ROBOTICS TXT 4.0 Base Set
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Os computadores são indispensáveis em nosso mundo moderno. Eles nos cercam não apenas na forma de PCs, laptops ou tablets: os carregamos como smartphones no bolso, estão em nossos carros, em máquinas de lavar louça e roupa, no controle de aquecimento, em bicicletas elétricas e em máquinas de café. 

A cada ano, eles se tornam mais potentes e, ao mesmo tempo, cada vez menores e mais compactos. Com isso, seus campos de aplicação também aumentam, pois agora podem ser adaptados para cada uso específico e integrados como "sistemas embarcados" (embedded systems). Eles capturam e "medem" seu ambiente com sensores e controlam motores, LEDs ou outros atuadores. Por meio de técnicas modernas de comunicação sem fio, como WLAN ou Bluetooth, podem ser interconectados e trocar dados entre si ou com uma central de controle. 

Mas como funcionam esses sistemas embarcados e seu respectivo "coração", o microprocessador? O que é um microcontrolador e como ele captura e avalia dados de sensores? Como controlar sistemas móveis, por exemplo, robôs ou veículos? Como os sistemas podem se comunicar e trocar dados entre si? 

Nesta unidade de aprendizado, o foco está na compreensão dos microcontroladores e seu uso. São explicados os fundamentos centrais e aprofundados em sua aplicação prática nos exercícios (tarefas). São apresentados diversos importantes campos de aplicação dos microcontroladores: medição, comunicação, codificação e criptografia, controle e regulação, robótica e direção autônoma.

Definição 

Um microcontrolador é um sistema de controle composto por um microprocessador e várias entradas e saídas. Nas entradas são conectados sensores ou memórias, nas saídas atuadores como motores, LEDs ou displays. Microcontroladores possuem uma memória volátil (RAM), que é apagada ao desligar, e geralmente também um EEPROM, onde programas e dados podem ser armazenados permanentemente. Diferentemente de laptops e PCs, não possuem teclado como dispositivo de entrada nem tela como dispositivo de saída; estes devem ser controlados separadamente.  

Representantes conhecidos e difundidos desses microcontroladores são, por exemplo, o Arduino, o BBC micro:bit, o Calliope Mini e o TXT Controller da fischertechnik.

O coração do microcontrolador é um microprocessador. Considerado isoladamente, um microprocessador é um circuito integrado (IC) que carrega comandos e dados de uma memória temporária – chamada Random Access Memory (RAM) – para os registradores do IC, processa-os em uma unidade de cálculo e armazena o resultado novamente na RAM. Um microprocessador é essencialmente composto por transistores – "interruptores" eletrônicos que conhecem exatamente dois estados: "ligado" e "desligado". Com esses transistores, podem ser construídos circuitos lógicos como conexões "E", "OU" e "NÃO". Os resultados são armazenados em um "flip-flop", um interruptor estável de troca (mais detalhes na caixa educacional "Electronics").  

Um cristal de quartzo fornece o ritmo para o microprocessador, ou seja, a velocidade com que o microprocessador executa os comandos e os passos internos de cálculo. Os comandos são indicados em um código de máquina (que varia conforme o tipo de microprocessador) e consistem em um comando (por exemplo, "somar dois valores") e, dependendo do comando, vários parâmetros (por exemplo, os dois valores a serem somados ou os registradores onde os valores estão armazenados).  

O desempenho do microprocessador é determinado pela velocidade do clock, pela largura de dados em bits (que indica o tamanho dos endereços e valores que os comandos do microprocessador podem processar em um passo) e pelo próprio código de máquina: quanto mais complexos os comandos que o IC pode executar, geralmente mais rápida é a processamento de dados. Para acelerar o acesso à RAM, muitos microprocessadores hoje contêm uma memória cache própria, onde armazenam temporariamente comandos e dados durante o processamento.  

Os microprocessadores usados hoje em laptops e PCs podem processar dados de 64 bits (valores, endereços de RAM), contêm vários bilhões de transistores e operam com vários GHz (bilhões de ciclos por segundo). Eles podem dividir o trabalho ("multi-core") e possuem memórias cache de muitos megabytes. Em microcontroladores, geralmente são usados microprocessadores com largura de palavra de 32 bits e frequência de clock abaixo de 1 GHz – o que é mais do que suficiente para as tarefas de um microcontrolador.

Histórico 

Desde a antiguidade, as pessoas experimentam com autômatos – construções que, movidas por ar ou força da água, realizam trabalhos de forma autônoma, executam sequências de movimentos predefinidas sob comando ou até produzem música. No século XV d.C., Leonardo da Vinci (1452-1519) construiu inúmeras máquinas que impressionavam o povo e a nobreza em teatros e cortes principescas. Wolfgang von Kempelen (1734-1804) construiu em 1791 um aparelho funcional de síntese de voz. O primeiro "autômato programável" é considerado o controle por cartões perfurados para teares mecânicos, desenvolvido em 1805 por Joseph-Marie Jacquard (1752–1834). 

O avanço para o desenvolvimento de controles flexíveis só foi possível com o desenvolvimento do computador. Com a invenção do circuito integrado (IC) em 1958/1959 por Jack Kilby (1923-2005) e Robert Noyce (1927-1990) e o desenvolvimento do microprocessador em 1971, inventado e patenteado por engenheiros da empresa Texas Instruments, tornaram-se possíveis controles muito flexíveis, leves, rápidos e sem desgaste, mas sobretudo programáveis. O primeiro microprocessador, o TMS1000, continha 8.000 transistores. Desde então, o número de transistores em um microprocessador dobra aproximadamente a cada 18 meses. Esse desenvolvimento é conhecido como "Lei de Moore", segundo Gordon Moore (*1929), que em 1965 deduziu essa relação a partir da evolução dos ICs nos anos anteriores. Os microprocessadores atuais consistem em vários bilhões de transistores – e são quase do mesmo tamanho que o TMS1000.

