Desenvolvimento de sistema de aquisição e processamento digital

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Desenvolvimento de sistema de aquisição e
processamento digital de dados sísmicos (PCSISMICO)
Lucas Vieira Barros,OBSIS, Sidinei Sebastião Tomás,OBSIS, Lucas Paes Moreira,OBSIS, Frederico
Xavier de Melo,OBSIS, Edna Leoni,OBSIS e André Luís Pereira,OBSIS.
Resumo-Este artigo tem como objetivo apresentar as metodologias e resultados alcançados no desenvolvimento do protótipo
de aquisição voltado para dados de sismologia (PCSISMICO).
O protótipo consiste na integração de módulos que responsáveis
pela aquisição, temporização, controle e armazenamento de
dados de sismologia, organizados sob um sistema operacional. A
concepção do sistema de dados baseia-se em dois modos: armazenamento local e/ou transmissão em tempo real por meio do
protocolo TCP através de IP. Um programa responsável por
receber os dados transmitidos pelo protótipo foi desenvolvido.
A principal motivação do projeto encontra-se na escassez de
desenvolvimento e suporte nacional nesse tipo de equipamento.
Ao final do trabalho, os módulos desenvolvidos e construídos
são apresentados em forma de um protótipo funcional.
Palavras-chave—Registrador de dados, sismologia, sismicidade induzida por reservatórios.
I.
INTRODUÇÃO
É comprovada que a ação do homem exerce fortes impactos sobre a natureza. Realização de grandes obras de engenharia acarreta em alterações e danos ao ambiente nativo
preexistente. Construção de reservatórios hidrelétricos, por
exemplo, além de afetar o ecossistema vegetal e biológico
em sua área de influência, podem induzir o aparecimento
localizado de sismos em regiões que não eram afetadas por
este tipo de fenômeno. Essa característica é denominada
como Sismicidade Induzida por Reservatórios (SIR) [1].
Por exigências e recomendações de órgãos ambientais, a
construção, regulamentação e liberação do funcionamento
de usinas hidrelétricas estão sujeitas ao cumprimento da
determinação de monitoramento sismológico na região de
influência do reservatório. A observação sismogênica deve
ser realizada nas etapas de construção, enchimento e operação do reservatório [2].
A expansão brasileira do setor energético ocorrida na última década, aliada à cobrança sistemática dos órgãos ambientais, constam como as principais razões para o aumento
expressivo na demanda por serviços de monitoramento sismológico de reservatórios. Basicamente, o serviço consiste
na análise dos dados obtidos de estações sismográficas instaladas nas áreas de influência das barragens [3].
Entretanto, os principais equipamentos de uma estação
sismográfica são produzidos somente no mercado interna-
cional e fatores relacionados com a importação de produtos,
como alto custo e demora na aquisição e suporte, são limitantes no desempenho dos serviços de análise de dados oferecidos, bem como no cumprimento de prazos estabelecidos
para licenciamento de usinas hidrelétricas.
Esforços envidados no passado visavam diminuir o problema da importação de equipamentos de registro de dados
sísmicos, desenvolvendo ferramentas e aparatos de condicionamento e processamento de dados. Os equipamentos
desenvolvidos consistiam desde módulos condicionadores
de sinais analógicos [4], relógios digitais [5] e processadores
de sinais [6], até a construção de rádios de transmissão de
dados por meio da banda VHF [7].
Nesse sentido, este projeto propõe o desenvolvimento, em
forma de protótipo, de um registrador digital de dados sísmicos. Diferentemente dos trabalhos anteriormente descritos, o modo de aquisição de dados possui melhor qualidade,
pois além de ser digital, possui faixa dinâmica e resoluções
muito maiores. Os sensores para os quais o equipamento é
projetado são transdutores de movimento do solo para sinais
elétricos, que registram a velocidade ou aceleração do chão.
Os sensores podem ser ativos ou passivos, uniaxial ou tri
axial, tais como geofones, sismômetros e acelerômetros;
A idéia do projeto também vislumbra a possibilidade de
transmissão digital dos dados sísmicos de pontos remotos
para uma estação central. Este tipo de sistema de comunicação de dados favorece o monitoramento sismológico de reservatórios e nas pesquisas científicas sobre a sismicidade
natural e induzida por reservatórios hidrelétricos, fornecendo análise de dados e relatórios de serviços em um menor
intervalo de tempo.
