O dsPIC, um Controlador Digital de Sinais (DSC) da Microchip consiste num poderoso dispositivo de 16 bits com arquitetura Harvard modificada, que ao mesmo tempo combina as vantagens de um microcontrolador (MCU) de 16 bits com um Processador Digital de Sinais (DSP) obtendo-se assim uma solução completa para aplicações como controle de motores, conversão de pot6encia, sensores de alta velocidade, processamento de sinais de áudio e voz, conectividade e modems, telecom, encriptação e aplicações automotivas. Veja neste artigo o que o dsPIC e como você pode ser beneficiar de suas excepcionais características no desenvolvimento de seu projeto industrial.
Os dsPICs da Microchip (www.microchip.com) podem alcançar velocidades de processamento de 30 MIPS, podendo ser programados em linguagem C, além de possuírem memória flash interna de programa, EEPROM de dados, SRAM de dados, periféricos poderoso além de diversas bibliotecas de softwares que permitem ao desenvolvedor criar soluções embutidas com facilidade.
A memória flash tem tamanhos entre 12 kbytes e 144 kbytes, estando disponíveis na família dsPIC30F 18 dispositivos diferentes, mas muitos outros devem aparecer com o passar do tempo.
Na figura abaixo um exemplo de dispositivo disponível desta família.
Dentre as vantagens apresentadas pelos dispositivos desta família e que podem ser aproveitadas pelos leitores já familiarizados com os dispositivos PIC da mesma empresa destacamos:
MCU rápida e poderosa de 16 bits de dados
Desempenho elevado para o setor DSP
Arquitetura de instruções baseada em RISC
Memória Flash
Barramentos separados de programa e dados
Periféricos poderosos on-chip
Características elétricas e de recursos:
Faixa de tensões de operação: 2,5 a 5,5 V
Faixa de temperaturas de operação: -40º C a +125º C
Faixa de velocidades de operação: DC a 30 MIPS
Invólucros: de DIPs de 18 pinos a TFFPs de 80 pinos
Power-on Reset programável
Brown-ou Reset programável
Detecção de baixa tensão programável
Modos Idle e Sleep
Comutação entre fontes de clock em tempo real
Memória flash programável - no circuito
Memória EEPROM de dados
Memória SRAM de dados
Estrutura de interrupções flexível
Capacidade de conversão A/D de alta velocidade:
Periféricos On-Chip:
Opções de clock: cristal, ressonador, RC ou chip RC
Módulos de comunicação:
SPI, PC, UART, CAN 2 0B, Codec Interface (PS&AC97)
Timers
Captura de entrada
Comparador de saída/PWM
Controle de motores PWM
Conversores A/D (+/-1 LSB de precisão)
Taxa de conversão de dados de 10 bits de 1 Msp.
Taxa de conversão de dados de 12 bits de 500 kbps
Mas, para que o leitor tenha uma idéia melhor do que um dsPIC pode fazer e no que ele é melhor para muitas aplicações do que um PIC convencional, comecemos por uma análise mais detalhada do que é um Controlador Digital de Sinais.
O que é um Controlador Digital de Sinais
Um controlador digital de sinais (DSC = Digital Signal Controller) consiste num dispositivo que tem integra um microcontrolador (MCU) com recursos adicionais que permitem que ele opere como um processador digital de sinais (DSP).
O gráfico da figura abaixo mostra como esse dispositivo se situa quando o comparamos a DSPs convencionais e MCUs de 32 bits.
O que ocorre é que no processamento de sinais rápidos, como o que ocorre com um controle de motor, no processamento de sinais de sensores muito rápidos (como os usados nas aplicações automotivas), no processamento da palavra, os DSPs são dispositivos muito mais apropriados do que os microcontroladores.
Os DSPs convertem os sinais analógicos rapidamente para a forma digital, processam-nos e depois os entregam quer seja na forma digital como analógica ou ainda os utilizam para fazer o controle de dispositivos externos.
Os DSPs já possuem em seu interior um microcontrolador apropriado para a tarefa que exercem. Assim, um dsPIC, reunindo as características tanto dos DSPs como dos Microcontroladores, consistem em dispositivos especialmente indicados para as aplicações em que DSPs convencionais são recomendados.
Isso torna os microcontroladores com DSPs especialmente indicados para qualquer aplicação que envolva o processamento de sinais em tempo real. É o que ocorrem justamente com os dsPICs que, conforme o nome indica consistem numa "mescla" de microcontroladores com DSPs num único chip.
