ATIVIDADES PRÁTICAS SUPERVISIONADAS Celso Coslop Barbante

ATIVIDADES PRÁTICAS SUPERVISIONADAS

Engenharia Elétrica

8ª Série Sistemas Digitais II

A atividade prática supervisionada (ATPS) é um procedimento metodológico de

ensino-aprendizagem desenvolvido por meio de um conjunto de etapas

programadas e supervisionadas e que tem por objetivos:

� Favorecer a aprendizagem.

� Estimular a corresponsabilidade do aluno pelo aprendizado eficiente e

eficaz.

� Promover o estudo, a convivência e o trabalho em grupo.

� Desenvolver os estudos independentes, sistemáticos e o autoaprendizado.

� Oferecer diferentes ambientes de aprendizagem.

� Auxiliar no desenvolvimento das competências requeridas pelas Diretrizes

Curriculares Nacionais dos Cursos de Graduação.

� Promover a aplicação da teoria e conceitos para a solução de problemas

práticos relativos à profissão.

� Direcionar o estudante para a busca do raciocínio crítico e a emancipação

intelectual.

Para atingir estes objetivos a ATPS propõe um desafio e indica os passos a

serem percorridos ao longo do semestre para a sua solução.

A sua participação nesta proposta é essencial para que adquira as

competências e habilidades requeridas na sua atuação profissional.

Aproveite esta oportunidade de estudar e aprender com desafios da vida

profissional.

AUTORIA:

Celso Coslop Barbante

Faculdade Anhanguera de Sumaré

Engenharia Elétrica - 8ª Série - Sistemas Digitais II


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COMPETÊNCIAS E HABILIDADES

Ao concluir as etapas propostas neste desafio, você terá desenvolvido as competências e habilidades que constam, nas Diretrizes Curriculares Nacionais, descritas a seguir.

� Aplicar conhecimentos matemáticos, científicos, tecnológicos e instrumentais à Engenharia.

� Conceber, projetar e analisar sistemas. � Identificar, formular e resolver problemas de Engenharia. � Desenvolver e/ou utilizar novas ferramentas e técnicas.

Produção Acadêmica • Relatórios parciais, com os resultados do trabalho realizado em cada etapa. • Projeto completo em VHDL, incluindo a documentação do mesmo. • Resultado de simulações realizadas em computador. O professor da disciplina possui autonomia para ajustar os resultados a serem entregues, de modo a adequar a execução desta ATPS com as ferramentas e recursos disponíveis em cada unidade, que podem ter características diferentes com relação aos softwares disponíveis.

Participação Para a elaboração desta atividade, os alunos deverão previamente organizar-se em

equipes de quatro a seis participantes e entregar seus nomes, RAs e e-mails ao professor da disciplina. Essas equipes serão mantidas durante todas as etapas.

Padronização O material escrito solicitado nesta atividade deve ser produzido de acordo com as

normas da ABNT1, com o seguinte padrão: • em papel branco, formato A4; • com margens esquerda e superior de 3cm, direita e inferior de 2cm; • fonte Times New Roman tamanho 12, cor preta; • espaçamento de 1,5 entre linhas; • se houver citações com mais de três linhas, devem ser em fonte tamanho 10, com

um recuo de 4cm da margem esquerda e espaçamento simples entre linhas; • com capa, contendo:

• nome de sua Unidade de Ensino, Curso e Disciplina; • nome e RA de cada participante; • título da atividade; • nome do professor da disciplina; • cidade e data da entrega, apresentação ou publicação.

DESAFIO

1 Consulte o Manual para Elaboração de Trabalhos Acadêmicos. Unianhanguera. Disponível em:

<http://www.unianhanguera.edu.br/anhanguera/bibliotecas/normas_bibliograficas/index.html>.



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A prensa de borracha está na Figura 1A abaixo, e possui capacidade para processar três moldes simultaneamente, chamados de moldes A, B e C, sendo que cada molde possui duas resistências de cartucho para aquecimento, conforme figura 1B abaixo.

Figura 1A - Prensa de borracha

Figura 1B - Resistências usadas na máquina

Fonte: Adaptado pelo autor, do acervo pessoal.