Com isso, além de investir na qualificação de recursos
humanos para desenvolvimento, operação manutenção e
suporte técnico de equipamentos sismográficos, o projeto
abre a possibilidade de o país poder contar com equipamento sismográfico produzido no mercado nacional.
Ao final do projeto pretende-se contribuir no atendimento
da demanda cada vez mais expressiva de equipamentos sismográficos, inexistentes no mercado nacional. Os mesmos
são imprescindíveis no desenvolvimento de contratos e programas de monitoramento sismológico de reservatórios de
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usinas hidrelétricas.
Este trabalho foi dividido da seguinte forma: a seção II
aborda o método empregado na concepção e construção do
protótipo. A seção III aborda a compilação dos passos efetuados na implementação do protótipo, e a seção IV aborda as
conclusões sobre as tarefas e produtos realizados durante o
projeto.
II.
METODOLOGIA
A concepção do protótipo PCSISMICO baseia-se no projeto de módulos independentes, integrados sob um mesmo
ambiente físico e operacional com funcionamento independente. Cada módulo é responsável por diferentes tarefas
dentro do protótipo. A compilação de todas as informações
resultantes dos módulos produzirá como resultado final, um
registrador sísmico capaz de condicionar, adquirir, processar
e armazenar, em meios e formatos adequados, dados para
análise da Sismicidade Induzida por Reservatório (SIR).
Bateria
Fonte
Entradas Auxiliares:
Tensão e corrente
Painel, temperatura e
sensor de porta
Entradas do
sismometro
uni , bi ou
triaxiial
SOH
Placa
condicionadora
Antena GPS
Placa de
aquisição
PAR4CH
Paralela
PPS
GPS
comunicação
Serial COM2
comunicação
Serial COM1
Os módulos foram subdividos em dois ramos: módulos de
Interface
HD
hardware e software. O módulo de hardware consiste na
PC104
IDE
implementação de circuitos eletrônicos desenvolvidos para
executarem tarefas de condicionamento, controle e alimentação do protótipo PCSISMICO. Os módulos de hardware
Figura 1. Diagrama em blocos funcional dos módulos de hardware protóconsistem nos seguintes projetos:
tipo PCSISMICO.
Módulo Condicionador de Sinais: Circuito responsável
por adequar o sinal elétrico fornecido pelo transdutor de
O módulo de software engloba os processos desenvolvimovimento do solo (sismômetro ou acelerômetro), de
dos
por meio de codificação estruturada, que desempenham
acordo com as especificações dinâmicas de entrada da
funções
dentro de um sistema operacional, de forma a caracplaca de aquisição de dados.
terizar
o
protótipo como um registrador de dados de sismo Módulo de Aquisição de Dados de Tempo e Posicionalogia.
Sistemas
de código aberto foram escolhidos para sumento Global: Responsável pelo ajuste dos níveis de
porte
no
desenvolvimento
e integração de todos os módulos
tensão dos sinais de comunicação e temporização entre o
de
software.
Os
processos
foram desenvolvidos na linguapadrão RS-232 (utilizado pelo computador) e TTL (utigem
C/C++
para
Linux,
utilizando
as bibliotecas de compilizado pelo GPS).
lação
nativas
e
interpretador
GCC
[8]. Ainda dentro dos
Módulo de Gerenciamento, Aquisição de Dados Auxilimódulos
de
software,
o
código
que
gerencia
o sistema miares e Fonte de Alimentação: Sistema microcontrolado
responsável por adquirir dados referentes ao estado de crocontrolado foi desenvolvido dentro desse segmento.
funcionamento do sistema e tomar decisões sobre seu
Os módulos de software são divididos nos seguintes profuncionamento. O sistema de alimentação do PCSISMIcessos:
CO é integrado ao módulo para possibilitar o controle
Software de Aquisição de Sinais Sísmicos: Juntamente
do microcontrolador.
com a placa de aquisição de dados, esse processo é responsável por adquirir os dados provenientes do módulo
A estrutura dos módulos foi concebida a partir da compacondicionador de sinais, digitalizá-los e disponibilizá-los
tibilidade com a arquitetura computacional do tipo IBM-PC.
para o sistema PCSISMICO.
