Servomecanismo N7SRV

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ServomecanismoN7SRV

• Prof. Dr. Cesar da Costa

6.a Aula Controladores Baseado em FPGA
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Controladores Baseado em FPGA

• O controlador CompactRIO contém um processador e
  um FPGA reconfigurável. O processador é utilizado
  para comunicação de rede, data logging, controle
  e processamento com o sistema operacional NI
  Linux Real-Time de alto determinismo e
  confiabilidade.
• O FPGA programável pelo usuário dá a capacidade
  de implementar hardware customizado para
  aplicações de controle (servoacionamento) em alta
  velocidade, processamento de dados on-line ou
  funções complexas de temporização e trigger.

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Controladores Baseado em FPGA

• Os sistemas CompactRIO são formados por uma
  controladora embarcada reconfigurável,
  responsável pela comunicação e processamento, um
  chassi reconfigurável, que aloja um FPGA
  programável pelo usuário, módulos de E/S com
  troca a quente, e o software gráfico LabVIEW, que
  oferece rapidez na programação de tempo real,
  Windows e FPGAs.

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Recursos do Controlador
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Módulos de Entrada/Saída

• Os módulos de entrada/saída oferecem medições de
  alta exatidão às aplicações avançadas de
  monitoramento e controle.
• Todos os módulos oferecem condicionamento de
  sinais para medições específicas, opções de
  isolação no banco e entre canais e amplas faixas
  de temperatura, para atender as necessidades de
  diversas aplicações e ambientes.
• Com mais de 100 módulos de E/S para medições,
  controle e comunicação, você pode conectar suas
  aplicações a qualquer sensor, através de qualquer
  barramento.

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Módulos de Entrada/Saída
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Módulos de Entrada/Saída
Figure 2 - NI 9401 Module 16 digital Input
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Módulos de Entrada Analógica
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Princípio de Funcionamento

• O CompactRIO combina um processo embarcado de
  tempo real, um FPGA de alto desempenho e módulos
  de entrada e saída (E/S) de troca quente.
• Cada módulo E/S possui conexão direta com o FPGA,
  fornecendo baixo nível de personalização de tempo
  e processamento de sinal.
• O FPGA é conectado ao processador embarcado de
  tempo real através de um barramento PCI de alta
  velocidade. Isto representa uma arquitetura de
  baixo custo com acesso aberto para os recursos de
  hardware de baixo nível.
• O LabVIEW contém um mecanismo de transferência de
  dados interno para passar dados dos módulos E/S
  para o FPGA e também do FPGA para o processador
  embarcado para análise de tempo real, pós
  processamento, data logging ou comunicação com um
  computador de hospedagem ligado a rede.

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FPGA

• O FPGA embarcado é um chip de alto desempenho,
  reconfigurável que engenheiros podem programar
  utilizando as ferramentas LabVIEW FPGA.
  Tradicionalmente, desenvolvedores de FPGA foram
  forçados a aprender e usar complexas linguagens
  de desenvolvimento como VHDL para programar
  FPGAs. Agora, embarcado no CompactRIO, pode-se
  implementar recursos de temporização,
  sincronismo, controle e processar sinais
  personalizados para sua E/S analógica e digital.

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CPU em Tempo Real

• O sistema embarcado CompactRIO possui um
  processador industrial de 400MHz Freescale MP5200
  que deterministicamente executa sua aplicação do
  LabVIEW Real-Time no confiável sistema
  operacional real-time (RTOS) Wind River VxWorks.
• O LabVIEW tem funções internas para transferir
  dados entre o FPGA e o processador de tempo real
  dentro do sistema embarcado CompactRIO.
• Existem mais de 600 funções internas no LabVIEW
  para montar seu sistema embarcado de múltiplas
  tarefas para controle, análise, data logging e
  comunicação de tempo real.
• Pode-se também integrar códigos C/C existente
  com o código LabVIEW Real-Time para ganhar tempo
  de desenvolvimento.

