hp48g/gx: um multímetro inteligente

HP48G/GX: UM MULTÍMETRO INTELIGENTE
Cristiane G. Langner1,3 , Jonerlam R. Carvalho2, Percy Nohama1,2, Ivan J. Chueiri1,3, João A. Pereira3
Caixa Postal 19067
81531-990 – Curitiba, PR
[email protected]
(1)
(2)
(3)
PUCPR – Pontifícia Universidade Católica do Paraná
CEFET-PR – Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná
LACTEC – Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento
ABSTRACT
This paper presents the design and implementation of a
low-cost circuit that allows an HP48G/GX calculator to
operate as a multimeter. The system is capable of
measuring AC/DC voltage (in two channels), AC/DC
current, resistance and ambient temperature, being all
measurement ranges self-adjustable. The system also can
test continuity and pn junctions. Additionally, calculate
power, gain, transistor gain and energized circuit
resistance. The core of the circuit is composed of an
EPLD, which is responsible for generating all control
and communication signals between the calculator and
acquisition interface. It also responsible for part of the
AC measurement and with little software adjustments this
multimeter may be direct connected to PC or Palm-Top.
1.
INTRODUÇÃO
Na área da Eletrônica existem estudos e projetos de
circuitos que podem ter um alto grau de complexidade e
levar a cálculos bastante trabalhosos. Percebeu-se, então,
a carência de um multímetro inteligente que fosse capaz
de conciliar as função de multímetro digital com a de
calculadora, ou seja, realizar as medições necessárias no
circuito e armazenar estes valores para efetuar os
cálculos. Levando em conta a enorme quantidade de
universitários e técnicos das áreas de tecnologia,
possuidores de uma calculadora com grande utilização e
aplicação, como é a HP48G e GX [1], este projeto tem por
objetivo dar uma nova função a essas máquinas, função
esta que flexibilizá-las-á ainda mais, agregando um
material também necessário e básico no dia-a-dia de
qualquer universitário ou atuante nesta área, o
Multímetro Digital.
A calculadora HP foi escolhida para ser um
multímetro devido ao baixo custo e versatilidade da nova
implementação comparando-se ao alto preço dos
Multímetros Digitais avançados existentes no mercado, os
quais são de difícil aquisição para os estudantes. Também
foi levantada a versatilidade, a enorme capacidade de
processar os dados medidos e calcular parâmetros, além
da capacidade de armazenamento de dados, cálculo e
utilização de fórmulas que podem ser criadas pelos
próprios usuários que nenhum multímetro apresenta e
que a HP oferece, agregados a alguns luxos já existentes,
tais como suas funções de hora, autodesligamento,
fórmulas agregadas, programação, interface para
comunicação com computadores entre outras.
A realização deste projeto trará maior facilidade e
eficiência na medição e no projeto de circuitos
eletrônicos, pois possibilitará maior agilidade no
momento de efetuar cálculos, comparar valores ou até
mesmo esboçar gráficos simples através das funções já
existentes na calculadora HP.
As funções que o multímetro-calculadora
HP48G/GX contém são: dois canais para medição de
tensão contínua e alternada de até 2kHz; um canal para
medição de corrente contínua e alternada de até 2kHz;
ohmímetro; teste de continuidade com alarme; teste de
junção pn, cálculo do ganho de transistores e medidor de
temperatura ambiente.
2.
IMPLEMENTAÇÃO
A plataforma de hardware é composta por um circuito
eletrônico, o qual atua como placa de aquisição do sinal.
Tal circuito é acoplado, através de conector específico, à
calculadora HP48 que, por sua vez, mostra em seu
display, após processos de análise e conversão, os dados
medidos pelo usuário, podendo ainda armazená-los para
cálculos posteriores.
A programação foi desenvolvida em PC, na
linguagem SYS-RPL [9] [12] utilizada pela calculadora
que recebeu apenas o software pronto. Este trata a função
de comunicação com o hardware, via transmissão serial.
A calculadora HP faz a interface com o usuário.
