AstroFcil: Sistema Computacional Embarcado para Automatizao de Telescpios de Pequeno Porte

Marcos Roberto Silva, Maicon Carlos Pereira, Caroline Farias Salvador, Rafael Luiz Cancian, Roberto Miguel Torres, Cesar Albenes Zeferino

Centro de Cincias Tecnolgicas da Terra e do Mar (CTTMar) Universidade do Vale do Itaja (Univali)

Rua Uruguai, 458 Caixa Postal 360 88302-202 Itaja SC Brasil silva.marcosr@gmail.com, maicon@univali.br, caroline@univali.br,

cancian@univali.br, torres@univali.br, zeferino@univali.br

Abstract. O uso de telescpios de pequeno porte na observao astronmica amadora muitas vezes restringido pela dificuldade que astrnomos amadores enfrentam para localizar um astro desejado e acompanh-lo no cu. Este artigo apresenta o desenvolvimento de um sistema embarcado a ser utilizado na automao de telescpios de pequeno porte visando facilitar a operao desses equipamentos por amadores. O sistema baseado em um microcontrolador e possui uma interface para o usurio indicar o astro desejado e configurar a observao a ser realizada.

1. Introduo Considerada a mais antiga de todas as cincias, a astronomia j atraia os seres humanos mais primitivos que observavam o cu e tentavam compreender os fenmenos que ocorriam sua volta, como as variaes de luminosidade, de temperatura e de clima, o deslocamento do Sol, os eclipses, as fases da Lua, as passagens de cometas, etc. Com o passar do tempo, esse interesse deu origem a uma cincia natural chamada Astronomia, a qual visa observao dos astros e a criao de teorias sobre seus movimentos, sua constituio, origem e evoluo. A observao dos astros, tambm chamada de observao astronmica, pode ser feita a olho nu, mas a viso humana limitada e restringe muito a capacidade dessa observao. Ento, faz-se necessrio o uso de equipamentos, como, por exemplo, os telescpios pticos, que permitem aproximar corpos celestes observados a longa distncia. Na ltima dcada houve um avano da astronomia observacional por meio do desenvolvimento de telescpios de grande porte, como, por exemplo, os telescpios de oito metros de dimetro [Gemini Observatory, 2006], alm de telescpios virtuais e remotos acessveis via Internet [CARA, 2002][Observatrios Virtuais, 2005] [Werneck, Nader e Campos, 2004]. Nessa direo, verificou-se tambm um aumento do interesse pela observao astronmica amadora, viabilizada por telescpios de pequeno porte e de menor custo, como o telescpio ilustrado na Figura 1, cuja estrutura de sustentao utiliza uma montagem equatorial alem (o tipo de montagem alvo deste trabalho).

Figura 1. Telescpio com montagem equatorial alem

Independentemente do porte do telescpio, a observao de um determinado astro implica em apontar o tubo do equipamento para as coordenadas do astro na esfera celeste que, dependendo de como so especificadas, variam conforme o local, a data e o horrio. Isso ocorre porque o movimento de rotao da Terra causa um deslocamento aparente (de leste para o oeste) do astro na esfera celeste. Assim, tambm durante a observao, esse movimento tira o astro da posio inicial da observao e do foco do telescpio, tornando necessrio que o observador redirecione o telescpio periodicamente a fim de acompanhar o aparente deslocamento do astro. Para iniciantes na observao astronmica, a simples localizao do astro atravs de suas coordenadas dificulta a observao e, muitas vezes, desestimula os usurios amadores, levando-os a aposentar precocemente o equipamento. No entanto, para facilitar essas tarefas, pode-se equipar um telescpio com um computador dedicado que automatize as operaes de localizao e acompanhamento de um astro. Esse tipo de computador dedicado, com a aparncia de um coletor de dados, mais conhecido pelo termo manete (ou hand controller). Os manetes modernos so baseados em microcontroladores e oferecem uma srie de funcionalidades e facilidades aos usurios. No entanto, como no existem manetes fabricados no Brasil com tais funcionalidades, o acesso a esse tipo de equipamento restrito a astrnomos profissionais e aos amadores com maior poder aquisitivo, pois o custo dos manetes importados razoavelmente alto. Nesse contexto, este trabalho resultado de um projeto de pesquisa que visa desenvolver e disponibilizar um conjunto de solues tecnolgicas de baixo custo para facilitar a observao astronmica a um maior nmero de usurios, estimulando a prtica contnua dessa atividade por astrnomos amadores e, em especial, por estudantes. O projeto inclui o desenvolvimento do manete apresentado neste artigo, de um sistema Web para compartilhamento de telescpios via Internet [Zeferino et al., 2005], entre outras solues que iro compor uma sute tecnolgica para auxlio observao astronmica. Todos esses desenvolvimentos contam com uma infra-estrutura bsica de telescpios de pequeno e mdio porte adquirida com apoio da Petrobras.

