COMUNICAÇÃO SERIAL ENTRE EQUIPAMENTOS

COMUNICAÇÃO SERIAL ENTRE EQUIPAMENTOS 1 Introdução Para transmitir ou receber informações de outros dispositivos é necessário que os sistemas automáticos sejam capazes de comunicarem-se com estes dispositivos. Os diferentes modos de comunicação presentes em sistemas de automação podem ser classificados de acordo com diferentes características. Quanto ao número de dispositivos interconectados por um meio físico de transmissão, podemos diferenciar entre Comunicação Ponto a Ponto e Comunicação Multi-Ponto. Na comunicação ponto a ponto, conforme o próprio nome já indica, um dispositivo comunica-se diretamente com outro através de um meio físico, normalmente de uso exclusivo para a interligação, conectando o transmissor ao receptor. Já na comunicação multi-ponto um dispositivo pode comunicar-se simultaneamente com diversos outros dispositivos. A topologia mais comumente utilizada é o chamado barramento, na qual é utilizado um meio físico único interligando todos os dispositivos. Na comunicação serial, a transmissão de um certo dado é feita de tal forma que cada bit é transmitido de forma seqüencial, um após o outro. A estrutura da comunicação serial é bem simples: uma linha para envio de dados, outra para o recebimento e mais algumas para regularizar como os dados estão sendo transmitidos. Apesar de que, a princípio, uma transmissão serial possa aparentar ser mais lenta do que a transmissão paralela, em função da possível simultaneidade na transmissão de vários sinais nesta última, tal afirmativa não pode ser generalizada. Por exemplo, uma interface serial capaz de transmitir a uma taxa de 10 Mbps (bps = bits por segundo) será mais rápida do que uma interface paralela capaz de transmitir 8 bits em paralelo com taxa de 9.6 kbps (ou seja, taxa efetiva de 8 * 9.6 kbps que é menor do que 10 Mbps). A fim de permitir a efetiva troca de informações, além dos dados sendo transmitidos de um dispositivo para outro(s), na interconexão entre diferentes dispositivos faz-se necessário o envio de informações adicionais para endereçamento (em especial nos casos de ligações multi-ponto) e controle da transmissão. O primeiro permite identificar do destino da informação sendo transmitida, ou seja, a qual dispositivo ou mesmo a qual processo executando em um dispositivo a mensagem em questão é endereçada. As informações para controle da transmissão incluem delimitadores de início de fim da mensagem transmitida, códigos para identificação e eventual correção de erros na transmissão, entre outros. Nas interfaces seriais, as informações de controle e endereçamento podem ser enviadas pela mesma linha de transmissão que os sinais de dados ou através de linhas exclusivas. A temporização no envio e recebimento das informações é outro conceito importante para garantir a correta transferência de informação. Neste caso, considera-se que equipamentos transmissores e receptores devem estar sincronizados de alguma forma. Devido a estas características, a comunicação serial permite maior flexibilidade para transmissão a médias distâncias. Também, por conseqüência, o cabo é muito mais barato. Cabos telefônicos podem ser usados como cabo serial como é feito com a Internet. Os dispositivos externos ao micro que necessitam de cabos longos como o teclado, o mouse, a porta USB e principalmente, as redes utilizam a comunicação serial. A tendência recente em comunicação de alto desempenho é também utilizar a tecnologia serial. UMC Universidade de Mogi das Cruzes - Professor Rodrigo 1

2 Tipos de Conexão Serial É possível distinguir três tipos de conexão serial: Simplex: a transmissão só ocorre em uma única direção. Esta configuração é utilizada quando o dispositivo periférico só é capaz de transmitir ou de receber dados. Por exemplo, um mouse (só envia) conectado a um computador via uma linha serial. Half duplex (HDX): a transmissão pode ocorrer nas duas direções, entretanto não simultaneamente. Esta configuração é tipicamente utilizada para permitir a comunicação bidirecional entre dois elementos utilizando apenas uma linha de comunicação. A comunicação half - duplex é alcançada através de circuitos comutadores nos dois extremos da linha que conectam os respectivos transmissores e receptores. Assim, quando a transmissão em uma direção é finalizada, os circuitos comutadores são acionados para permitir a transmissão no sentido inverso. Full duplex (FDX): a transmissão pode ocorrer nas duas direções simultaneamente. A forma mais tradicional de se implementar uma comunicação full duplex é através de duas linhas de comunicação: uma para permitir a transmissão em uma direção, a outra, para permitir a transmissão na direção inversa. 3 O padrão RS-232 O padrão RS-232 é o padrão responsável pelo processo de converter os dados paralelos (provenientes de um sistema digital) em seriais e convertê-los novamente em paralelos. 3.1 Conectores RS-232 As portas seriais têm conectores machos no PC. O que exige que os conectores de dispositivos conectados ao PC pela porta serial (RS-232) sejam fêmeas. Usualmente, este padrão utiliza um conector com nove pinos denominado DB-9. A figura abaixo apresentam o formato deste conector e sua pinagem: DESCRIÇÃO PINOS DESCRIÇÃO CD Carrier Detect 1 6 DSR - Data Set Ready RD Receive Data 2 7 RTS - Request To Send TD Transmit Data 3 8 CTS - Clear To Send DTR Data Terminal Ready 4 9 RI - Ring Indicator Terra 5 Conector DB de 9 pinos (padrão RS - 232) UMC Universidade de Mogi das Cruzes - Professor Rodrigo 2