A figura 1 mostra o diagrama em blocos funcional dos mó Software de Aquisição de Dados de Posicionamento
dulos no protótipo PCSISMICO, juntamente com a unidade
Global: Funciona em conjunto com o módulo de aquiside processamento central, unidade de armazenamento e a
ção de dados de posicionamento global. Sua tarefa conplaca de aquisição de dados.
siste em obter informações espaciais sobre o protótipo e
ajuste da hora do sistema central do PCSISMICO.
Software de Aquisição e Gerenciamento de Dados Auxiliares: Atua em conjunto com o módulo Gerenciamento,
Aquisição de Dados Auxiliares e Fonte de Alimentação.
Sua principal função é manter o sistema central informado sobre o estado externo ao registrador de dados.
Software de Armazenamento: Processo responsável pela
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transferência dos dados adquiridos para a área de armazenamento de dados sísmicos. Utilizado no modo coleta
local, este processo permite ao usuário realizar a coleta
dos dados adquiridos diretamente no equipamento.
Software de Comunicação de Dados: Este processo tem
como principal função transmitir os dados de sismologia
disponibilizados pelo software de aquisição para uma
central remota, por meio do protocolo de comunicação
TCP por IP.
Software Gerenciador dos Processos: Arquivo de execução de comandos em lote responsável por iniciar, monitorar e atuar sobre os processos ativos do PCSISMICO.
Firmware do Módulo de Gerenciamento, Aquisição de
Dados Auxiliares e Fonte de Alimentação: Implementação das rotinas a serem desempenhadas pelo microcontrolador instalado no circuito.
Em resumo, o protótipo apresenta dois modos de operação, coleta local e transmissão remota dos dados. Na coleta
local os dados são armazenados em um tipo de memória de
alta capacidade (disco rígido), devendo ser substituído periodicamente durante a operação local. No modo de operação
remota os dados são enviados diretamente para uma estação
central de armazenamento de dados através de um dos diversos meios físicos de comunicação suportados pelo registrador (rádio digital, link de satélite ou cabo).
Para validação do processo de comunicação, foi desenvolvido ainda um software responsável pela coleta e armazenamento dos dados em um servidor remoto. Normalmente
esse servido fica localizado em um ponto central. Neste casos, a plataforma Windows foi escolhida para sua implementação, e seus dados serão disponibilizados no formato SUDS
(Seismic Unified Data System), mundialmente utilizado para
análise da SIR.
III. PROTÓTIPO PCSISMICO
A seguir seguem as descrições das atividades envolvidas
no desenvolvimento do protótipo do registrador de dados
sísmicos PCSISMICO. Como abordado na seção anterior, o
projeto foi concebido em módulos projetados (hardware) e
codificados (software) divididos de acordo com a função de
necessidade para funcionamento do protótipo.
Os módulos que envolvem projeto de circuitos eletrônicos foram dimensionados e distribuídos utilizando o software de modelagem e prototipagem eletrônica PROTEL 99-SE.
A filosofia modular também foi adotada para o projeto das
placas de circuito impresso. Os módulos são interconectados
por meio de cabos com tamanho e pinagem específicas.
Os módulos de software foram codificados em linguagem
de programação C/C++ [9]. O sistema operacional LINUX
foi escolhido para o protótipo, devido à arquitetura do tipo
PC-Intel da placa mãe e processador. As distribuições ZipSlack e DSL (Damn Small LINUX) foram adotadas no projeto devido ao reduzido espaço em disco ocupado. O computador utilizado corresponde a um PC montado de forma
compacta, seguindo os padrões de construção de um módulo
PC-104 [10].
O programa de recebimento de dados remotos foi desenvolvido para o ambiente Windows utilizando a pacote de
desenvolvimento Borland C++ Builder [11] .
A.
Módulo de Hardware
1) Módulo de Condicionamento de Sinais
O módulo é alimentado por tensão de entrada simétrica de
-12V, 0, +12V,. Seu consumo nominal, medido após a construção da placa, ficou na faixa de 1mA, com consumo real
de 24mW. Sua função é fornecer sinal de acordo com a
entrada de sinais do conversor analógico-digital (A/D).
Os conversores (A/D) geralmente operam a uma taxa de
amostragem constante, chamada freqüência de amostragem
(fs). Segundo o teorema de Nyquist, as freqüências do sinal
que tiverem valores inferiores à metade da freqüência de
amostragem serão digitalizadas, enquanto que freqüências
acima de fs/2 não serão amostradas. No entanto, ao fazer a
conversão A/D observa-se que espectro de freqüência de
valores acima de fs/2 se sobrepõem ao espectro abaixo da
freqüência de amostragem. Esse fenômeno, chamado de alias (sem tradução para o português), torna impossível diferenciar os sinais de baixa dos de altas freqüências.