Todo o estágio digital do circuito eletrônico foi
desenvolvido em lógica programável com a utilização de
EPLD (Erasable Programmable Logic Devices) [11]. A
EPLD foi escolhida pela redução da área e número de
componentes na placa de circuito impresso e pela
facilidade e simplicidade do método de programação.
3.
Os dois módulos são alimentados por uma fonte
simétrica de +5V/-5V.
ARQUITETURA INTERNA
O hardware do sistema pode ser dividido em dois submódulos: interface de controle e conversão e interface de
aquisição, conforme a Figura 1.
Interface de Controle e Conversão
Clock
Ajuste da
Tensão de
Refe rência
Fonte
Simét rica
Calculadora
HP48
Interface de
Entrada/Saída
Controle de
Canais e
Circuito
Controle
de Escalas
Tensão
(divisor
resistivo)
EPLD
Amplificação
Resistência
Canal 1
Circuito
do Usuário
Conversor
A/D
Temperatura
Corrente
HFE (beta)
Tensão
(divisor
resistivo)
Canal 2
Interface de Aquisição
Figura 1 – Diagrama de blocos geral
3.1
Interface de Controle e Conversão
A interface tem por objetivo receber e interpretar as
informações de controle dadas pelo usuário à partir da
calculadora HP48, acionando e transmitindo os dados do
conversor A/D que estará operando no modo paralelo
ROM, com clock externo, tensão de referência interna e
entrada bipolar [8], por ser estas configurações as mais
adequadas para este projeto.
A interface de controle e conversão, cuja
arquitetura está representada na Figura 2, é um sistema
composto por uma interface de entrada/saída serial de
dados, uma EPLD – responsável por toda parte lógica,
circuito de sincronismo (clock), circuito de ajuste da
tensão de referência do conversor A/D e o próprio
conversor.
O circuito eletrônico da Interface de Controle e
Conversão pode ser subdividido em cinco blocos
distintos:
?? Circuito de sincronismo (clock);
?? Circuito de interface de entrada/saída;
?? Ajuste da tensão de referência;
?? Conversor A/D;
?? Processador digital (EPLD).
A parte lógica (EPLD), por sua vez, é composta
por quatro partes distintas:
?? Controle de recepção;
?? Controle de transmissão;
?? Um controle de escalas;
?? Um controle do circuito.
A Tabela 1 mostra a função dos principais sinais
utilizados pela Interface de Controle e Conversão.
Interface de Controle e Converção
Clock
Ajuste da
Tensão de
Refe rência
EPLD
TX
GND
Interface de
Entrada/Saída
Ref_OUT
Controle de
Recepção
Conversor
A/D
Controle de
Transmissão
RX
Controle
de Escalas
Controle
do Circuito
ch_escala
circuito
ctrl_circuito
Ain+
Figura 2 – Interface de Controle e Conversão
Tabela 1– Função dos sinais utilizados pela Interface de Controle e Conversão
Sinal
TX
RX
GND
Ref_OUT
Ain+
ch_escala
ctrl_circuito
circuito
Função
Sinal transmitido da calculadora para a Interface de Controle e
Conversão (+5V/-5V – LO/HI).
Sinal enviado à calculadora pela Interface de Controle e Conversão
(+5V/-5V – LO/HI).
Referência utilizada pela calculadora.
Valor do sinal de referência utilizado internamente, para conversão,
pelo ADC MAX191.
Entrada do sinal analógico que será convertido.
Três bits que acionarão o MUX que controla as escalas
Onze bits que acionarão chaves MOS e relés que controlam os canais e
tipo de circuito.
Entrada de quatro bits extras que serão transmitidos à calculadora junto
com a primeira seqüência enviada (MSB).
3.1.1
Circuito de Sincronismo (Clock)
Este circuito utiliza a freqüência de um oscilador a cristal
(1 MHz) como base de tempo para gerar o sinal de clock
(ou sincronismo) para o processador digital (EPLD) e
para o ADC. Este sinal é responsável pela cadência do
fluxo de dados no circuito digital e pela taxa de
amostragem e conversão dos dados no conversor A/D.
