador ......................................................... 85
7.1.1. Nó Acelerómetro ........................................................................................... 85
7.1.2. Nó GPS .......................................................................................................... 86
7.1.3. Nó Giroscópio ............................................................................................... 87
7.1.4. Nó Sonar........................................................................................................ 88
7.2. Sinais Processados no Nó Sonar .......................................................................... 89
7.3. Sinais Processados no Nó Giroscópio ................................................................. 91
7.4. Barramento CAN .................................................................................................. 92
7.5. Testes de Cobertura dos Módulos XBee .............................................................. 93
8. Conclusões e Desenvolvimentos Futuros ................................................................... 96
Bibliografia ..................................................................................................................... 97
Anexos ............................................................................................................................ 99
Anexo A - Esquemas eléctricos ............................................................................ 100
Anexo B - Placas de circuito impresso.................................................................. 106
Anexo C - Código em C implementado em cada PIC .......................................... 112
Anexo D - Código fonte em C# do software SAMISH......................................... 121

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Lista de Figuras
Figura 1 - Diagrama de blocos geral do projecto SAMISH. .......................................... 2
Figura 2 - Diagrama de blocos pormenorizado do projecto SAMISH. .......................... 2
Figura 3 - Constelação dos vinte e quatro satélites do sistema GPS (extraído de [3]). .. 6
Figura 4 - Cálculo da posição através da triangulação (extraído de [3]). ....................... 7
Figura 5 - Caracterização das gamas de frequência (extraído de [7]). ......................... 12
Figura 6 - Modelo mecânico de um acelerómetro (extraído de [12]). .......................... 16
Figura 7 - Estrutura de um acelerómetro MEMS (extraído de [13]). ............................ 16
Figura 8 - Representação dos três eixos de rotação. ..................................................... 18
Figura 9 - Giroscópio mecânico (extraído de [14]). ..................................................... 19
Figura 10 - Arquitectura de um nó CAN. ....................................................................... 21
Figura 11 - Barramento CAN. ......................................................................................... 22
Figura 12 - Segmentação de um bit (extraído de [15]). .................................................. 23
Figura 13 - Ajuste do tempo Phase2 do bit (extraído de [17]). ...................................... 24
Figura 14 - Ajuste do tempo Phase2 do bit (extraído de [17]). ...................................... 24
Figura 15 - Transições de estados dos nós. .................................................................... 27
Figura 16 - Janela do IDE MPLAB. ................................................................................ 28
Figura 17 - Clone do PICkit2 (em cima) e PICkit2 (em baixo). .................................... 30
Figura 18 - Aspecto da janela inicial do X-CTU. ........................................................... 31
Figura 19 - Teste de cobertura no X-CTU. ..................................................................... 32
Figura 20 - Lista dos parâmetros configuráveis do módulo XBee através do X-CTU. ... 32
Figura 21 - Ambiente de desenvolvimento Visual C#.................................................... 34
Figura 22 - Aspecto de um módulo XBee PRO 868. ...................................................... 36
Figura 23 - Ficha do tipo RPSMA................................................................................... 37
Figura 24 - Antena do tipo dipolo simples articulada. ................................................... 38
Figura 25 - Diagrama de radiação de um dipolo simples (extraído de [26]). ................. 38
Figura 26 - Rede de aquisição de dados. ........................................................................ 39
Figura 27 - Exemplo das ligações para a rede CAN. ...................................................... 40
Figura 28 - Exemplo das ligações para o PICKit2. ........................................................ 41
Figura 29 - Exemplo das ligações para o modo de debug. ............................................. 41
Figura 30 - Tranceiver MCP2551 (extraído de [28]). .................................................... 43
Figura 31 - Aspecto do receptor GPS U-Blox5 SAM-LS (extraído de [29]). .................. 45
Figura 32 - Diagrama de blocos do U-Blox5 SAM-LS (extraído de [29]). ..................... 46
Figura 33 - Diagrama de blocos do nó GPS. .................................................................. 47
Figura 34 - Fluxogramas do programa do nó GPS. ........................................................ 48
Figura 35 - Placa do circuito impresso do nó do GPS em pormenor. ............................ 49
Figura 36 - Sonar SRF04 da Devantech (extraído de [30]). ........................................... 50
Figura 37 - Ligações do sonar SRF04 (extraído de [30]). .............................................. 50
Figura 38 - Diagrama temporal do funcionamento do sonar SRF04 (extraído de [30]). 51
Figura 39 - Diagrama de radiação do sonar SFR04 (extraído de [30])........................... 52
Figura 40 - Fluxograma do software utilizado no PIC do nó Sonar............................... 53
Figura 41 - Diagrama de blocos do nó do sonar. ............................................................ 54

- vi -


Figura 42 - Placa do circuito impresso do nó Sonar. ...................................................... 55
Figura 43 - Diagrama de blocos do MMA7270Q (extraído de [31]). ............................. 57
Figura 44 - Diagrama de blocos do nó acelerómetro...................................................... 59
Figura 45 - Intervalo de tempo entre aquisições do nó Acelerómetro. .......................... 60
Figura 46 - Fluxogramas do nó acelerómetro. ................................................................ 61
Figura 47 - Janela deslizante de três posições ................................................................ 62
Figura 48 - Placa do circuito impresso do nó do Acelerómetro. .................................... 63
Figura 49 - Giroscópio EK2-0704 da E-Sky. .................................................................. 64
Figura 50 - Sinal de inicialização do giroscópio. ........................................................... 64
Figura 51 - Diagrama de blocos do Nó Giroscópio ........................................................ 65
Figura 52 - Sinal do giroscópio na posição de repouso (extraído de [33])..................... 66
Figura 53 - Fluxograma do programa no microcontrolador do nó Giroscópio. ............. 67
Figura 54 - Placa do circuito impresso do nó Giroscópio. ............................................. 69
Figura 55 - Fluxogramas do nó Controlador. ................................................................. 70
Figura 56 - Placa do circuito impresso do nó Controlador. ............................................ 72
Figura 57 - Placa do circuito impresso do emissor XBee. .............................................. 73
Figura 58 - Aspecto da janela principal da aplicação SAMISH. .................................... 74
Figura 59 - Aspecto da janela de configuração de sensores. .......................................... 76
Figura 60 - Diagrama de classes da aplicação SAMISH. ............................................... 78
Figura 61 - Sequência de processamento da aplicação SAMISH. ................................. 79
Figura 62 - Exemplo de visualização de uma grandeza analógica. ................................ 81
Figura 63 - Exemplo de visualização dos dados do GPS. .............................................. 82
Figura 64 - Exemplo de evolução temporal da aceleração nos três eixos do sensor. ..... 83
Figura 65 - Localização geográfica do receptor GPS no Google Maps ......................... 84
Figura 66 - Taxa de actualização dos dados provenientes do nó Acelerómetro............. 85
Figura 67 - Taxa de actualização dos dados provenientes do nó GPS. .......................... 86
Figura 68 - Taxa de actualização dos dados provenientes do nó Giroscópio. ................ 87
Figura 69 - Taxa de actualização dos dados provenientes do nó Sonar. ........................ 88
Figura 70 - Eco do sonar (0,5 m). ................................................................................... 89
Figura 71 - Eco do sonar (15 cm). .................................................................................. 90
Figura 72 - Trigger do sonar. ......................................................................................... 90
Figura 73 - Saída do sinal (a) e réplica (b) do sinal amostrado no microcontrolador. ... 91
Figura 74 - Sinal transceiver/barramento (a) e PIC/transceiver (b). ............................. 92
Figura 75 - Trama completa no barramento CAN (Nó Giroscópio). .............................. 92
Figura 76 - Parâmetros configurados no X-CTU para o teste de cobertura. ................... 93
Figura 77 - Detalhe da zona e percurso do teste de cobertura dos módulos XBee. ........ 94

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Lista de Tabelas
Tabela 1 - Descrição de uma frase RMC. ..................................................................... 11
Tabela 2 - Velocidade do som de acordo com o meio físico (baseado em [9])............ 14
Tabela 3 - Camadas do modelo OSI (extraído de [16]). ............................................... 22
Tabela 4 - Constituição das tramas de dados numa rede CAN (extraído de [15]). ....... 25
Tabela 5 - Intensidade de corrente eléctrica dos módulos XBee (extraído de [21]). .... 37
Tabela 6 - Numeração dos identificadores dos nós na rede CAN. ................................ 39
Tabela 7 - Selecção da escala do acelerómetro (baseado em [31]). ............................. 57
Tabela 8 - Valores de tensão do acelerómetro em repouso. ......................................... 58
Tabela 9 - Trama construída no nó Controlador........................................................... 71
Tabela 10 - Campos da tabela Sensores. ........................................................................ 76
Tabela 11 - Posições da trama recebida. ........................................................................ 80
Tabela 12 - Resultados do teste de cobertura dos módulos XBee. ................................. 95