O projeto do manete, foco deste artigo, teve incio com um trabalho de concluso de curso em Cincia Computao [Silva, 2003], e pode ser continuado em uma parceria universidade-empresa fomentada pelo CNPq (Edital RHAE 14/2004). O manete baseado em um sistema computacional embarcado e capaz de comandar a operao de um telescpio, posicionando-o e guiando-o para acompanhar um astro selecionado, tudo de forma automtica, facilitando o trabalho do observador. O sistema baseado em microcontroladores e utiliza perifricos externos para interao com o usurio, armazenamento de informaes sobre astros e movimentao do telescpio, conforme sero mostrados nas prximas sees. O texto deste artigo estruturado em sete sees, incluindo a Introduo. Na Seo 2 so resumidos alguns sistemas similares. A Seo 3 apresenta a funcionalidade do sistema desenvolvido, enquanto que a quarta seo descreve as arquiteturas de hardware e de software do sistema. A Seo 5 apresenta informaes tcnicas sobre a implementao e a validao fsica do sistema e a Seo 6 apresenta uma discusso a respeito do impacto deste trabalho. A Seo 7 conclui com as consideraes finais.

2. Sistemas Similares Um manete moderno um dispositivo baseado em computao embarcada e possui um teclado para a entrada de dados e um display para apresentao de informaes ao usurio. Internamente, inclui um ou mais microcontroladores e unidades de memria no voltil para armazenamento de dados, entre outros componentes eletrnicos. O manete conectado estrutura que sustenta o telescpio (denominada montagem) atravs de um cabo de comunicao pelo qual so enviados sinais a um circuito de controle que aciona os motores que movimentam o tubo do telescpio. Alguns modelos mais recentes utilizam conexo sem fio entre o manete e a montagem. A Figura 2 apresenta imagens de dois exemplos de manetes, sendo o primeiro da Meade Instruments Corporation (2006) e segundo da Sky-Watcher (2006).

Figura 2. Exemplos de manetes: Autostar da Meade e SkyScan da Sky-Watcher Fonte: Meade Instruments Corporation (2006) e Sky-Watcher (2006)

Conforme pode ser observado nos modelos ilustrados na Figura 2, a interface do teclado de um manete possui quatro conjuntos bsicos de teclas. O primeiro inclui uma tecla para confirmao dos dados de entrada e outras duas teclas cujas funcionalidades dependem do modelo. O segundo conjunto consiste de quatro teclas de sentido para movimentao do tubo ptico. J o teclado numrico (ou alfa-numrico) usado para diferentes funes: escolher a velocidade de movimentao do tubo, selecionar a velocidade do motor de focagem (se instalado), entrar com a identificao de um astro, etc... O quarto conjunto de teclas inclui duas teclas para navegao nos menus mostrados no display (orientado a caractere) e, no caso do modelo da Meade, uma tecla para acesso a informaes sobre o astro selecionado: . No modelo da Sky-Watch, as teclas numricas so multifuncionais, servindo de atalho para algumas funes.

Um dos manetes mais utilizados o modelo #497 Autostar da Meade Instruments Corporation (2006). Ele disponibiliza vrias funes ao observador, como: alinhamento automtico do tubo, localizao do astro na esfera celeste (capacidade GO TO), acompanhamento do seu deslocamento, entre outros. Contudo, o seu preo no Brasil de cerca de R$ 690,00 [OMNIS LUX, 2006] e seu uso acaba se restringindo aos astrnomos profissionais e aos astrnomos amadores com maior poder aquisitivo.

Existem manetes com menor custo, porm com funcionalidade limitada (ex. sem as capacidades de localizao ou de acompanhamento automticos), ou com interface de entrada mais restrita. Por exemplo, alguns deles oferecem apenas comandos para guiar o telescpio manualmente, por meio do acionamento dos motores da montagem com diferentes velocidades e com a possibilidade de interromper a movimentao quando o objeto-alvo apontado. Isso auxilia no deslocamento do tubo e oferece um apontamento mais preciso, se comparado com a operao totalmente manual, mas a localizao correta e o acompanhamento do objeto-alvo so feitos pelo observador e no pelo manete.