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Primeiros passos com CompactRIO Software
LabView
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Primeiros passos com CompactRIO Configuração de
I/O
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Primeiros passos com CompactRIO Criação da VI.
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Primeiros passos com CompactRIO Realizando
controle básico
16
Primeiros passos com CompactRIO Realizando
controle básico
http//www.ni.com/tutorial/11197/pt/
17
Primeiros passos com CompactRIO Curso Completo
http//www.professorcesarcosta.com.br
18
Primeiros passos com CompactRIO Curso Completo
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Referências Bibliográficas
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Prática de Programação e Projeto com Dispositivo
FPGA

• SUMÁRIO
• 1. Introdução
• 1.2 Circuitos Integrados Padrões
• 1.3 Circuitos Integrados ASICs
• 2. Conceito de Lógica Programável
• 2.1 Dispositivos Lógicos Programáveis - PLDs
• 2.2 SPLDs (PLA, PAL, GAL e EPLD)
• 2.3 HCPLDs (CPLD e FPGA)
• 3 Kit de Desenvolvimento DE 2

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Introdução

• Os circuitos integrados digitais implementados
  em pastilha de silício podem ser classificados em
  dois grupos de integração

a) Circuitos integrados padrões
b) Circuitos integrados de aplicação específica
(ASIC)
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Circuitos Integrados Padrões

• Os circuitos integrados padrões são compostos
  pelos circuitos de funções fixas, que
  correspondem aos componentes digitais básicos
  AND, OR, NAND, NOR, NOT, FLIP-FLOPS,etc.

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Exemplos

• Circuitos integrados digitais SSI.
• CI 7400 (4 portas NAND)
• CI 7408 (4 portas AND)
• Circuitos integrados digitais MSI.
• CI 74151 (1 Multiplexador 8x1)
• CI 74LS90 (1contador BCD)

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Circuitos Integrados de Aplicações Específicas
(ASICs)

• Os circuitos integrados de aplicação específicas
  - ASICs são aqueles que precisam de um processo
  de fabricação especial, que requer máscaras
  específicas para cada projeto.

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Exemplos
CISC (Conjunto de instruções complexas)

• Microprocessadores

RISC (Conjunto de instruções reduzidas)

• Microcontroladores

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Arquitetura Básica
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• Microprocessadores são componentes extremamente
  flexíveis devido a sua programabilidade.

• A programação do componente torna-o flexível
  para implementação de vários tipos de aplicação ,
  entretanto, a implementação de um algoritmo por
  software será mais lenta que quando implementada
  por um hardware equivalente.

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Somador por Software
Início
A ? 04h
Estados Endereços Mnemônico
Operando Comentários
7 0000 MVI A, 04 Move
04 para A
B ? 03h
7 0002 MVI B, 03 Move
03 para B
A ? A B
4 0004 ADD B Soma A
e B para A

Fim
5 0005 HLT
Pára.

• Clock 4 Mhz Tempo de
  estado 0,25 µs

 
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Somador por Hardware
A
S
B
S AB
13 nanosegundos (delay)
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• Em ambos os casos apresentados, os circuitos
  integrados digitais possuem suas funções internas
  fixas, predefinidas, implementadas na construção
  do CI no processo de fabricação.

Circuito Integrado MSI
Microcontrolador
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Conceito de Lógica Programável

• Nos últimos 30 anos a tecnologia de projeto de
  sistemas digitais se moveu na direção da Lógica
  Programável.

• A maioria dos circuitos de controles digitais
  modernos estão contidos em um único dispositivo
  de Lógica Programável FPGA ou CPLD.

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• A idéia básica desses dispositivos é permitir ao
  projetista configurar o circuito eletrônico
  digital desejado dentro do próprio chip.

• Os recursos de hardware serão configurados para
  implementar a funcionalidade requerida.

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Dispositivos Lógicos Programáveis - PLDs

• Os PLDs são circuitos integrados que podem ser
  configurados pelo próprio usuário. Não apresentam
  uma função lógica definida, até que sejam
  configurados.

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• Uma função lógica, seja combinacional ou
  seqüencial poderá ser representada na forma de
  soma de produtos, através do uso do Teorema de
  DeMorgan ou das leis da Álgebra de Boole.

• Uma função lógica complexa de multi níveis
  poderá facilmente ser reduzida a uma configuração
  de dois níveis usando portas ANDs e portas ORs.

