Roteiro_05_DAE01228_CONVERS_O_ANAL_GICA_DIGITAL (1) (1)

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DISCIPLINA: SISTEMAS MICROPROCESSADOS - DAE01228 - SEMESTRE : 2021.2
Roteiro No 5
CONVERSÃO ANALÓGICA DIGITAL
Prof. Eng. Dr. Ciro J. E. Montero 1
1 Fundação Universidade Federal de Rondônia - UNIR, Núcleo de Tecnologia - NT, Departamento de Engenharia Elétrica - DEE, Sala 314 - Bloco 4H
Porto Velho, Rondônia, Brasil
e-mail: ciro.egoavil@unir.br
RESUMO Este roteiro explica o módulo de conversão analógico-digital para a realização da leitura de um
potenciômetro, o que emula a leitura de um sensor analógico. O resultado é mostrado em um display LCD.
1 INTRODUÇÃO
Conversores analógicos-digitais (A/D) são de suma impor-
tância, pois, sinais existentes na natureza são analógicos e
o processo de conversão (A/D) realizado através de Mi-
crocontroladores permite infinitas aplicações que traduzem
para o cotidiano social. A compreensão desses fenômenos
analógicos existentes na natureza não são de fácies inter-
pretação e muitas das vezes invisíveis a visão humana [1].
Os Microcontroladores geralmente trabalham conectados a
sensores, e. g. sensor de temperatura que converte um valor
físico (temperatura em tensão) em uma ambiente. Esse valor
de tensão é analógico e precisa ser convertido para digital,
para ser lido por um microcontrolador ou microprocessa-
dor, onde será feita a análise e tratamento dos dados. Um
módulo de conversão (A/D) de 10 bits de resolução e 8
canais está disponível no PIC16F877A [2]. Esse tipo de
aplicação não permite que seja efetuado os pulling ou delays
nos códigos, porque esse modo de programação prende o
Microcontrolador por um certo tempo em uma determinada
parte sem que mais nada possa ser processado até o fim
do tempo especificado, o que compromete por um todo o
monitoramento de quaisquer fenômeno físico, pois, pode
acontecer que o sensor leia o valor apropriado para atuar,
mas o Microcontrolador esteja atendendo a rotina de pul-
ling determinado pelo programador [1]. Para se desvenci-
lhar disso, a maioria dos Microcontroladores da Microchip
possuem rotinas de interrupção, como o próprio nome já
sugere, os Microcontroladores interrompem sua execução em
quaisquer instante de tempo e atendem a rotina de interrup-
ção predeterminada [2]. São importantes pois economizam
tempo de processamento, nesses microcontroladores, há uma
interrupção dedicada ao fim de uma conversão (A/D). Uma
característica importante desses Microcontroladores é que
eles possuem apenas um módulo de conversão (A/D), no
entanto, trabalha internamente de forma multiplexada com o
PORTA e com esse recurso permite utilizar todos os canais
disponíveis de transmissão, para a entrada de diferentes sinais
[2]. Esse recurso pode ser observado através do diagrama de
bloco do PIC16F877A (vide o datasheet).
2 OBJETIVOS
Oss objetivos deste roteiro são os seguintes:
• Explicar o funcionamento da conversão (A/D);
• Mostrar a como realizar a conversão (A/D);
• Mostrar diferentes configurações que podem ser defini-
das no PIC16F877A para conversão A/D;
• Estabelecer a rotina de interrupção baseado em conver-
são (A/D); e
• Esperar o fim da conversão de algum sinal para estabe-
lecer algum evento externo.