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Lista de Siglas e Acrónimos
ACK Acknowledge
ADC Analog-to-Digital Converter
ADO ActiveX Data Object
ANACOM Autoridade Nacional de Comunicações
API Application Programming Interface
ASIC Application-Specific Integrated Circuit
CAN Controller Area Network
CLR Common Language Runtime
CR Carriage Return
CRC Cyclic Redundancy Check
CSV Comma Separated Values
DOD Department of Defense
ECU Electronic Control Unit
ESG Electro Static Gyroscopes
FOG Fiber Optic Gyroscope
GPRMC GPS Recommended Minimum Data
GPS Global Positioning System
I/O Input/Output
IDE Integrated Development Environment
ISO International Organization for Standardization
LCC Logic Connection Control
LF Line Feed
LORAN Long Range Radio Aid to Navigation
MAC Media Access Control
MEMS Micro Electro-Mechanical Systems
MIPS Millions of Instructions Per Second
MIT Massachusetts Institute of Technology
MSDN Microsoft Software Developer Network
NMEA National Marine Electronics Association
NMR Nuclear Magnetic Resonance
OSI Open Systems Interconnection

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PC Personal Computer
PIC Peripheral Interface Controller
PPS Precise Positioning Service
PRN Pseudo-Random Noise
PVT Position, Velocity, Time
QNAF Quadro Nacional de Atribuição de Frequências
RAM Random Access Memory
REC Received Error Counter
RF Rádio Frequência
RHCP Right-Hand Circular Polarization
RLG Ring Laser Gyroscope
RMC Recommended minimum specific GPS/Transit data
ROM Read Only Memory
RPSMA Reverse Polarity SubMiniature version A
RTCM Radio Technical Commission for Maritime Services
RTR Remote Transmission Request
RX Reception
SAMISH Sistema de Aquisição e Monitorização de Informação Sensorial de um
Helicóptero
SAW Surface Acoustic Wave
SONAR SOund Navigation and Ranging
SPS Standard Positioning System
SQL Structured Query Language
TEC Transmitted Error Counter
TX Transmission
UART Universal Asynchronous Receiver-Transmitter
UAV Unmanned Aerial Vehicle
UHF Ultra High Frequency
UML Unified Modeling Language
USID Ultrasound Identification
UTC Universal Time Coordinated
WGS World Geodetic System

-x-


1. Introdução
1.1. Contexto e Motivação
A proliferação de veículos aéreos autónomos (UAV – Unmanned Aerial Vehicle)
nos últimos anos tem crescido bastante, em grande parte, na sua vertente militar, mas
também na utilização civil. Este tipo de veículos é indispensável em aplicações onde a
intervenção humana é impossível, perigosa ou dispendiosa. As áreas de aplicação,
tipicamente relacionadas com a área militar, tendem a dispersar para campos tão distintos
como a vigilância da mancha florestal, busca e salvamento, fotografia aérea,
reconhecimento militar, investigação de fenómenos atmosféricos em grande altitude,
comunicação rádio, e mais recentemente na agricultura de precisão.
A crescente capacidade de automação e comunicação e a evolução dos materiais
disponíveis tem permitido a operação destas aeronaves a distâncias e altitudes cada vez
maiores, tornando o seu potencial igual, ou mesmo superior, a outras aeronaves que
necessitam de transportar a bordo os sistemas de apoio à tripulação.
Em todos os tipos de utilização destes veículos existe a necessidade de adquirir e
processar a informação sensorial necessária à navegação autónoma.
A motivação do desenvolvimento deste projecto baseia-se na necessidade e
utilidade real deste tipo de sistemas nos mais diversos campos de aplicação. Neste
contexto, desenvolveu-se um Sistema de Aquisição e Monitorização de Informação
Sensorial de um Helicóptero (SAMISH).

-1-


1.2. Descrição Global do Projecto
O projecto encontra-se dividido em dois blocos funcionais distintos, constituídos
pela estação remota (hardware de aquisição) e pela estação base (software de
visualização), como ilustrado na Figura 1.

Figura 1 - Diagrama de blocos geral do projecto SAMISH.

Na Figura 2 está ilustrado o diagrama de blocos pormenorizado do projecto
SAMISH, onde a estação remota, localizada no helicóptero rádio-controlado, possui os
sensores necessários para a medição das grandezas físicas, que permitem caracterizar o
movimento e a posição do helicóptero. Este bloco integra um acelerómetro de três eixos,
dois sonares, um giroscópio, um receptor GPS e um emissor sem-fios (módulo ZigBee).
Cada sensor encontra-se ligado a um barramento CAN, utilizado para a comunicação com
um nó controlador. O nó controlador é responsável pela recepção de todas as grandezas
enviadas pelos sensores e a sua transmissão via RF (Rádio Frequência) para a estação base.
A estação base, constituída por um receptor sem-fios (módulo ZigBee) e um
computador pessoal (PC), encarrega-se da recepção dos dados sensoriais e da sua
visualização e representação gráfica.

Figura 2 - Diagrama de blocos pormenorizado do projecto SAMISH.

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1.3. Organização do Trabalho
Neste relatório descreve-se o detalhe funcional e técnico do projecto desenvolvido,
dividindo-se em oito capítulos.
No Capítulo 2 são apresentados os conceitos teóricos relacionados com o
desenvolvimento do projecto descrito neste relatório, tendo como objectivo dotar o leitor
do conhecimento base essencial.
No Capítulo 3 são apresentadas e explicadas de forma sucinta as ferramentas de
desenvolvimento, quer software quer de hardware, utilizadas para o desenvolvimento do
projecto exposto neste relatório.
No Capítulo 4 são apresentadas as características e os motivos que levaram a
escolher os módulos XBee PRO 868 para a comunicação sem fios.
No Capítulo 5, é apresentado em pormenor a implementação da estação base, mais
propriamente, as características de cada um dos sensores utilizados e dos nós sensoriais
desenvolvidos para integrarem na rede CAN implementada para as comunicações na
estação base.
No Capítulo 6 são apresentadas as características e funcionalidades da aplicação
desenvolvida em C# para a monitorização das informações sensoriais recebidas da estação
remota, implementada no helicóptero.
No Capítulo 7 são apresentados os resultados experimentais do conjunto de testes
realizados para verificar o funcionamento e desempenho do sistema de aquisição e
monitorização desenvolvido.
No Capítulo 8 apresentam-se as conclusões sobre o estado de maturidade do
projecto e a sua implementação em bases comerciais, apresentando-se sugestões para
evoluções futuras do mesmo, com base na experiência adquirida ao longo da sua
realização.

-3-


2. Conceitos Teóricos
Apresenta-se neste capítulo os conceitos teóricos associados a cada sensor existente
na estação remota e ao funcionamento de uma rede CAN.

2.1. Sistema de Posicionamento Global
O Sistema de Posicionamento Global, GPS (Global Positioning System), controlado
pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos da América, permite a localização, num
plano tridimensional do globo terrestre, de um receptor GPS. Uma constelação constituída
actualmente por trinta satélites em seis órbitas distintas, providencia o posicionamento
geoespacial, com cobertura a nível global, necessário ao funcionamento do GPS [1].
Os sinais rádio enviados pelos satélites permitem a um receptor GPS obter
informação sobre a sua localização, velocidade, direcção, referência de tempo e outras
informações de navegação. Estas informações são utilizadas nas mais diversas aplicações,
abrangendo desde a navegação automóvel a aplicações de uso militar [1].

2.1.1. Contexto histórico
O desenvolvimento e utilização de sistemas de posicionamento utilizando sinais
rádio, remontam ao início da Segunda Guerra Mundial. Os primeiros sistemas
desenvolvidos utilizavam estações base com emissores de longo alcance em baixas
frequências. Sistemas como o LORAN (Long Range Radio Aid to Navigation), Omega e
Decca foram os predecessores terrestres do actual sistema de posicionamento global e
impulsionaram tecnologicamente o seu aparecimento.
Inicialmente, desenvolvido para usos estritamente militares pelo Departamento de
Defesa (DOD) Norte-Americano, Ivan Getting e o Massachusetts Institute of Technology
(MIT), o sistema GPS consistia numa constelação de onze satélites e ficou operacional no
ano 1978. A ideia de tal sistema surgiu vários anos antes, mais precisamente em 1957, após
o lançamento do satélite russo Sputnik, o primeiro satélite artificial lançado em 4 de
Outubro de 1957. Uma equipa de investigadores do MIT reparou que, devido ao Efeito de
Doppler, o sinal rádio emitido pelo Sputnik, aumentava a sua frequência à medida que se
aproximava da posição dos investigadores e diminuia quando se afastava. Assim, a equipa
conseguiu determinar a órbita exacta descrita pelo satélite artificial.

