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Guia de Projetos em Microcontroladores e Sistemas Embarcados - Introdução

Introdução

Este é um pequeno guia de implementação de projetos direcionado aos alunos das disciplinas de Microcontroladores e Sistemas Embarcados dos cursos de Engenharia de Computação e Engenharia de Controle e Automação da Universidade Federal de Mato Grosso (UFMT). No entanto, mesmo os leitores que não estão cursando estas disciplinas, ou sequer estudam na UFMT, podem tirar proveito desta leitura. Neste guia, algumas orientações sobre a implementação de pequenos projetos de sistemas microcontrolados serão dadas. Dentre elas, algumas orientações gerais (que valem para todos os projetos), e algumas de projeto específico, seguindo uma pequena lista de projetos sugeridos.

Sobre o Autor

Sou Filipe Chagas Ferraz. Atualmente (setembro de 2022) sou monitor da disciplina de Microcontroladores, ministrada pelo professor Jésus Franco Bueno. No semestre que antecedeu o atual, fui monitor da disciplina de Sistemas Embarcados. Sou graduando do curso de Engenharia de Computação da UFMT-VG, com poucos meses restantes até a conclusão deste. Também fui monitor das disciplinas de Algoritmos e Programação de Computadores (2018) e Sistemas Operacionais (2020). Vocês podem ver projetos open-source de minha autoria e se conectar comigo através dos seguintes links:

GitHub: https://github.com/FilipeChagasDev

LinkedIn: https://www.linkedin.com/in/filipe-chagas-16a9371b8

Email: filipe.ferraz0@gmail.com

Sugestões para melhorar este guia são sempre bem-vindas.

Orientações gerais

Cuidado com o tempo!

Tendo em vista que os projetos devem estar concluídos antes do fim do semestre, recomendo a escolha de projetos simples. Mesmo os alunos que querem se destacar com projetos elaborados e desafiadores devem escolher um escopo sucinto e não muito difícil de implementar. O tempo até a data de apresentação do projeto é curto e não é seguro se aventurar com projetos difíceis. No entanto, isto não quer dizer que você não deve se desafiar um pouco. Escolha um projeto que seja simples, mas que não seja simples demais. Faça algo que reflita uma aplicação prática e que, a longo prazo, possa se tornar um projeto de alto nível, passível à publicação em um periódico nacional ou internacional, ou até mesmo ao uso prático dentro de uma industria. Consulte o professor da disciplina antes de iniciar o desenvolvimento do projeto, e sinta-se à vontade para tirar dúvidas comigo e/ou me pedir ajuda para implementar o projeto.

Antes de "por a mão na massa", pense sobre como o projeto será feito

O primeiro passo que você deve dar no desenvolvimento do seu projeto é organizar uma pequena reunião com sua equipe e discutir sobre como o projeto será feito. Pense sobre os requisitos do projeto, os componentes que serão usados, os softwares e middlewares que serão usados, os custos, a carga de trabalho necessária; faça desenhos, diagramas, plantas... Faça isto para dar um norte sólido aos integrantes do grupo e também para prever os problemas que podem surgir. Ou seja: pense em tudo, inclusive em tudo que pode dar errado, e fique preparado para resolver os problemas a tempo de apresentar o projeto.

Algumas questões sobre as quais você deve pensar:

