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Protocolos de rede de comunicação

Protocolos de rede de comunicação

Em um mundo de sistemas embarcados, os protocolos de comunicação são vitais, pois fornecem um gateway para troca de informações entre vários dispositivos com excelente confiabilidade. Qualquer comunicação segura e eficiente deve concordar entre o remetente e o destinatário em um conjunto específico de regras chamado protocolo. Assim, um protocolo é um agrupamento de regras que governam as comunicações de dados.

Um protocolo permite que vários dispositivos conectados à rede se comuniquem entre si, independente de seu design, estrutura e processos internos. Tanto o hardware quanto o software operam durante a implementação do protocolo. Os sensores compartilham os dados do sistema de automação com os controladores e os atuadores recebem o sinal controlado. Um protocolo de comunicação permite essa troca de dados ou informações. Este artigo discute alguns importantes protocolos em uso no mundo embarcado.

Figura 1: Protocolo de comunicação

Tipos de protocolos de comunicação

Os protocolos de comunicação têm diferentes categorias.

Figura 2: Tipos de protocolos de comunicação

Protocolos de Intersistema

O protocolo de intersistema ajuda a estabelecer a comunicação entre dois dispositivos. Um bom exemplo é um computador e uma placa de desenvolvimento via sistema interbus.

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Tipos de protocolos inter sistemas

Os protocolos de intersistemas possuem três categorias:

  1. Protocolo de comunicação USB
  2. Protocolo de comunicação UART
  3. Protocolo de comunicação USART

Protocolo de comunicação USB

O Universal Serial Bus ou simplesmente USB fornece transmissão serial assíncrona de dados entre um host e até um total de 127 dispositivos. O host consiste em dois componentes: o hub raiz e o controlador de host. O controlador host é um chipset de hardware com uma camada de driver de software responsável pelas seguintes tarefas:

  • Detectar a ligação e remoção de dispositivos USB
  • Gerenciando o fluxo de dados entre o host e os dispositivos
  • Fornecer e controlar energia para os dispositivos conectados
  • Monitorar as atividades no USB

Os dados são enviados em série em forma de pacotes consistindo em 8 bits. A interface USB usa uma transmissão diferencial invertida sem retorno a zero (NRZI), e um pouco de enchimento no par trançado codifica o NRZI. A comunicação USB ocorre através de muitos estados de sinalização diferentes nas linhas D+ e D-. O hardware em dispositivos USB gerencia toda a codificação e preenchimento de bits antes e após transmitir qualquer dado. A razão para usar o sinal diferencial D+ e D- é rejeitar o ruído de modo comum. A seguir estão os diferentes tipos de conectores USB disponíveis no mercado:

(i) USB-A: É o conector mais popular. Eles estão presentes em unidades flash e no final de cabos com fio para dispositivos USB como teclados e mouse.

(ii) USB-B: São de formato quadrado e amplamente utilizados em impressoras, scanners, drives ópticos portáteis e outros dispositivos de armazenamento externo.

(iii) USB-C: São pequenos e finos, com aspecto oval e formato assimétrico. O USB C possui um cabo de 24 pinos que pode transmitir vídeos e dados tão rapidamente quanto 10 Gbps e alimentar até 100 watts. O USB tipo C encontra amplo uso em smartwatches, telefones celulares modernos, placas de desenvolvimento embarcadas de nova geração, etc.

(iv) Micro-USB: Os smartphones de primeira geração tinham Micro-USB. Estes tinham uma função On-the-Go (OTG) que lhes permitia ter um adaptador conectado a outros tipos de conectores USB. Tablets, controladores de jogos, smartphones e dispositivos semelhantes possuem Micro-USB dentro deles.

Figura 3: Tipos de conectores USB

A especificação USB atual define quatro velocidades para um sistema USB: Low-Speed, Full-Speed, Hi-Speed e SuperSpeed. Um host de alta velocidade pode se comunicar com um dispositivo de baixa velocidade, mas um host de velocidade total não pode se comunicar com um dispositivo de alta velocidade.