Neste padrão temos o equipamento terminal de dados (DTE) e o equipamento de comunicação de dados (DCE), onde o DTE é o PC e o DCE é o modem, ligados por um cabo RS-232. Como na maioria dos casos o PC já tem uma placa embutida, não é necessário interligá-los via cabo. As funções dos diversos pinos estão resumidas na tabela abaixo. RTS DTR SINAIS DE SAÍDA DESCRIÇÃO se essa linha for igual a 1, o DTE pergunta ao DCE se ele está pronto para receber os dados; esta linha só é válida para transmissão full-duplex, para fazer com que o modem mude de transmissor para receptor ou vice-versa o DTE fixa em 1 para dizer que está pronto para comunicação; esta saída é o sinal de habilitação do modem SINAIS DE ENTRADA TXD RXD CTS DSR RI RLSD DESCRIÇÃO linha onde viajam os dados. O dado só é enviado se as linhas RTS, CTS, DSR e DTR estiverem em 1. Essa linha fica em 1 quando não há nada sendo transmitido (de acordo com o protocolo V.24) linha de dados do DCE para o DTE DCE seta quando ele está pronto para receber dados; linha usada apenas em transmissões half-duplex linha com valor em alto, o DCE avisa que a conexão foi aceita (a discagem obteve sucesso) DCE indica que há uma chamada na linha telefônica onde o modem está ligado ou também CD (Carrier Detect), o modem indica que recebeu um sinal de carrier do outro fim da linha, ou seja, que uma conexão foi estabelecida Descrição dos sinais usados pelo padrão RS - 232 3.2 Comunicação no RS-232 Os sinais RTS, CTS, DSR e DTR envolvem "handshaking" entre o modem e o PC (full duplex mode). O handshaking é uma forma de sincronização do módulo de E/S do microprocessador porque o primeiro é mais lento que o segundo. A taxa de transmissão dos dados na comunicação serial é denominada de baud rate. Nas transmissões de sinais binários, a baud rate é equivalente ao número de bits transmitido por segundo. As taxas de transmissão iniciais padronizadas para uma interface RS232 eram menores que 20kbps (4.8, 9.6 e 19.2 kbps) e eram limitadas a distâncias menores que 15 metros. Entretanto, atualmente, as versões comerciais são capazes de transmitir a maiores taxas em cabos que permitem alcançar distâncias maiores do que as originalmente padronizadas (por exemplo, produtos comerciais transmitindo a 115 kbps ou mesmo 1.6 Mbps encontram-se disponíveis). Antes de uma palavra ser enviada, é transmitida a informação de estado da palavra (de acordo com o padrão RS-232). As palavras de dados (de 5 a 8 bits) são encapsuladas. O número exato de bits é fixado nos dois lados da conexão. Os dois lados devem concordar quanto ao número de bits, caso contrário a conexão não será estabelecida. Devido aos bits de início e fim, a transmissão serial tem cerca de 20% de overhead. UMC Universidade de Mogi das Cruzes - Professor Rodrigo 3