3. Funcionalidades do Sistema Embarcado para Controle de Telescpios O manete desenvolvido denominado AstroFcil e tem a finalidade de realizar algumas funes de um manete para controlar telescpios com montagem do tipo equatorial (Boczko, 1984). Essas funes compreendem:

armazenar informaes de corpos celestes; posicionar o telescpio atravs da insero do cdigo de um astro, de suas

coordenadas ou de seu nome; acompanhar o astro selecionado atravs de seu movimento aparente; guiar o telescpio livremente; e desativar o telescpio, posicionando-o no ponto inicial.

Essas funcionalidades so implementadas na forma de tarefas de software executadas por um microcontrolador embutido no manete (mestre) e um microcontrolador de um circuito de controle auxiliar, acoplado na montagem (escravo). Alm do microcontrolador mestre o computador do manete inclui um conjunto de perifricos externos ao microcontrolador. Um teclado oferece uma interface de entrada similar quela dos modelos de manete ilustrados na Figura 2. Um display de cristal

lquido (LCD Liquid Cristal Display) serve de interface de sada. Um dispositivo de relgio de tempo real usado para manter a data e o horrio do sistema, necessrios localizao dos astros. Chips de memria no-voltil mantm a base de dados do sistema com informaes sobre diversos astros, incluindo, para cada um deles, o cdigo do astro, as suas coordenadas (ascenso reta e declinao) e o ano da obteno dessas coordenadas, a fim de que elas possam ser precessionadas (ou seja, atualizadas para a data corrente da observao). A base de dados tambm armazena as coordenadas geogrficas (latitude e longitude) de locais de observao. Uma interface serial permite a conexo do manete a um microcomputador de uso geral, permitindo a atualizao automtica das bases de dados. Na operao normal do sistema, o microcontrolador mestre obtm a data e o horrio do sistema (do relgio de tempo real) e as coordenadas geogrficas da cidade onde est instalado o telescpio (mantidas na memria no-voltil). Aps, a partir da identificao do astro, ele determina as coordenadas astronmicas atualizadas efetuando os clculos definidos por Meeus (1998). Por fim, ele envia essas coordenadas para o microcontrolador escravo atravs de uma interface de comunicao serial para que ele acione os motores de posicionamento do telescpio. Para a realizao de algumas funes o usurio pode selecionar a cidade (de uma lista de cidades pr-armazenadas) ou informar a latitude e a longitude do local da observao. Alm de posicionar o telescpio para observao de um astro (atravs de seu cdigo ou das suas coordenadas), o sistema oferece ao usurio a opo de acompanhar o astro por um longo perodo de tempo, seguindo o movimento de rotao Terra.

4. Desenvolvimento O projeto do AstroFcil foi realizado utilizando a metodologia de desenvolvimento apresentada por Wayne Wolf (2001), a qual composta por cinco etapas, sendo elas: anlise dos requisitos, especificao, projeto arquitetural, projeto dos componentes e integrao do sistema. Essas etapas foram realizadas em uma abordagem top-down, iniciando com a definio dos requisitos do sistema e terminando com detalhes concretos do mesmo.

4.1 Arquitetura do Hardware A arquitetura de hardware do sistema representada na estrutura em camadas ilustrada na Figura 3. No manete, o microcontrolador mestre conta com um conjunto de perifricos externos, como um teclado, um LCD (Liquid Cristal Display), um RTC (relgio de tempo real) e chips de memria no voltil do tipo EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory). A quantidade de chips de memria escalvel, sendo que o sistema permite por a incluso de at sete dispositivos, conforme a necessidade. Quanto maior o nmero de chips, maior a capacidade da base de dados para registro de coordenadas e outras informaes sobre astros. A comunicao entre os dois microcontroladores feita usando a interface serial, pela qual o mestre envia ao escravo comandos para o acionamento dos motores-de-passo que movimentam o tubo do telescpio. O microcontrolador escravo atua sobre os motores, utilizando sensores para o controle de posio em malha fechada.