Como cada prensa (A, B e C) na máquina acima possui duas resistências, tem-se um total de seis resistências no equipamento. Quando uma resistência queima, isso não é imediatamente percebido pelo operador, e se produzem peças com defeito. Já foi colocado na máquina um sensor de corrente, que indica “1” quando a resistência está funcionando corretamente e “0” quando a resistência está queimada, e você deve implementar uma melhoria no sensor já existente, fazendo um circuito:

1 Identifique o número da resistência que queimou (de 1 a 6) e indique, em um display de sete segmentos, o número correspondente.

2 Quando qualquer uma das resistências queimar, o circuito deve ligar um LED de falha, que será posicionado bem à vista do operador.

3 Se acontecer de mais de uma resistência queimar ao mesmo tempo, o circuito deve indicar no display a primeira resistência queimada. Ao trocar a resistência, ele indica a segunda, e assim por diante.

4 O projeto deve ser feito em VHDL e deve ser sintetizável para um FPGA (que será comprado futuramente pela empresa); portanto, você deve fazer o projeto e a simulação, mas não precisa se preocupar com a placa, que será fabricada pela empresa depois que o projeto estiver pronto.

Como resultado deste desafio, você irá entregar um projeto feito em VHDL e os respectivos testes comprovando o funcionamento do mesmo por simulação de computador.



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Objetivo do desafio

Seu desafio será entender um problema industrial, e propor uma solução que atenda à necessidade do cliente, entregando, no final do trabalho, um projeto de circuito digital feito na linguagem VHDL, compilado e com o funcionamento comprovado por simulação.

ETAPA 1 (tempo para realização: 5 horas)

� Aula-tema: Dispositivos Lógicos Programáveis; Blocos lógicos de FPGA; Projetos digitais utilizando FPGA.

Seu professor, nesta etapa, irá comentar o que é FPGA e CPLD, suas diferenças e principais características, bem como citar alguns exemplos práticos. A ATPS será explicada, e os objetivos definidos pelo seu professor, dentro da realidade do seu curso. Você deve preparar-se para fazer download da ferramenta de projeto (gratuita) e instalá-la, pois esta etapa visa a um primeiro contato com a ferramenta e com o website, e permite que a aula de teoria siga em frente, sem que a ATPS dependa de conteúdo que ainda não tenha sido dado. Conhecer a ferramenta é uma atividade importante e um trabalho ideal para ser feito em grupo; não tente aprender a ferramenta toda sozinho e use o trabalho em equipe. Nota: O software e o manual somente existem em inglês, como é usual para muitas ferramentas técnicas de Engenharia. Atualmente, é muito importante que o engenheiro tenha o inglês técnico. Aproveite para treinar os seus conhecimentos!

PASSOS

Passo 1 (Equipe)

Acessar o site www.altera.com e faça uma pesquisa sobre as ferramentas e placas de desenvolvimento. Responda: Para que serve o software Quartus II que é descrito no site fornecido? Cite alguns exemplos práticos de aplicação, baseando-se nos exemplos fornecidos pelo próprio fabricante.

Passo 2 (Equipe)

Cadastrar-se no site, criando um login e senha. Usando o login e senha, faça download da ferramenta gratuita Quartus II Web Edition; tenha em mente que o arquivo é grande e o download costuma demorar algum tempo para terminar. Responda: Quais os passos para obter a ferramenta?

Passo 3 (Equipe)

Instalar a ferramenta. Após a instalação, abra-a e acesse o menu “Help”. Note que todos os manuais e arquivos de ajuda estão disponíveis em inglês. Procure o guia de introdução e leia-o, se necessário com a ajuda de um dicionário e usando o trabalho em equipe para entender o conteúdo do guia. Faça um breve resumo, com suas palavras, do guia de introdução.



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Figura 2 - Tela inicial da ferramenta Quartus II para desenvolvimento de FPGA e CPLD da Altera

Fonte: <www.altera.com>.

