Conversando em Bits: Protocolos de Sistemas Embarcados para Compartilhamento de Dados

A comunicação é algo que praticamos desde o início da vida, e mesmo assim, pode ser desafiador fazê-la de forma eficaz, até para os comunicadores mais experientes. Ao longo dos anos, os seres humanos desenvolveram diversas maneiras de se comunicar — verbal, escrita, por imagens, por gestos, entre outras. Cada modo depende de regras de sintaxe e semântica para transmitir significado do emissor ao receptor. Alguns modos são mais eficientes, mas o objetivo permanece o mesmo: levar a informação do ponto A ao ponto B.

Nesse sentido, os dispositivos digitais modernos não são diferentes dos seres humanos. Eles tendem a ser bastante “conversadores” e também se comunicam de diversas formas. Um exemplo é um microcontrolador consultando vários sensores ou enviando pacotes para transmissão via rádio. Esses dois componentes trocam dados por meio de protocolos digitais de comunicação bem definidos. No mundo dos sistemas embarcados, existem vários protocolos à disposição do engenheiro para essa finalidade.

Este artigo examina os protocolos de comunicação mais comuns usados em sistemas embarcados. Aprenda as particularidades de cada protocolo e entenda a estrutura geral dos protocolos de comunicação embarcados como um todo.

Como Definimos Protocolos de Comunicação Digital?

Primeiro, vamos revisar o que são protocolos de comunicação digital. Em poucas palavras, um protocolo de comunicação digital é um conjunto de regras que define como os componentes eletrônicos podem se conectar para trocar dados. Esses protocolos determinam diversos aspectos do comportamento de um sinal elétrico com o objetivo de transmitir uns e zeros de forma que tanto o emissor quanto o receptor consigam se comunicar de maneira confiável.

Algumas das características essenciais de qualquer protocolo incluem:

• Taxa de Dados: Refere-se à velocidade com que as informações podem ser transmitidas, geralmente medida em bits por segundo (bps) ou megabits por segundo (Mbps). Taxas mais altas permitem comunicações mais rápidas, mas podem exigir maior integridade de sinal e mais consumo de energia.
• Codificação de Dados: Os protocolos definem como os bits são organizados em estruturas de dados significativas, como:
  • Bytes (ex.: 8 bits)
  • Palavras (ex.: 16 bits, 32 bits)
  • Quadros (ex.: em UART, SPI)
  • Pacotes (ex.: em protocolos de rede como TCP/IP ou CAN)
• Codificação de linha: Métodos de codificação de linha referem-se a como os bits digitais (uns e zeros) são representados como variações de tensão em um fio físico. As opções incluem:
  • Non-Return-to-Zero (NRZ): O sinal permanece alto ou baixo durante todo o período do bit. Esse método é eficiente e direto, mas longas sequências de bits idênticos podem causar problemas de sincronização.
  • Return-to-Zero (RZ): O sinal retorna a zero na metade de cada período de bit. Esse método facilita a recuperação do clock, mas consome mais largura de banda.
• Modos de Transmissão: Modos de transmissão definem a direcionalidade do fluxo de dados entre dispositivos. Os tipos de fluxo de dados incluem:
  • Simplex: O dado flui apenas em uma direção (ex.: televisão aberta).
  • Half-Duplex: O dado flui nos dois sentidos, mas apenas um de cada vez (ex.: walkie-talkies).
  • Full-Duplex: O dado flui em ambas as direções simultaneamente (ex.: chamadas telefônicas, UART com linhas separadas de TX/RX).
• Comunicação síncrona vs. assíncrona: Essa distinção diferencia a comunicação contínua e em tempo real da comunicação não simultânea.
  • Síncrona: O transmissor e o receptor compartilham um mesmo clock. O sincronismo é rigoroso, mas permite uma comunicação mais rápida e previsível (ex.: SPI, I²C).
  • Assíncrona: O transmissor e o receptor operam de forma independente, utilizando bits de início/parada para enquadrar cada byte. Isso exige uma taxa de transmissão (baud rate) previamente acordada (ex.: UART).
• Detecção e correção de erros: Esse recurso garante a integridade dos dados, especialmente em conexões ruidosas ou pouco confiáveis. Os protocolos de comunicação digital utilizam os seguintes métodos de detecção e correção de erros:
  • Bits de paridade: Adicionam um bit para indicar se o número de uns é par ou ímpar.
  • Checksums: Soma de todos os bytes de dados; o receptor compara com o valor esperado.
  • CRC (Cyclic Redundancy Check): Um método mais robusto de detecção de erros, usado em protocolos como USB, CAN e Ethernet.
• Transmissão serial vs. paralela: Esses tipos de transmissão definem o número de bits e canais envolvidos no envio de um sinal em um dado instante.
  • Comunicação serial: Envia um bit por vez através de um fio. É mais lenta que a paralela, mas requer menos conexões, sendo ideal para microcontroladores (ex.: UART, SPI, I²C).
  • Comunicação paralela: Envia múltiplos bits de uma só vez por vários fios. É mais rápida, mas exige muitas linhas de pinos, sendo utilizada em barramentos de RAM e de displays.
• Endianness: Define a ordem dos bytes em dados de múltiplos bytes. Os tipos incluem:
  • Big Endian: O byte mais significativo é transmitido primeiro.
  • Little Endian: O byte menos significativo é transmitido primeiro.
  • Protocolos como Modbus e I²S definem explicitamente o endianness. Outros (como UART ou SPI) não o fazem, exigindo que os desenvolvedores coordenem os dois lados.

