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Os segredos da Porta Paralela (MEC19)

Como utilizar o seu computador (PC) para controlar um braço mecânico, um robô ou receber mensagens do "mundo exterior" como sensores, olhos eletrônicos, etc? Se o leitor deseja praticar mecatrônica usando o computador PC deve saber como fazer o interfaceamento correto. Isso implica em conhecer os tipos de sinais que o computador pode enviar ou receber e de que modo podemos fazer os circuitos de interfaceamentioara esta finalidade. Neste artigo vamos mostrar como tudo isso pode ser feito, lançando assim as bases que o leitor precisa para novos e fantásticos projetos.

 

Obs. Este artigo é de 2001. No entanto, muito do que se trata nele é válido para os modernos microcontroladores e mesmo para o leitor que temum velho PC e deseja aproveitá-lo em experimentação róbotica, automação e controle.

 

Os computadores pessoais do tipo PC (IBM e compatíveis) se comunicam com o mundo exterior por meio de "portas"(*).

Exatamente como o nome indica, por elas podem entrar e sair sinais que o computador utiliza tanto para "sentir" o que se passa fora dele como para "comandar" dispositivos que não estejam no seu interior.

 

(*) Na verdade, o nome adotado em inglês “port” significa porto, indicando um local onde podem ser “atracados” os dispositivos externos que vão se comunicar com o PC. No entanto, no nosso idioma a tradução de port por porta se consolidou pelo uso, e não foge muito ao significado de algo que “dá acesso” ao interior do computador, é realmente uma “porta de entrada ou de saída” dos dados com que o computador trabalho.

 

As principais portas que encontramos no computador são as Seriais, as Paralelas as USB (Unversal Serial Bus).

As portas seriais, como o nome sugere, recebem e enviam sinais em sequência, como por exemplo no controle do teclado ou de um mouse.

Na figura 1 mostramos que, nestas portas, os "bits" precisam ser enfileirados e enviados um a um numa sequência por meio de fios condutores.

 

Os bits são enviados em sequencia ou série na porta serial
Os bits são enviados em sequencia ou série na porta serial

 

 

Circuitos especiais no interior do computador e no interior do dispositivo que se comunica por este tipo de porta fazem a decodificaçã destes sinais, levando-os a uma forma mais própria para uso de processadores.

Na figura 2 mostramos de uma forma mais simples o que ocorre no envio destes sinais.

 

Como os bytes são transmitidos serialmente.
Como os bytes são transmitidos serialmente.

 

 

Os bytes que devem ser enviados se alinham com a sa¡da do dispositivo e por meio de um dispositivo especial são enviados bit a bit em sequência.

Quando um byte terminou de ser transmitido o byte seguinte "se alinha" e ‚ trasnmitido da mesma forma.

Não ‚ preciso dizer que esta forma de transmissão de dados é limitada em relação à velocidade, além de trazer alguns problemas de projeto, para quem deseja usá-la para o controle de dispositivos externos.

As portas paralelas, como o nome diz, podem transmitir um byte inteiro, levando cada bit por um condutor separado, conforme mostra a figura 3.

 

São usados 8 fios separados, um para cada bit a ser transmitidos simultâneamente.
São usados 8 fios separados, um para cada bit a ser transmitidos simultâneamente.

 

 

Os bits "correm" então paralelos por um cabo de muitos condutores, conforme sugere a figura.

A vantagem principal deste tipo de transmissão ‚ que podemos ter todos os bits de um byte ao mesmo tempo na saída do dispositivo (ou na entrada) o que significa uma velocidade maior de transmissão de dados ou ainda o controle simultâneo de 8 linhas o dispositivos.

A dificuldade técnica está na necessidade de se usar um cabo de muitos condutores, mais caro do que um cabo simples necessário à comunicação serial.

Além disso, fios dos cabos paralelos “interagens” um com os outros, devido às capacitâncias parasitas o que limita seu uso a distâncias não maiores do que poucos metros.