Aplicando esses conceitos para a digitalização de sinais
sísmicos a uma taxa de amostragem de 1 kHz (1000 amostras por segundo), que é a taxa utilizada na conversão A/D, a
freqüência de corte do filtro anti-aliasing, deve ser de 500
Hz. A topologia escolhida consistiu em utilizar filtros Butterworth, construídos sob a topologia Sallen-Key. No entanto, esses sinais serão, posteriormente, decimados para frequências menores, no caso do projeto PC Sísmico a decimação será feita para 100 Hz de amostragem, portanto a filtragem pode ser com freqüências menores que 500 Hz. Foi
escolhida então a freqüência de corte de 200 Hz, mantendo
assim a integridade do espectro de freqüência da banda de
interesse e minimizando o efeito alias no sinal convertido.
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Figura 2 – Módulo de condicionamento de sinais. Vista da face superior
com os componentes montados.
O roteamento das ligações entre os componentes foi feita
de modo automatizado, utilizando o modo iterativo com
otimização de posição e distanciamento de trilhas. Ao final
do processo de roteamento, as trilhas foram refinadas e revisadas de modo a evitar erros de ligação ou curto-circuito. A
construção da placa de circuito impresso foi realizada por
meio da técnica de transferência térmica. As máscaras das
trilhas para ambas as faces foram impressas em uma película
de papel tipo glossy. Uma máquina de transfer foi utilizada
para efetuar a transferência entre o papel e a placa com superfície cobreada. A figura 2 ilustra o módulo construído.
2) Módulo de Aquisição de Dados de Tempo e Posicionamento Global
O módulo GPS é composto por um sistema microprocessado capaz de receber informações sobre hora e posição de
diversos satélites e calcular, com base nestes dados, sua própria localização. O módulo utilizado consiste no LS-40EB,
fabricado pela Locsense. As informações sobre posição e
hora são transmitidas, através de comunicação serial, para o
PCSISMICO, onde são utilizados e armazenados no metadado que compõe a estação remota. O módulo de GPS disponibiliza uma base de temporização composta por um pulso
a cada segundo com o objetivo de corrigir qualquer incerteza associada à hora de aquisição dos dados sísmico. Este
pulso também é empregado na correção da hora interna do
sistema PCSISMICO.
Através desse sistema é possível determinar o horário
exato da aquisição das amostras de dados sísmicos, bem
como georeferenciar a localização da estação remota. A utilização destes dados proporciona maior precisão na determinação da hora de ocorrência e localização de um evento sísmico.
Além de fornecer informações sobre posição e hora, o
módulo LS-40EB fornece uma base de tempo em forma de
um pulso por segundo (1 PPS). Este pulso é sincronizado à
base de tempo universal coordenado (UTC) no momento em
que o receptor entra no modo de temporização.
Figura 3 – Módulo de Aquisição de Dados de Tempo e Posicionamento
Global. Vista dos componentes montados.
O pulso de 1 PPS possui largura máxima de 10 microssegundos e permite que o PCSISMICO efetue a correção do
tempo nos dados sísmicos adquiridos. A troca de informações entre o módulo LS-40EB e o sistema de aquisição central PCSISMICO é feita de modo serial e o protocolo de
comunicação segue o padrão NMEA-01833 V3.01.
De forma a garantir que o pulso de sincronismo seja sempre observado pelo sistema de aquisição, implementou-se
um circuito para aumentar a largura do 1PPS. O circuito é
composto por um multivibrador monoestável de precisão
CD4538BC e possui controle de gatilho e reinicialização. A
duração de saída do pulso é controlada pelos valores dos
resistores R1 (100K) e C6 (0.5 uF) através da seguinte equação:
Largura do Pulso = R (Ohms) * C (Farads)
Largura do Pulso = 100.000 * 0,0000005
Largura do Pulso - 50ms.
3) Módulo de Gerenciamento, Aquisição de Dados
Auxiliares e Fonte de Alimentação (AGDA).
