🎛️ 05 Microprocessadores

1. Visão Geral da Disciplina

A disciplina de Microprocessadores e Sistemas Embarcados constitui a ponte definitiva de convergência entre a arquitetura computacional, a eletrônica digital de circuitos integrados e a engenharia de software aplicada ao controle de processos industriais em tempo real. Seu escopo estende-se desde os modelos estruturais de fluxo de dados de Von Neumann e Harvard até o desenvolvimento de firmware em nível de registrador e linguagem C de alto desempenho, abrangendo temporização de hardware, amostragem de dados analógicos por aproximações sucessivas, comunicação serial por barramentos síncronos e assíncronos e o projeto de circuitos condicionadores para acionamento de potência com isolamento galvânico.

2. Mapa Estruturado das Aulas (Gold Standard)

A matriz programática desta disciplina foi integralmente padronizada no padrão de excelência acadêmica, contendo modelagem físico-matemática exaustiva, equacionamento rigoroso em KaTeX, esquemáticos e curvas em vetores SVG padronizados na paleta Catppuccin Mocha e banco de questões comentadas de concursos públicos federais e ENADE:

🕹️ Simulador Dinâmico Interativo: Amostragem de Nyquist-Shannon, Efeito Aliasing e Quantização ADC ( $N$ bits)

Experimente na prática o funcionamento do conversor ADC variando a frequência de amostragem $f_s$, a frequência do sinal analógico $f_m$ e a resolução de $2$ a $12\text{ bits}$, visualizando a escada Sample & Hold, o ruído de quantização $e_q(t)$ e a reconstrução fantasma por Aliasing: 👉 ▶️ Clique para Abrir o Simulador em Tela Cheia no Navegador (Arquivo no cofre: [[simulador_fourier_thd_amostragem_nyquist_adc.html]])

3. Prontuário de Fórmulas e Relações Canônicas

3.1 Ciclos Temporais e Capacidade de Processamento

• Período do Ciclo de Máquina: $T_{cy}=4\cdot T_{osc}=\frac{4}{F_{osc}}$
• Capacidade Nominal de Processamento (Throughput): $\text{Throughput (MIPS)}=\frac{F_{osc}\text{ [MHz]}}{4}$

3.2 Temporizadores e Contadores

• Tempo de Estouro do Timer0 (8 Bits): $T_{\text{estouro}}=\frac{4}{F_{osc}}\cdot \text{Prescaler}\cdot (256-TMR{0}_{\text{inicial}})$
• Valor Inicial para Carga no Timer0: $TMR{0}_{\text{inicial}}=256-\frac{T_{\text{estouro}}\cdot F_{osc}}{4\cdot \text{Prescaler}}$
• Tempo de Estouro do Timer1 (16 Bits): $T_{\text{estouro}}=\frac{4}{F_{osc}}\cdot {\text{Prescaler}}_{TMR1}\cdot (65.536-TMR{1}_{\text{inicial}})$

3.3 Modulação por Largura de Pulso (PWM)

• Período e Frequência do PWM (com Timer2 e PR2): $T_{PWM}=[(PR2)+1]\cdot 4\cdot T_{osc}\cdot {\text{Prescaler}}_{TMR2}⟹f_{PWM}=\frac{F_{osc}}{4\cdot (PR2+1)\cdot {\text{Prescaler}}_{TMR2}}$
• Largura de Pulso em Nível Alto ($T_{ON}$): $T_{ON}=(CCPRxL:CCPxCON⟨5:4⟩)\cdot T_{osc}\cdot {\text{Prescaler}}_{TMR2}$
• Razão Cíclica (Duty Cycle Percentual): $D{C}_{\%}=\frac{CCPRxL:CCPxCON⟨5:4⟩}{4\cdot (PR2+1)}\cdot 100\%$
• Resolução Máxima em Bits do PWM: $\text{Resoluc¸a˜o (bits)}=\frac{{\log }_{10}\left(\frac{F_{osc}}{f_{PWM}\cdot {\text{Prescaler}}_{TMR2}}\right)}{{\log }_{10}(2)}$