• Quais materiais você precisará para montar o projeto? Quanto custam esses materiais? Onde você irá comprar? Quanto tempo levarão para chegar?
• De que forma você irá montar a parte elétrica do projeto? Vai usar protoboard, placa ilhada, ou vai confeccionar sua própria PCB?
  • Caso pretenda usar protoboard: você sabe que protoboards são bem problemáticas, não? Elas possuem quantidades consideráveis de capacitâncias parasitas, pois são compostas por extensos condutores paralelos e próximos uns aos outros; são altamente suscetíveis a mal-contatos, pois não fixam bem os componentes; e são verdadeiras antenas de interferência eletromagnética, deixando os circuitos extremamente ruidosos e instáveis. Seu projeto será resistente aos problemas da protoboard?
  • Caso pretenda usar placa ilhada: tem equipamentos de soldagem, como estanho, esponja vegetal e ferro de solda? Sabe soldar?
  • Caso pretenda confeccionar sua própria PCB: conhece o processo de confecção de PCBs caseiras? Sabe onde comprar os materiais necessários? Sabe usar os softwares de design? Sabe soldar² ? Nem pense em usar serviços de fabricação de PCB sob demanda, como JLCPCB e PCBWay, em seu projeto da disciplina! Esses serviços são (muito) caros e demoram meses para entregar.
• Qual microcontrolador você irá usar no projeto? Há kits/placas de desenvolvimento para este microcontrolador no mercado local? O microcontrolador tem memória o suficiente para comportar o firmware do projeto? O microcontrolador tem as entradas e saídas necessárias para conectar os periféricos do projeto? Tem certeza que o dispositivo que você escolheu é mesmo um microcontrolador (ou será que é um SoC) ?
• Quais grandezas físicas do ambiente você precisará aferir? Quais sensores você irá usar? Esses sensores estão disponíveis no mercado local? Como esses sensores se comunicam com o microcontrolador? Com relação à programação, há bibliotecas para esses sensores? Essas bibliotecas são compatíveis com a plataforma que você pretende usar? De que forma os dados de cada sensor são "entregues" pela biblioteca, e que processamentos você deve aplicar sobre estes dados?
• Caso seu projeto seja eletromecânico: que tipo de motores você irá usar? qual é o torque mínimo que cada motor deve ter? Como você fará a estrutura do projeto?
• Qual fonte de energia você usará em seu projeto? Essa fonte é capaz de fornecer a potência necessária para todos os componentes mesmo nos momentos de maior consumo?
• Alguém já fez algum projeto semelhante ou igual ao seu? Se sim, quais desafios essa pessoa teve?

Tópicos importantes para estudar

Prioritários

Este são os conhecimentos que você precisa adquirir para trabalhar bem com microcontroladores e desenvolver sistemas embarcados:

• Análise de circuitos elétricos simples, com resistores, capacitores, indutores e diodos;
• Arquiteturas de microprocessadores modernos (Ex: ARM, RISC-V, Xtensa);
• Famílias de microcontroladores modernos (Ex: AVR, STM8, STM32, LPC);
• Recursos de microcontroladores (Ex: GPIOs, ADCs, DACs, interrupções, timers de uso geral_, watchdog timers,_ DMA);
• Programação embarcada em C e um pouco de C++;
• Protocolos de comunicação serial (Ex: UART, I2C, SPI);
• Interpretação de datasheets e manuais.

Secundários

Estes são alguns dos diversos conhecimentos que agregam muito à área, mas que pertencem a outras disciplinas e podem ser adquiridos com experiência de trabalho:

• Sistemas operacionais real-time (Ex: FreeRTOS, MBED);
• Fontes lineares e chaveadas, simples e simétricas;
• Componentes eletrônicos um pouco mais avançados: diodos zener, diodos schottky, transistores bipolares de junção (BJTs), transistores de efeito de campo (FETs), amplificadores operacionais, etc;
• Filtros analógicos ativos e passivos;
• Conceitos de análise de sinais digitais: amostragem, teorema de Nyquist-Shannon, filtros IIR e FIR, transformada de Fourier rápida (FFT), etc;
• Sistemas de controle lineares e inteligentes (Ex: PID, Fuzzy, MPC);
• Para projetos eletromecânicos: máquinas elétricas e mecânica dos sólidos;
• Para IoT: protocolos de rede TCP/IP (Ex: HTTP, MQTT, TCP, UDP, IP, Ethernet) e Linux embarcado;
• Para industria: protocolos de redes industriais (Ex: CAN, Modbus, Profibus, Profinet), instrumentação industrial e controladores lógicos programáveis (CLPs);
• Programação em MATLAB e Python.