-4-


Em 1983, o GPS foi autorizado para utilização civil pelo Presidente Norte-
Americano Ronald Reagan, em resposta ao incidente envolvendo o abatimento de um
avião comercial de uma companhia aérea Sul-Coreana, após entrar erradamente em espaço
aéreo Soviético. Em 1990 com o início da primeira Guerra do Golfo, o uso civil do sistema
GPS foi interdito, só sendo restabelecido em 1993, bem como a decisão de utilização livre
de custos a nível global.
Em 1995 com a activação do último dos vinte e quatro satélites em órbita, o sistema
GPS ficou completamente activo. Desde então, têm sido realizadas diversas melhorias
tecnológicas, incluindo o lançamento de seis satélites adicionais, que aumentaram
substancialmente, a fiabilidade e precisão de todo o sistema. Inicialmente, a resolução do
GPS permitia a localização de um receptor com um erro máximo de cem metros, sendo
agora na ordem dos dez a quinze metros. Com a utilização adicional de referências
terrestres é possível chegar a resoluções da ordem das poucas dezenas de centímetros [2].

2.1.2. Conceitos básicos
2.1.2.1. Princípio de funcionamento e aplicações
O GPS é formado por dois segmentos principais: o espacial e o terrestre. O
segmento espacial é constituído por vinte e quatro satélites, posicionados em seis órbitas
diferentes, quatro em cada órbita, Figura 3. Cada satélite GPS percorre a sua órbita em
torno do globo em doze horas, a uma altitude de cerca de 20.000 km.
O segmento terrestre é dividido em dois subsegmentos: o segmento de controlo e o
segmento de utilizador. O segmento de controlo é assegurado pelo Departamento de
Defesa Norte-Americano a partir de uma base Master localizada no Colorado (E.U.A.).
Com o auxílio de outras cinco estações de monitorização espalhadas pelo solo terrestre, o
segmento de controlo é responsável por processar os dados enviados pelos satélites e
transmitir de volta sinais de controlo e correcção.
O segmento de utilizador é composto pelos utilizadores dos diversos receptores
GPS espalhados pela Terra, seja na forma civil (SPS – Standard Positioning System) ou na
forma militar (PPS – Precise Positioning System).
Os satélites GPS transmitem dois sinais de rádio de baixa potência, na banda L. Os
receptores GPS civis usam a frequência L1 de 1575,42 MHz em UHF (Ultra-High
Frequency). O sinal L2 de 1227,6 MHz, é encriptado e apenas disponível para
equipamento militar, permitindo maior precisão na localização geoespacial. As

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informações que cada satélite transmite nas suas duas portadoras (L1 e L2) são: “código de
identidade” (um código pseudo-aleatório), dados de efeméride (posição de um objecto
astronómico no espaço) e dados de almanaque (informação sobre a órbita de cada satélite e
outras informações de estado). O código de identidade (PRN - Pseudo-Random Noise)
identifica qual o satélite que está a transmitir. Usa-se como referência dos satélites os seus
PRN, de um a trinta e dois. O código pseudo-aleatório permite que todos os satélites do
sistema partilhem a mesma frequência sem interferências [3].

Figura 3 - Constelação dos vinte e quatro satélites do sistema GPS (extraído de [3]).

As aplicações do GPS podem ser catalogadas em três grandes áreas: aérea,
marítima e terrestre. A história do GPS está intimamente ligada com a aviação.
Actualmente, o sistema é utilizado tanto na aviação militar, como na aviação civil, para
efeitos de navegação.
Quanto à utilização marítima do GPS este está tipicamente associado à navegação
de barcos de recreio, embarcações de pesca e transporte de cargas.
Nos últimos anos, uma das áreas onde se tem observado maiores desenvolvimentos e
crescente penetração no mercado é a utilização terrestre do GPS, mais concretamente na
navegação automóvel.
Contudo, existem outras aplicações terrestres do uso do GPS, como por exemplo, o
montanhismo, a caça e o ciclismo. Existem no entanto, utilizações do GPS que fazem uso

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de funcionalidades não associadas à localização do receptor, como infra-estruturas de
telecomunicações, por exemplo, para efeitos de sincronização e medições astronómicas
que utilizam o relógio de alta precisão do GPS.

2.1.2.2. Cálculo da posição
Um receptor GPS necessita de adquirir o sinal de pelo menos três satélites para
calcular a sua posição num plano bidimensional. Isto é, dois para as coordenadas de
latitude e longitude e um terceiro para o sincronismo do relógio. Por analogia, para obter
um posicionamento num plano tridimensional são necessários os sinais de pelo menos
quatro satélites. Satélites adicionais podem ser utilizados para garantir a fiabilidade,
robustez do funcionamento do receptor e minimizar o erro.
Para determinar a sua posição, um receptor GPS determina a sua distância ao
satélite através da medição precisa do tempo que os sinais emitidos pelo satélite levam a
chegar ao próprio receptor. Como o sinal enviado por cada satélite fornece a sua posição e
o momento preciso em que o sinal foi enviado, é possível determinar a latitude, longitude e
elevação a partir dos sinais recebidos de quatro satélites, três para o posicionamento
(latitude, longitude e altitude) e um satélite adicional para o sincronismo de relógio.
A Figura 4 ilustra o cálculo da posição através da triangulação. Em teoria, a
distância R1 pode ser calculada multiplicando o tempo que o sinal demora a chegar pela
velocidade a que este viaja (a velocidade da luz) [3].

Figura 4 - Cálculo da posição através da triangulação (extraído de [3]).

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Na prática, o cálculo da distância é determinado recorrendo a cálculos mais
sofisticados, de forma a corrigir/compensar as diversas fontes de erros no sistema GPS, tais
como:

• Atrasos na ionosfera e troposfera
Os atrasos estão relacionados com a velocidade de propagação nos diferentes
meios. No entanto, o sistema é capaz de calcular uma média do atraso para corrigir
parcialmente este tipo de erro;

• Sinal com caminhos múltiplos
Ocorre quando o sinal GPS é reflectido por objectos como prédios altos ou
montanhas, antes de alcançarem o receptor, provocando desvanecimento;

• Erros do relógio do receptor
O relógio interno do receptor não é tão preciso quanto o relógio atómico dos
satélites GPS, provocando erros na medição do tempo;

• Erros de órbita
Os erros de órbita, também conhecidos como erros de efeméride, representam erros
nas informações das posições dos satélites;

• Número de satélites visíveis
Quanto mais satélites um receptor GPS puder “observar” no céu, melhor será a
precisão. Prédios, terrenos, interferências electrónicas ou uma cobertura densa de
uma floresta, por exemplo, podem bloquear a recepção do sinal, causando erros de
posição ou possivelmente, nenhuma leitura de posição no receptor. Normalmente
os receptores GPS não funcionam no interior de casas ou outras coberturas, debaixo
de água ou da terra;

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• Geometria do posicionamento dos satélites
Refere-se à posição relativa dos satélites em qualquer instante. A geometria ideal
de um satélite é alcançada quando o ângulo que o separa dos restantes é maior.
Uma geometria propícia a erros ocorre quando os satélites estão alinhados em linha
recta ou num grupo bastante próximo.

Em aplicações específicas, os receptores GPS disponibilizam ao utilizador mais do
que as coordenadas da sua localização. Estas restantes informações, como velocidade,
direcção e outros dados de navegação, são calculadas pelo próprio receptor, com base na
informação da localização em medições consecutivas [3].

2.1.3. Protocolo NMEA
O protocolo NMEA 0183, normalmente designado apenas por NMEA (National
Marine Electronics Association), descreve um conjunto de mensagens de entrada e saída,
utilizadas na comunicação com um receptor GPS. Este protocolo tornou-se um standard da
indústria de receptores GPS [4]. Para além disso, existem alguns protocolos proprietários,
como por exemplo, o protocolo GARMIN, que permitem o acesso a funções específicas de
um determinado modelo.
Neste contexto desenvolve-se apenas a utilização do protocolo NMEA nos
receptores GPS apesar de este especificar, de forma genérica, a forma de comunicação
entre instrumentos electrónicos marítimos, como sonares, anemómetros, GPS ou piloto-
automático de navios.
Ao nível da camada física, a especificação NMEA recomenda a conformidade com
o standard EIA-422, apesar de a maioria dos receptores GPS disponibilizarem apenas uma
ou duas interfaces RS-232.
A camada de aplicação (dados) consiste num conjunto de frases onde são reunidas
informações específicas referentes ao tipo instrumento. No caso de um receptor GPS, as
frases NMEA disponibilizam dados de posição, número de satélites aos quais se encontra
ligado, entre outros.