3.4 Conversão Analógico-Digital (ADC)

• Resolução de Quantização (Quantum): $Q=V_{\text{LSB}}=\frac{V_{\text{ref}+}-V_{\text{ref}-}}{2^N-1}\approx \frac{\Delta V_{\text{ref}}}{1.023}(N=10\text{ bits})$
• Palavra Digital de Saída do ADC: $N_{\text{ADC}}=\text{int}\left[\frac{(V_{\text{in}}-V_{\text{ref}-})\cdot 1.023}{V_{\text{ref}+}-V_{\text{ref}-}}\right]$
• Janela Normativa de Clock ADC: $1,6\mu \text{s}\le T_{AD}\le 6,0\mu \text{s}$

3.5 Comunicação Serial UART

• Geração de Baud Rate (com BRGH = 1): $\text{Baud}=\frac{F_{osc}}{16\cdot (SPBRG+1)}⟹SPBRG=\text{round}\left(\frac{F_{osc}}{16\cdot \text{Baud}}\right)-1$
• Erro Percentual de Transmissão: ${\text{Erro}}_{\%}=\left|\frac{{\text{Baud}}_{\text{real}}-{\text{Baud}}_{\text{nominal}}}{{\text{Baud}}_{\text{nominal}}}\right|\cdot 100\%\le 2,5\%$

3.6 Dimensionamento de Driver de Carga Indutiva

• Corrente de Coletor em Saturação: $I_{C,\text{sat}}=\frac{V_{CC}-V_{CE,\text{sat}}}{R_{\text{bobina}}}$
• Resistor de Base para Saturação Garantida: $R_B\le \frac{V_{OH}-V_{BE,\text{sat}}}{\frac{I_{C,\text{sat}}}{{\beta }_{\text{sat}}}}(\text{com }{\beta }_{\text{sat}}\approx 10\text{ a }20)$

4. Integração Multidisciplinar e Conexões no Vault

A disciplina de Microprocessadores conecta-se diretamente com:

• 02 Eletrônica Digital: A base lógica de contadores, registradores de deslocamento, memórias e circuitos aritméticos (ULA) constitui os blocos internos de silício da CPU.
• 01 Eletrônica Analógica: O condicionamento de sinal com Amp-Ops e filtros anti-aliasing Sallen-Key é indispensável antes da entrada nos pinos do conversor ADC.
• 06 Projetos e Códigos Arduino: Aplicação prática com o microcontrolador AVR ATmega328P, onde registradores como DDRx, PORTx, TCCR1A/B e ADMUX operam sob os conceitos de temporização e barramentos estudados nesta disciplina.
• 09 Sistemas de Proteção e Medição: Os relés digitais IED utilizam núcleos de processamento digital de sinal (DSP/ARM) para amostragem fasorial com conversores ADC e temporização por interrupção.

5. Referências Bibliográficas Normativas

1. PEREIRA, Fábio. Microcontroladores PIC: Programação em C. 7ª ed. São Paulo: Érica, 2011.
2. MAZIDI, Muhammad Ali; MCKINLAY, Rolin D.; CAUSEY, Danny. PIC Microcontroller and Embedded Systems: Using Assembly and C for PIC18. Pearson, 2008.
3. STALLINGS, William. Arquitetura e Organização de Computadores. 10ª ed. São Paulo: Pearson, 2017.
4. VALVANO, Jonathan W. Embedded Systems: Introduction to ARM Cortex-M Microcontrollers. 5th ed. Austin: CreateSpace, 2017.
5. MICROCHIP TECHNOLOGY. PIC16F87XA Data Sheet: 28/40-Pin 8-Bit CMOS FLASH Microcontrollers. Document DS39582C, 2003.