O módulo é composto por um sistema microcontrolado
capaz de avaliar e tomar decisões sobre o funcionamento do
PCSISMICO. Informações provenientes de circuitos transdutores e dados previamente estabelecidos como referência,
atuam no controle efetivo sobre a fonte de alimentação chaveada regulada e na geração de relatórios para o Sistema de
Gerenciamento de Dados Auxiliares (SGDA), parte integrante do sistema central de controle do PCSISMICO.
O desenvolvimento do módulo AGDA foi realizado através de módulos compostos por circuitos eletrônicos discretos (hardware) e seqüências lógicas de instruções inseridas
no microcontrolador (firmware). Suas funções podem ser
denominadas como: Sistema central, sensor de nível de tensão, sensor de temperatura, sensor de corrente, sensor de
presença, atuador na fonte de alimentação, sistema de comunicação, fonte de alimentação e firmware do sistema central.
O sistema central é responsável pela aquisição dos dados
auxiliares, comunicação com o sistema central de aquisição
PCSISMICO e atuação sobre a fonte chaveada regulada.
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Para o funcionamento adequado, o microcontrolador necessita de uma seqüência lógica de instruções.
Essa seqüência é conhecida como firmware e sua implementação deu-se através da inserção seqüências de instruções dentro da memória de programa do microcontrolador.
A implementação do código da firmware dentro da memória
do PIC16F88 foi realizada utilizando-se a linguagem C. Para
tanto, um gravador desenvolvido especificamente para essa
aplicação foi utilizado.
O sensor de nível de tensão tem como objetivo monitorar
a entrada da alimentação principal do PCSISMICO. Com
isso, é possível determinar se o estado em que a fonte de
alimentação está operando é adequado para manter o PCSISMICO em funcionamento normal. O sensor consiste em
um divisor de tensão para adequação da faixa de tensão de
alimentação do PCSISMICO com o nível de tensão de entrada do conversor analógico-digital do PIC16F88.
O sensor de temperatura realiza a conversão de grandezas
relacionadas à temperatura externa em níveis de tensão para
o sistema central. Através da observação do nível de temperatura, é possível avaliar se o sistema de aquisição está em
condições aceitáveis de operação. Caso ocorra algo de anormal neste valor, o sistema central tomará as decisões para
a proteção do sistema. O circuito do sensor de temperatura
consiste em um termistor do tipo NTC (variação negativa da
resistividade com o aumento da temperatura) associado a um
amplificador operacional de uso geral (LM747). O uso do
amplificador operacional proporciona o melhor aproveitamento da resolução do conversor A/D do PIC16F88.
O sensor de corrente atua no monitoramento de sistemas
de alimentação compostos por baterias externas e painéis
solares. As informações obtidas são utilizadas somente para
efeito de relatório sobre o funcionamento geral do sistema
de aquisição. O sensor de corrente é composto por uma resistência de derivação, que permite converter a corrente de
carga entre o painel solar e a bateria em nível de tensão. O
amplificador operacional LM747 atua sobre este nível, aproveitando melhor a faixa dinâmica do conversor A/D do
PIC16F88.
O módulo de atuação na fonte alimentação tem como finalidade fornecer ou suspender o sistema de alimentação do
PCSISMICO, de acordo com as condições externas de tensão de alimentação e temperatura. Sua ativação é feita após
decisão conjunta entre o sistema de aquisição e o módulo
microcontrolador. Este circuito é composto por um relé em
regime “sempre fechado” e é acionado através de uma porta
de E/S do PIC16F88. Assim que o relé é acionado, o caminho entre a fonte externa (baterias) e a fonte interna (módulo
da fonte de alimentação) é cortado. O módulo volta ao seu
estado inicial assim que as condições de funcionamento do
PCSISMICO forem restabelecidas.
O sistema de comunicação realiza a conversão de níveis
de tensão utilizados na comunicação USART entre o microcontrolador e o sistema de aquisição central do PCSISMICO. Esta conversão é feita através do circuito integrado
MAX232, produzido pela Maxim. Esta conversão é bidirecional (entrada e saída) e transforma os níveis lógicos TTL
(0 e +5 Volts) nos níveis lógicos utilizados pelo protocolo
RS232 (+12V -12V).
A fonte de alimentação do PCSISMICO foi projetada a
partir da Application Note fornecida pela On Semiconductor
para utilização com o circuito de fonte chaveada MC34167.
Este circuito foi projetado para atuar como regulador de
tensão compacto, sem a necessidade de adicionar muitos
dispositivos para chaveamento e realimentação do circuito.