No entanto, a vantagem maior do dsPIC está justamente em sua arquitetura e recursos que os tornam mais fáceis de usar do que os DSPs convencionais, pois podem ser utilizados de forma simples, principalmente pelos que já estão familiarizados com os PICs.
Além disso eles são otimizados para aplicações de controle em condições extremas como por exemplo, as encontradas em aplicações embarcadas, em eletrodomésticos e no controle de motores ou inversores em ambientes industriais.
Tudo isso dota os dsPICs de recursos específicos em determinadas aplicações onde eles podem reunir as vantagens do melhor desempenho, maior facilidade de uso e menor custo.
Competitividade - Porque dsPIC
Um dos problemas dos microcontroladores que reúnem características de DSPs das primeiras gerações era sua performance, que deixava muito a desejar quando comparada com a dos DSPs convencionais.
Assim, os primeiros MCUs desenvolvidos tinham o problema da fronteira dos 64 kB ditados pelos MCUs de 8 bits.
Assim, altas velocidades não podiam ser alcançadas pelas primeiras arquiteturas.
Quando novas arquiteturas se fizeram necessárias, um primeiro problema a ser enfrentado para se aumentar suas performances foi justamente a compatibilidade com as MCUs das gerações anteriores.
O dsPIC, por outro lado, foi desenvolvido a partir do zero, unindo as exigências dos 16 bits tradicionais. sem sacrificar a performance, ele combina as performances das MCUs de 16 bits no cerne de uso geral com todos os recursos necessários a uma operação de DSP.
Projetado para Controle em Tempo Real
Diversas são as vantagens oferecidas pelo uso do dsPIC em controles em tempo real, como apregoa a Microchip.
Dentre elas destacam-se a confiabilidade, robustez e custo reduzido do sistema. Além disso, outros detalhes devem ser observados como.
a) O oscilador on-chip elimina a necessidade de cristais reduzindo o custo do projeto.
b) A temperatura máxima de operação é de 125º C o que o torna ideal para aplicações em ambientes extremos como os encontrados nas aplicações industriais e automotivas.
c) Os pinos I/O podem excitar cargas de até 25 mA o que significa a possibilidade de acionamento direta de LEDs, ou ainda eliminar a necessidade de MOSFETs externos como comutadores.
d) O monitor de clock é on-chip o que agrega confiabilidade do circuito.
e) Existem diversos recursos para se otimizar o consumo. Pode-se alterar a freqüência do oscilador on-chip ou ainda dividir a freqüência do clock em períodos de inatividade. Também pode-se ir ao modo "power-down" de modo a cortar os clocks e reduzir a corrente a poucos microampères.
f) O power-on Reset on-chip elimina a necessidade de circuitos externos para essa finalidade.
Para as diversas aplicações existem recursos específicos, o que é muito importante quando se deseja desenvolver um projeto completo. Alguns exemplos são dados a seguir:
Controle de Motores
Mais recursos do que os obtidos por um simples microcontrolador podem ser obtidos com o uso de um dsPIC. Assim, é possível ter muito melhor desempenho nas seguintes aplicações:
* Aquecimento, ventilação e sistemas de ar condicionado
* Encoders e resolvers absolutos
* Sistemas de controle industrial
* Equipamentos para exercícios físicos (academias)
* Máquinas de lavar
* Máquinas de costura
* Bombas industriais
* Ferramentas de potência
* Refrigeração
* Máquinas impressoras
Para essas aplicações os dispositivos da família dsPIC30F contam com:
* 1 ou 2 pinos de detecção de falhas
* Variantes de 28, 40 e 64 pinos
* 6 ou 8 saídas de controle PWM de motor
* PWM complementar ou independente
* PWM alinha nos extremos ou no centro
* Amostragem A/D sincronizada para o ciclo PWM
* Conversor A/D de 10 bits, 1 Msps
* 2 ou 4 amostragem simultâneas para o A/D
* Operação de 5 V para ambientes ruidosos
* Algoritmo para controle de motor
Conectividade
Para aplicações envolvendo conectividade, como por exemplo os ligados à Internet, a família dsPIC30F oferece diversos campos de aplicação como:
* Diagnóstico remoto de equipamento industrial
* Equipamento médico remoto
* Medidores remotos de água, luz e gás
* Sistemas de controle industrial
* Monitoramento remoto
* Máquinas de venda (vending machines)
* Modems através da rede de energia
* Sistemas de segurança
* Set top boxes
Para essas aplicações os destaques das características exigidas são:
* Interface UART
* Software com biblioteca TCP/IP
* Biblioteca para Soft Modem (V3\.32bis/V.22bis)
* Bibliotecas de encriptação
* Software para driver ethernet
* RTOS para multiconsulta
Controle de Sensores
O tamanho reduzido dos dispositivos de 18 e 28 pinos da série dsPIC tornam esses dispositivos ideais para aplicações que envolvem o controle avançado de sensores.