3 SOFTWARES UTILIZADOS
• MPLAB X
• PICSimLab
• XC8
4 DESENVOLVIMENTO TEÓRICO
Os Registradores ADRESL e ADRESH são os Registra-
dores utilizados para armazenar, o resultado final de uma
conversão analógica para digital (ADC). Dois Registradores
são utilizados no processo (ADC) é porque os Microcon-
troladores PICs normalmente executam conversões (ADC)
através de módulos de 10 bits ou mais. Um único Registrador
tem apenas 8 bits (vide o datasheet), portanto, ele não pode
conter todos os valores amostrados. Consequentemente, uma
Roteiro 5, 2021.2 1
conversão (ADC) deve armazenar seus valores em dois Re-
gistradores (16 bits). ADRESH e ADRESL, como os nomes
indicam, esses Registradores armazenam um byte High e um
byte Low. Por si só, um Registrador somente pode contar até
256 (28 = 256). Uma conversão através de módulos de 10
bits gera 210 = 1024 amostras, para que não se perca nem
um ponto de resolução, surge a necessidade da utilização de 2
Registradores (16 bits) e isso se explica através da quantidade
de amostras que se consegue obter com um módulo conversor
de 10 bits [2]. O byte baixo ADRESL1 contará até 256
overflow2. O byte alto ADRESH3 é incrementado sempre
que ADRESL transborda. A junção do trabalho desses dois
Registradores agrupam os valores digitais capturados em
todo o processo.
Para trabalhar com conversão analógico-digital através do
PIC16F877A, é necessário o conhecimento e entendimento
de como funciona o setup, via código, de quatro Registrado-
res, (vide o datasheet) ADCON0 e ADCON1 para configura-
ção do módulo, e ADRESH e ADRESL onde é armazenado
o resultado da conversão, como descrito anteriormente. Vale
ressaltar, além disso, um Registrador importante em traba-
lhos mais elaborados com Microcontroladores é o CMCON,
(vide o datasheet), pois esse Registrador é responsável pela
ativação dos comparadores internos dos PICs da Microchip
[2]. Também precisa-se entender como funciona em si o pro-
cesso de conversão, pois, como já informado, o PIC16F877A
possui uma resolução que varia de 0 a 1023 (210 − 1), o que
possibilita que se tenha 1024 representações (1024 amostras
desse sinal) do sinal convertido e muitas vezes, o sinal analó-
gico a ser digitalizado não possui variação a partir de 0V. Por
isso, necessita que primeiramente se realize uma interface de
adequação, entre o sinal analisado e o Microcontrolador para
que não se perca parte da resolução [1].
4.1 SETUP PARA EXPERIMENTOS
Através do Registrador ADCON1 faz-se a configuração
do modo que a justificação dos valores convertidos se darão,
justificando os bits nos Registradores ADRESH e ADRESL
(justificação à direita ou à esquerda, Figura 1) - bit 7.
Figura 1: Modo de disposição dos valores convertidos. Fonte:
modificado [2]
1“L” de low em inglês
2bit c do Registrador STATUS - carry-out
3“H” de high em inglês
Resultado = ADRESL + (ADRESH *256)
A expressão (ADRESH * 256) equivale a expressão
(ADRESH « 8), e é utilizada para rotacionar valores amos-
trados que já estão salvos no Registrador ADRESH, isso
possibilita a justificação já citada. Em binário, (12 « 8 =
25610), o que se realiza para que se desloque o dígito em
8 posições e os agrupem de forma adequada. O byte baixo
ADRESL conta até 256 estouros para que ocorra o primeiro
carry-out. O carry-out implica que byte High, ADRESH, é
incrementado em uma unidade sempre que ADRESL trans-
borda. ADRESH está contando quantos 256 existiram, e.
g. quantos fins de conversão aconteceram ou quantas vezes
houve overflow do TMR0. Isso possibilita a contagem de
tempos para que se determine uma tarefa.