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2.1.3.1. Formato das mensagens de saída
Uma mensagem ou frase NMEA é composta por:
• Símbolo de dólar ($);
• Identificador da frase (command word);
• Dados separados por vírgula (data words);
• Símbolo asterisco (*);
• Checksum da frase.

Segue-se um exemplo da estrutura de uma frase NMEA: “$GP<dados>*<checksum>

De notar que todos os identificadores de frase no protocolo NMEA, relacionados
com equipamentos GPS começam com os caracteres “$GP” [4].

2.1.3.2. Informação mínima recomendada para navegação GPS (RMC)
A frase RMC (Recommended minimum specific GPS/Transit data) disponibiliza a
informação mínima necessária à navegação por GPS. Este conjunto mínimo de elementos é
normalmente constituído pela posição, velocidade e tempo, designado por PVT (Position,
Velocity, Time). Apresenta-se de seguida um exemplo de uma frase RMC:

$GPRMC,200203.00,A,3831.31320,N,00850.34572,W,0.213,170.79,270709,,,A*7C

Na Tabela 1 apresenta-se a composição em detalhe de cada elemento da frase RMC
do protocolo NMEA.

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Tabela 1 - Descrição de uma frase RMC.

Nome Exemplo Descrição
Identificador $GPRMC Identificador da mensagem RMC
Hora UTC 200203.00 hhmmss.sss
Estado A A = dados válidos, V = dados inválidos
Latitude 3831.31 ddmm.mmmm
Indicador N/S N N = Norte, S = Sul
Longitude 850.35 dddmm.mmmm
Indicador E/W W E = Este, W = Oeste
Speed over ground [nós] 0.213
Course over ground [º] 170.79
Data 270709 Ddmmyy
Variação magnética n/a Não aplicável
Modo A A = Autónomo, D = GDPS, E = DR
Checksum *7C
<CR><LF> <CR><LF> Fim de mensagem

Os dados relativos à localização no protocolo NMEA (latitude e longitude) são
definidos utilizando o sistema de coordenadas WGS-84 (World Geodetic System 1984) [5].

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2.2. O Ultra-Som
O som consiste na propagação de uma frente de compressão mecânica em meios
materiais com massa e elasticidade, como o ar, a água, os gases, etc., com excepção do
vácuo. Um som puro monotónico caracteriza-se por ser um sinal sinusoidal com uma
frequência e uma amplitude constantes. Contudo, os sons são na sua maior parte
combinações de sinais [6].
A gama de frequências audíveis pelo Homem situa-se entre os 20 Hz e os 20 kHz,
estando acima e abaixo desta gama de frequências os ultra e os infra-sons respectivamente,
como se pode ver na Figura 5.

Figura 5 - Caracterização das gamas de frequência (extraído de [7]).

As ondas ultra-sónicas são geradas por transdutores ultra-sónicos. Um transdutor
tem como objectivo a transformação de um determinado tipo de energia num outro tipo de
energia, no caso dos ultra-sons é a transformação de energia eléctrica em energia mecânica
e vice-versa. Estes transdutores são feitos de materiais piezoeléctrico que apresentam um
fenómeno chamado efeito piezoeléctrico que foi descoberto por Pierre e Jacques Curie em
1880 [8]. Este fenómeno consiste na variação das dimensões físicas de certos materiais
quando sujeitos a campos eléctricos, bem como a criação de electricidade quando estes
materiais são sujeitos a variações de pressão provenientes, por exemplo, de uma onda
sonora. Esta característica permite a utilização do mesmo transdutor quer para a emissão
como para a recepção de sinais, sejam estes ultra-sónicos ou de outra natureza.
Como o ultra-som está fora da gama de frequências perceptíveis pelo ser humano,
podem ser aplicados em diversas situações com uma intensidade bastante elevada. As
aplicações do ultra-som de baixa potência têm como propósito a transmissão de energia
através de um determinado meio para obter informação sobre o mesmo. As aplicações dos

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ultra-sons de alta potência têm como objectivo produzir alterações no meio através do qual
se propagam as ondas ultra-sónicas. Alguns exemplos de aplicações dos ultra-sons são [7]:

• Diagnóstico e tratamento na medicina
O diagnóstico baseia-se na reflexão das ondas ultra-sónicas para a criação de uma
imagem em tempo real da zona que está a ser analisada, fornecendo um meio de
diagnóstico mais seguro do que os meios de radiação ionizante por ser um método
não invasivo. O exemplo mais conhecido são as ecografias. As ondas ultra-sónicas
de alta potência têm aplicações no tratamento de algumas doenças, devido à sua
característica destrutiva do meio onde as ondas se propagam;

• Limpeza ultra sónica
Com ondas ultra-sónicas, geralmente na gama dos 20 kHz aos 40 kHz, é possível
proceder à limpeza de joalharia, lentes, instrumentos cirúrgicos, etc. Este tipo de
limpeza consiste na vibração das partículas de sujidade, quando sujeitas às ondas
ultra-sónicas, nas cavidade microscópicas do objecto a ser limpo, fazendo com que
estas se libertem do objecto;

• Identificação ultra-sónica
A identificação por ultra-sons (USID – Ultrasound Identification) baseia-se num
sistema de localização em tempo real, utilizado para monitorizar e identificar a
localização de diversos objectos, recorrendo a uma rede composta por vários nós
com identificadores embebidos nos objectos, que emitem ondas ultra-sónicas e
microfones para a detecção da localização dos mesmos;

• Química
Consiste na utilização das ondas ultra-sónicas para a separação de camadas que
constituem uma molécula, através da pressão ou temperatura gerada pela aplicação
das ondas ultra-sónicas à solução aquosa em que se encontram as moléculas. Este
tipo de aplicação baseia-se mais no comprimento de onda das ondas ultra-sónicas
do que propriamente na sua intensidade;

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• Desintegração ultra-sónica
Recorrendo à combinação de intensidade e comprimento de onda de ondas ultra-
sónicas, consegue-se desintegrar um vasto número de meios, desde bactérias a
betão, bem como alterar o estado físico de certos materiais, passando-os do estado
sólido para o estado líquido.

No projecto descrito neste relatório a aplicação dos ultra-sons tem como objectivo a
detecção de distâncias. Este tipo de aplicação também é conhecido como SONAR (SOund
NAvigation and Ranging).
A utilização de ultra-sons como SONAR consiste na criação, por parte de
transdutores, de uma ou um conjunto de ondas ultra-sónicas numa direcção bem definida.
Quando um objecto é detectado na área em que foram transmitidas as ondas ultra-sónicas,
um eco é reflectido de volta para o emissor devido ao choque das ondas enviadas com o
objecto que se encontra no seu caminho. Medindo a diferença de tempo entre o momento
da transmissão das ondas ultra-sónicas e da recepção do eco é possível determinar a que
distancia se encontra o objecto do ponto de emissão. O tempo entre o envio e recepção está
condicionado pela temperatura e pelo meio físico em que se propagam as ondas ultra-
sónicas. A Tabela 2 mostra a relação entre a temperatura e a densidade do meio físico com
a velocidade do som para algumas substâncias.

Tabela 2 - Velocidade do som de acordo com o meio físico (baseado em [9]).

