Aviso Público Digital: projeto e implementação Luiz Carlos

Aviso Público Digital: projeto e implementação
Luiz Carlos Evangelista de Queiroz, José Luciano Rodrigues de Castro,
Fernando Gibim Mellone, Fernando Nemec, Leandro Parente,
Eduardo Barbosa da Silva, Carlos Eduardo Buzzo de Almeida,
Ana Cristina dos Santos, Alexandre da Silva Simões, Silvio Schanzer.
Laboratório de Circuitos Digitais, Depto. de Engenharia,
Faculdades Associadas de São Paulo (FASP), Brasil, 04011-062
Fone (11) 5574-0233, Fax (11) 5573-6624
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Resumo - O presente artigo aborda o projeto e implementação de um circuito digital para
emissão de aviso público digital, isto é, um circuito eletrônico capaz de reproduzir uma
mensagem sonora pré-gravada armazenada em formato digital em um dispositivo lógico
programável (PLD). A arquitetura utilizada, sem a presença de processadores ou
controladores, resulta em um produto simples e de baixo custo. O circuito proposto foi
implementado experimentalmente em protoboard, e os resultados apontam uma grande
aplicabilidade dos PLDs a esta finalidade, o que torna o projeto viável para diversas
aplicações práticas, tais como: sinalizador para deficientes visuais, brinquedos, campainhas
eletrônicas, transportes públicos, entre outros.
Palavras-chave: Circuitos Digitais , Dispositivos Lógicos Programáveis, Conversão D/A
Abstract – The present work concerns the project and implementation of a digital circuit
designed to a public digital announcement, that is, an electronic circuit capable of repeating a
voice message previously stored in a digital format in a programmable logical device (PLD).
The circuit architecture, without microprocessors or microcontrollers, leads to a simple and
low cost product. The proposed circuit was implemented in experimental ambient
(protoboard), and the result show great applicability of PLDs to this purposes, which makes
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this project viable for a lot of practical applications such as visual deficient signaling, toys,
electronic bells, public transports, and many others.
Key-words: Digital Circuits, Programmable logical devices, D/A Conversion
Introdução
O circuito reprodutor de áudio digital é um circuito capaz de reproduzir áudio digital
armazenado em um dispositivo lógico programável. Esse tipo de circuito possui vasta
aplicabilidade em diferentes dispositivos sonoros. Dispositivos como campainhas,
brinquedos, avisos para o transporte público, sinalizadores para deficientes visuais, dentre
outras aplicações práticas que poderão ser criadas ou adaptadas com esse circuito. Setores
industriais, comerciais e residenciais poderão se beneficiar com a utilização desse circuito
devido à simplicidade e eficiência apresentada, tendo assim uma boa relação custo benefício.
A aplicabilidade geral desse tipo de circuito é informativa, sendo assim, são projetados para a
reprodução de mensagens informativas sucintas e de imediata compreensão, que serão
adaptadas aos inúmeros setores de aplicação, de acordo com a necessidade de cada um deles.
A natureza das mensagens veiculadas dependerá de seus veiculadores, sendo assim, nesse
projeto ater-se-á apenas ao funcionamento do circuito reprodutor de áudio digital e suas
características funcionais, que serão de suma importância para todos os setores. A motivação
para o desenvolvimento do projeto partiu do princípio de que o som digital já é uma realidade
presente em todos os continentes, e mesmo assim ainda há uma infinidade de áreas que ainda
não foram exploradas. Objetiva-se com esse projeto demonstrar os processos de gravação e
reprodução do áudio digital, desde a gravação do áudio no dispositivo até a saída do mesmo
no auto falante. Tudo isso através de uma aplicação geral que possa ser implementada
utilizando um circuito que atenda o requisito básico, que é a reprodução do som e que tenha a
versatilidade de ser otimizado reutilizando-se o máximo de recursos disponíveis, uma vez que
todos eles têm funções quase fundamentais para o funcionamento do circuito.
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Metodologia
O circuito proposto nas seções anteriores foi implementado em ambiente experimental
protoboard. Diversos arquivos de som foram gravados em formato WAV utilizando o
software gravador de som do MS-Windows configurado com freqüência de amostragem de
8KHZ, com 8 bits.
O arranjo lógico genérico foi programado utilizando o software Atmel WINCUPL.
Após a montagem do circuito os diversos arquivos gravados foram armazenados na
EPROM, um a um, e o desempenho do sistema foi observado em cada caso. A gravação foi
realizada utilizando gravador de dispositivos programáveis MINIPA, com o software LP10.
