Baixe Comunicação serial e outras Notas de estudo em PDF para Cultura, somente na Docsity!
%0< 'PIGPJCTKC G +PHQTOhVKEC .VFC Av. Estácio de Sá, 560 - Cotia - SP
MINICURSO
Comunicação Serial - RS
Edmur Canzian CNZ Engenharia e Informática Ltda. http://www.cnz.com.br e-mail: [email protected]
Conceitos Básicos sobre Comunicação Serial
O que é Comunicação de Dados?
A distância que um dado sinal percorre em um computador varia de alguns milímetros, como no caso de conexões de um simples CI, até vários centímetros quando a conexão de sinais envolve, por exemplo, uma placa mãe com conectores para diversos circuitos. Para estas distâncias, o dado digital pode ser transmitido diretamente. Exceto em computadores muito rápidos, os projetistas não se preocupam com o formato e espessura dos condutores, ou com as características analógicas dos sinais de transmissão.
Freqüentemente, no entanto, os dados devem ser enviados para fora dos circuitos que constituem o computador. Nesses casos, as distâncias envolvidas podem ser enormes. Infelizmente, com o aumento das distâncias entre a fonte e o destino aumenta também a dificuldade de estabelecer uma transmissão de dados precisa. Isso é resultado de distorções elétricas dos sinais que trafegam através de condutores longos, e de ruídos adicionados ao sinal que se propagam através do meio de transmissão. Embora alguns cuidados devam ser tomados na troca de dados dentro de um computador, o grande problema ocorre quando dados são transferidos para dispositivos fora dos circuitos do computador. Nesse caso a distorção e o ruído podem tornar-se tão severos que a informação é perdida.
A Comunicação de Dados estuda os meios de transmissão de mensagens digitais para dispositivos externos ao circuito originador da mensagem. Dispositivos Externos são geralmente circuitos com fonte de alimentação independente dos circuitos relativos a um computador ou outra fonte de mensagens digitais. Como regra, a taxa de transmissão máxima permissível de uma mensagem é diretamente proporcional a potência do sinal, e inversamente proporcional ao ruído. A função de qualquer sistema de comunicação é fornecer a maior taxa de transmissão possível, com a menor potência e com o menor ruído possível.
%0< 'PIGPJCTKC G +PHQTOhVKEC .VFC Av. Estácio de Sá, 560 - Cotia - SP
Canais de Comunicação
Um canal de comunicação é um caminho sobre o qual a informação pode trafegar. Ela pode ser definida por uma linha física (fio) que conecta dispositivos de comunicação, ou por um rádio, laser, ou outra fonte de energia radiante.
Em comunicação digital, a informação é representada por bits de dados individuais, que podem ser encapsulados em mensagens de vários bits. Um byte (conjunto de 8 bits) é um exemplo de uma unidade de mensagem que pode trafegar através de um canal digital de comunicações. Uma coleção de bytes pode ser agrupada em um “frame” ou outra unidade de mensagem de maior nível. Esses múltiplos níveis de encapsulamento facilitam o reconhecimento de mensagens e interconexões de dados complexos.
Um canal no qual a direção de transmissão é inalterada é referida como canal simplex. Por exemplo, uma estação de rádio é um canal simplex porque ela sempre transmite o sinal para os ouvintes e nunca é permitido a transmissão inversa.
Um canal half-duplex é um canal físico simples no qual a direção pode ser revertida. As mensagens podem fluir nas duas direções, mas nunca ao mesmo tempo. Em uma chamada telefônica, uma parte fala enquanto a outra escuta. Depois de uma pausa, a outra parte fala e a primeira escuta. Falar simultaneamente resulta em sons que não podem ser compreendidos.
Um canal full-duplex permite que mensagens sejam trocadas simultaneamente em ambas as direções. Ele pode ser visto como dois canais simplex, um canal direto e um canal reverso, conectados nos mesmos pontos.
Comunicação Serial
A maioria das mensagens digitais são mais longas que alguns poucos bits. Por não ser prático nem econômico transferir todos os bits de uma mensagem simultaneamente, a mensagem é quebrada em partes menores e transmitida seqüencialmente. A transmissão bit-serial converte a mensagem em um bit por vez através de um canal. Cada bit representa uma parte da mensagem. Os bits individuais são então rearranjados no destino para compor a mensagem original. Em geral, um canal irá passar apenas um bit por vez. A transmissão bit-serial é normalmente chamada de transmissão serial, e é o método de comunicação escolhido por diversos periféricos de computadores.