Software

USART Microcontrolador Mestre

Teclado LCD EEPROM RTC

Software

USART

Microcontrolador Escravo

Motores de passo

Manete Circuito de Controle Auxiliar

Figura 3. Arquitetura de hardware do AstroFcil

O modelo de dispositivo escolhido para implementar microcontrolador mestre foi o PIC18F452 da Microchip (2002). A escolha por um microcontrolador PIC se justifica pela disponibilidade de ferramentas de desenvolvimento (montador, compilador, simulador e kits de prototipao) e tambm pela cultura j estabelecida no uso dessa arquitetura no laboratrio de pesquisa deste projeto e no prprio mercado nacional. J escolha do PIC18F452 para o primeiro prottipo justificada pela capacidade da suas memrias integradas e pelas caractersticas do seu conjunto de instrues, alm da freqncia de operao. Para o microcontrolador escravo, utilizou-se o PIC16F628, tambm da Microchip (2003). Esse microcontrolador se justifica pelo seu baixo custo e pequena quantidade de pinos. Com relao aos perifricos externos utilizados, a Tabela 1 apresenta suas caractersticas e funcionalidades no projeto AstroFcil.

Tabela 1. Caractersticas e funcionalidades dos perifricos usados no AstroFcil

Perifrico Modelo/Caracterstica Funcionalidade Teclado 14 teclas Interface de entrada do usurio LCD 4 linhas 16 colunas

padro HD 44780 Interface de sada visual para o usurio

Motores-de-Passo 2 motores com 1.8 por passo Movimentar o telescpio Memria EEPROM 1 a 7 chips 24LC256 de 32 KBytes

com interface I2C (mx. 256 KBytes) Armazenar informaes dos astros e coordenadas geogrficas

Relgio de tempo-real PCF8563 Armazenar e atualizar a data/hora

O hardware do AstroFcil foi modelado no ambiente de simulao Proteus/Isis da Labcenter Electronics (2000a, 2000b). Esse modelo foi utilizado, na primeira fase do projeto, para suportar a validao do software durante o seu desenvolvimento. A Figura 4, a seguir, apresenta o diagrama esquemtico do sistema, composto pelo manete (circuito em destaque) e pelo circuito de controle auxiliar para acionamento dos motores.

Figura 4. Diagrama esquemtico do modelo do sistema embarcado

4.2 Arquitetura de Software O software do AstroFcil foi modelado usando DFDs (Diagramas de Fluxo de Dados). A Figura 5 apresenta o diagrama de contexto do manete, no qual so identificados entidades utilizadas na construo do sistema e os fluxos de dados entre o processo de nvel 0 e essas entidades.

InfControle

InfAtualizacao

inf_DataHorainfEstrela

Mensagem

InfTecla0

Astrofacil (Manete)

+

RS 232 PC

RS 232 Circuito de Controle Auxiliar

Teclado

LCD

EEprom Externa

RTC

Figura 5. Diagrama de contexto do software do AstroFcil

A Figura 6 apresenta o DFD de nvel 0 do sistema, obtido a partir da exploso do diagrama de contexto mostrado na Figura 5. So ilustrados os principais processos, fluxos de dados e depsitos de dados. A funcionalidade de cada processo resumida na Tabela 2, logo a seguir.

Figura 6. Diagrama de Fluxo de Dados de nvel 0

Tabela 2. Detalhamento dos processos do DFD de nvel 0 Processo Descrio 1. Verificar

Comando Aguarda o comando informado pelo usurio e invoca o processo responsvel pro executa-lo

2. Obter Dados Obtm do usurio as informaes relativas ao local da obsrvao, data, hora, cdigo do astro e/ou coordenadas do astro

3. Calcular Posio do Astro

Calcula a posio do astro para a observao

4. Manipular estrelas

Armazena e Busca informaes dos astros na EEPROM

5. Calcular Precesso

Atualiza as coordenadas do astro na data atual

5. Implementao e Validao Fsica O software do sistema foi codificado em linguagem C, utilizando-se o compilador C para PIC da CCS (2003). O cdigo do microcontrolador mestre consome cerca de 88% da memria de programa do PIC18F452. J o cdigo do microcontrolador escravo consome cerca de 95% da sua memria de programa.

Para a primeira validao fsica, o sistema foi montado em protoboard, conforme ilustra a Figura 7. A montagem inclui os circuitos do manete ( direita, em destaque) e do acionamento do telescpio ( esquerda). Essa prototipao permitiu confirmar a correo da integrao do sistema e bem como da execuo de cada uma de suas funcionalidades, ressaltando-se que o foco desse processo foi na validao do software e da montagem do circuito eletrnico.