A combinação com um conversor A/D de 12 bits, periféricos de comunicação, gerenciamento de energia e o desempenho de um DSP torna possível o desenvolvimento de módulos de interface inteligentes para sensores.
Dentre as aplicações possíveis no controle de sensoriamento, destacamos:
* Detecção avançada 2-D PIR
* Sensores químicos e de gás
* Detectores de quebra de vidros
* Módulos giroscópicos
* Detectores de batidas
* Sensores de vibração
* Sensores de pressão
* Sensores de torque
* Receptores de moedas
* Sensores magnéticos
* Sensores ultrassônicos
Para essa finalidade as características do dsPIC que se destacam são:
* EEPROM de dados
* Capacidade de DSP
* Captura de entrada de alta velocidade
* Conversor A/D de 12 bits, 200 kbps
* Ferramenta visual para projeto de filtros digitais
* A memória flash configurável pode atualizar algoritmos
Aplicações Automotivas
Como fornecedor qualificado ISO/TS 16949:2002, para fabricantes de veículos, a Microchip indica os dispositivos da família dsPIC30F nas seguintes aplicações:
* Direção hidráulica assistida eletronicamente
* Caixas de embreagem eletrônicas
* Pre-tensionadores para cintos de segurança
* Cancelamento de ruído
* Monitores avançados de bateria
* Controlador de airbag
* Controladores de ignição
* Sensores
* Controles de pressão de combustível
Para essa finalidades as características exigidas, encontradas nos dispositivos dsPIC são:
* Capacidade de DSP
* Cerne MCU poderoso
* Biblioteca para rede CAN e OSEK
* Um ou dois módulos CAN 2.0B
* Temperatura de operação estendida
* Faixa de tensões de +2,5 V a 5,5 Vdc
* Suporte LIN através de UART e software
* Modos de operação segura
* Alta confiabilidade
Processamento da Palavra
Tanto o processamento da palavra como aplicações de áudio com baixa fidelidade fazem uso de um DSP e uma MCU para controle. Com o uso do dsPIC é possível reduzir o número de componentes para diversas aplicações que envolvem o processamento de sinais de áudio tais como:
* Sistema de intercomunicadores
* Playback de palavra de alta qualidade
* Redes de distribuição para alto-falantes
* Efeitos em instrumentos musicais
* Microfones ativados pela voz e microfones sem fio
* Equipamentos de teleconferência
* Reconhecimento da palavra
* Fones de ouvido
* Secretárias eletrônicas
* Rádios digitais de duas vias
* Gravadores de voz
Para essa finalidade os pontos críticos das características que devem ser observados são:
* Interface Codec: AC97 e I2S
* Conversor A/D de 12 bits, 200 kbps
* Ferramenta para projeto de filtro digital
* Biblioteca DSP pronta para uso
* Biblioteca para supressão de ruído
* Biblioteca para cancelamento de eco acústico
* Biblioteca para codificação e decodificação da palavra
* Biblioteca para aplicações em reconhecimento da palavra
Conversão de Potência e Monitoramento
Nessa aplicações incluímos os NoBreakes, inversores, unidades de gerenciamento de energia que podem estar embutidas em equipamentos de diversos graus de complexidade. As principais aplicações sugeridas são:
* Monitoramento de energia em servidores
* Monitoramento de energia em equipamentos diversos
* Interruptores de segurança em circuitos
* Detecção de arcos
* Unidades de potência auxiliares
* Veículos elétricos
* Conversores AC/DC
* Conversores DC/DC
* Correção de fator de potência
* Inversores
* NoBreakes online
As características principais exigidas para essas aplicações são:
* Conversor A/D de 10 bits, 1 Msps
* 2 ou 4 amostragens simultâneas para o A/D
* Amostragem A/D sincronizada com o ciclo PWM
* 6 ou 8 saídas PWM
* PWM complementares ou independentes
* 1 ou dois pinos de falha
* Freqüência PWM de 58,6 kHz com 10 bits de resolução
* Operação de 5 V para ambientes ruidosos
Na figura abaixo o leitor tem um diagrama de blocos com as funções incluídas no dsPIC.