A transmissão byte-serial converte 8 bits por vez através de 8 canais paralelos. Embora a taxa de transferência seja 8 vezes mais rápida que na transmissão bit-serial, são necessários 8 canais, e o custo poderá ser maior do que 8 vezes para transmitir a mensagem. Quando as distâncias são curtas, é factível e econômico usar canais paralelos como justificativa para as altas taxas de transmissão. A interface Centronics de impressoras é um caso típico de transmissão byte-serial.
%0< 'PIGPJCTKC G +PHQTOhVKEC .VFC Av. Estácio de Sá, 560 - Cotia - SP
Existem técnicas que compõem o sinal de clock e de dados em um único canal. Isso é usual quando transmissões síncronas são enviadas através de um modem. Dois métodos no qual os sinais de dados contém informação de tempo são: codificação NRZ (Non-Return-to-Zero) e a codificação Manchester.
Em sistemas assíncronos, a informação trafega por um canal único. O transmissor e o receptor devem ser configurados antecipadamente para que a comunicação se estabeleça a contento. Um oscilador preciso no receptor irá gerar um sinal de clock interno que é igual (ou muito próximo) ao do transmissor. Para o protocolo serial mais comum, os dados são enviados em pequenos pacotes de 10 ou 11 bits, dos quais 8 constituem a mensagem. Quando o canal está em repouso, o sinal correspondente no canal tem um nível lógico ‘1’. Um pacote de dados sempre começa com um nível lógico ‘0’ (start bit) para sinalizar ao receptor que um transmissão foi iniciada. O “start bit” inicializa um temporizador interno no receptor avisando que a transmissão começou e que serão necessários pulsos de clocks. Seguido do start bit, 8 bits de dados de mensagem são enviados na taxa de transmissão especificada. O pacote é concluído com os bits de paridade e de parada (“stop bit”).
Bit de Paridade checa a precisão da transmissão
Start Bit início de transmissão
MENSAGEM exatamente 8 bits de dados aceitos
fim de transmissão^ Stop Bit receptor reiniciare tempo para
FORMATO TÍPICO 1 Start Bit 1 Bit de Paridade8 Bits de Dados 1 Stop Bit
Tempo
Dados Clock
%0< 'PIGPJCTKC G +PHQTOhVKEC .VFC Av. Estácio de Sá, 560 - Cotia - SP
O comprimento do pacote de dados é pequeno em sistemas assíncronos para minimizar o risco do oscilador do transmissor e do receptor variar. Quando osciladores a cristal são utilizados, a sincronização pode ser garantida sobre os 11 bits de período. A cada novo pacote enviado, o “start bit” reseta a sincronização, portanto a pausa entre pacotes pode ser longa.
Conjunto de Caracteres ASCII
Os caracteres enviados através de uma interface serial geralmente seguem o padrão ASCII (American Standard Code for Information Interchange) de 7 bits.