• Número de pinos necessários: Diferentes protocolos exigem diferentes quantidades de conexões físicas:
  • UART: 2 pinos (TX, RX)
  • I²C: 2 pinos (SDA, SCL)
  • SPI: 4 pinos (MOSI, MISO, SCK, SS) + linhas adicionais de seleção (CS) para cada chip
  • I²S: 3 a 4 pinos (WS, BCLK, SD, opcional MCLK)
  • CAN: 2 pinos (CAN_H, CAN_L)
  • Um número reduzido de pinos é importante em sistemas embarcados com poucos GPIOs disponíveis. Além disso, mesmo que nem sempre seja explicitado, conexões de alimentação e terra entre dispositivos também são necessárias.
• Número máximo de dispositivos suportados: Cada protocolo possui diferentes capacidades em relação ao número máximo de dispositivos:
  • UART: Apenas dois dispositivos (1:1)
  • I²C: Múltiplos dispositivos (até 128 com endereçamento de 7 bits)
  • SPI: Múltiplos dispositivos, limitado pelo número de linhas de seleção.
  • CAN: Dezenas a centenas, dependendo do tamanho e da topologia da rede
• Endereçamento: Os protocolos utilizam endereçamento para especificar qual dispositivo está transmitindo ou recebendo:
  • I²C: Cada dispositivo possui um endereço único de 7 ou 10 bits
  • CAN: As mensagens são rotuladas com IDs, e os dispositivos decidem se devem agir com base nesse identificador
  • UART e SPI: Não utilizam endereçamento de forma inerente. No SPI, o mestre seleciona manualmente qual dispositivo comunicar por meio de uma linha CS.

Protocolos Digitais Populares em Sistemas Embarcados

Nas últimas décadas, diversos protocolos foram desenvolvidos para permitir a transferência de dados entre os inúmeros componentes que compõem os sistemas embarcados modernos. Diferentes casos de uso levaram ao surgimento de protocolos otimizados para diversas necessidades, como a movimentação de grandes volumes de dados de forma rápida ou a redução da complexidade e do overhead em sistemas extremamente limitados em memória ou velocidade de clock.

A seguir está um detalhamento dos protocolos mais amplamente utilizados no desenvolvimento embarcado, incluindo suas características, vantagens, desvantagens e aplicações típicas. Para uma visão geral rápida das funcionalidades desses protocolos, consulte a Tabela 1.