A seguir, são explicados alguns conceitos básicos e contextos que são necessários nos kits educacionais correspondentes e aprofundados nas tarefas relacionadas.

 

Como determinar a temperatura com um termistor? 

Um termistor (também chamado de termistor NTC ou resistor NTC) é um resistor cujo valor de resistência varia dependendo da temperatura. Termistores possuem um coeficiente de temperatura negativo (NTC), ou seja, com o aumento da temperatura, o valor da resistência diminui. O gráfico a seguir mostra a curva característica de resistência do termistor fischertechnik.

O termistor fischertechnik tem um valor de resistência de 1,5 kOhm a 25°C. Como pode ser visto no gráfico, a curva característica do termistor não é linear. Mas é possível aproximar o valor da temperatura com razoável precisão por meio de uma curva linear. Para isso, é necessário determinar um segundo valor de medição e calcular a equação da função linear a partir dele. 

O termistor fischertechnik tem um valor de resistência de 1,5 kOhm a 25°C. Como pode ser visto no gráfico, a curva característica do termistor não é linear. Mas é possível aproximar o valor da temperatura com razoável precisão por meio de uma curva linear. Para isso, é necessário determinar um segundo valor de medição e calcular a equação da função linear a partir dele. 

Para um cálculo mais preciso do valor da temperatura T (em Kelvin) a partir do valor da resistência R de um resistor NTC, geralmente é usada a seguinte equação de Steinhart-Hart:

1/T=a+b(lnR)+c(lnR)³

A temperatura em °C é obtida a partir de T subtraindo-se 273,15.

Com dois valores de medição adicionais (além do valor de resistência de 1,5 kOhm a 25°C), podemos montar um sistema de equações com as três incógnitas a, b e c. Esse sistema de equações não precisa ser resolvido por nós mesmos: no site da Stanford Research Systems há uma "Calculadora de Termistor" que calcula para nós, a partir dos três valores de medição, os parâmetros desejados da equação de Steinhart-Hart. 

O que é redundância? 

Na teoria da informação, redundância refere-se a dados que podem ser omitidos sem perda de informação. Um código é redundante quando utiliza mais bits do que o mínimo necessário para representar os diferentes caracteres. Se todos os caracteres do código tiverem o mesmo comprimento, o número de bits adicionais, que na verdade não são necessários para a representação da informação, indica a redundância do código. Por exemplo, se quisermos codificar um simples sinal 1/0, precisamos necessariamente de apenas um bit. No entanto, se codificarmos o sinal com os dígitos "1" e "0" (como caracteres ASCII), nosso código precisará de oito bits. Portanto, a codificação tem uma redundância de sete (bits):

Redundância = log₂ (Número de códigos possíveis / Número de caracteres a codificar)

No nosso exemplo, a redundância é log₂ (2⁸/2) = log₂ (2⁷) = 7. 

Como funciona a criptografia?

A criptografia de dados (também chamada de cifragem) serve para manter o conteúdo de uma mensagem secreto entre o remetente e o destinatário, impedindo efetivamente a leitura não autorizada. Para isso, são usados métodos de criptografia que "modificam" a mensagem de uma forma acordada entre remetente e destinatário. Normalmente, não se mantém o método de criptografia em segredo, mas apenas uma chave conhecida apenas pelo remetente e pelo destinatário (princípio de Kerckhoffs). Geralmente, os caracteres da mensagem são substituídos por outros (substituição) ou trocados entre si (permutação).  

Antigamente, eram usados principalmente cifrões de substituição simples. Um dos métodos mais conhecidos é a chamada "Cifra de César". Nesse método, as letras da mensagem são "deslocadas" no alfabeto por um número fixo de posições (a chave). Por exemplo, com a chave "3", um "A" se torna um "D", um "B" se torna um "E" e assim por diante, até que um "Z" se torne um "C". A decodificação pelo destinatário ocorre exatamente ao contrário. 

Uma cifra de César é fácil de quebrar, pois a distribuição de frequência das letras de uma língua natural não é alterada pela criptografia: em um texto longo, a letra mais frequente é de longe o "E". Se você conhece a letra mais frequente no texto criptografado, sabe quantas posições o alfabeto foi "deslocado" para decifrar o texto interceptado.  

Além disso, existem apenas 25 possibilidades diferentes para deslocar as letras no alfabeto: esse é um número muito pequeno de chaves possíveis. Portanto, pode-se tentar todas as deslocações até que um texto coerente seja obtido na decodificação. 

Muito mais difícil de quebrar é a criptografia publicada por Blaise de Vigenère (1523-1596) em 1586, na qual os caracteres da mensagem não são todos deslocados pelo mesmo número de posições no alfabeto, mas segundo um esquema predefinido. Por exemplo, a chave "1 5 12 4 8 7 11" significa que o primeiro caractere da mensagem é deslocado uma posição, o segundo cinco, o terceiro doze, e assim por diante, até o sétimo ser deslocado onze posições no alfabeto. O oitavo caractere é deslocado novamente uma posição, o nono cinco, etc. O método de criptografia de Vigenère foi considerado inquebrável por quase trezentos anos.

Frequentemente, a chave não é representada por uma sequência de números, mas pelos correspondentes caracteres do alfabeto – no exemplo acima, "AELDHGK". Isso torna a substituição dos caracteres (por meio de uma "adição" das posições no alfabeto) muito mais fácil de programar.