A tensão de entrada do módulo da fonte de alimentação pode variar de 9 até 15 volts sem que haja variação significativa na saída. A fonte fornece as seguintes tensões de saída
reguladas: 5V/3A, -12V/200mA e +12V/250mA.
Todos os sistemas descritos foram integrados em uma
única placa, formando o módulo AGDA. A figura 4 mostra a
disposição dos componentes realizadas pelo software de
confecção de circuitos PROTEL 99-SE.
Este módulo é composto por uma chave localizada na via
de acesso (exemplo: portas) do possível abrigo dos equipamentos de uma estação sismográfica. A principal função
deste sistema é de registrar dentro do PCSISMICO a entrada
pessoas através da observação do estado da chave. O dado
gerado por este módulo é utilizado apenas para relatório
sobre a possível entrada de uma pessoa dentro da estação e
levantar a freqüência de acionamento da chave dentro de um
determinado espaço de tempo.
Figura 4 – Disposição dos componentes no módulo AGDA.
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B.
1)
Módulo de Software
Software de Aquisição de Sinais Sísmicos
A aquisição dos sinais sísmicos é feita utilizando-se uma
placa de aquisição digitalizadora PAR4CH da Symmetric
Research, projetada para aquisição de dados com alta resolução em computadores pessoais, em taxas de aquisições
variando de 0 (zero) a 2Khz.
A placa possui 4 canais analógicos que são digitalizados
por um conversor A/D com tecnologia sigma delta Burr
Brown (ADS1210), com 24 bits de resolução. A PAR4CH
tem um conversor individual por canal analógico, com intuito de minimizar os efeitos de Cross Talk, skew e settling
time. A conexão física da PAR4CH com o computador é
feita pela porta paralela, utilizando o protocolo de comunicação EPP (padrão IEEE 1284).
Os dados dos conversores A/D são armazenados em um
conjunto de memória de 2MB na PAR4CH, o que permite
uma aquisição continua de dados mesmo com um grande
tempo de latência de comandos do PC, dando uma certa
autonomia na coleta de dados, sem perda dos mesmos.
Para operação da PAR4CH é necessário um software que
fornece rotinas de alto e baixo nível, através de uma biblioteca de funções, que dão suporte para operação completa
dos recursos da mesma, sendo esse fornecido pelo fabricante
sob a forma de um driver. A tabela 1 mostra a descrição das
funções básicas de operação da PAR4CH.
TABELA I
FUNÇÕES DE COMUNICAÇÃO DA PLACA PAR4CH
Função
Open
Operação
Carrega o driver da Placa e inicializar a taxa de
aquisição e outros parâmetros
Começar a aquisição
Start
ReadData Mover datada memória FIFO da Par4ch para a
memorai do PC
Parar a aquisição
Stop
Descarrega o driver da Placa
Close
O software de aquisição comunica com a placa de aquisição PAR4CH utilizando essas funções de biblioteca. Primeiro é executada a função para abrir o driver (função Open) e
iniciar a taxa de aquisição e outros parâmetros. Uma vez
iniciada, chama-se a função Start para iniciar a aquisição.
Então se usa a função ReadData para mover os dados da
memória FIFO da PAR4CH para um buffer interno do PC,
que é processado para ajustar a sua data e hora de aquisição,
que é realizado com a ajuda do sinal de PPS gerado pelo
GPS.
Após todo o processamento necessário, gera-se um pacote
dos dados disponíveis nesse buffer, para armazenamento na
memória compartilhada do sistema PCSISMICO, para que
outros processos do sistema tenham acesso.
Ao fim do processamento dos dados, volta-se a esperar
um novo preenchimento de buffer dos dados provenientes da
placa de aquisição. Para interromper o processo de aquisição, em qualquer instante, o módulo de aquisição executa as
funções Stop e Close.
2) Software de Aquisição de Dados de Posicionamento
Global
O protocolo de comunicação utilizado com o módulo de
aquisição de dados de tempo e posicionamento global baseia-se no padrão TAIP, utilizando pacotes no formato ASCII. A tabela II mostra as funções utilizadas pelo processo
para adquirir dados sobre tempo e posição.