Velocidade Coeficiente Densidade
Meio Físico Substância
Referência [m/s] Temperatura [m/s ºC] [g/cm3]
Ar 331.45 0.59 --
Gases Oxigénio 316.00 0.56 --
Hidrogénio 1284.00 2.20 --
Água 1496.70 -2.40 --
Líquidos Benzeno 1295.00 4.65 --
Éter Etílico 985.00 4.87 --
Prata 2680.00 -- 10.40
Sólidos Ferro 5200.00 -- 7.85
Mármore 3810.00 -- 2.60

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2.3. Acelerómetro
Um acelerómetro é um dispositivo electromecânico que mede a aceleração a que
uma massa de prova é sujeita. Este tipo de dispositivos pode ser utilizados para medir a
intensidade da aceleração, bem como a sua direcção e orientação. Com aplicações no ramo
da engenharia, medicina, navegação, transportes e electrónica de consumo, os
acelerómetros tornaram-se um instrumento de medida bastante popular, graças aos avanços
tecnológicos no seu processo de fabrico [10].
Existem diversos tipos de acelerómetros divididos em dois grandes grupos:
mecânicos e de estado sólido. Os acelerómetros mecânicos, já bastante desenvolvidos
tornaram-se obsoletos em aplicações modernas, face às melhorias constantes no processo
de fabrico de dispositivos de estado sólido. Estes utilizam uma massa de prova acoplada a
um dinamómetro na mesma direcção da aceleração que se quer medir [10].
Os acelerómetros de estado sólido englobam componentes como os acelerómetros
piezoeléctricos, acelerómetros SAW (Surface Acoustic Wave) e mais recentemente os
acelerómetros embebidos no silício, através de técnicas MEMS (Micro Electro-Mechanical
Systems).
A tecnologia de fabrico MEMS consiste num processo de fabrico que junta
elementos mecânicos como membranas, molas e sistemas cantilever (tipo de construção
apoiado em um só ponto, como por exemplo a asa de um avião ou uma prancha de piscina)
à escala da micro-electrónica, sendo assim possível a sua integração no substrato de silício
de dispositivos de estado sólido. Tipicamente, os elementos micro-mecânicos são inferiores
a 100 µm e são construídos num processo de micro-fabricação, oposto ao processo de
maquinaria convencional.
Um acelerómetro MEMS é composto por uma massa de prova que se desloca em
relação à sua frame de referência, através de pratos com amortecimento. Na Figura 6
apresenta-se o diagrama mecânico simplificado de um acelerómetro. A Figura 7 ilustra o
desenvolvimento do acelerómetro utilizando a tecnologia MEMS [11].

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Figura 6 - Modelo mecânico de um acelerómetro (extraído de [12]).

Figura 7 - Estrutura de um acelerómetro MEMS (extraído de [13]).

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Os acelerómetros com tecnologia MEMS têm sido os impulsionadores da
proliferação dos acelerómetros na electrónica de consumo como portáteis, leitores de MP3
e telemóveis. A tecnologia MEMS revolucionou o uso de airbags na indústria automóvel
nos anos 90. Os acelerómetros micro-maquinados fornecem uma solução de baixo
consumo, compacta e robusta.
No contexto deste projecto, o acelerómetro de três eixos (x, y e z) é utilizado como
parte integrante de um sistema de navegação inercial, com vista a obter um plano de
referência estabilizado do helicóptero.

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2.4. Giroscópio
A principal função de um giroscópio é determinar a velocidade angular de um
corpo, ou seja, a quantidade de rotação produzida pelo corpo por unidade de tempo [14].
Esta rotação está tipicamente associada a um dos três eixos ilustrados na Figura 8,
que são o eixo da rotação da direcção sobre o plano horizontal, inclinação lateral sobre um
plano horizontal e inclinação frontal sobre um plano horizontal. Os giroscópios podem
também ser utilizados para medir o ângulo que um determinado corpo faz em relação a um
outro corpo, objecto ou superfície.

Figura 8 - Representação dos três eixos de rotação.

Os giroscópios são cada vez mais utilizados como sensores com a função de
cumprirem algumas tarefas em sistemas de navegação, de piloto automático e estabilização
de plataformas, tirando partido da sua capacidade de se oporem às forças exteriores a que
são sujeitos.
Os primeiros giroscópios faziam uso das propriedades inerciais de um rotor a rodar
a alta velocidade num eixo principal (giroscópios mecânicos), de tal modo que o eixo onde
se encontra o rotor continua a apontar sempre na mesma direcção, apesar dos círculos
articulados (Gimbals) em volta deste eixo movimentarem-se em oposição às forças
exteriores aplicadas ao giroscópio [14], Figura 9.

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Figura 9 - Giroscópio mecânico (extraído de [14]).

Actualmente as técnicas de fabrico de giroscópios são em tudo semelhantes às
técnicas usadas no fabrico dos acelerómetros, destacando-se [14]:
• Transdutores com esferas de mercúrio;
• Sensores magneto-hidrodinâmicos;
• Giroscópios de efeito vibratório (que podem utilizar por exemplo materiais
piezoeléctricos);
• Giroscópios NMR (Nuclear Magnetic Resonance);
• Giroscópios Electrostáticos (ESG – ElectroStatic Gyroscopes);
• Sensores de efeito óptico que incluem os dispositivos RLG (Ring Laser Gyroscope) e o
FOG (Fiber Optic Gyroscope).

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2.5. Controller Area Network (CAN)
As redes CAN (Controller Area Network) foram desenvolvidas no seio da indústria
automóvel, para dar resposta à crescente complexidade dos sistemas electrónicos
conhecidos como ECU´s (Electronic Control Unit), existentes num veículo
automóvel [15]. As ECU´s mais não são que sistemas computacionais que têm sido
gradualmente incluídos nos automóveis, muitas vezes associadas a sensores, para gerirem
diversas funções do motor, facilitar a condução, aumentar a segurança, proporcionar mais
conforto aos ocupantes, etc. A necessidade de comunicação entre as várias ECU´s
incluídas no automóvel fez com que fosse utilizado cada vez um maior número de fios
neste, para a comunicação entre as diversas ECU´s.
De forma a simplificar as ligações entre as diversas ECU´s, a Bosch, em meados
dos anos 80, desenvolveu o protocolo de comunicação CAN. Este permitiu reduzir a
quantidade de fios utilizados, recorrendo a um barramento constituído somente por um par
de fios endereçados como uma linha de dados série.
Posteriormente o protocolo CAN tornou-se na norma internacional ISO 11898 [16]
(International Organization for Standardization) e o seu licenciamento para o
desenvolvimento e criação de microcontroladores e outros dispositivos compatíveis com a
norma, dando origem à actual vasta gama de dispositivos que incorporam esta tecnologia
como um meio de comunicação simples, modular e robusto, com velocidades até 1 Mbit/s.
As redes CAN são utilizadas nos dias de hoje em várias áreas de aplicação como a
indústria, automação, domótica, aviação, robótica, etc.

2.5.1. Características de uma rede CAN
De entre as características principais de uma rede CAN, salientam-se as
seguintes [17]:
• Taxa de comunicação até 1 Mbit/s;
• Comunicação a dois fios;
• Custo e complexidade de implementação reduzidos;
• Possibilidade de comunicações ponto a ponto, multi-ponto ou difusão;
• Mecanismos de detecção e correcção de erros;
• Tolerância a falhas de hardware;
• Flexibilidade de adição ou remoção de nós na rede.

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Os nós que compõem uma rede CAN seguem uma arquitectura que consiste num
processador, num controlador CAN e num transceiver, como ilustrado na Figura 10 [16].

Figura 10 - Arquitectura de um nó CAN.

2.5.2. Princípio de Funcionamento
O protocolo CAN implementa as camadas 1 e 2, camada física e camada de ligação
de dados respectivamente, do modelo OSI (Open Systems Interconnection) [16],
apresentado na Tabela 3.

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Tabela 3 - Camadas do modelo OSI (extraído de [16]).

Responsabilidade Camada Descrição
7 – Aplicação Serviços relacionados com a aplicação
6 – Apresentação Formata a informação
Sistema
5 – Sessão Mantém o diálogo entre os dispositivos em comunicação
4 – Transporte Transferência de mensagens
3 – Rede Estabelecimento, manutenção e corte das ligações de rede
Rede 2 – Ligação de dados Gestão do fluxo de informação num mesmo meio
1 – Físico Transmite a informação para o meio físico

Na camada de ligação de dados operam duas sub-camadas, a sub-camada de
Controlo Lógico de Ligação (LCC – Logic Connection Control) e a sub-camada de
Controlo de Acesso ao Meio (MAC – Media Access Control) [17]. A LCC é a responsável
pela recepção, filtragem e recuperação de dados enquanto a sub-camada MAC é
responsável pela detecção de falhas e pela sinalização e verificação de erros.
É na camada física que é feita a ligação propriamente dita com o barramento, onde
são definidas as características de transporte, tais como os níveis de tensão e impedância
das linhas de comunicação do barramento. A codificação e descodificação de bit também
são feitas nesta camada.
Na Figura 11 está representado um barramento CAN, que é composto por dois fios
de comunicação e dois terminadores, que mais não são que duas resistências com a mesma
impedância dos fios utilizados para as linhas de dados, de forma a garantir a adaptação de
impedância.

CANH
120Ω

120Ω

CANL

Figura 11 - Barramento CAN.

O barramento pode assumir três estados [17]: o estado idle, o dominante e o
recessivo. No estado idle não existe nenhuma informação no barramento, enquanto o
estado dominante é o que se sobrepõe ao estado recessivo, caso se verifique um acesso
múltiplo por parte dos nós ao barramento. Esta característica pode também ser definida

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como um processo de competição não destrutivo ao nível do bit, em que o acesso ao
barramento é concedido à mensagem mais prioritária, com a menor latência possível.
Quando um nó ganha o acesso ao barramento (dominante) e interrompe a transmissão de
um outro nó (recessivo), este retoma o acesso ao barramento assim que o nó dominante
termine a comunicação [17].