3.1.2
Circuito de Interface de Entrada/Saída
Os dados que entram e saem da calculadora têm como
nível lógico alto -5V e como nível lógico baixo +5V. A
função da interface de entrada/saída é compatibilizar o
nível desses dados com o padrão TTL (0V e +5V – nível
lógico baixo e alto, respectivamente) que será utilizado no
circuito digital.
A EPLD gera dois sinais simétricos que contêm os
dados seriais que serão enviados à calculadora. O sinal
real, ligado ao GND (referência do circuito da interface
de Entrada/Saída) e o sinal invertido, ligado ao RX,
garantem o reconhecimento, pela calculadora, do sinal
enviado pela EPLD em nível TTL.
3.1.3
Ajuste da Tensão de Referência
A finalidade deste circuito é ajustar e manter constante o
nível da tensão de referência interna do conversor
MAX191, segue as recomendações do fabricante [8].
3.1.4
Conversor A/D
O conversor A/D utilizado é o MAX 191. O mesmo está
configurado para trabalhar em modo paralelo ROM, com
clock externo, tensão de referência interna e entrada bipolar
[8].
novo ciclo. A transmissão é feita através do envio dos
doze bits de dados armazenados em duas seqüências de
oito bits. Como o conversor A/D é de doze bits, sobram
quatro bits em uma das seqüências de transmissão. Esses
bits são utilizados para enviar, à calculadora, informações
provenientes da Interface de Aquisição e ficam
disponíveis para uso em novas versões, se for necessário.
3.1.5
Processador Digital (EPLD)
A EPLD utilizada neste projeto é a EPM7128SLC84-15
da ALTERA. Este dispositivo não é o mais adequado
para este projeto. Será utilizado apenas na prototipação.
Para o produto final será escolhido o componente de
capacidade lógica mais otimizada, de menor custo e de
menor tamanho físico. Tal fato não implicará em
nenhuma modificação na lógica já programada, apenas
na estrutura física da placa de circuito impresso e talvez
na configuração da pinagem.
3.1.8
Controle de Escalas
O circuito do Controle de Escalas envia o comando de
controle das escalas para o circuito do bloco de mesmo
nome na Interface de Aquisição. O bloco na EPLD
começa com a escala mais baixa acionada e, a cada
comando de escala recebido (estes comando são
identificados pelo bloco Controle de Recepção), ocorre
uma comutação para a próxima escala.
3.1.6
Controle de Recepção
O bloco Controle de Recepção é o circuito responsável
pelos comandos de acionamento do conversor A/D.
Quando o circuito é energizado, é deste bloco que
partem os sinais que farão com que o conversor A/D
opere. O conversor A/D estará sempre convertendo a
informação de tensão presente em sua entrada, exceto
quando do recebimento de um comando de leitura. Este
bloco também interpreta os dados seriais recebidos,
gerando sinais de controle conforme o significado da
informação.
3.1.9
Controle do Circuito
O bloco Controle do Circuito é responsável pelo
acionamento de chaves (MOS) e relés na Interface de
Aquisição. Tais chaves irão controlar a seleção dos canais
e dos circuitos que estarão ativos. Os comandos que irão
atuar neste bloco são identificados pelo bloco Controle de
Recepção.
3.2
O circuito eletrônico da Interface de Aquisição pode ser
subdividido em sete blocos distintos:
?? Controle de Canais e Circuito;
?? Controle de Escalas;
?? Amplificação;
?? Temperatura;
?? HFE (beta)
?? Corrente, tensão e resistência;
?? Canais.