Passo 4 (Equipe)

Note que a ferramenta de projeto funciona sem a necessidade de uma placa ou kit didático, o que permite que o grupo estude sem depender do laboratório. Na maioria dos casos, o projeto é feito primeiramente usando-se apenas o computador, quando a placa ainda não existe. Aproveite as aulas iniciais da teoria, para familiarizar-se com a ferramenta de projeto, fazendo estudos em grupo, para lidar com as dificuldades técnicas.


� Aula-tema: Projetos digitais utilizando FPGA; Ambiente EDA (Electronic Design Automation) de software.

Nesta etapa, você irá rever o desafio e entender por que uma resistência queimada causa um grande prejuízo à indústria, e conhecer outros exemplos simples de aplicações práticas. Irá rever com o professor o objetivo final e relembrar o display de sete segmentos, se necessário. Responderá à questão: Como isso se aplica ao projeto a ser desenvolvido? Para ter sucesso nesta etapa, você deve seguir os passos descritos.



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PASSOS

Passo 1(Equipe)

Reler o desafio proposto. Entenda o problema, e faça um diagrama em blocos resumido, onde você deve colocar claramente todos os sinais de entrada e todos os sinais de saída.

Passo 2 (Equipe)

Com os sinais de entrada e saída, faça uma tabela-verdade resumida, com o comportamento necessário do circuito. Responda: O que acontece se mais de uma resistência estiver queimada ao mesmo tempo?

Passo 3 (Equipe)

Fazer uma pesquisa e entenda o funcionamento do display de sete segmentos. Faça a tabela-verdade para o decodificador do display. O display deve mostrar os números de 1 a 6, pois temos seis resistências. Responda: O que acontece, se nenhuma resistência estiver queimada? Nesse caso, o que o display deve mostrar?

Passo 4 (Equipe)

Observar que temos diversas entradas e saídas. Responda: Seria viável fazer esse projeto, ainda que relativamente simples, usando o Mapa de Karnaught e outras técnicas de projeto combinacionais vistas em cursos anteriores? Justifique sua resposta.


� Aula-tema: Biblioteca de megafunções. Projetos de sistemas digitais por schematic. Projetos de sistemas digitais por VHDL.

Utilizando um dos laboratórios de informática, o professor demonstrará a ferramenta Quartus II e seu uso com a linguagem VHDL. O ideal é que os alunos tenham acesso a um laboratório de informática com a ferramenta instalada, providenciado previamente pelo setor competente. Se não for possível, recomenda-se que a ferramenta seja demonstrada e estudada utilizando-se um data-show em sala de aula, pois será uma introdução para motivar o estudo do aluno.

Nesta etapa, inicia-se a escrita e a implementação do projeto, escrevendo-se o código VHDL correspondente ao proposto no Passo 2 e utilizando-se a ferramenta instalada de acordo com o Passo 1. É importante que você, aluno, esteja com as etapas anteriores em dia.

PASSOS

Passo 1 (Equipe)

Abrir a ferramenta Quartus II; usando o Project Wizard, crie um novo projeto chamado de “atps”. O projeto “atps” conterá todos os elementos e arquivos do seu circuito. Durante a criação do projeto, são feitas algumas perguntas. Responda: Quais perguntas são essas? O que essas perguntas significam?



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Passo 2 (Equipe)

Com o projeto já criado, criar um novo arquivo VHDL, em branco, e escreva o código VHDL inicial, usando as instruções e construções vistas na aula teórica. Salve o seu arquivo com o nome de “atps.vhd”, pois ele deve ter o mesmo nome do projeto. Estude VHDL, se for necessário, utilizando a bibliografia disponível com o plano de aula: Você pode também pesquisar outros livros e revistas sobre VHDL que existam na sua unidade. Utilize a biblioteca, para fazer pesquisas e desenvolver estudos em grupo.

Bibliografia complementar

• D’AMORE, Roberto. VHDL: Descrição e Síntese de Circuitos Digitais. São Paulo: Editora LTC.

Sites sugeridos para pesquisa

• The Designer’s Guide to VHDL. Disponível em: <http://www.ashenden.com.au/designers-guide/DG-intro-lectures.html>. Acesso em 30 nov. 2010.