• Transmissor-Receptor Assíncrono Universal (UART)
  • Pinos: TX (Transmitir), RX (Receber)
  • Modo: Assíncrono (sem linha de clock)
  • Velocidade: Comum entre 9600bps e 115200bps, mas pode chegar a vários Mbps dependendo do hardware
  • Casos de Uso: Monitores seriais, módulos GPS, Bluetooth®, depuração
  • Vantagens: Simples, amplamente suportado, baixo número de pinos
  • Desvantagens: Suporta apenas comunicação 1:1, sem endereçamento inerente
  • Pronúncia: You-Art
• Circuito Inter-Integrado (I²C)
  • Pinos: SDA (Dados), SCL (Clock)
  • Modo: Síncrono
  • Velocidade: Standard (100kHz), Fast (400kHz), Fast+ (1MHz), High-Speed (3,4MHz)
  • Casos de Uso: Sensores, EEPROMs, RTCs, displays (OLED, LCD), matrizes com múltiplos sensores
  • Vantagens: Suporta múltiplos dispositivos (até 128 com endereçamento de 7 bits), usa apenas dois fios
  • Desvantagens: Mais lento que SPI, software mais complexo, comprimento de cabo limitado devido à sensibilidade a ruídos
  • Pronúncia: Eye-Squared-See
• Interface Serial Periférica (SPI)
  • Pinos: MOSI, MISO, SCK, CS (um por dispositivo/chip)
  • Modo: Síncrono
  • Velocidade: Até dezenas de Mbps (comum entre 1 e 50 Mbps)
  • Casos de Uso: Cartões SD, displays (TFT, OLED), sensores de alta velocidade, DACs, ADCs
  • Vantagens: Muito rápida, full-duplex, protocolo simples
  • Desvantagens: Requer mais pinos (especialmente com múltiplos chips), sem endereçamento embutido
    Pronúncia: Spy
• 1-Wire
  • Pinos: Uma linha de dados (mais terra)
  • Modo: Síncrono (com sinalização baseada em temporização)
  • Velocidade: ~16 kbps (padrão), ~142 kbps (modo overdrive)
  • Casos de Uso: Sensores de temperatura (ex.: DS18B20), iButtons, chips digitais simples de ID e autenticação
  • Vantagens: Contagem de pinos extremamente baixa, dispositivos podem ser alimentados pela linha de dados (alimentação parasita)
  • Desvantagens: Mais lento que I²C/SPI, mais crítico quanto à temporização, alcance e número de dispositivos limitados
  • Pronúncia: One-Wire
• Controller Area Network (CAN)
  • Pinos: CAN_H, CAN_L (par diferencial)
  • Modo: Síncrono (barramento multi-mestre)
  • Velocidade: Até 1 Mbps (CAN 2.0), 5+ Mbps (CAN FD)
  • Casos de Uso: Unidades de controle eletrônico automotivas (ECUs), robótica, automação industrial e veículos aéreos não tripulados (UAVs)
  • Vantagens: Confiável, resistente a ruídos, suporta múltiplos nós, possui arbitragem e priorização embutidas
  • Desvantagens: Requer transceptor; implementação mais complexa
  • Pronúncia: Can
• RS-485
  • Pinos: A, B (par diferencial), linha opcional de controle de direção
  • Modo: Half-duplex (comum), serial multi-ponto
  • Velocidade: Até 10 Mbps em curtas distâncias, menor em longos percursos
  • Casos de Uso: Automação industrial, comunicação serial de longa distância, Modbus
  • Vantagens: Longo alcance (até 1200 metros), robusto contra ruídos, suporte a múltiplos dispositivos
  • Desvantagens: Requer transceptor externo e lógica de driver para controle de direção
  • Pronúncia: RS-485
• Inter-IC Sound (I²S)
  • Pinos: Word select (WS), bit clock (BCLK), dados seriais (SD) e master clock opcional (MCLK)
  • Modo: Síncrono, dados de áudio serial
  • Velocidade: Depende da taxa de amostragem e profundidade de bits (comum: 44,1kHz – 192kHz a 16–32 bits)
  • Casos de Uso: Streaming de áudio para/desde DACs e ADCs, microfones MEMS, reprodução ou processamento de áudio
  • Vantagens: Otimizado para áudio digital, suporta dados estéreo e multicanal
  • Desvantagens: Suporta apenas dados de áudio; não disponível em todos os MCUs
  • Pronúncia: Ai-Squared-Es

Tabela 1: Guia rápido para os diversos protocolos de comunicação digital.

Conclusão

Os protocolos de comunicação digital são a linguagem invisível, porém essencial, que permite o funcionamento dos sistemas embarcados. Desde links seriais simples, como o UART, até redes industriais robustas, como o CAN, cada protocolo apresenta vantagens específicas, compensações e casos de uso ideais. Para construir sistemas eficientes e confiáveis, é fundamental compreender como e por que esses protocolos funcionam, desde o sinal físico e as estruturas de dados até conceitos como endianness, correção de erros e modos de transmissão. À medida que os dispositivos embarcados se tornam mais poderosos e interconectados, dominar esses fundamentos de comunicação fornece aos engenheiros as ferramentas para projetar hardware mais inteligente, rápido e capaz de realmente “conversar” com o mundo ao seu redor.

Artigo escrito por Michael Parks e publicado no blog da Mouser Electronics: Talking in Bits: Embedded System Protocols for Sharing Data | Ben

Traduzido pela Equipe Embarcados. Visite a página da Mouser Electronics no Embarcados