DESENVOLVIMENTO E CONSTRUÇÃO DE KITS PARA A DISCIPLINA DEELETRÔNICA DIGITAL DO CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA.

Lauro Pinheiro SantanaAcadêmico do curso Engenharia Elétrica: Universidade Federal de Uberlândia

CEP 38408-100, Av. João Naves de Ávila - 2.160, Uberlândia - MGBrasil

e-mail: laurosantana@yahoo.com.br

João Batista Vieira JúniorProfessor Efetivo do curso Engenharia Elétrica: Universidade Federal de Uberlândia

CEP 38408-100, Av. João Naves de Ávila - 2.160, Uberlândia - MGBrasil

e-mail: batista@ufu.br

Resumo - As FPGA’s são circuitos de hardware quepodem ser modificados praticamente em qualquermomento durante o uso através da programação re-configurável. A disciplina Eletrônica Digital do curso deEngenharia Elétrica utiliza hoje kits com componentesTTL de funções lógicas fixas, uma tecnologia que já estásendo abandonada pela maioria dos fabricantes. Estepresente trabalho tem como proposta a construção de kitsdidáticos utilizando a tecnologia da programação re-configurável, contendo um dispositivo FPGA.

Palavras-Chave – Eletrônica Digital, FPGA, Kit.

DEVELOPMENT AND CONSTRUCTION OFKITS FOR DISCIPLINE OF DIGITALELECTRONICS OF THE COURSE OF

ELECTRICAL ENGINEERING.

Abstract - The FPGA’s are circuits of hardware thatcan practically be modified at any moment during the usethrough the reconfigurable programming. Nowadays thediscipline of Digital Electronics in the course of ElectricEngineering uses kits with TTL components of fixedlogical functions, a technology that has already beenabandoned for the majority of the manufacturers. Thispresent work has as its aim the construction of didactickits using the technology of the reconfigurableprogramming, containing a FPGA device.

1Keywords – Digital Eletrônics, FPGA, Kits.

I. INTRODUÇÃO

Nos últimos anos observa-se um crescente aumento nouso da computação em quase todas as atividades e áreas doconhecimento. Observa-se a existência de uma grandequantidade de problemas complexos que necessitam de umagrande demanda de recursos computacionais flexíveis

necessários para armazenamento, recuperação, transmissão eprocessamento de informações.

Para uma grande parte destes problemas complexos, osCI´s de funções lógicas fixas não correspondiam com aflexibilidade que alguns destes problemas exigiam, pois nãoera possível mudar a lógica funcional do projeto sem mudaro chip do circuito.

Neste contexto, foram desenvolvidos os DispositivosLógicos Programáveis, os PLD´s, que oferecem apossibilidade de modificar a lógica funcional do projetomesmo após a sua construção. Os PLD´s, sigla inglesa quesignifica Dispositivo Lógico Programável, pode serprogramado, apagado e re-programado muitas vezes,permitindo a modificação do projeto.

Dentre os PLD´s, os dispositivos mais utilizadosatualmente para computação re-configurável são os do tipoFPGA [1]. Os FPGA´s (Field Programmable Gate Array)tornaram-se elementos essenciais na implementação desistemas digitais de forma rápida, com elevada flexibilidade,elevado desempenho e apresentando um custo reduzido, poiscombinam a flexibilidade de dispositivos programáveis como desempenho do hardware de finalidade específica.

Os FPGA´s, sigla inglesa que significa Arranjo de PortasProgramáveis em Campo, ou seja, podem ter suaconfiguração alterada sem que ele seja retirado do circuito ouequipamento. A capacidade atual destes dispositivos está nafaixa dos milhões de portas lógicas.

Os elementos fundamentais que fazem parte da arquiteturasão os blocos lógicos configuráveis (CLBs), os blocos deentrada/saída (IOBs), as chaves de conexão (SBs) [2].

II. MATERIAL E MÉTODOS

O Kit foi desenvolvido a priori, baseado nas necessidadesdas aulas práticas da disciplina de Eletrônica Digital. Por issoo novo Kit deveria ser capaz de fazer todos os experimentoslaboratoriais vigentes, mas utilizando a tecnologia dosdispositivos re-configuráveis. Para isso, ele necessitaria dechaves tipo liga desliga ligadas nas entradas do dispositivopara fornecer os níveis lógicos de entrada do projeto,display’s luminosos e LED’s para indicar os níveis lógicosdas saídas.