O circuito eletrônico
O processo para a reprodução de um áudio em um aviso público digital é usualmente
constituído de três etapas principais: i) conversão da mensagem da forma analógica para a
digital; ii) gravação da mensagem digital em um dispositivo lógico programável (PLD); iii)
conversão da mensagem gravada em analógica novamente através de um circuito eletrônico.
i) Conversão A/D: Realiza a transformação do sinal sonoro (analógico) em sinal digital
adequado à manipulação por circuitos digitais convencionais;
ii) Armazenamento: O sinal digitalizado é armazenado em um dispositivo eletrônico, para
sua posterior reprodução. Usualmente memórias são utilizadas para esta finalidade, dada sua
capacidade de armazenagem de dados compatível com o tamanho dos arquivos de som;
iii) Conversão D/A: De forma a ser reproduzido, o arquivo sonoro digitalizado precisa ser
convertido de volta para seu formato analógico. Esta etapa é usualmente realizada por
conversores digitais para analógicos (D/A).
Para se transformar um sinal sonoro (o sinal elétrico de um microfone, por exemplo)
para um formato digital, é necessário convertê-lo em códigos binários. Essa transformação é
usualmente realizada por um conversor de sinal analógico para digital (A/D), que recebe
amostras do sinal analógico e as convertem para sinais digitais, através do código binário. A
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freqüência com que as amostras do som são coletadas é chamada de freqüência de
amostragem.
Um método simples e usual para a realização desta conversão é utilizar um computador
pessoal com software gravador de som, para criar um arquivo com formato WAV (Formato
de som padrão do windows) com a mensagem a ser reproduzida. O arquivo no formato wave
é, então, o áudio do microfone transformado em sinal digital. Um exemplo deste software é
mostrado na figura 2.
A opção por arquivos tipo wave deve-se à pequena quantidade de memória ocupada em
relação ao tempo da mensagem a ser gravada. Tipicamente, um som amostrado a 8 bits com
uma taxa de 8KHZ em um único canal (mono) é audível ao ouvido humano, e quando
armazenado, ocupa aproximadamente 7Kbytes de memória por segundo de gravação. Para
efeito de comparação, cada segundo de áudio de sons com qualidade comercial (cds),
tipicamente ocupa 172Kbytes de memória. O baixo consumo de memória é vital para o
projeto proposto, visto que este faz uso de um único dispositivo programável, como o
mostrado a seguir.
Figura 2 – características do arquivo wave
Para a montagem do circuito eletrônico em protoboard, o esquema apresentado na
figura 4 foi implementado. Nesta figura os blocos lógicos componentes do projeto podem ser
observados:
i): Gerador de clock;
ii): Gerador de endereços;
iii): Memória;
iv, vii): Conversor D/A;
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v, vi): Controlador de reprodução;
Os blocos apresentados serão discutidos a seguir.
i) Gerador de clock
Foi utilizado o circuito integrado 555 em sua configuração estável para gerar um clock
de 8KHZ, freqüência de amostragem utilizada na criação do arquivo wave (figura 2). O
software 555design, mostrado na figura 3, foi utilizado para obter a configuração de hardware
desejada.
Figura 3 – Software 555 design
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i
vii
ii
vi
v
iii
iv
Figura 4 - O circuito proposto
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ii) Gerador de endereços
Para o acesso de todas as 216 posições da memória utilizada (descrita a seguir), foram
utilizados 4 circuitos integrados contadores de 4 bits 74LS93 em cascata, capazes então de
gerar uma contagem binária de 0000h a FFFFh. A freqüência utilizada para a contagem é a
freqüência gerada pelo CI 555, ou seja, 8KHZ.
iii) Memória
Para a gravação do arquivo wave em um dispositivo programável foi adotada uma
EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory) 27C512, de capacidade 512Kbytes
(64Kbytes x 8 bits), mostrada na figura 5. Para as configurações adotadas no conversor A/D
(7Kbytes por segundo de gravação) esta memória permite o armazenamento de
aproximadamente 9 segundos de áudio, sendo assim suficiente para utilização neste projeto. A
EPROM recebe o endereçamento seqüencial dos contadores em suas entradas de endereço (A0
a A15) e seus 8 bits de saída de dados (D0 a D7) são ligados ao bloco conversor digital
analógico, descrito a seguir.
Além das características físicas adequadas ao projeto (padrão de encapsulamento,
capacidade de armazenamento e características elétricas), dispositivos do tipo EPROM
mostram-se particularmente vantajosos nesta aplicação na medida em que permitem fácil
regravação da mensagem a ser reproduzida.