3.1.7
Controle de Transmissão
No bloco Controle de Transmissão, todo dado recém
convertido é comparado com o dado anterior. Se o dado
novo for maior que o já armazenado, esse é substituído,
ou seja, sempre o maior valor convertido é armazenado
(módulo dos valores de pico). Quando o comando de
leitura é recebido (identificado pelo bloco Controle de
Recepção), o dado que está armazenado é transmitido e a
memória de armazenamento é zerada, iniciando-se um
ctrl_circuito
Controle de
Canais e
Circuito
Interface de Aquisição
Ain+
ch_escala
Controle
de Escalas
Tensão
(divisor
resistivo)
Parâmetros do
circuito do
usuário
Amplificação
Resistência
Temperatura
Corrente
Canal 1
Interface de Aquisição
Figura 3 – Interface de Aquisição
HFE (beta)
Tensão
(divisor
resistivo)
Canal 2
3.2.1
Controle de Canais e Circuitos
Este circuito, através de chaves (MOS) e relés, acionados
pela EPLD, controlam o acionamento dos canais que
devem ser usados para a medição, para que o mesmo
bloco de Amplificação possa ser utilizado para ambos os
canais. Tais chaves também selecionam o circuito que
será utilizado para medição.
3.2.2
Controle de Escalas
Este módulo é composto por um multiplexador,
controlado pela EPLD, responsáveis pelas mudanças de
escala de medição. Conforme a seleção do MUX poderá
ser obtida uma das quatro escalas possíveis, sendo:
??
?1
??
? 10
??
? 100
??
? 1000
3.2.3
Amplificação
Este módulo é composto por quatro amplificadores
operacionais ligados em cascata. O primeiro está
configurado como buffer para aumentar a impedância de
entrada e evitar problemas de acoplamento.
A saída de cada amplificador é ligada em um
canal do MUX, possibilitando a seleção da escala
adequada.
Dependendo da escala que está sendo utilizada, o
valor final já convertido pela calculadora pode ser maior
do que o máximo permitido (2000). Neste caso, a
calculadora solicita a mudança de escala para a maior
(amplificação menor). Caso a escala selecionada seja a
máxima e o valor continue ultrapassando o limite, a
calculadora informa ao usuário.
A saturação dos amplificadores operacionais em
3.6V garante que nunca haverá uma tensão maior que
esta na entrada do conversor A/D, assegurando a
integridade deste.
3.2.4
Temperatura
Este circuito é responsável pela conversão de temperatura
em sinal de tensão. Este módulo de medida não passa
pelos amplificadores, pois seu sinal já está adequado à
escala do conversor A/D.
3.2.5
HFE (Beta)
Este circuito é responsável pela medição do ganho dos
transistores (PNP e NPN). Conhecendo a corrente de base
aplicada, o circuito fornecerá ao conversor A/D uma
tensão que variará dependendo da amplificação do
transistor. O beta é então calculado através do software.
Este módulo de medida também não passa pelos
amplificadores, pois seu sinal já está adequado à escala
do conversor A/D.
3.2.6
Corrente, Tensão e Resistência
Para medir tensão, ambos os canais possuem resistores
que dividem a tensão de entrada em 1000 garantindo que,
ao entrar 1000V, por exemplo no canal 2, resultará na
entrada do buffer 1V. Como o circuito começará sempre a
medir as escalas baixas, haverá uma saturação na
amplificação de 1000. Cabe ao software, através do
método de saturação, selecionar a escala de 1 que está
dentro da faixa de medição do conversor A/D.
Para medição de corrente o relé de corrente (canal
1) será acionado, fazendo com que resistor de tensão seja
curto-circuitado e inserida uma resistência de 0,1? para
não interferir no circuito do usuário. Dessa forma, a
corrente que passa diretamente pelo resistor gera uma
tensão que será amplificada para adequar-se ao conversor
A/D.
Para medidas de resistência, usa-se o canal 1. O
relé que seleciona resistência estará fechado e o divisor de
tensão correspondente estará aberto. Assim, toda a queda
de tensão no resistor do usuário será transferida
diretamente para o módulo de Amplificação.
3.2.7
Canais
Existem quatro conectores: um de referência, dois para o
canal 1 e um para o canal 2. O canal 1 é destinado para
as medidas de tensão, corrente, resistência, continuidade
e junção pn. O canal 2 mede apenas valores de tensão, o
que permite a realização de cálculos, através do software,
de ganho, potência e resistência do circuito energizado.