2.5.3. Sincronização
No protocolo de comunicação CAN existem dois mecanismos de sincronização: a
sincronização forçada e a re-sicronização [15].
A sincronização forçada dá-se quando um nó se encontra no modo de recepção e é
detectada uma transição de estado recessivo para dominante no barramento [17].
A re-sicronização consiste na mudança automática dos parâmetros do tempo de bit
de acordo com o momento em que ocorre a transição de estado recessivo/dominante no
barramento [17]. O tempo de bit é composto por várias secções temporais, como ilustrado
na Figura 12.

Figura 12 - Segmentação de um bit (extraído de [15]).

Sync é a detecção de mudança de estado no barramento CAN, Prop é o tempo de
guarda para compensar os atrasos inerentes á propagação da informação no meio físico e
os campos Phase1 e Phase2 correspondem aos tempos ajustáveis automaticamente para a
re-sincronização, de forma a optimizar o ponto de amostragem (Sample Point), momento
em que o bit é interpretado [16]. Caso a re-sincronização se dê demasiado cedo, o tempo
Phase2 do bit é encurtado, como ilustrado na Figura 13, caso seja tarde demais o tempo
Phase1 do bit é alargado, como ilustrado Figura 14 [17].

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Figura 13 - Ajuste do tempo Phase2 do bit (extraído de [17]).

Figura 14 - Ajuste do tempo Phase2 do bit (extraído de [17]).

2.5.4. Tipos de Tramas numa Rede CAN
Existem quatro tipos de tramas numa rede CAN: dados, remota, de erro e de
sobrecarga [17].
As tramas de dados numa rede CAN podem ser a trama base (CAN 2.0A) e a trama
estendida (CAN 2.0B). A diferença entre estes dois tipos de tramas é o número de bits
utilizados no identificador, sendo de 11 bits no caso da trama base e de 29 bits no caso da
trama estendida, mais um bit reservado na trama estendida. A composição de cada trama
pode ser observada na Tabela 4.
A compatibilidade entre as tramas do tipo CAN2.0B e as CAN2.0A é garantida
através dos controladores utilizados para implementar a rede CAN, pois estes têm a
capacidade de ignorar o segundo identificador das tramas do tipo CAN2.0B [17].

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Tabela 4 - Constituição das tramas de dados numa rede CAN (extraído de [15]).

Trama Base ou CAN 2.0A
Tamanho
Campo Descrição
[bits]
Start of Frame (SOF) 1 Sinaliza o inicio da transmissão da trama
Identificador 11 Identificador único da trama
Remote Transmission
1 Bit dominante
request (RTR)
Identifier extension bit
1 Bit dominante
(IDE)
Reserved bit (R0) 1 Bit dominante ou recessivo
Data lenght code
4 Número de bytes a ser transmitido (0-8)
(DLC)
Dados 64 Dados a serem transmitidos, que podem variar de 0 a 8 bytes
Cyclic Redundancy
15 Controlo de erros
Check (CRC)
ACK 1 Sinalização de recepção da mensagem
ACK 2 1 Sinalização da recepção da mensagem, obrigatoriamente 1
End of Frame (EOF) 15 Obrigatoriamente recessivo
Trama Estendida ou CAN 2.0B
Tamanho
Campo Descrição
[bits]
SOF 1 Sinaliza o inicio da transmissão da trama
Identificador A 11 Primeira parte do identificador único da trama
Subscrive Remote
1 Campo recessivo opcional
Request (SRR)
IDE 1 Bit recessivo
Identificador B 18 Segunda parte do identificador único da trama
RTR 1 Bit dominante
Reserver bits (R0, R1) 2 Bits reservados
DLC 4 Número de bytes a ser transmitido (0-8)
Dados 64 Dados a serem transmitidos, que podem variar de 0 a 8 bytes
CRC 15 Controlo de erros
CRC 2 1 Bit recessivo
ACK 1 Sinalização de recepção da mensagem
ACK 2 1 Sinalização da recepção da mensagem
EOF 7 Obrigatoriamente recessivo

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A trama remota é utilizada para fazer o pedido de transmissão de dados ao invés do
envio de dados, em que o bit RTR (Remote Transmission Request) é recessivo. Na
eventualidade de existir a transmissão simultânea de uma trama de dados e uma trama
remota com o mesmo identificador, o acesso ao barramento é dado à trama de dados, pois
o bit RTR é dominante na trama de dados.
A trama de erro serve para sinalizar a existência de um erro e interromper a
mensagem que está a ser transmitida, de forma a garantir a coerência dos dados na rede.
A trama de sobrecarga é constituída por dois campos, o Overload Flag e Overload
Delimiter. Estas tramas são transmitidas caso seja necessário criar um atraso entre envios
de tramas de dados ou para a detecção de um bit dominante no barramento.

2.5.5. Detecção e Tratamento de Erros na Rede
A detecção de erros tem por base a transmissão de uma mensagem de erro emitida
pelo nó receptor quando detecta um erro, pedindo a retransmissão da mensagem ao nó
emissor, ao mesmo tempo que os restantes nós ignoram a mensagem de erro. Numa rede
CAN existem cinco mecanismos de detecção de erros [17]:
• Teste de redundância cíclico;
• Testes de trama;
• Erro de confirmação;
• Erro de monitorização;
• Erro de bit stuffing.

Quando pelo menos um nó da rede CAN detecta um erro através dos mecanismos
em cima mencionados, a transmissão presente de dados é interrompida e sinalizado o erro,
para que a mensagem com o erro não chegue a mais nós receptores, mantendo a
consistência dos dados que circulam na rede. Assim que a transmissão de uma mensagem
com erro for parada, o nó emissor tenta retransmitir a mensagem. Contudo estes
mecanismos podem também levar a degradação da rede no caso se trate de um erro
permanente.
De forma a contornar esta situação, o protocolo trata estas situações recorrendo a
dois contadores que limitam os erros [17]. Existe então um contador de erros ocorridos na
transmissão (TEC – Transmitted Error Counter) e outro contador de erros ocorridos na
recepção (REC – Received Error Counter), os quais são incrementados a quando da

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detecção de um erro nos respectivos casos e decrementados nos casos de sucesso de
recepção ou emissão. Mediante o valor destes contadores, cada nó pode operar nos
seguintes estados [17]:

• Error active
Estado em que os nós operam por defeito, funcionando em pleno e com valor dos
contadores menor que 127 unidades;

• Error passive
Também chamado de estado de alerta, situação em que o contador TEC ou o
contador REC igualam ou excedem as 127 unidades. Neste estado o nó CAN deixa
de sinalizar erros no barramento, de forma a não congestionar a rede com este tipo
de mensagens. Caso o erro tenha sido temporário e os contadores sejam
decrementados para valores inferiores às 127 unidades, o nó passa novamente para
o estado Error active;

• Bus off
O nó CAN entra neste estado quando o valor do contador TEC é igual ou superior
às 255 unidades. Neste estado o nó suspende por completo a sua actividade na rede,
só voltando a funcionar normalmente quando se fizer um reset ao nó.

A Figura 15 ilustra o grafo da transição de estados em que um nó CAN pode operar.

Figura 15 - Transições de estados dos nós.

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3. Ferramentas de Desenvolvimento
3.1. IDE MPLAB
O programa MPLAB, ilustrado na Figura 16, é um IDE (Integrated Development
Environment) gratuito da Microchip que oferece as ferramentas necessárias para o
desenvolvimento de projectos em torno dos microcontroladores PIC, como controladores
para os programadores da Microchip, funções de debug por software ou hardware,
integração de compiladores externos, etc.

Figura 16 - Janela do IDE MPLAB.