Se vamos nos comunicar com dispositivos muito distantes, como por exemplo enviar sinais de um computador para outro situados em cidades diferentes, o uso de um cabo multiplo tem custo proibitivo e al‚m disso a linha telefônica não poderia ser usada.

No entanto, se fizermos a comunicação serial o fio telefônico ou um par de fios trançados pode ser usado.

Para curtas distâncias entretanto, como por exemplo, controlar uma impressora na mesma sala em que está  o computador, um robô oiu um conjunto de comandos próximos o cabo multiplo já não representa problemas.

Observando os computadores por trás vemos que eles possuem conectores que trabalham com os dois tipos de sinais atravás dos quais o computador pode ser conectado a dispositivos externos.

Em especial interessa-nos o conector que corresponde à porta paralela que se destina, em princípio à conexão da impressora.

O padrão adotado pela IBM para esta porta partiu de um fabricante de impressora, a Centronics que havia desenvolvido um conjunto de sinais de controle que funcionavam muito bem na ‚poca.

A Centronics entretanto usava um conector Anphenol de 36 pinos (que vemos na própria impressora) enquanto que IBM desenvolveu sua própria sa¡da, mantendo os sinais, mas usando um conector D-shell de 25 pinos conhecido popularmente como DB25.

Isso significa que para fazer a conexão do PC a uma Impressora necessitamos de um "cabo adaptador" que numa extremidade tem um conector DB25 e na outra um conector Centronics de 36 pinos, conforme mostra a figura 4.

 

Os conectores de um cabo de impressora
Os conectores de um cabo de impressora

 

 

Além dos dados que são transferidos pelos condutores temos sinais especiais de controle e que também servem para informar o computador o estado da impressora, ou seja, se ela está ligada, se ela recebeu os dados transferidos, etc.

Para o projetista de interfaces que usam esta saída paralela é importante conhecer os tipos de sinais que podemos usar de modo a não colocar em risco a integridade do computador.

Sabendo usar estes sinais podemos usar a porta paralela para controlar praticamente qualquer função de um projeto de mecatrônica ou ainda receber sinais de sensores ou de comandos externos.

 

OS SINAIS DAS PORTAS PARALELAS

Os chips do computador operam com sinais extremamente fracos, dada a necessidade de se dissipar um mínimo de potência que deve ser distribuida pelos milhões de transistores do circuito.

Assim, para compatibilizar o circuito interno dos processadores com os circuitos externos são usados "buffers" que servem como isoladores e amplificadores (como o nome indica).

Esses buffers são projetados para fornecer em sua sa¡da uma corrente máxima de 2,6 mA e de drenar uma corrente máxima de 24 mA.

Como a tensão no nível alto é de 5 volts, podemos facilmente garantir segurançao de operação com resistores limitadores de valor apropriado.

Veja então que a capacidade de excitação de uma carga externa é maior quando o fazemos pelo nível baixo, conforme mostra a figura 5.

 

Correntes máximas na porta paralela
Correntes máximas na porta paralela

 

 

Na verdade não devemos usar à vontade estes limites, pois podem ocorrer problemas se tentarmos trabalhar com todas as portas atuando ao mesmo tempo.

Um problema que ocorre é que muitos buffers de PCs mais modernos ficam integrados nos mesmos chips que fazem o controle dos discos rígidos e outros periféricos.

Assim, um dano neles e todo o computador pode sofrer não somente as portas.

Isso significa que não podemos "carregar" as saídas paralela dos computadores com dispositivos que ultrapassem esses limites, sob pena de causar dano ao equipamento.

Alguns leitores vem nos dizendo que encontraram nas saídas de seus computadores os níveis lógicos de 5V e 0V, mas quando ligaram circuitos TTLs comuns ou CMOS não obtiveram seu acionamento.

De fato, as correntes das saídas paralelas não excitam TTLs comuns, pelas características que vimos.

As saídas são compatíveis com tecnologia TTL LS (Low Power Schottky) ou HC (High Speed CMOS), mas observando os limites podemos até acionar etapas transistorizadas e LEDS diretamente, conforme veremos.