"Artigo publicado na IV Conferência de Estudos em Engenharia Elétrica (IV CEEL) realizada no período de 22 a 24 de Novembrode 2005 na Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia MG."

O dispositivo re-configurável escolhido para o projeto foia FPGA EPF10K10LC84-4 da família FLEX da marca norte-americana ALTERA. Então o hardware do Kit foi todoconfigurado para a utilização somente deste dispositivo, oude outra FPGA com a pinagem essencialmente igual. Omanual do fabricante fornece os esquemas de configuraçãoda FPGA, onde o utilizado foi o JTAG (Joint Test ActionGroup).

Para a configuração no modo JTAG, é necessário umainterface entre o PC e o dispositivo. Os dados podem serenviados através das interfaces USB Blaster, MasterBlaster,ByteBlaster II, ou ByteBlasterMV. Como a interfaceByteBlasterMV suporta configuração JTAG, esta foiescolhida.

O cabo da interface ByteBlasterMV tem em uma daspontas 25 pinos machos que são conectados na porta paralelado PC, e a outra ponta fêmea tem 10 pinos que sãoconectados na placa do circuito [3].

Seguindo o esquemático retirado do manual, foi gerado ocircuito impresso para o ByteBlasterMV utilizando ossoftwares da família Orcad 9.2. Primeiramente o circuitoesquemático foi desenhado no Capture CIS, e entãoexportado para o Layout Plus, que possibilita a geraçãoautomática dos desenhos das trilhas que ligam os pinos.

Depois de alguns ajustes de trilhas para otimizar o projeto,o circuito estava pronto para ser impresso na placa de cobre,e isso foi feito utilizando um robô cartesiano disponível nolaboratório de Eletrônica de Potência. Este robô utiliza-se deuma pequena broca giratória para desenhar em placas decobre as trilhas do layout de um circuito gerado porSoftware. Com a placa do circuito impresso em mão, soldou-se os componentes. A figura 1 mostra o ByteBlasterMV jácom os componentes soldados.

Fig. 1. ByteBasterMV.

Com o ByteBlasterMV pronto, o próximo passo foiprojetar o circuito impresso do Kit que inclui a FPGA, osLEDs, os displays as chaves, o clock e o circuito dealimentação.

Primeiramente foi preciso fornecer a alimentação para ocircuito, e isso foi feito através do CI LM7805. O próximopasso foi projetar o clock para a FPGA. Para isso utilizou-seum cristal Oscilador de 10MHz e o CI CD4049UBE, que éum buffer inversor.

Após isso, foi necessário saber quais pinos da FPGA iriamfazer a conecção com o ByteBlasterMV, para enviar ereceber dados do PC. O manual do fabricante fornece umesquemático que mostra estes pinos e como devem serligados.

Como dito anteriormente, estamos usando a configuraçãoJTAG, e então são necessários os pinos TCK, TDO, TMS eTDI para conectar com o ByteBlasterMV. Na FPGA estespinos são respectivamente os pinos 77, 74, 57 e 15 [4].

Com os pinos de configuração e alimentação setados, sórestou adicionar as entradas e as saídas. A FPGAEPF10K10LC84-4 possui 59 pinos de entrada e saída,chamados de I/O. As entradas são disponíveis através dedoze chaves do tipo Dip Switch e quatro Push Bottom. Assaídas do circuito foram conectadas em oito LED’s e emquatro displays de sete segmentos.

Utilizando-se novamente do software Capture Cis, foigerado o esquemático do Kit, fazendo todas as conecções daFPGA com o clock, saídas, entradas, alimentação e terra.Como feito para o ByteBlasterMV, este esquemático foientão exportado para o Layout Plus, para gerar o layout daplaca de circuito impresso.

Depois do ajuste das trilhas o circuito foi impresso naplaca de cobre novamente com a ajuda do robô cartesianodisponível no laboratório de Eletrônica de Potência. Oprimeiro protótipo do Kit já com os componentes soldados éilustrado na figura 2.

Fig. 2. Primeiro Protótipo do Kit.

Após verificar o bom funcionamento deste protótipo, foirealizada uma otimização no kit.

O projeto então, foi refeito incorporando oByteBlasterMV na placa do Kit, com o intuito de otimizar oprojeto e fazer com que a interface entre o Kit e o PC fossefeita somente por um cabo de vinte e cinco pinos comconectores DB25 em ambas as pontas.