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Arquitetura básica de um dispositivo PLD

• Algumas propriedades das funções lógicas
  possibilitaram a implementação de componentes
  eletrônicos contendo arranjos uniformes de portas
  ANDs e portas ORs que podem ser programadas.

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• Os dispositivos de lógica programável PLDs
  foram os dispositivos eletrônicos que
  possibilitaram a implementação da Lógica
  Programável no projeto de circuitos digitais.

• Os PLDs podem ser classificados em função do
  número de portas lógicas que comportam como

• SPLDs (Simple Programmable Logic Devices)
• b) HCPLDs (High Complex Programmable Logic
  Devices).

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SPLDs (Single Programmable Logic Devices)

• São dispositivos simples de baixa capacidade,
  que tipicamente contêm menos de 600 portas
  lógicas, fabricados com tecnologia CMOS.

• Exemplos de dispositivos SPLDs
• PLAs (Programmables Logic Arrays)
• PALs (Programmable Arrays Logic)
• GALs (Gate Arrays Logic).

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• PLA (Programmable Logic Array).
• Introduzidos em 1970 pela Philips.
• A saída do plano AND corresponde ao produto das
  entradas.

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• PAL (Programmable Array Logic).
• Desenvolvido para superar as deficiências dos
  PLAs.

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• GAL (Generic Array Logic).
• Um novo tipo de PAL baseado em células de
  memória EEPROM.
• Introduzido no mercado pela empresa LATTICE.

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EPLDs (Erasable Programmable Logic Devices)

• São dispositivos lógicos programáveis e
  apagáveis que foram introduzidos no mercado pela
  empresa ALTERA, no ano de 1983.

• Os dispositivos EPLDs implementavam capacidade
  lógica de até 50 dispositivos PALs típicos em um
  único circuito integrado.

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Suas Principais vantagens

• Programabilidade e reprogramabilidade.
• Tecnologia CMOS.
• Integração em larga escala.
• Simplificação e redução do tempo de
  desenvolvimento.

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HCPLDs (High Complex Programmable Logic Devices)

• São dispositivos simples de alta capacidade, que
  tipicamente contêm mais do que 600 portas
  lógicas, os mais modernos podem atingir cerca de
  1.000.000 portas lógicas, fabricados com
  tecnologia CMOS.

• Exemplos de dispositivos HCPLDs
• CPLDs (Complex Programmable Logic Devices)
• FPGAs (Field Programmable Logic Devices).

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CPLDs (Complex Programmable Logic Devices)

• Foram introduzidos no mercado internacional pela
  empresa ALTERA, inicialmente como EPLDs.

• São dispositivos programáveis e reprogramáveis
  pelo usuário, com alto desempenho, baixo custo
  por função e alta capacidade de integração.

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CPLDs (Complex Programmable Logic Devices)

• Famílias de CPLDs fornecidos pela ALTERA
• MAX II, MAX 3000A e MAX7000.

• Famílias de CPLDs fornecidos pela XILINX
• XA9500XL, XC95144.

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CPLD

• Consiste de um determinado número de blocos
  lógicos, onde cada bloco contém uma macrocélula
  interligada a uma matriz lógica programável tipo
  SPLD.
• No centro da arquitetura existe uma interconexão
  programável global, que permite a conexão entre
  blocos lógicos e células de entrada e saída.

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FPGA (Matriz de Portas Lógicas Programáveis em
Campo

• O FPGA consiste de uma matriz de blocos lógicos
  ou células lógicas independentes, cercada de
  blocos de entrada e saída, também independentes e
  por um conjunto de recursos de interconexão
  programáveis, que permitem a interligação
  arbitrária dos blocos uns aos outros.
• Cada bloco lógico pode ser programado
  individualmente para desempenhar uma função
  específica. Cada bloco de entrada e saída pode
  ser programado para ser uma entrada, uma saída ou
  um pino bidirecional global.

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FPGA

• Novas arquiteturas de FPGAs têm sido
  desenvolvidas desde 1985, com variações
  significativas na composição dos blocos e das
  tecnologias de implementação, mas sempre mantendo
  a mesma estrutura básica da LCA (Logic Cell
  Array) inicial
• Blocos lógicos
• Blocos de entrada e saída
• Recursos de interligação programáveis.