O MPLAB por si só apenas permite desenvolver programas em linguagem
assembly, sendo necessário recorrer a compiladores externos para se poder utilizar
linguagens de alto nível como o C, neste caso o CCS C Compiler da Custom Computer
Services.
Este oferece uma vasta colecção de bibliotecas para muitos dos microcontroladores
da Microchip, preparadas de tal forma que conferem à programação um bom nível de
abstracção recorrendo a um conjunto de métodos para configurar e controlar os diversos
periféricos fornecidos no PIC. Os métodos mais utilizados para o desenvolvimento deste
projecto foram:

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• can_init()
Inicializa o controlador CAN embebido no microcontrolador;

• can_getd(rx_id, buffer, rx_len, rxstat)
Recupera uma mensagem de um dos buffers do CAN e guarda as informações nas
variáveis dos parâmetros da função. A variável rx_id é o identificador do nó a
que se destina a mensagem, buffer são os dados propriamente ditos, len é
número de buffers utilizados para a transmissão da mensagem e rxstat é uma
variável de controlo para erros;

• can_putd (rx_id,data,len,priority,ext,rtr)
Este método constrói um packet próprio para a transmissão da informação através
do protocolo CAN. Às variáveis já mencionadas na função can_getd
acrescentam-se a variável prioraty, que estabule-se as prioridades das
mensagens, ext, variável que define a utilização ou não de um ID extended e
finalmente a variável rtr, que é um bit de controlo do protocolo;

• rs232(baud, xmit, rcv)
Função que configura a porta série, em que a variável boud é o boud rate que se
pretende utilizar e as variares xmit e rcv utilizam-se para configurar os pinos de
envio e recepção respectivamente;

• setup_adc_ports(anX_to_anY_analog | vss_vref)
Configura as entradas do conversor analógico para digital do PIC, desde a entrada
X até à Y, bem como a utilização de uma tensão de referência diferente da que
alimenta o PIC;

• enable_interrupts(interrupts)
Função para configurar as interrupções que se pretendem utilizar. A variável
interrupt corresponde à interrupção que se pretende utilizar.

- 29 -


3.2. Programador PICKit2
O PICKit2 é dos programadores para os microcontroladores PIC mais versáteis da
Microchip, não só devido á compatibilidade deste com um vasto número de PIC mas
também por ser um projecto Open Source [18], quer isto dizer, desde o início a Microchip
deu acesso ao público a todos os detalhes, componentes, software e esquemáticos do
PICKit2, dando origem a um vasto número de clones e um rápido desenvolvimento e
despiste de problemas por parte duma comunidade de utilizadores on-line que contribui
para o desenvolvimento e melhoramento do PICKit2. Na Figura 17 apresenta-se um clone
do PICKit2 e o respectivo original.

Figura 17 - Clone do PICkit2 (em cima) e PICkit2 (em baixo).

Apesar de existir um software próprio para trabalhar com o PICKit2, optou-se por
utilizar as funções de controlo do PICKit2 embebidas no MPLAB.

- 30 -


3.3. Programa X-CTU
O X-CTU, ilustrado na Figura 18, é um programa que permite aceder facilmente,
através do computador, às diversas funcionalidades e procedimentos de teste dos módulos
XBee [20].

Figura 18 - Aspecto da janela inicial do X-CTU.

Para aceder ao módulo XBee basta configurar a porta COM à qual este está ligado e
fazer um “Test/Query” para verificar se a ligação é bem sucedida. Como se pode observar
na Figura 18, é possível fazer testes de cobertura, aceder aos módulos XBee através de um
terminal de texto e configurar os diversos parâmetros do módulo. A Figura 19 ilustra o
aspecto de um teste de cobertura e na Figura 20 pode observar-se parte da lista dos
parâmetros configuráveis através do X-CTU.
A configuração do módulo XBee é a principal vantagem na utilização do X-CTU,
pois permite uma escolha rápida dos múltiplos parâmetros que se pretendem configurar, ao
invés da utilização dos comandos AT através de um terminal de texto, os quais somente

- 31 -


permitem configurar um parâmetro de cada vez e requerem também tempos de atraso entre
comandos para sincronização [21].

Figura 19 - Teste de cobertura no X-CTU.

Figura 20 - Lista dos parâmetros configuráveis do módulo XBee através do X-CTU.

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3.4. Microsoft Framework .NET 3.5
A Framework .NET é uma plataforma de desenvolvimento e execução de
aplicações da Microsoft. À semelhança do Java, as aplicações .NET são desenvolvidas
centrando-se na plataforma em si e não no sistema onde irão ser executadas. Deste modo
qualquer aplicação .NET pode ser executada em qualquer dispositivo Windows que possua
tal plataforma (e em ambiente Linux através do projecto Mono).
As aplicações .NET são executadas sobre uma Common Language Runtime (CLR)
que utiliza uma biblioteca de classes, permitindo o desenvolvimento em mais de vinte
linguagens de programação diferentes, como por exemplo o Visual Basic .NET e o C# [22].
O software de monitorização do projecto SAMISH foi desenvolvido na linguagem
C#, da qual se destacam as seguintes características:
• Semelhança com a linguagem JAVA na sintaxe e no paradigma de Orientação a
Objectos;
• Documentação e integração com sistemas operativos Microsoft Windows;
• Desenvolvimento rápido de interfaces gráficas;
• Componentes nativos para comunicação série e integração de base de dados
SQL Server.

3.4.1. Microsoft Visual C# Express
O Microsoft Visual C# Express é um ambiente de desenvolvimento integrado
(IDE – Integrated development environment) da linguagem C# para a plataforma .NET. A
versão utilizada para o desenvolvimento do projecto SAMISH é gratuita para todo o tipo
de aplicações (comerciais e não-comerciais).
O IDE fornece um conjunto de ferramentas essenciais ao desenvolvimento rápido
de aplicações com ou sem interface gráfica, como sejam corrector de sintaxe, compilador,
desenho de interface gráfica, funções de diagnóstico (debug) e criação de pacotes de
instalação. Adicionalmente, o Visual C# Express oferece uma integração completa com o
motor de base de dados SQL Server Compact Edition, permitindo de uma forma rápida
criar/editar tabelas, inserir e consultar dados [23].
Existem outros IDE para a programação na linguagem C#, como é o caso do
projecto open source SharpDevelop. A escolha incidiu neste IDE, em particular, pela

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extensa documentação existente nas bibliotecas da Microsoft, habitualmente designada por
MSDN.

Figura 21 - Ambiente de desenvolvimento Visual C#.

3.4.2. Microsoft SQL Server Compact Edition
O SQL Server Compact Edition é um sistema de base de dados relacional
compacto, desenvolvido pela Microsoft para os segmentos mobile e desktop. Esta versão
do SQL Server partilha a API (Application Programming Interface) com todas as versões
SQL Server, permitindo o uso da mesma sintaxe SQL das versões mais avançadas.
Por se tratar de um sistema de gestão de base de dados embebido, toda a base de
dados fica contida num único ficheiro, facilitando o seu manuseamento.
A gestão da base de dados é realizada directamente no IDE Visual C# através da
ferramenta Server Explorer, onde é possível editar graficamente a base de dados, criar
tabelas e inserir dados. O acesso aos dados é efectuado recorrendo aos componentes
ADO.NET, integrados na biblioteca .NET.

- 34 -


Como os componentes ADO.NET são de aplicação genérica, é possível rapidamente
mudar de um sistema de gestão de base de dados para outro, bastando para isso alterar a
ligação [24].

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4. Módulos XBee PRO 868
A escolha dos módulos XBee PRO 868 para comunicação RF (Rádio Frequência)
tem por base a análise do QNAF (Quadro Nacional de Atribuição de Frequências),
publicado pela ANACOM (Autoridade Nacional de Comunicações), que regulamenta a
atribuição de frequências para comunicações sem fios. Esta análise foi imperativa para a
selecção dos módulos, para se conhecerem as frequências livres de licenciamento, limites
da potência de transmissão e tipo de aplicações permitidas.
Os módulos XBee PRO 868, Figura 22, funcionam na frequência dos 869.525 MHz
e têm uma potência máxima (configurável) de emissão de 300 mW [21], o que os torna
isentos de licenciamento e de “uso geral”, de acordo com QNAF [25].
Para além da utilização isenta de licenciamento, estes módulos possuem um
conjunto de características que os torna adequados para a aplicação em causa,
nomeadamente, a possibilidade de escolha de vários níveis de potência de emissão, ritmos
de transmissão adequado e a possibilidade de utilizar diferentes tipos de antenas para
adaptar a cobertura pretendida com o tipo de aplicação, como indicado na seguinte lista,
que evidencia várias características dos módulos [21]:
• Cobertura até 550 m em ambiente urbano e interiores;
• Cobertura até 40 km em linha de vista, com uma antena dipolo de 2.0 dBi;
• Interface UART de 3.3 V (também tolerante a 5 V);
• Interface UART configurável desde 1200 bps a 230.4 kbps;
• Ritmo de transmissão RF até 24 kbps;
• Potência de emissão regulável de 1 a 300 mW;
• 64 bits de endereçamento para identificação;
• Encriptação de 128 bits.

Figura 22 - Aspecto de um módulo XBee PRO 868.

- 36 -


Na Tabela 5 apresenta-se a intensidade de corrente eléctrica associado a cada um
dos níveis de potência de transmissão configuráveis no módulo XBee.

Tabela 5 - Intensidade de corrente eléctrica dos módulos XBee (extraído de [21]).