Em geral, a transferência de dados no formato serial entre computador e periférico é realizada pelo envio dos bits agrupados em unidades de informação. Cada unidade é denotada por caracter. Em geral, os caracteres são codificados em ASCII. A comunicação serial caracter a caracter entre computador e dispositivo pode ser ainda realizada de forma assíncrona ou síncrona. 3.3 Comunicação Síncrona e Assíncrona Na transferência assíncrona os caracteres são enviados à medida que ficam disponíveis. Desta forma, o intervalo de tempo entre dois caracteres é variável. Observar, entretanto, que a janela de tempo associada a um bit do caracter é fixa e é definida pela taxa de transmissão (baud rate) dada em bits por segundo. Na transmissão assíncrona de caracteres, embora o receptor e o transmissor não estejam sincronizados com respeito ao instante de envio de um caracter, assim que o receptor detecta o início da transmissão de um caracter, ele se auto sincroniza com relação aos bits dos caracteres, amostrando-os nos instantes apropriados. Este mecanismo de sincronização dos bits de um caracter pode ser descrito como se segue: a linha de comunicação é mantida em nível lógico "1" (linha em repouso - idle state ou marking state). Um start bit (nível lógico "0") sinaliza o início da transmissão de um caracter. O receptor sincroniza a sua operação ao detectar a transição de "1" para "0" na linha de comunicação. Após a detecção do start bit, o receptor amostra seqüencialmente a linha em intervalos regulares, no meio da janela de tempo associadas aos bits. Para a correta recepção, é necessário que ambos, transmissor e receptor, estejam operando com o mesmo baud rate. Após os bits do dado e um eventual bit de paridade, 1 a 2 stop bits (nível lógico "1") são enviados, sinalizando o fim da transmissão de um caracter. Quando não há nada sendo enviado, a linha está em nível alto, e quando o sinal cai, indica que a transmissão será iniciada. linha de estado 1 0 LSB 0 1 2 3 4 5 6 7 MSB Start bit Direção do fluxo de dados Bit de paridade (opcional) Start bit da próxima transmissão 5 a 8 bits de dados A comunicação síncrona ocorre quando o transmissor e o receptor dividem um pulso de sinal comum, o qual ajuda a sincronizar suas ações. Isso exige uma linha extra onde passa esse sinal. A sincronização para transmissão serial deve ocorrer na própria linha de dados. Na transferência síncrona os caracteres são enviados um imediatamente após o outro, formando na linha uma seqüência infinita de bits, sem indicação clara das fronteiras entre caracteres. Sempre que não existir caracter a ser enviado, o transmissor insere um caracter especial de sincronismo, mantendo a linha ocupada. A transmissão síncrona, por eliminar a necessidade do envio dos start e stop bits, permite uma maior velocidade de transferência de caracteres. Mesmo com uma linha extra para sincronização, o bit de início é usado. Além disso, o primeiro parâmetro que deve ser estabelecido é a taxa de transmissão. UMC Universidade de Mogi das Cruzes - Professor Rodrigo 4

3.4 Controle de fluxo O controle de fluxo por software, às vezes expresso por Xon/Xoff, usa dois caracteres Xon e Xoff. Xon é normalmente indicado pelo caracter 17 do código ASCII e o 19 para o Xoff. O modem só terá um pequeno buffer que o computador completará até o modem enviar o sinal de Xoff para informar ao computador que este deve parar de enviar dados. Uma vez que o modem tenha mais lugar para armazenar dados, ele envia um caracter Xon e o computador envia mais dados. Este tipo de controle de fluxo tem a vantagem de não necessitar de mais fios além dos de envio e recepção de caracteres. O controle via hardware também é conhecido como controle de fluxo RTS/CTS. Ele usa dois fios no cabo serial ao invés de transmitir um caracter extra pelas linhas de dados. Assim, esse controle não vai diminuir a velocidade de transmissão como o controle via software. Quando o computador quer enviar dados ele torna ativa a linha de RTS (Request To Send pedido de envio). Se o modem é capaz de armazenar esses dados, ele então responde tornando a linha de CTS (Clear to Send) ativa e o computador já poderá enviar os dados. Se o modem não pode armazená-los, ele não irá tornar ativa a linha CTS. 3.5 Características elétricas Na tentativa de transmitir um sinal digital por um fio longo, percebeu-se que a forma do sinal sofria distorção devido à capacitância da linha. Descobriu-se que fazendo o sinal variar entre uma tensão positiva e uma negativa ajudava a eliminar a distorção. Então taxas de transferências mais altas se tornaram possíveis usando a alternância de sinais positivos e negativos. O padrão desenvolvido para esse tipo de sinal foi chamado de RS-232C. níveis de tensão: o padrão define que as linhas devem possuir níveis de tensão referenciados ao pino Terra (Ground pino 5 no DB-9), sendo que quando o nível de tensão for maior que +3 V é considerado valor lógico 0 e nível de tensão menor do que -3V corresponde ao nível lógico 1. Os sinais transmitidos usualmente podem variar entre +12 e -12 V; 3.6 Limitações Apesar de amplamente utilizado, o padrão RS232 tem sérias limitações quanto a questões de interferência eletromagnéticas: fato de pressupor um terra comum entre os dispositivos que se comunicam representa uma séria limitação em ambientes industriais, onde é comum termos diferenças consideráveis entre os potencias de terra de diferentes locais. a transferência do sinal sobre uma única linha torna difícil o isolamento a ruídos eletromagnéticos. Apesar do fato de ruídos externos poderem ser minimizados através do uso de cabos blindados, os ruídos internos são difíceis de serem eliminados. UMC Universidade de Mogi das Cruzes - Professor Rodrigo 5