Este protótipo foi projetado usando os softwares CaptureCis e Layout Plus e construído com o mesmo robô utilizadono protótipo anterior.

Após verificar o bom desempenho deste Kit, decidiu-seconstruir o protótipo final em placas de fibra de vidro, aoinvés de utilizar placas de fenolite feitas pelo robô dolaboratório. O projeto foi então aprimorado e as trilhas foramre-arranjadas visando a utilização de furos metalizados.

Ao verificar os pinos de entrada e saída, notou-se quecinco deles não estavam sendo utilizados, eram os pinos 84,3, 9, 10 e 11 sendo os dois primeiros pinos de entradadedicada e os três restantes são pinos que podem serconfigurados como entradas ou saídas.

Estes pinos foram então conectados a furos na placa, paraservir como entradas e saídas externas, ampliando o escopode utilização do Kit, pois estas saídas podem servir paraacionar dispositivos externos, como um relé, as entradaspodem ser ligadas a algum sensor, etc.

Feitas estas modificações, o layout definitivo do circuitofoi produzido, e então enviado a empresas especializadaspara construir as placas em fibra de vidro. A figura 3 mostrao Kit definitivo já com os componentes soldados pronto paraser utilizado nas aulas de laboratório.

Fig. 3. Kit Definitivo.

III. CONCLUSÕES

Antes dos Kits propostos por este trabalho de iniciaçãocientífica serem projetados e construídos, as aulas delaboratório da disciplina Eletrônica Digital eram executadoscom ajuda de Kits da DataPool.

Para realização das aulas, era necessário a utilização decircuitos integrados que representam as portas lógicasbásicas de eletrônica digital. Estes circuitos integrados eraminseridos nos Proto-boards destes Kits, e através de fios eleseram conectados a chaves liga/desliga e a LED’s.

Devido a utilização de fios para a conecção dos circuitosintegrados, o número de circuitos integrados envolvidos noprojeto era limitado, pois com o aumento destes econsequentemente dos fios, a complexidade da montagem do

projeto aumenta, bem como a probabilidade de surgimentode erros e a dificuldade para detectá-los, tornando-sepraticamente impossível a utilização destes Kits paradesenvolvimento de projetos com uma lógica um poucocomplexa.

Os Kits da DataPool são bastante robustos e possuemmuitas funções extras que não são necessárias nas aulas delaboratório e maioria dos alunos não tem sequerconhecimento que elas existem.

O custo total do Kit construído ficou cerca de um terço dopreço do Kit da DataPool, e ainda utiliza uma tecnologiamais avançada, elimina os fios e reduz o tempo deconstrução do projeto, pois a verificação de possíveis erros éfeita através de software, podendo assim, utilizar uma grandequantidade de circuitos integrados no projeto.

Devido ao baixo preço dos Kits construídos, mais Kitspuderam ser construídos, de forma que cada aluno agoraexecuta os trabalhos de laboratório no seu próprio Kit, aocontrário de quando era utilizado os Kits da DataPool quetrês alunos utilizavam simultaneamente um mesmo Kit.

O intuito deste projeto foi desenvolver um Kit utilizando atecnologia dos dispositivos re-configuráveis para atender asnecessidades das aulas práticas da disciplina EletrônicaDigital da Universidade Federal de Uberlândia.

AGRADECIMENTOS

Agradecemos ao CNPq pelo investimento no nossotrabalho, e por acreditar no nosso desenvolvimento.Agradeço a imensa assistência dada pelo co-orientador doprojeto, o mestrando Vladimir Scarpa e todos os mestrandose doutorandos do laboratório de Eletrônica de Potência daUniversidade Federal de Uberlândia, pela a freqüenteassessoria e ajuda em todos os momentos necessitados.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] A. P. Malvino, “Eletrônica Digital: Princípios e

Aplicações”, McGraw-Hill, 2a. Edição, 1988.[2] J. Villasenor, W. H. M. Smith, “Configurable

Computing”, Scientific American, 12 ed, USA, 1997.[3] Altera, “ByteBlasterMV Parallel Port Download Cable”,

manual, vol. 3.3, 2002.[4] Altera, “Configuring Mercury, APEX 20K (2.5 V)

ACEX 1K & FLEX 10K Devices”, manual, vol. 4.0,2002.