Faz-se a seleção da frequência de conversão através do bit
6, os bits 5 e 6 não são implementados e lidos como zero,
e faz-se a configuração do modo, como os bits do PORT se
comportarão durante o processo de conversão - analógico ou
digital e de quais tensões/referências serão utilizadas - VDD,
VREF+, VREF− e VSS através dos bits de 3 - 0 [2]. Em
modo de linguagem de programação C, uma configuração
possível é mostrado a seguir (vide o datasheet):
ADCON1 = 0b10000100;
A sequência em binário (0b00000100) específica que foram
realizadas as seguintes instruções: frequência de conversão
foi defina como Fosc/8, configuraram-se AN0, AN1 e AN3
como entradas analógicas, e definidas as tensões de refe-
rência como VDD e VSS . Para conversões (A/D) corretas, a
frequência de conversão deve ser escolhida para garantir um
tempo mínimo de conversão de 1, 6µs, TAD - tempo de aqui-
sição de dados [2]. Esse tempo é algo que mal configurado
compromete toda a conversão, pois, esse tempo é o gasto, de
acordo com o tempo de cada ciclo de máquina. E deve-se
perceber que o sinal analógico que está sofrendo o processo
de conversão é um evento independente da conversão e não
“espera” - contínuo no tempo, e. g.: o sinal analógico é con-
tínuo e se o TAD é grande perderá muitas amostras dos sinal
analógico e por conseguinteterá uma leitura imprecisa de
dados. Por outro lado, se o TAD for excessivamente pequeno
é possível que Microcontrolador não consiga “acompanhar”
o estabelecido, (vide o datasheet).
O Registrador ADCON0 configura, nos bits 7 e 6 jun-
tamente com ADCON1 a frequência de conversão. Define
quais canais serão utilizados para conversão, bits 5 a 3. Inicia
a conversão e indica o término no bit 2 (GO/DONE), bit
1 não implementado, lido como zero e ativa-se o módulo
de conversão no bit 0. Programando em linguagem C, uma
configuração possível é mostrada a seguir, (vide o datasheet)
[2]:
ADCON0 = 0b01001001;
A sequência em binário (0b00000100) específica que fora
realizado as seguintes instruções: a frequência de conversão
de Fosc/8, seleciona o canal AN0, e ligar o módulo de
2 Roteiro 5, 2021.2
conversão. Após a escolha do canal analógico, é necessário
que o microcontrolador aguarde um tempo máximo de 20µs,
para que o capacitor utilizado carregue, (vide o datasheet).
5 EXPERIMENTO 1
Primeiramente, crie um projeto no MPLAB X (vide Roteiro
No 1) e faça as configurações básicas escolhendo o Microcon-
trolador e o Compilador adequados (PIC16F877A, XC8),
e crie um arquivo em c. Em seguida, faça a configuração
do Microcontrolador e escolha a frequência de trabalho de-
sejada (4 MHz), (vide Roteiro No 1). Após executadas as
configurações, pode-se criar um laço infinito usando while e
será iniciada a conversão (A/D) ativando o bit (GO/DONE).
Então, deve ser verificado se a conversão finalizou, caso sim,
poderá utilizar-se desse processo para controlar um evento
externo, e. g., O laço while deve ser:
while(1){
GO_nDONE = 1;
while(GO_nDONE){
AD_Value = (ADRESH<<8)|ADRESL;
Lcd_Cmd(0x01);
sprintf(s,"AD_Value = %d",AD_Value);
Lcd_String(s);
__delay_ms(200);
}
}
A linha “while(GO_nDONE)” verifica se a conver-
são (A/D) finalizou, testando o bit GO/DONE. Enquanto
GO/DONE = 1, a conversão está em andamento. A variável
“AD_Value” deve ser criada no início da função main() com
o tipo “unsigned int [3] AD_Value;” Lembre-se que o con-
versor é de 10 bits [2]. A linha “AD_Value = (ADRESH«8)
| ADRESL;” (significa um («) - shift left, (|) - ou bit a bit)
rotaciona (desloca) os bits de ADRESH 8 vezes à esquerda
e os guarda junto ao valor de ADRESL em AD_Value,
pois estão justificados à direita. “Lcd_Cmd(0x01);”, (vide
Roteiro No 4)" limpa o display. “sprintf(s, “AD_Value =
%d”, AD_Value);” formata o array4 s com os caracteres
“AD_Value = ” é o valor lido da conversão. Compõe uma
string com o mesmo texto que seria impresso se o formato
fosse usado em printf, mas em vez de ser impresso, o
conteúdo é armazenado como uma string em linguagem
(c) no ponteiro apontado por str. A array “s” deve ser
declarado no ínicio da função main() como “char s[11];” [4].