Assim, uma vez que tenhamos acesso aos comandos e programas que "ponham" os níveis lógicos desejados nas sa¡das de uma porta paralela, a conexão de circuitos externos que façam o que desejamos fica muito simples.

 

QUE TIPO DE COMANDO PODEMOS ENVIAR PELA PORTA PARALELA?

Na porta paralela temos então 25 pinos, sendo os que mais nos interessam os que correspondem aos sinais, ou seja, o byte completo que vai de D0 a D7, conforme mostra a figura 6.

 

Identificação da porta paralela
Identificação da porta paralela

 

 

Os outros pinos podem ser usados em algumas outras funções, mas isso será assunto para outra oportunidade.

Através de comandos apropriados podemos colocar em qualquer um desses pinos uma tensão de 0 V ou de 5 V.

Isso é feito levando-se em conta o valor do byte colocado na saída e que pode variar entre 0 e 255 ou seja, entre 0000 0000 e 1111 1111.

Isso significa que, se quisermos colocar uma tensão de 5 V nos pinos B0 e B1 ou seja, fazer com que a saída seja 0000 0011, devemos atribuir ao valor do byte de saída “3”. Se quisermos por um 0001 001 o valor será “9”.

A forma mais simples de se colocar estes sinais na saída é fazendo um programa que gere os valores desejados quando pressionamos determinadas teclas.

Se usarmos por exemplo as saída B0 e B1 para fazer um motor ir para frente ou para traz basta fazer um programa que, quando pressionarmos a tecla A gere o valor 1 (0000 0001) e quando pressionamos a tecla B gere o valor 2 (0000 0010).

Os outros canais podem ser usados para outros comandos.

Na figura 7 mostramos como um circuito simples para esta finalidade pode ser ligado a porta paralela.

 

Acionamento direto de LEDs no nível alto (a) e no nível baixo.
Acionamento direto de LEDs no nível alto (a) e no nível baixo.

 

 

Veja que, dependendo do programa que usamos para gerar estes valores podemos ter o comportamento desejado para o motor.

Podemos fazer um programa que gere o sinal apenas enquanto a tecla estiver pressionada, mas também podemos fazer um programa que inclua um loop de tempo e que mantenha o sinal na porta por um determinado tempo, mesmo depois de que a tecla tenha sido liberada.

Tudo dependerá da aplicação que se tenha em mente.

Mas, conforme vimos não podemos ligar os motores diretamente na porta, pois os 5 V disponíveis não tem uma capacidade de corrente suficiente para o acionamento.

Além disso não seria interessante ter dispositivos que montamos diretamente ligado à porta, pois se acontecer alguma coisa de errado com eles, o microprocessador pode sofrer as consequências e o dano sai caro.

 

 

INTERFACEANDO

Sabendo que podemos colocar um sinal em qualquer um dos 8 pinos de saída da porta paralela o próximo passo no interfaceamento será ligar a cada um deles algum tipo de dispositivo que possa tanto isolar o circuito controlado do próprio PC como também permitir que dispositivos de alto consumo como motores sejam controlados.

Isso é feito por uma Interface de potência que admite diversas configurações.

 

 

INTERFFACEANDO SEU PC COM O MUNDO

Temos duas possibilidades de interfaceamento do PC com o "mundo exterior" usando os sinais das portas paralelas.

 

a) Interfaceamento direto

A forma mais simples de interfacear um circuito com um PC é usando diretamente os sinais da porta paralela para excitar o que desejamos se bem que, conforme tenhamos dito, temos o risco de que, se algo der errado o computador pode sofrer as consequências.

Na figura 7 vimos o modo de se fazer a excitação e LEDs de forma direta.

Levando em conta a queda de tensão no LED o resistor não precisa ser obrigatoriamente de 2,2 k Ω.

Resistores de 1,2 k Ω a 1,5 k Ω podem ser usados.

Para acionamento no nível baixo, quando a capacidade de correntes das saídas é maior podemos até reduzir os resistores para 470 Ω e em alguns casos 220 Ω.