Figura 5 – Pinagem da EPROM 27C512
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iv-vii) Conversor D/A
O processo de conversão digital-analógica necessário para a reprodução do som em autofalantes foi implementado utilizado o circuito integrado DAC0832 (circuito 4), que
transforma os 8 bits de dados provenientes da EPROM em uma tensão proporcional ao seu
conteúdo. A amplificação do sinal é feita pelo LM358 (circuito 7).
v-vi) Controlador de reprodução da mensagem
Para a implementação deste bloqueio utilizou-se juntamente com o CI 74LS90 um
arranjo lógico genérico GAL16V8 (circuito 5 da figura 4). Nos pinos de entrada da GAL
foram ligados o CLK gerado pelo CI 555 e a saída Q1 do CI 74LS90. O dispositivo foi então
programado de forma que a saída que foi ligada aos contadores 74LS93 receba o próprio sinal
de CLK se Q1 for igual a zero nada (GND) se Q1 for igual a 1. A programação do dispositivo
pode ser vista na figura 6.
De forma a permitir o reinício do sistema, foi incluído no circuito um botão ligado ao
reset de todos os contadores, fazendo com que todas as suas saídas sejam zeradas ao
pressionar do botão, retomando assim a execução da mensagem.
Figura 6 - Programação da GAL16V8
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Resultados
Para todos os arquivos armazenados na memória o desempenho do sistema foi satisfatório,
visto que a mensagem gravada foi reproduzida de forma audível. Tipicamente a corrente
consumida pelo sistema completo foi de 90mA.
Discussão e Conclusão
O projeto implementado mostrou-se bastante eficiente, tendo seu objetivo global
alcançado. Mais do que isto, esta experiência permite a confirmação da viabilidade da
produção comercial de circuitos eletrônicos com aplicações úteis à sociedade utilizando
circuitos integrados não-microprocessados de baixo custo.
Algumas dificuldades foram encontradas no desenvolvimento do projeto. O circuito
descrito até a sub-seção anterior (oscilador-contador-memória) repetiria indefinidamente a
informação armazenada na memória, já que após o último valor de contagem (FFFFh), os
contadores automaticamente iniciariam um novo ciclo a partir do valor 0000h. De forma a
limitar a quantidade de repetições da mensagem, os circuitos de número 5 e 6 (figura 4) foram
implementados, utilizando a seguinte idéia: quando o bit mais significativo do endereçamento
(A15) passa de um para zero - ou seja, o final do endereçamento foi alcançado - um pulso é
enviado a um contador de 4 bits 74LS90 (circuito 6). Os bits de saída deste contador (Q3 a Q0)
comutarão do nível lógico 0 para 1 com uma, duas, quatro e oito finalizações da mensagem
respectivamente. Um circuito para repetição da mensagem por duas vezes pode então, por
exemplo, ser implementado observando o bit Q1, e interrompendo o sinal de clock para os
contadores 74LS93, bloqueando a execução da mensagem. Outra dificuldade encontrada neste
desenvolvimento foi o trabalho com componentes muito sensíveis à eletricidade estática
(como a GAL) que devem ser manuseadas de forma adequada para que não seja danificada no
processo de montagem ou manutenção.
A utilização de dispositivos programáveis no ambiente protoboard foi importante para
que o circuito projetado tenha possibilidade de expansão e adequação a situações diversas.
Em configurações finais do projeto, sua inserção em soquetes soldados à placa mostra-se uma
saída viável para sua reconfiguração.
Além das características já apresentadas, a implementação deste projeto foi de grande
importância para a formação profissional, visto que permitiu aliar conhecimentos técnicos e
demanda social.
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Como futuras evoluções deste projeto, podemos destacar:
i) Estudo da viabilidade da implantação de circuitos descompressores para arquivos de
áudio, aumentando assim a capacidade de armazenamento de som;
ii) Estudo para utilização de uma taxa de amostragem maior, conferindo maior qualidade
ao som;
iii)Filtragem dos ruídos inseridos no sistema pelos processos de conversão;
iv) Estudar a viabilidade de utilização de amplificadores não-simétricos, reduzindo as
necessidades de alimentação do circuito.
Agradecimentos
Os autores agradecem pela colaboração em diversas etapas do projeto a Marcelo Paes
de Mello, Constantino Nicolas Vergos e à Profa. Nair Ferreira dos Santos Feld.
Referências
[1] IDOETA, I. V.; CAPUANO, F. G.; Elementos de eletrônica digital. 32a edição, São
Paulo: Ed. Érica, 2003, 524 p.
[2] TOCCI, R. J.; WIDMER, N. S.; Sistemas digitais: princípios e aplicações. Livros
Técnicos e Científicos Editora. 7ª edição. 1988.
[3]TEXAS INSTRUMENTS. Dispositivos programáveis. Disponível em http://www.ti.com.
Acesso em 20.mai.2003.
[4]NATIONAL
SEMICONDUCTOR.
Circuitos
integrados.
Disponível
em
http://www.national.com. Acesso em 25.mai.2003.
[5]LATTICE SEMICONDUCTOR. Semicondutores. Disponível em http://www.lattice.com
Acesso em 26.mai.2003.
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