“Lcd_String(s)” (vide Roteiro No 4) mostra s no display.
A função sprintf() é definida na Biblioteca stdio.h, do tipo
.h - header, que deve ser incluída no código, logo após a
inclusão de xc.h., como:
#include <stdio.h>
Após a compilação, no PICSimlab carregue o arquivo
.hex gerado e selecione a frequência adequada. O display
4Protótipo: int sprintf(char * restrict s, const char * restrict format, ...););
mostrará resultados da conversão. Mas mudá-los basta des-
lizar o slider5 esquerdo sob Pot. P2. O código da biblioteca
LCD está no Apêndice A e deve ser incluído (#include lcd.h)
antes da função main(). O código principal está no Apêndice
B.
6 EXPERIMENTO 2
Neste experimento será mostrado o uso de interrupção por
fim de conversão analógica (A/D). AS interrupções possuem
Registradores que deverão ser configurados de forma ade-
quada para habilitar a interrupção deseja (vide o datasheet).
O Registrador INTCON é o Registrador responsável para
habilitar a interrupção global através do bit GIE (habilita a
interrupção global), a Figura 2 ilustra o descrito aqui. A in-
Figura 2: Diagrama de bloco das interrupções dos Pic16f87XA, Fonte: extraída [2]
terrupção por fim de conversão (A/D) é uma interrupção por
periférico. Para utilizar as interrupções, a Figura 2, mostra de
forma clara o porquê do bit GIE dever ser setado (1). Visto
que, compõe uma das entradas de uma porta lógica AND
que finaliza a saída do diagrama em bloco de toda lógica de
interrupção do PIC16F877A, (vide o datasheet). O bit PEIE
do Registrador INTCON (interrupção por periféricos) deve
ser habilitado. Além disso, deve ser habilitada a interrupção
específica que no caso do conversor (A/D) é habilitada por
ADIE do Registrador PIE1 (vide o datasheet).
Crie um novo projeto, (vide Roteiro No 1). Desta vez, será
utilizada justificação à esquerda, (vide o datasheet). Os ou-
tros bits de ADCON0 e slider esquerdo sob Pot. P2. serão
deixados como estão.
Assim, dentro de main() faça
GIE = 1;
PEIE = 1;
ADIE = 1;
ADCON1 = 0b00000100;
ADCON0 = 0b01001001;
__delay_us(20);
5Tecla de ajuste de um potenciometro
Roteiro 5, 2021.2 3
while(1) {
GO_nDONE = 1;
__delay_ms(200);
}
O protótipo da rotina de interrupção deve ser definida antes
da função main(), a função em si deve ser desenvolvida após
a função main(). Ela é definida da seguinte maneira:
void __Interrupt()Isr() {
if(ADIF){
char s[11];
Lcd_Cmd(0x01);
sprintf(s, ‘‘pot = %d’’,(ADRESH<<2)
| (ADRESL >> 6));
Lcd_String(s);
ADIF = 0;
}
}
Para o PIC16F877A só existe uma rotina de interrupção
e nela são executadas todas as interrupções ativas. Devido
a isso, deve-se testar a flag de cada interrupção para saber
qual aconteceu. O bit ADIF é a flag de interrupção de fim
de conversão (A/D) por isso a primeira linha da rotina é
“if (ADIF)”. Em seguida são executadas as linhas como no
experimento anterior com exceção da linha "sprintf(s, "pot
= %d", (ADRESH«2) | (ADRESL » 6));" que são feitos os
ajustes necessários para trabalho com os bits justificados à
esquerda. Por último, a flag ADIF é colocada como 0 para
encerrar a rotina.