• Curso Introdutorio de VHDL. <http://wiki.sj.cefetsc.edu.br/wiki/index.php/Curso_Introdut%C3%B3rio_de_VHDL>. Acesso em 30 nov. 2010.

Passo 3 (Equipe)

Compilar o programa, usando o procedimento visto na aula temática. Quase sempre ocorrem erros, o que é natural. Resolva os erros (errors) até ter um código VHDL que funcione, sem erros. Se estiver com dificuldade no inglês, use um dicionário e o recurso do trabalho em grupo. Se for necessário, peça ajuda ao seu professor.

Passo 4 (Equipe)

Mesmo sem erros, poderá haver mensagens de alerta (warnings). Verifique as mensagens de alerta, pois algumas são apenas avisos, outros alertas indicam problemas. Se estiver com dificuldade no inglês, use um dicionário e o recurso de trabalho em grupo. Se for necessário, peça ajuda ao seu professor.



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Figura 3 - Tela de exemplo do programa Quartus II

Fonte: O autor.

Como resultado da Etapa 3, você deve ter um arquivo VHDL compilando sem erros, que implemente o circuito desejado. Na última etapa, faremos o teste e simulação do projeto, que consiste na entrega principal do desafio, que resolve o problema inicial proposto.


� Aula-tema: Projetos de sistemas digitais por VHDL.

O professor irá mostrar a parte relacionada a testes da ferramenta Quartus II e fazer alguns testes com forma de onda simples, e principalmente fará um tira-dúvidas dos alunos, que, após o Passo 3 desta etapa costumam ter pontos e dúvidas a esclarecer.

Nessa etapa iniciam-se os testes e simulação o projeto, para garantir que o mesmo esteja funcionando. A ATPS termina na Etapa 4, mas, na vida real, após a Etapa 4 a empresa compraria um FPGA para gravar o circuito e fazer os testes necessários.

PASSOS

Passo 1 (Equipe)

O teste é feito usando-se a técnica de simulação de forma de onda. Pesquisar nos manuais da ferramenta, que estão disponíveis no site www.altera.com, e em outros sites da Internet. Discutir com os seus colegas de grupo e explique como funciona a técnica de simulação utilizando-se uma forma de onda digital como saída.



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Passo 2 (Equipe)

Criar um arquivo de forma de onda, na ferramenta Quartus II Web Edition. Use o sistema de HELP, ou reveja o tutorial que você escreveu na Etapa 1. Lembre-se de que você deve salvar o arquivo de forma de onda com o mesmo nome do projeto, ou seja, “atps”. Coloque os sinais de entrada nesse arquivo. Explique no relatório qual o procedimento para criar um arquivo de forma de onda e colocar os sinais de entrada e saída.

Passo 3 (Equipe)

Desenhar a forma de onda da entrada, para que seu circuito possa ser testado, simulando a queima de uma ou mais resistências. Simular o que acontece se duas resistências queimarem, e assim por diante.

Figura 4 - Exemplo de forma de onda usada para simulação de um circuito digital

Fonte: O autor.

Passo 4 (Equipe)

Analisar o resultado da saída. A análise é feita manualmente; ou seja, a ferramenta apenas mostra um resultado que pode estar certo ou errado, dependendo se o seu circuito funciona ou não. Caso exista um erro, você deve corrigir o circuito, até que o mesmo funcione. Coloque no relatório o teste final, e mostre o circuito funcionando, explicando a forma de onda obtida, de modo a comprovar o funcionamento do seu projeto.

Livro Texto da disciplina: TOCCI, Ronald J.; WIDMER, Neal S.. Sistemas Digitais : princípios e aplicações. 8ª ed. São Paulo: Pearson - Prentice Hall, 2003.



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D´AMORE, Roberto. VHDL : descrição e síntese de circuitos digitais. 1ª ed. Rio de Janeiro: LTC - Livros Técnicos e Científicos, 2005.

ORDONEZ, Edward David Moreno; PENTEADO, Cesar Giacomini. Microcontroladores e FPGAs : aplicações em automação. 1ª ed. São Paulo: Novatec, 2005.

ATIVIDADES PRÁTICAS SUPERVISIONADAS Celso Coslop Barbante

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