Figura 7. Prototipao do sistema em bancada de testes

A validao da correo dos clculos astronmicos executadas pelo microcontrolador foi realizada com o suporte do software Sky Map Pro 9, desenvolvido por Marriott (2002). A Figura 8.a apresenta a imagem do primeiro prottipo do manete integrado em uma caixa do tipo coletor de dados. Como pode ser observado, o LCD de quatro linhas permite a visualizao facilitada de informaes, pois menos restrito que os LCDs de duas linhas tipicamente adotados nos manetes importados. O teclado do tipo matriz e algumas de suas teclas permitem a entrada de nmeros e de caracteres do alfabeto (para a entrada do nome de um astro), da mesma forma que em um teclado de telefone. Quatro teclas servem tambm para indicao de direo. Uma caracterstica importante do manete AstroFcil que os menus so disponibilizados em portugus, o que torna a sua operao ainda mais facilitada a astrnomos amadores sem o domnio do ingls, idioma tipicamente adotado nos manetes importados.

MANETE

Figura 8. AstroFcil: (a) Prottipo do manete; (b) telescpio Orion EQ3 com montagem equatorial a ser utilizado nos testes de campo

O prottipo do manete mostrado na Figura 8.a e o circuito de controle auxiliar j foram integrados ao telescpio para os primeiros testes de operao. Ainda no foram realizados os experimentos necessrios validao completa do sistema, o que ser feito na prxima etapa do projeto.

6. Anlise Comparativa O manete AstroFcil apresenta funcionalidades similares s dos modelos comerciais importados disponveis no mercado, conforme o quadro comparativo da Tabela 3. Alm disso, ele foi projetado para ser utilizado com telescpios de baixo custo para os quais esse tipo de manete no usualmente disponibilizado. Por exemplo, o Meade #497 Autostar direcionado a telescpios de nvel intermedirio com preo mdio acima de R$ 4.000,00. Por exemplo, o preo do telescpio ETX-90PE da Meade, incluindo a montagem e o Autostar, igual a R$ 4.600,00, sendo este o modelo automatizado de menor custo em um distribuidor nacional [Omnis Lux, 2006]. Uma vantagem evidente do AstroFcil em relao aos modelos importados est na flexibilidade e na possibilidade de expanso da sua funcionalidade e da sua capacidade. Com o conhecimento estabelecido a respeito da tecnologia e da rea de aplicao, possvel desenvolver novas solues que atendam a necessidades ainda no identificadas neste projeto.

Tabela 3. Comparativo de caractersticas: Autostar x AstroFcil

Caractersticas Meade #497 Autostar AstroFcil Preo R$ 690,00(1) R$ 350,00(2)

Idioma dos menus Ingls Portugus Localizao automtica do objeto alvo SIM SIM Acompanhamento automtico SIM SIM Display orientado a caracteres 216 416 Microcontroladores Atmel 89C451

PIC 16C57 PIC18F452 PIC16F628

(1) Preo no Brasil [Omnis Lux, 2006].

(2) Preo mximo estimado para comercializao, incluindo o manete, o circuito de controle auxiliar, motores, cabos e manuais.

Com relao ao impacto regional deste projeto, devem ser destacados dois aspectos. Primeiramente, o trabalho est sendo desenvolvido em uma parceria entre uma universidade e uma empresa sediados na mesma cidade, o que fortalece o desenvolvimento da sua regio. Em segundo lugar, a experincia na execuo deste projeto, envolvendo alunos de graduao, tem propiciado a capacitao de recursos humanos qualificados na rea de concepo de sistemas embarcados. Recursos este que podero ingressar no mercado de trabalho regional com um diferencial em sua formao acadmica.

7. Consideraes Finais Este artigo apresentou o desenvolvimento de um sistema computacional embarcado, baseado em microcontrolador, para operao automtica de telescpios de pequeno porte, visando, principalmente, facilitar a observao astronmica por astrnomos amadores. Foi apresentada a descrio da arquitetura de hardware e de software do sistema e informaes sobre a implementao do seu prottipo. Entre os trabalhos futuros, prev-se a integrao do manete com um sistema para acesso remoto ao telescpio via WWW, j desenvolvido em um trabalho de concluso de graduao. Essa soluo permitir, por exemplo, que uma escola disponibilize um observatrio de pequeno porte e de baixo custo a seus alunos para que eles possam realizar observaes astronmica de suas prprias residncias, ampliando, ainda mais, o acesso a esse tipo de infra-estrutura.

Agradecimentos Este trabalho foi apoiado pelo CNPq Edital 14/2004 (Fomento Tecnolgico) e conta com infra-estrutura prvia fomentada pela Petrobrs.

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