Outra forma de acionar algum dispositivo externo é usando um transistor amplificador, dois transistores ou mesmo um SCR e que são mostrados na figura 8.

 

Acionando outras cargas.
Acionando outras cargas.

 

 

As correntes máximas dos dispositivos controlados são indicadas em cada caso.

Observe que estes circuitos precisam ter uma alimentação própria com o terra comum ao terra do computador.

 

b) Interfaceamento indireto

Esta é a forma mais segura de se controlar alguma coisa usando os sinais que podem ser colocados na porta paralela segundo o modo como explicamos.

Existem basicamente duas técnicas para se poder controlar dispositivos de alta potência com os sinais da porta paralela e com o isolamento elétrico total.

 

Com relés

A técnica que faz uso de relés é uma das mais simples e seguras e amplamente usada no controle de projetos de mecatrônica e robótica.

O que se faz é ligar em cada um dos pinos de sinal da porta paralela (B0 a B7) um circuito como o indicado na figura 9 e que aciona um relé.

 

 

Acionamento de relés com transistores no nível alto “1” (a) e no nível baixo  “0” (b).
Acionamento de relés com transistores no nível alto “1” (a) e no nível baixo “0” (b).

 

 

No circuito (a) quando um “1” lógico aparece no pino correspondente o transistor é polarizado e aciona o relé.

Ligando aos contactos do relé um motor, um solenoide ou seja lá o que for teremos seu acionamento.No circuito (b) o acionamento ocorre com a sáida da porta paralela indo ao nível baixo (0).

A grande vantagem deste tipo de circuito está no fato de que o dispositivo acionado não precisa ser alimentado com a mesma tensão dos relés ou com os 5 V do PC.

Podemos controlar até mesmo motores ligados na rede de 110 V ou 220 V e sua corrente está limitada apenas pela capacidade dos contactos do relé.

Podemos ir além sofisticando cada circuito acionado por exemplo com o uso de relés com contactos reversíveis que permitem inverter o sentido de rotação de um motor a um simples comando lógico enviando pelo PC, conforme mostra a figura 10.

 

Controlando o sentido de rotação de um motor com um relé DPDT
Controlando o sentido de rotação de um motor com um relé DPDT

 

 

Para este circuito ligado na porta B2, o motor gira num sentido quando o sinal na porta paralela for XXXX X1XX e gira em outro quando for XXXX X0XX.

Os “X” mostram que os outros bits podem ser tanto 0 como 1 dependendo do que os outros pinos vão controlar.

Outra forma de se fazer o interfaceamento de forma direta é usando “buffers”.

Estes buffers nada mais são do que circuitos integrados que aumentam a capacidade de excitação das saídas do PC.

Podemos usar tipos tanto da família TTL LS como HC CMOS, conforme mostra a figura 11 em eu temos um 74LS541 excitando LEDs alimentado pelo próprio PC.

 

Buffer usando o 74LS540
Buffer usando o 74LS540

 

 

Observe que, como os buffers do 74LS541 são inversiores, os LEDs acendem quando temos o bit 0 na saída correspondente.

Observe a existência de um resistor limitador de corrente em série com os LEDs.

Na figura 12 mostramos como usar um buffer para acionar uma carga de maior potência.

 

Usando o buffer como driver de transistor
Usando o buffer como driver de transistor

 

 

Para os que desejarem uma versão com portas não inversoras podemos sugerir o circuito com o 74H540 que tem a pinagem mostrada na figura 13.

 

Buffer não inversor.
Buffer não inversor.

 

Uma aplicação interessante que permite o controle de Triacs é mostrada na figura 14 e faz uso de um Latch Octal tipo D do tipo 74HC573.

 

Circuito equivalente ao 74LS573 (Latch/Flip-Flops).
Circuito equivalente ao 74LS573 (Latch/Flip-Flops).

 

 

Um latch é um dispositivo muito importante para certas aplicações de controle.

Nele, temos a mudança de estado dos flip-flops que controlam os opto-acopladores com a entrada do bit de comando.