VelocidadeTaxa de transferênciaAplicação
Baixa 1.5 Mb/steclados, mouses e periféricos de jogos
Média12 Mb/stelefones, dispositivos de áudio e vídeo compactado
Alta 480 Mb/sdispositivos de vídeo, imagem e armazenamento
Super rápida10Gb/smídia de aplicativo que exige transferências rápidas e de alta capacidade

Tabela: velocidade de transferência USB

Vantagens do USB

  1. Padrão amplamente aceitável entre vários fabricantes de dispositivos
  2. Fácil de configurar e vem com funcionalidade plug e play
  3. As conexões USB são todas hot-swap

Desvantagens do USB

  1. A velocidade suportada é menor em comparação com as interfaces Gigabit Ethernet e Firewire
  2. O comprimento do cabo é limitado a cinco metros
  3. A comunicação de mensagens é possível apenas entre o host e os periféricos, pois a transmissão é impossível no USB

Protocolo de Comunicação UART

Um receptor/transmissor assíncrono universal (UART) recebe dados seriais e os armazena como dados paralelos, geralmente um byte. Ele também pega os dados seriais e os transmite como dados paralelos. Essa comunicação serial é benéfica quando é necessário comunicar bytes de dados entre dispositivos separados por longas distâncias ou possuem poucos pinos de E/S.

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Figura 4: Transmissão serial usando UART

O UART é de dois fios, ou seja, os pinos Tx (Transmissor) e Rx (Receptor) gerenciam os dados seriais. Duas UARTs conectadas em série devem concordar com o protocolo de transmissão usado para se comunicar. O protocolo de transmissão UART determina a taxa na qual os bits são enviados e recebidos. Essa taxa é chamada de taxa de transmissão. As taxas de transmissão padrão são 2400, 4800, 9600 e 19,2 k. O protocolo também especifica o número de bits de dados e o tipo de paridade enviado durante cada transmissão. Por fim, o protocolo define o número mínimo de bits que separa duas transmissões de dados consecutivas.

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Figura 5: Protocolos de transmissão usados por duas UART

O protocolo UART é usado na interface de placas de avaliação de PC e FPGA, aplicativos baseados em RFID, módulos Bluetooth, modems GSM e GPRS, comunicações sem fio, receptores GPS, etc.

Vantagens do protocolo UART

  1. Transmissão simples de fio único e recepção de dados de fio único com verificação de erros
  2. Interface fácil para interconectar dispositivos embarcados e computadores desktop, etc.
  3. Pode ser conectado diretamente a interfaces físicas RS-232 populares

Desvantagens do protocolo UART

  1. A taxa de dados máxima é baixa em comparação com o SPI
  2. Como é assíncrono, o relógio em ambos os dispositivos devem ser precisos, principalmente em taxas de transmissão mais altas
  3. As configurações precisam ser conhecidas com antecedência, incluindo taxa de transmissão, tamanho dos dados e tipo de verificação de paridade

Protocolo de Comunicação USART

Universal Synchronous Asynchronous Receiver and Transmitter (USART) é um modo de comunicação entre dispositivos seriais, ou seja, unidades de dados. Por exemplo, um byte transmite um bit de cada vez. O USART é diferente dos modos paralelos de transmissão, onde toda a unidade de dados, como um byte, é transmitido de uma só vez. Estes são adequados para alterar as informações paralelas na estrutura sequencial.

Um USART é um dispositivo padrão que pode transmitir um número binário como uma forma de onda quadrada para um receptor e receber uma forma de onda quadrada. Ele converte as informações em um número binário. Ele usa comunicações assíncronas nas quais um sinal de relógio mestre é transmitido ao receptor para coordenar a amostragem de bits de dados ao longo do tempo. Cada um dos dois terminais gerencia seu relógio no modo assíncrono. O USART transmite e recebe o sinal no modo full-duplex e o usa para sinalizar quando um envio e/ou recebimento estiver concluído.

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Figura 6: USART para converter dados paralelos em dados seriais

Os protocolos USART são populares em aplicações industriais e de controle. Eles operam em redes multi-drop onde um USART mestre pode se comunicar com um USART servo específico. Eles também são para comunicações de infravermelho (IR), Bluetooth e módulos USART são usados com outros propósitos de comunicação de RF – AM, FM, QPSK, PSK, FSK, Wi-Fi, etc.