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Arquitetura de roteamento

• A arquitetura de roteamento de um FPGA é a forma
  pela qual os seus barramentos e as chaves de
  interconexão são posicionadas para permitir a
  interconexão entre as células lógicas.

• Essa arquitetura permite que se obtenha um
  roteamento completo e, ao mesmo tempo, alta
  densidade de portas lógicas.

50
FPGA






Arquitetura geral de
roteamento de um FPGA.
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Conceitos básicos da arquitetura de um FPGA

• Pinos entradas e saídas dos blocos lógicos
• Conexão ligação elétrica de um par de pinos
• Rede conjunto de pinos que estão conectados
• Bloco de comutação utilizado para conectar dois
  segmentos de trilha
• Segmento de trilha segmento não interrompido
  por chaves programáveis

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• Canal de roteamento grupo de duas ou mais
  trilhas paralelas
• Bloco de Conexão permite a conectividade das
  entradas e saídas de um bloco lógico com os
  segmentos de trilhas nos canais
• Chaves programáveis afetam a velocidade, tempo
  de propagação dos sinais e definem
  características de volatilidade e reprogramação.

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Tecnologia de programação das chaves de roteamento

• SRAM nessa tecnologia a chave de interconexão é
  uma memória estática RAM de um bit.
• Antifuse nessa tecnologia a chave de
  interconexão é um dispositivo semicondutor de
  dois terminais, que no estado não programado
  apresenta alta impedância (aberto) e que no
  estado programado apresenta baixa impedância
  (fechado).

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• Gate Flutuante nessa tecnologia a chave de
  interconexão é um transistor MOS, especialmente
  construídos com dois gates flutuantes semelhantes
  aos usados nas memórias EPROM e EEPROM . A maior
  vantagem dessa tecnologia é a sua capacidade de
  programação e a retenção dos dados.

Obs Com a tecnologia Gate Flutuante os dados
podem ser programados com o circuito integrado
instalado na placa, característica denominada ISP
(In System Programmability).
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FPGA (Field Programmable Gate Arrays)

• Famílias de FPGAs fornecidos pela XILINX
• Artix -7, Kintex-7, Virtex-7, Spartan-6 e
  Virtex-6.
• Visite o site
• http//www.xilinx.com/products/silicon-devices/fpg
  a/index.htm

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FPGA (Field Programmable Gate Arrays)

• Famílias de FPGAs fornecidos pela ALTERA
• Stratix V, IV, III, II e I
• Arria V, II e I
• Cyclone V, IV, III, II e I
• Visite o site
• http//www.altera.com/devices/fpga/fpga-index.html

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FPGA

• APLICAÇÕES DE FPGA.
• Radio Digital (Wireless).
• Equipamentos em Medicina Ultra Som, etc
• Processamento de Som.
• Processamento de Imagem Aplicações de Vídeo
• Controle Industrial Autônomos, Motion Control.
• DSP (Processamento Digital de Sinais).

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Principais Fabricantes de FPGA e CPLD
Fabricante Webesiet
Achronix Semiconductor www.achronix.com
Actel Corporation www.actel.com
Altera Corporation www.altera.com
Atmel Corporation www.atmel.com
Cypress Semiconductor www.cypress.com
Lattice Semiconductor www.latticesemi.com
Quicklogic Corporation www.quicklogic.com
Xilinx www.xilinx.com
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Placas de Desenvolvimento
Altera DE3 Development System - FPGA Stratix III
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Placas de Desenvolvimento
Altera Cyclone III FPGA Development KIT
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KIT DE 2
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KIT DE 2
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Endereço das chaves
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Endereço dos LEDs
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• Atenção
• Para obter o software Quartus II, Ver. 9.1, Web
  Edition, site do professor www.professorcesarcost
  a.com.br.

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• Bibliografia

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• Bibliografia

• 2. Site www.professorcesarcosta.com.br
• Tópicos
• Disciplinas Ministradas N8LB10
• Kits Didáticos com FPGA
• Clube do FPGA
• FPGA
• 3. Site www.fpgacentral.com