A entrada de habilitação é mantida no nível alto de modo a haver a resposta instantânea do circuito.

 

Com acopladores ópticos

Os acopladores ópticos são dispositivos formados por um LED e um sensor de luz (normalmente um foto-transistor) conforme mostra a figura 15.

 

Um foto-acoplador.
Um foto-acoplador.

 

 

Se ligarmos o LED num dos pinos da porta paralela, tendo um resistor limitador de corrente, quando colocamos na porta uma tensão que acione o LED ele ilumina o foto sensor e com isso excita o circuito externo, conforme mostra o circuito típico da figura 16.

 

 

Usando um acoplador óptico
Usando um acoplador óptico

 

 

A grande vantagem deste tipo de dispositivo no controle é que o comando passa do LED para o sensor na forma de um feixe de luz.

Não há, portanto, contacto elétrico entre o circuito de comando do PC e o circuito comandado ligado ao sensor.

O isolamento típico de um opto-acoplador é da ordem de 7000 volts o que quer dizer que se houver um acidente no circuito comando queimando-o por completo, o circuito de comando antes do LED estará perfeitamente seguro.

Na figura 17 mostramos algumas configurações típicas usando este tipo de componente.

 

Circuitos com acopladores ópticos
Circuitos com acopladores ópticos

 

 

Em (a) temos o acionamento de LEDs no nível baixo e em (b) o acionamento no nível alto. Em (c) temos o disparo de um relé no n¡vel baixo e em (d) o disparo no nível alto.

A alimentação para os relés‚ deve ser obtida de um circuito externo. Lembre que o terra desta fonte deve estar em comum com o terra obtido na porta paralela.

Para acionar diretamente cargas até 1 A no nível alto (e) e no nível baixo (f) podemos usar transistores Darlington de potência que devem ser dotados de radiadores de calor.

Cuidado no acionamento de dispositivos que gerem transientes como cargas indutivas, protegendo o circuito contra sua ação.

O disparo de um Triac com um opto-diac ‚ mostrado em (g). Observe que o MOC3020 ‚ usado na rede de 220V.

O Triac pode ser o TIC226-D.

 

SOFTWARE

Veja que, usando os circuitos indicados podemos fazer facilmente placas de comando ou interfaceamento de potência que controlariam robôs, braços mecânicos, elevadores, e muitos outros dispositivos de mecatrônica.

Basta que cada uma tenha 8 de qualquer dos muitos circuitos indicados e que no pino de entrada correspondente seja colocado um “1” ou “0” quando desejarmos a ativação do dispositivo correspondente.

Para colocar este “1” ou “0” o programador tem uma quantidade enorme de possibilidades.

Os modos mais simples são os que fazem uso de programas de menor complexidade como o próprio Basic ou mesmo linguagens projetadas justamente com esta finalidade como a LOGO.

Para os que dominam melhor as técnicas de programação o Visual Basic (VB), Delphi, C++, Pascal e mesmo Assembler podem ser usados.

 

 

CUIDADOS ESPECIAIS

Evidentemente, os leitores com menos prática podem sentir um certo receio em ligar alguma coisa externa à uma porta do computador, com medo de causar algum tipo de dano irreversível.

Algumas regras importantes podem ajudar a evitar estes problemas:

 

a) As conexões dos cabos que vão da porta ao circuito controlado devem ser conferidos com extremo cuidado. É neste ponto que um curto acidental pode causar danos ao computador.

 

b) Ao excitar circuitos energizados externamente de forma direta, limite sempre a corrente usando um resistor de valor apropriado.

 

c) Se tiver de excitar circuitos alimentados pela rede ou alimentados com tensões diferentes de 5 Volts use sempre elementos isoladores para maior segurança como opto acopladores ou relés.

 

d) Se o circuito a ser excitado tiver um bom consumo dê preferência a uma fonte externa em lugar de aproveitar os 5 volts disponíveis do computador.

 

Artigo publicado originalmente em 2001

 

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