4.
RESULTADOS ESPERADOS
Mesmo com toda gama de multímetros digitais
existentes no mercado, este projeto, que teve a princípio
fins didáticos, tende a conseguir superar custos e
versatilidade, tornando-se um produto competitivo e de
ampla aplicação prática. Um dispositivo como este pode
agilizar os processos de aquisição de dados e, como
conseqüência, aumentar a produção e o rendimento dos
alunos ou técnicos envolvidos em trabalhos que
necessitem da análise de circuitos eletrônicos.
5.
CONCLUSÃO
A utilização de uma EPLD permite ao projeto ser
facilmente adaptado para outros fins mais específicos
através da alteração ou inclusão de funções, o que
possibilita utilizá-lo em novas aplicações.
Futuramente, com pequenas adaptações no
software e mudança da linguagem de programação, o
multímetro poderá ser conectado diretamente a um PC ou
Palm-Top, sendo isso bastante vantajoso dentro de
universidades ou até mesmo para técnicos da área.
Com o hardware desenvolvido aliado a enorme
capacidade de processar os dados medidos, calcular
parâmetros, armazenar dados e utilizar fórmulas que
podem ser criadas pelos próprios usuários que nenhum
multímetro apresenta e que a calculadora HP 48 oferece,
obter-se-á um equipamento muito útil, prático e versátil,
o que compensará o investimento.
6.
BIBLIOGRAFIA
[1] BORTOLETO, Christiane Montenegro; LANGNER,
Cristiane Garbin. Estudo de Viabilidade / Multímetro para
Calculadora HP48G/GX. Curitiba, 2000. 23p. Relatório
Técnico (Cadeira de Engenharia de Software) – Engenharia de
Computação, Pontifícia Universidade Católica do Paraná.
[2] BRAGA, Newton C.
Curso de Instrumentação
Eletrônica – MULTÍMETROS Volume 1. 1. ed . São Paulo:
Saber, fev/2000.
[3] HEWLETT PACKARD.
Guía del usuario de la
calculadora HP 48G. [s.n.t.], 1994.
[4] HOROWITZ, Paul; WINFIELD, Hill.
The Art of
Electronics. 2 ed. USA: Cambridge University, 1998.
[5] LALOND, David E.; ROSS, John A. Princípios de
Dispositivos e Circuitos Eletrônicos: Vol. 2. São Paulo:
Makron Books, 1999.
[6] MALVINO, Albert Paul. Eletrôniva: Vol. 1. 4 ed. São
Paulo: Makron Books, 1995.
[7] MALVINO, Albert Paul. Eletrôniva: Vol. 2. 4 ed. São
Paulo: Makron Books, 1995.
[8] MAXIM. Datasheet MAX191. (19-4506; Rev. 4; 2/97)
[Online].
Disponível para download: http://www.maximic.com. [27 jun. 2000].
[9] MOREIRA, Anderson Juarez; RIBAS, Luciano da Silva.
Hewlett Packard – Curso de Programação HP48G/GX.
Curitiba, [s.d]. 62p. Departamento de Engenharia Industrial
Elétrica ênfase Eletrônica. Centro Federal de Educação
Tecnológica do Paraná e Universidade Federal do Paraná.
[10] PRESSMAN, Roger S. Engenharia de Software. São
Paulo: Makron Books, 1995.
[11] SALCIC, Zoran; SMAILAGIC, Assim. Digital systems
design and prototyping using field programmable logic. 2
ed. [s. l.]: Kluwer Academic Publishers, 1998.
[12] SANSONOVSKI, Tacio Philip. (1999). Linguagens de
Programação da HP48. Jornal do HP Club do Brasil (3. ed)
[Online]. Disponível para download: http://hello.to/hpclub. [05
mar. 2000].
[13] SILVEIRA, Jorge Luís da. Comunicação de Dados e
Sistema de Teleprocessamento. São Paulo: Makron BooksMcGraw-Hill, 1991.