Após a compilação, a execução deve ser da mesma forma
como no exemplo anterior.
7 EXERCÍCIOS
1) Fazer conversão (A/D) com justificação à esquerda,
aguardando o fim de conversão, e mostrar resultado
nos bits 0, 1, 2 e 3 do PORTB (Dica: trata-se de
uma conversão de 10 bits para 4 bits, ou seja, haverá
perda de precisão e só os bits mais significativos serão
necessários).
2) Mudar o código do exercício anterior para utilizar
justificação à direita e interrupção por fim de conversão
(A/D).
Referências
[1] E. W. Rambo, “Wrkits channel: Curso de assembly para pic.”
[2] MICROCHIP, “Pic16f87xa: Data sheet, 28/40/44-pin enhanced flash micro-
controllers.”
[3] Microsoft, “Documentação: Intervalos de tipos de dados.”
[4] E. Casavella, “Intellectuale: Tecnologia & treinamento.”
4 Roteiro 5, 2021.2
APÊNDICE A - BIBLIOTECA LCD.H
void _delay(unsigned long cycles);
void _delaywdt(unsigned long cycles);
void _delay3(unsigned char cycles); //delay for 30 cycles
void Lcd_Enable();
void Lcd_Init();
void Lcd_Cmd(unsigned char Cmd);
void Lcd_Char(char Data);
void Lcd_String(char *String_Address);
void Lcd_CursorPosition(unsigned char X, unsigned char Y);
void SpecialChar();
#define RS RE0 //Mnemônico para RE0
#define EN RE1 //|| || RE1
#define RW RE2 //|| || RE2
#define DB PORTD //Diretiva de byte
void Lcd_Enable(){
_delay(20); //delay for 20 cycles, 1us
EN = 1;
_delay(500); //delay for 500 cycles, 1us
EN = 0;
_delay(500); //delay for 500 cycles, 1us
}
void lcd_init(){
TRISE &= 0x08; //Bits 0 and 1 and two from PORTE as output (TRISE = TRISE & 0b00001000)
TRISD = 0x00; //Define PORTD as output
lcd_cmd(0x38); //8 bit mode ON, 2 lines, 5*8 font
lcd_cmd(0x38); //8 bit mode ON, 2 lines, 5*8 font
lcd_cmd(0x06); //increase cursor position, scroll display OFF
lcd_cmd(0x0F); //display ON, cursor ON, blink ON
lcd_cmd(0x01); // Clear display
lcd_cmd(0x80); //Go to position (1,1)
}
void lcd_cmd(char cmd){
RS = 0; //A command will be sent to the display
DB = cmd;
Lcd_Enable();
}
void lcd_char(char data){
RS = 1; //Data will ve sent to the display
DB = data;
Lcd_Enable();
}
void lcd_string(char *string_address){
while(*string_address) {
lcd_char(*(string_address++));}
}
void lcd_cursorPosition(char x, char y){
//char position = 0x80 + 0x40 * (x - 1) + (y - 1); // 0x3F + 0x40*x + y
char position;
if (y==1) {
position = 0x80 + x - 1;
}
else {
position = 0xC0 + x - 1;
}
lcd_cmd(position);
}
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void SpecialChar(){
Lcd_Cmd(0x40);
Lcd_Write(0b0);
Lcd_Write(0b0);
Lcd_Write(0b0);
Lcd_Write(0b0); //0x00 1 caracter da CGRAM
Lcd_Write(0b0);
Lcd_Write(0b0);
Lcd_Write(0b0);
Lcd_Write(0b0);
}
6 Roteiro 5, 2021.2
APÊNDICE B - CÓDIGO PARA EXPERIMENTO 1
// CONFIG
#pragma config FOSC = HS // Oscillator Selection bits (HS oscillator)
#pragma config WDTE = OFF // Watchdog Timer Enable bit (WDT disabled)