Potência de Emissão Intensidade de
[mW] [dBm] Corrente [mA]
1 0 85
25 14 150
100 20 280
200 23 350
300 25 500

Ambos os módulos utilizados no projecto descrito neste relatório, um módulo para
a estação remota e outro para a estação base, vêm com uma ficha do tipo RPSMA (Reverse
Polarity SubMiniature version A), Figura 23.

Figura 23 - Ficha do tipo RPSMA.

As antenas utilizadas, semelhantes à da Figura 24, são dipolos simples articulados
com um ganho de 2.0 dBi. O nível de potência aparente radiada de acordo com a antena
utilizada e a potência de emissão configurada no módulo XBee, pode ser calculada
recorrendo à seguinte equação [21],

(1)

em que P é a potência aparente radiada expressa em dBm, PM é a potência de transmissão
configurada no módulo XBee, G é o ganho da antena utilizada em dBi e L é a atenuação em
dB causada pelo cabo, que liga o módulo à antena.

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Figura 24 - Antena do tipo dipolo simples articulada.

O diagrama de radiação das antenas do tipo dipolo simples, encontra-se ilustrado na
Figura 25.

Figura 25 - Diagrama de radiação de um dipolo simples (extraído de [26]).

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5. Implementação da Estação Remota
O diagrama de blocos que caracteriza a rede CAN implementada na estação remota
encontra-se representado na Figura 26. Como se pode observar cada nó tem a arquitectura
de um nó CAN tal como descrito na secção “Controller Area Network (CAN)” deste
relatório. Este diagrama ilustra o tipo de comunicação utilizada por cada sensor, o
identificador utilizado na rede CAN para cada nó e a prioridade que cada nó tem
relativamente ao acesso ao barramento.

Sonar Giroscópio Acelerómetro
GPS U-Blox Módulo RF
Ultra-Som E_sky MMA7260Q
SAM-LS XBee Pro
SRF04 EK2-0704 Eixos XYZ
Digital Digital Analógico RS232 RS232

I/O I/O ADC RS232 RS232
PIC18F2580 PIC18F2580 PIC18F2580 PIC18F2580 PIC18F2580
CAN CAN CAN CAN CAN
ID:10 ID:15 ID:20 ID:30 ID:N/A
Prior.:1 Prior.:1 Prior.:1 Prior.:3 Prior.:N/A

MCP2551 MCP2551 MCP2551 MCP2551 MCP2551

Nó
Barramento CAN Controlador

Figura 26 - Rede de aquisição de dados.

A numeração dos identificadores dos nós CAN foi efectuada de modo a que as
diferentes interfaces de comunicação de cada sensor fiquem compreendidas numa mesma
gama de identificadores, Tabela 6.

Tabela 6 - Numeração dos identificadores dos nós na rede CAN.

Interface Identificadores Descrição
Digital/Analógica 1-9 Canais reservados para testes e desenvolvimento.
Sensores ou comunicações com interface e processamento de sinal
Digital 10-19
digital.
Analógica 20-29
analógico.
RS232 30-39
série RS232
Indefinido 40-112 Canais livres para futuros desenvolvimentos.

- 39 -


5.1. Funcionalidades dos Nós
De forma a aumentar as funcionalidades de cada um dos nós CAN desenvolvidos,
foram implementadas as seguintes funcionalidades em cada um:

• Ligações ao barramento CAN adaptáveis
Cada placa tem dois sockets de quatro pinos, Figura 27, de forma a poder ligar cada
nó directamente ao barramento ou “fechar” o barramento directamente no nó, de
forma a proporcionar ligações ponto a ponto ou em estrela dos nós CAN;

• Ligações para o programador PICKit2
Foi incluído em cada nó um conjunto de cinco pinos, Figura 28, para tornar
possível a ligação do PICKit2 de forma a actualizar o software dos
microcontroladores de cada nó bem como para recorrer aos mecanismos de debug
oferecidos pelo MPLAB para a detecção e correcção de erros do software
programado no microcontrolador;

• Ligações para o modo de debug
O modo de debug permite ver num computador, através da porta RS232, uma cópia
dos dados que um nó está a enviar para o barramento CAN. As ligações para este
modo são as ilustradas na Figura 29, bastando ligar os pinos RX e TX a um
MAX233 (Driver RS232) e sinalizar o modo de debug com 5 V no pino sinal. Os
pinos +5V e GRD podem ser utilizados para alimentar o MAX233 ou a placa onde
este esteja inserido. Estas ligações podem também ser úteis quando se fazem novos
desenvolvimentos no programa do microcontrolador de um nó CAN.

Figura 27 - Exemplo das ligações para a rede CAN.

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Figura 28 - Exemplo das ligações para o PICKit2.

Figura 29 - Exemplo das ligações para o modo de debug.

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5.2. Microcontrolador PIC18F2580
Os microcontroladores PIC (Peripheral Interface Controller) tiveram a sua origem
na universidade de Harvard como um projecto para o Departamento da Defesa dos Estados
Unidos da América, com o objectivo de criar uma família de memórias simples e
confiáveis, em que a memória para o código e a memória para dados estão separadas
(Arquitectura de Harvard).
Contudo a tecnologia não foi aproveitada pelo Departamento da Defesa mas sim
pela General Instruments como meio de compensar o fraco barramento I/O dos
microcontroladores existentes na altura, dando origem ao nome PIC, Peripheral Interface
Controller.
Em 1985 foi criada uma empresa secundária à General Instruments, a Arizona
Microchip Technology, que tinha como principal produto e objectivo de desenvolvimento
os microcontroladores PIC, caracterizados pelo vasto número de registos e periféricos
embebidos no microcontrolador, tornando-o num produto com um barramento I/O bastante
completo e adaptável.
Actualmente os microcontroladores PIC utilizam memórias do tipo flash ROM para
armazenar o código de programa e memórias RAM para armazenar os dados. Este tipo de
arquitectura aumenta significativamente a velocidade de processamento dos PIC, a sua
versatilidade de programação e confere-lhes uma latência de atendimento a interrupções
constante (3 ciclos de instruções), tornando-os indicados para aplicações de tempo real.
Estão disponíveis microcontroladores de 8, 16 e 32 bit com tecnologias de alta eficiência
energética.
O PIC18F2580 foi o microcontrolador escolhido para a realização dos nós
sensoriais devido às suas características [27]:
• Alimentação de 2,0 V a 5,5 V;
• Elevado número de MIPS (Millions of Instructions Per Second);
• Arquitectura optimizada para compiladores C;
• Rápida programação e limpeza da memória de programa flash;
• Programação directa em circuito;
• Interface série RS232;
• Conversor analógico/digital de 10 bit com auto aquisição do sinal;
• Módulo de comunicação CAN.

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A flexibilidade na alimentação proporciona uma economia no consumo de energia
na estação remota e facilita a ligação com os dispositivos que são alimentados
exclusivamente a 3,3 V, tais como o acelerómetro, o módulo GPS e os módulos de
comunicação XBee. A arquitectura de memória para o programa em flash, aliado à
programação em série directamente ligada ao circuito, facilita o desenvolvimento devido à
flexibilidade de apagar e reprogramar o PIC e à utilização de técnicas e ferramentas de
debug para o despiste de erros. Um aspecto importante na escolha deste microcontrolador
foi o módulo que possibilita a comunicação através do barramento CAN, que torna toda a
operação de comunicação no barramento transparente do ponto de vista do
desenvolvimento.
Para a ligação de cada nó do projecto ao barramento CAN, recorreu-se ao tranceiver
MCP2551, ilustrado na Figura 30. Este transceiver é o responsável pelas funções de
ligação física do modelo OSI, descrito anteriormente.

Figura 30 - Tranceiver MCP2551 (extraído de [28]).

Este transceiver permite a implementação de redes CAN até 1 Mbit/s e um máximo
de 112 nós por rede. Possui também protecção térmica, protecção contra curto-circuito nos
pinos de alimentação e protecção contra estados transitórios falsos devido a picos de tensão
no barramento. Através do pino RS, podem-se implementar três modos de funcionamento
[28]:

• Modo Stand-by
Activo quando o pino está no nível lógico 1, o que implica que o transceiver entre
em modo sleep para reduzir o consumo de energia;

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• Modo de alta velocidade
Activo quando o pino está no nível lógico 0, modo utilizado para o projecto, em
que as velocidades praticadas são na ordem dos 1 Mbit/s;

• Modo Slope-Control
Consiste na ligação de uma resistência entre o pino e a massa, de forma a controlar
a velocidade que o nó opera no barramento, de acordo com o valor da resistência
utilizada.

No que respeita às ligações, os pinos TXD e RXD são os que fazem a interface com
o microcontrolador e os pinos CANH e CANL fazem a interface com o barramento CAN.

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