Vantagens do protocolo USART

  1. A velocidade do USART é maior do que a velocidade do UART
  2. Usa sinais de dados e clock para seu funcionamento
  3. Os dados são transmitidos na forma de blocos

Desvantagens do protocolo USART

  1. Os dados são transmitidos a uma taxa definida
  2. A USART é mais complexa que a UART em termos de complexidade

Protocolos de intra-sistema

Os protocolos de intra-sistema estabelecem a comunicação entre os componentes dentro da placa de circuito. Em sistemas embarcados, o protocolo intra-sistema aumenta a população de componentes conectados aos controladores. Um aumento nos componentes levou à complexidade do circuito e ao aumento do consumo de energia. O protocolo intra-sistema promete acesso seguro aos dados dos periféricos.

Tipos de protocolos intra-sistema

As categorias de protocolos de intra-sistemas são:

  1. Protocolo de comunicação I2C
  2. Protocolo de comunicação SPI
  3. Protocolo de comunicação CAN

Protocolo de comunicação I2C

A Philips inventou o protocolo Inter-Integrated Circuits (IIC ou I2C) em 1982. O protocolo I2C conecta vários servos a um único mestre ou vários servos a vários mestres. O protocolo I2C opera quando dois microcontroladores enviam dados para a mesma memória ou enviam dados idênticos para o LCD com muitas outras aplicações. O protocolo de comunicação serial I2C possui dois sinais: Serial Data (SDA) e Serial Clock (SCL). O mestre e o servo recebem dados através da linha SDA, e SCL é a linha de sinal do clock. O protocolo I2C suporta, dependendo dos modos de operação, diferentes velocidades de dados que variam de 100kbit/s em modo padrão a 3,4 Mbps em modo full speed.

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Figura 7: Único mestre e escravo no protocolo I2C

Os protocolos I2C usam dados de sensores de hardware, comunicam-se com vários microcontroladores, exibem o controle de telefones celulares, alteram as configurações de cor da cor do monitor, avaliam ADCs e DACs, circuitos e lêem ICs de memória específicos. Eles também operam em aplicações de controle, como controlar e transmitir ações direcionadas ao usuário e ligar/desligar a fonte de alimentação dos componentes internos.

Vantagens do protocolo I2C

  1. Simples e eficaz
  2. Ocupa menos espaço, pois conecta diretamente os componentes e reduz o custo de interconexão
  3. Suporta multi-masterização, ou seja, qualquer dispositivo que possa enviar ou receber dados pode ser um mestre
  4. O recurso ACK/NACK suporta um mecanismo robusto de tratamento de erros

Desvantagens do protocolo I2C

  1. Hardware, especialmente implementação de software, é mais complicado que o SPI Half-duplex
  2. Não escalável para um grande número de dispositivos
  3. Ele ocupa muito mais espaço em um PCB, pois usa resistores pull-up

Protocolo de comunicação SPI

Serial Peripheral Interface (SPI) é um barramento de dados serial de quatro fios. Um único nó, chamado de mestre, gerencia a atividade no barramento. Outros nós chamados servos respondem ao mestre. Os quatro fios do barramento executam as seguintes funções:

  • O sinal Slave Select (SS) notifica um servo que um mestre está interagindo com ele
  • O Serial Clock (SCLK) sequencia a transferência de dados no barramento, um bit por ciclo
  • A entrada mestre e saída servo (Master Input Slave Output, MISO) transfere dados do escravo para o mestre
  • A saída mestre e entrada escravo (Master Output Slave Input, MOSI) transfere dados do mestre para o escravo

O SPI pode transferir dados simultaneamente em ambas as direções nas linhas MISO e MOSI, tornando-o um padrão de comunicação full-duplex. Um mestre pode controlar vários servos, mas são necessários pinos SS adicionais. O protocolo SPI pode suportar transferência de dados de até 50 Mbps em distâncias curtas.

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Figura 8: Arquitetura do SPI

O SPI se comunica com diferentes periféricos como sensores, conversor analógico para digital, conversor digital para analógico, etc. Eles fazem interface com LCDs, LEDs, cartões MMC ou SD, incluindo variantes SDIO, e se comunicam com memórias FLASH e EEPROM.

Vantagens do protocolo SPI

  1. Não é necessário iniciar e parar bit
  2. O sistema de comunicação com o servo não é complicado
  3. Maior taxa de transferência de dados do que o protocolo I2C (quase o dobro)
  4. Pinos MOSI e MISO separados para transmitir e receber dados simultaneamente

Desvantagens do protocolo SPI

  1. Ele usa quatro fios, enquanto I2C e UART usam apenas dois fios
  2. Não há reconhecimento do receptor (ACK) após a recepção dos dados
  3. Permite apenas um único mestre

Protocolo de comunicação CAN

Robert Bosch desenvolveu o protocolo Controller Area Network (CAN) na década de 1980. Um sistema de barramento CAN em um veículo possibilita a rede de módulos eletrônicos, como unidades de controle ou sensores inteligentes. O barramento CAN é independente dos sistemas eletrônicos do veículo e funciona como uma linha de dados para trocar informações entre as unidades de controle.