TABELA II
PACOTES DE COMUNICAÇÃO UTILIZADOS NO PADRÃO TAIP
Pacote de
Pedido
QST
Pacote de
Resposta
RST
QTM
QPV
RTM
RPV
Conteúdo do Pacote de Resposta
Status de funcionamento do
GPS
Data e Hora do GPS
Informação de posição do
GPS
3) Software de Aquisição e Gerenciamento de Dados
Auxiliares
Esse software tem com objetivo coletar os dados adquiridos pelo hardware de aquisição e gerenciamento de dados
auxiliares (AGDA), e disponibilizá-los na memória compartilhada do equipamento.
A coleta desses dados é realizada pelo envio de requisição
de dados, por parte do software, ao microcontrolador do
módulo de AGDA. O microcontrolador envia ao software de
aquisição de dados auxiliares os dados adquiridos pelos sensores de temperatura, tensão, corrente e presença via comunicação serial. Os três primeiros consistem na média amostral dos valores adquiridos pelos sensores em um intervalo
de tempo de 50 segundos. Esses dados são disponibilizados
em uma memória compartilhada para que outros processos,
dentro do PCSISMICO, tenham acesso de leitura.
4)
Software de Armazenamento
Sua função principal consiste na transferência dos arquivos gerados pelo software de aquisição de dados sísmicos
para a unidade de armazenamento local. A unidade de armazenamento local é composta por um disco rígido, onde suas
conexões permitem que o usuário realize sua troca toda vez
que incursões locais na estação seja necessária.
O software de armazenamento foi implementado utilizando linguagem de script BASH (Bourne Again Shell) [12], e
consiste nos seguintes passos: (1) acionamento do disco rígido no sistema, (2) busca pelos arquivos gerados, (3) transferência desses arquivos para o disco rígido e (4) desativação do disco rígido. Esse processo é repetido a cada trinta
7
minutos no intuito de proporcionar menor consumo de energia pelo PCSISMICO.
5)
Software de Comunicação de Dados
O módulo de comunicação do registrador sísmico consiste
em um aplicativo responsável pela leitura dos dados escritos
na memória compartilhada pelo aplicativo de aquisição de
sinais sísmicos e envio para uma estação central através de
um protocolo TCP/IP. Esse software foi desenvolvido em
linguagem C++, devido à portabilidade de tal linguagem
para vários sistemas operacionais, e suporte existente na
rede mundial de computadores para solução de problemas de
desenvolvimento de software.
O software de comunicação inicia mapeando a memória
compartilhada criada pelo processo de aquisição de sinais
sísmicos, utilizando para isso a mesma chave nas rotinas
definidas nas bibliotecas <sys/types.h>, <sys/ipc.h> e
<sys/shm.h>. Essas rotinas criam uma identificação a partir
de tal chave e associa essa identificação a uma variável interna, que utilizada sempre que necessário para fazer a leitura da memória. Abaixo é mostrado parte do código-fonte
responsável pelo mapeamento da memória compartilhada.
Após o mapeamento da memória compartilhada, o aplicativo cria um objeto socket, responsável pela interface de
comunicação com a placa de rede do equipamento, em baixo
nível. Depois da criação do socket, são chamadas rotinas
para configuração dos parâmetros do protocolo TCP/IP e
aguardar por uma solicitação de conexão, que é realizada
pelo software de comunicação da estação central. Uma vez
estabelecida a conexão, o aplicativo inicia a transmissão dos
dados lidos a partir da memória compartilhada. Caso ocorra
algum erro na comunicação dos dados, a conexão com a
estação central é encerrada e o aplicativo volta a esperar por
solicitações de conexão, repetindo todo o processo.
6)
Software Gerenciador dos Processos
Este software tem por função iniciar adequadamente os
módulos de acordo com o modo de operação do sistema e
também checar o bom funcionamento de todos os processos
que compõem o PCSISMICO. Este módulo utiliza os recursos disponibilizados em linha de comando pelo sistema operacional para execução, observação e atuação nos processos.
Através de um arquivo inicial de configuração, obtêm-se
os parâmetros de funcionamento e quais módulos deverão
ser executados e observados dentro do sistema. O ambiente
de execução do software é o BASH, utilizado e mantido
dentro da comunidade UNIX. Com o BASH é possível executar diversas tarefas em lote que envolve controle e atuação
no sistema, sem a necessidade de utilizar um compilador ou
interpretador de código.
O software gerenciador de processos atua a partir da observação do estado de funcionamento do PCSISMICO. Fatores como última atualização do arquivo de mensagens ou
consumo dos recursos do sistema, indicam se um determinado programa opera de forma correta. Caso a normalidade
não for verificada, o software de gerência finaliza o processo
defeituoso, reiniciando-o logo em seguida.