#pragma config PWRTE = ON // Power-up Timer Enable bit (PWRT enabled)
#pragma config BOREN = OFF // Brown-out Reset Enable bit (BOR disabled)
#pragma config LVP = OFF // Low-Voltage (Single-Supply) In-Circuit Serial Programming
// Enable bit (RB3 is digital I/O,
// HV on MCLR must be used for programming)
#pragma config CPD = OFF // Data EEPROM Memory Code Protection bit (Data EEPROM
// code protection off)
#pragma config WRT = OFF // Flash Program Memory Write Enable bits (Write protection
// off; all program memory may be written to by EECON control)
#pragma config CP = OFF // Flash Program Memory Code Protection bit (Code protection off)
#define _XTAL_FREQ 4000000
#include lcd.h
#include <xc.h>
#include <stdio.h>
void main() {
lcd_init();
int value;
char s[11];
ADCON1 = 0b10000100; // Right justified, Fosc/8, AN0, 1 and 3 as analog inputs
ADCON0 = 0b01001001; // Fosc/8, AN1, ADON = 1
__delay_us(20); // Delay to charge capacitor
while(1) {
GO_nDONE = 1; // Start AD conversion
while(GO_nDONE) {} // Wait for AD conversion to finish
value = (ADRESH<<8) | ADRESL; // Save ADRESH and ADRESL in value
lcd_cmd(0x01); // Clear display
sprintf(s, ‘‘value = %d’’, value);
lcd_string(s);
// Proceed to other tasks
__delay_ms(200);
}
}
Roteiro 5, 2021.2 7
APÊNDICE C - CÓDIGO PARA EXPERIMENTO 2
// CONFIG
#pragma config FOSC = HS // Oscillator Selection bits (HS oscillator)
#pragma config WDTE = OFF // Watchdog Timer Enable bit (WDT disabled)
#pragma config PWRTE = ON // Power-up Timer Enable bit (PWRT enabled)
#pragma config BOREN = OFF // Brown-out Reset Enable bit (BOR disabled)
#pragma config LVP = OFF // Low-Voltage (Single-Supply) In-Circuit Serial Programming
// Enable bit (RB3 is digital I/O,
// HV on MCLR must be used for programming)
#pragma config CPD = OFF // Data EEPROM Memory Code Protection bit (Data EEPROM
// code protection off)
#pragma config WRT = OFF // Flash Program Memory Write Enable bits (Write protection
// off; all program memory may be written to by EECON control)
#pragma config CP = OFF // Flash Program Memory Code Protection bit (Code protection off)
#define _XTAL_FREQ 4000000
#include <xc.h>
#include <stdio.h>
void __interrupt() isr() {
if (ADIF) {
char s[11];
lcd_cmd(0x01); // Clear display
sprintf(s, "value = %d", (ADRESH<<2) | (ADRESL >> 6));
lcd_string(s);
ADIF = 0;
}
}
void main() {
lcd_init(); // Start LCD
GIE = 1; // Enable global interrupt
PEIE = 1; // Enable peripheral interrup
ADIE = 1; // Enable A/D interrupt
ADCON1 = 0b00000100; // Left justified, Fosc/8, AN0, 1 and 3 as analog inputs
ADCON0 = 0b01001001; // Fosc/8, AN1, ADON = 1
__delay_us(20); // Delay to charge capacitor
while(1) {
GO_nDONE = 1; // Start AD conversion
// Proceed to other tasks
__delay_ms(200);
}
}
8 Roteiro 5, 2021.2
	Introdução
	Objetivos
	Softwares Utilizados
	Desenvolvimento Teórico
	SETUP para Experimentos
	Experimento 1
	Experimento 2
	Exercícios
	Referências