O design e a construção do sistema permitem que ele funcione com um alto grau de segurança intrínseca. Se as falhas ainda ocorrerem, elas são armazenadas principalmente na memória de falhas da unidade de controle relacionada e são acessíveis pelo sistema de informações e testes de diagnóstico.

O sistema básico consiste em várias unidades de controle. Os transceptores os conectam paralelamente à linha de barramento, o que implica que condições idênticas se aplicam a todas as estações. Em palavras simples, o gerenciamento de todas as unidades de controle é igual e nenhum tem preferência. Nesse contexto, isso é chamado de arquitetura multimestre. Há uma troca serial de informações.

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Figura 9: Um barramento CAN no automóvel

O sistema de barramento CAN se divide em três sistemas exclusivos devido aos diferentes requisitos em relação à taxa de repetição do sinal e ao grande volume de dados:

  • Barramento CAN do trem de acionamento (alta velocidade) a 500 kbps com requisitos quase em tempo real
  • Barramento CAN de conveniência (baixa velocidade) a 100 kbps com requisitos de tempo reduzidos
  • Barramento CAN de infoentretenimento (baixa velocidade) a 100 kbps com baixo requisito de tempo

O barramento de dados CAN usa cabeamento de par trançado com transferência de dados diferencial para obter segurança de alto nível durante a transferência de dados. CAN alto e CAN baixo são os nomes dos fios.

Ambos os fios têm a mesma configuração padrão em relação ao nível de sinal no estado de repouso. Por exemplo, esta configuração do barramento de dados CAN do trem de força é por volta de 2,5 V. O estado recessivo também é conhecido como configuração do estado de repouso. Isso porque qualquer unidade de controle conectada na rede pode alterá-la. A tensão aumenta no estado dominante para corresponder ao fio alto CAN. Este é um valor predeterminado (no barramento de dados CAN do drivetrain – trem de força – é de pelo menos 1V). A tensão do fio CAN baixo cai no mesmo incremento (um mínimo de 1 V no barramento de dados CAN do trem de força). A tensão, portanto, aumenta em um estado inativo mínimo de 3,5 V ((2,5 V + 1 V = 3,5 V) no fio CAN alto do barramento de dados do CAN do trem de força. A tensão no fio CAN baixo então cai para um máximo de 1,5 V (2,5 V). V – 1V = 1,5V). Portanto, a diferença de tensão entre CAN alto e CAN baixo em um estado recessivo é de 0V e em um estado dominante de pelo menos 2V.

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Figura 10: Transferência de dados diferencial no barramento de dados CAN

O protocolo CAN encontra uso para redes de componentes em automóveis. Além do setor automotivo, o CAN também encontra aplicações em aeronaves para análise em voo e rede de componentes como sistemas de combustível, bombas e muito mais. CANopen é popular em aplicações de controle embarcado como automação industrial.

Vantagens do protocolo CAN

  1. É uma solução de baixo custo, pois o número de fios utilizados reduz em comparação com os modelos de comunicação antigos no setor automotivo e, portanto, reduz o peso do veículo
  2. É uma maneira rápida de comunicação entre diferentes módulos de controle e sensores, pois suporta uma taxa de transferência de dados de 1 Mbit/s em um comprimento de barramento de 40m
  3. Ele fornece transmissão altamente confiável, oferecendo um excelente mecanismo de detecção e tratamento de erros. Também é imune a interferências eletromagnéticas.
  4. Ele pode retransmitir automaticamente a mesma mensagem se algum dispositivo não receber uma notificação

Desvantagens do protocolo CAN

  1. Faltam mecanismos de criptografia e autenticação
  2. É limitado a um máximo de 64 nós ou dispositivos
  3. O custo de desenvolvimento e manutenção de software é alto

Contato da Newark no Brasil

Para mais informações e adquirir componentes contate a LATeRe , representante da Newark, pelo Telefone (11) 4066-9400 ou e-mail: [email protected] 

* Texto originalmente publicado em: link

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