Sua execução é feita no momento de inicialização do sistema operacional, e periodicamente, controlada pelo sistema
cron, disponível no LINUX. O cron é um programa de "agendamento de tarefas". Com ele você pode-se programar
para ser executado procedimento numa certa periodicidade e
pontualidade. A configuração do cron é realizada por uma
tabela de atributos, chamada de crontab.
7
5
4
1
2
3
6
Figura 5 – Vista geral do protótipo do PCSISMICO montado. A figura mostra o disco rígido (1), módulos de GPS e condicionamento de sinais (2),
placa de aquisição (3), placa mãe (4), placa da fonte (5), conexão externa (6) e conexão do ponto de rede (7).
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C.
Integração do Sistema
Os módulos que compõem o protótipo PCSISMICO que
constituem em componentes de hardware, com funcionalidades e finalidades específicas, são controlados e gerenciados
por um microprocessador sob um sistema operacional. Todas as informações adquiridas pelos diversos circuitos são
enviadas para a placa mãe, onde serão processadas.
Baseado na no diagrama da figura 1, as conexões físicas
dos diversos componentes de hardware desenvolvidos no
projeto foram realizadas. Para isso, são utilizados conectores
específicos para cada tipo de circuito. A figura 5 mostra e
identifica os diversos componentes de hardware e as conexões entre eles, formando o protótipo do PCSISMICO.
D.
Software de Monitoramento
O módulo de comunicação do servidor tem como finalidade estabelecer a conexão com a estação remota, permitindo o envio e recebimento de dados. Os dados recebidos são
sinais sísmicos adquiridos pela estação remota e transmitidos
para a estação central.
A conexão entre as duas estações segue o protocolo
TCP/IP, devido à confiabilidade do recebimento dos pacotes
de dados por parte dos módulos envolvidos na comunicação.
A linguagem de programação utilizada para o desenvolvimento desse software foi a C++, devido à portabilidade e
suporte da linguagem.
O software consiste na criação, configuração e gerência
de um socket, um objeto responsável pela interface de comunicação entre o programa e a placa de rede do computador. Ao ser criado, o socket é configurado através da atribuição de um endereço IP e de um número de porta. O endereço IP determina qual computador a estação central irá se
comunicar, no qual é utilizado o endereço da estação remota.
O número de porta determina o processo que utiliza os recursos de rede do computador, e por isso deve ser o mesmo
número para as duas estações.
A partir do instante que a conexão é estabelecida, o socket
passa a receber os dados sísmicos adquiridos e enviados pela
estação remota, que são armazenados temporariamente na
memória RAM do computador para ser utilizado pelo software de monitoramento.
IV. CONCLUSÕES
O desenvolvimento do protótipo de um registrador de
sinais sísmicos foi realizado segundo as especificações propostas, gerando um equipamento capaz de adquirir dados
sísmicos provenientes de um sensor, sismômetro ou acelerômetro, digitalizá-los, armazená-los localmente e transmitilos via telemetria.
A transmissão dos dados via telemetria foi plenamente
realizada, garantindo a aquisição e armazenamento dos sinais sísmicos adquiridos remotamente em um computador
pessoal. A tecnologia utilizada foi a transmissão digital de
dados através do protocolo TCP/IP, amplamente utilizada
para comunicação entre computadores, tornando o suporte e
manutenção da comunicação entre o equipamento e um
computador central mais simples e barato.
A realização do projeto demonstrou ser possível para desenvolvimento, fabricação, comercialização e manutenção
totalmente nacional desse tipo de equipamento no mercado
brasileiro. A disponibilidade de um aparelho de aquisição de
sinais sísmicos com tecnologia nacional diminui o tempo de
compra e suporte desses aparelhos a custos mais baixos,
viabilizando e facilitando o monitoramento contínuo de barragens, estudos acadêmicos e pesquisas científicas do setor.
Acrescido ao valor tecnológico do projeto, a realização do
mesmo contribuiu na capacitação e formação de recursos
humanos, gerando qualificação profissional e agregando
conhecimento científico e tecnológico ao corpo técnico do
Observatório Sismológico da Universidade de Brasília.
V.
[1]
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Telemetria e Telecontrole, 1988
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Telemetria e Telecontrole, 1988.
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2006