HEX DEC CHR HEX DEC CHR HEX DEC CHR HEX DEC CHR
00 00 NUL 20 32 SPC 40 64 @ 60 96 `
01 01 SOH 21 33! 41 65 A 61 97 a 02 02 STX 22 34 " 42 66 B 62 98 b 03 03 ETX 23 35 # 43 67 C 63 99 c 04 04 EOT 24 36 $ 44 68 D 64 100 d 05 05 ENQ 25 37 % 45 69 E 65 101 e 06 06 ACK 26 38 & 46 70 F 66 102 f 07 07 BEL 27 39 ' 47 71 G 67 103 g 08 08 BS 28 40 ( 48 72 H 68 104 h 09 09 HT 29 41 ) 49 73 I 69 105 i 0A 10 LF 2A 42 * 4A 74 J 6A 106 j 0B 11 VT 2B 43 + 4B 75 K 6B 107 k 0C 12 FF 2C 44 , 4C 76 L 6C 108 l 0D 13 CR 2D 45 - 4D 77 M 6D 109 m 0E 14 SO 2E 46. 4E 78 N 6E 110 n 0F 15 SI 2F 47 / 4F 79 O 6F 111 o 10 16 DLE 30 48 0 50 80 P 70 112 p 11 17 DC1 31 49 1 51 81 Q 71 113 q 12 18 DC2 32 50 2 52 82 R 72 114 r 13 19 DC3 33 51 3 53 83 S 73 115 s 14 20 DC4 34 52 4 54 84 T 74 116 t 15 21 NAK 35 53 5 55 85 U 75 117 u 16 22 SYN 36 54 6 56 86 V 76 118 v 17 23 ETB 37 55 7 57 87 W 77 119 w 18 24 CAN 38 56 8 58 88 X 78 120 x 19 25 EM 39 57 9 59 89 Y 79 121 y 1A 26 SUB 3A 58 : 5A 90 Z 7A 122 z 1B 27 ESC 3B 59 ; 5B 91 [ 7B 123 { 1C 28 FS 3C 60 < 5C 92 \ 7C 124 | 1D 29 GS 3D 61 = 5D 93 ] 7D 125 } 1E 20 RS 3E 62 > 5E 94 ^ 7E 126 ~ 1F 31 US 3F 63? 5F 95 _ 7F 127 DEL
%0< 'PIGPJCTKC G +PHQTOhVKEC .VFC Av. Estácio de Sá, 560 - Cotia - SP
número par. Na recepção do pacote, a paridade do dado precisa ser recomputada pelo hardware local e comparada com o bit de paridade recebido com os dados. Se qualquer bit mudar de estado, a paridade não irá coincidir, e um erro será detectado. Se um número para de bits for trocado, a paridade coincidirá e o dado com erro será validado. Contudo, uma análise estatística dos erros de comunicação de dados tem mostrado que um erro com bit simples é muito mais provável que erros em múltiplos bits na presença de ruído randômico. Portanto, a paridade é um método confiável de detecção de erro.
Dado Bit de Paridade 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1
Outro método de detecção de erro envolve o cálculo de um “checksum” quando mensagens com mais de um byte são transmitidas pelo canal de comunicação. Nesse caso, os pacotes que constituem uma mensagem são adicionados aritmeticamente. Um número de checksum é adicionado a seqüência do pacote de dados de tal forma que a soma dos dados mais o checksum é zero.
Quando recebido, os dados devem ser adicionados pelo processador local. Se a soma do pacote der resultado diferente de zero, ocorreu um erro. Na ocorrência de erros é improvável (mas não impossível) que qualquer corrupção de dados resultem em checksum igual a zero.
1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0
- 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0
0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0
0 0 0 0 0 0 0 0
Dados
Soma Aritmética Soma truncada – 8 bits Checksum (complemento de 2) Soma + Checksum = 0
Podem ocorrer erros que não sejam apenas detectados, mas também sejam corrigidos se código adicional for adicionado a seqüência de dados do pacote. A correção de erros em uma transmissão, contudo, abaixa a eficiência do canal, e o resultado é uma queda na transmissão.
%0< 'PIGPJCTKC G +PHQTOhVKEC .VFC Av. Estácio de Sá, 560 - Cotia - SP
Interface Serial RS232 (EIA232)^1
O que é RS232?
RS é uma abreviação de “Recommended Standard”. Ela relata uma padronização de uma interface comum para comunicação de dados entre equipamentos, criada no início dos anos 60, por um comitê conhecido atualmente como “Electronic Industries Association” (EIA). Naquele tempo, a comunicação de dados compreendia a troca de dados digitais entre um computador central (mainframe) e terminais de computador remotos, ou entre dois terminais sem o envolvimento do computador. Estes dispositivos poderiam ser conectados através de linha telefônica, e consequentemente necessitavam um modem em cada lado para fazer a decodificação dos sinais. Dessas idéias nasceu o padrão RS232. Ele especifica as tensões, temporizações e funções dos sinais, um protocolo para troca de informações, e as conexões mecânicas.
A mais de 30 anos desde que essa padronização foi desenvolvida, a EIA publicou três modificações. A mais recente, EIA232E, foi introduzida em 1991. Ao lado da mudança de nome de RS232 para EIA232, algumas linhas de sinais foram renomeadas e várias linhas novas foram definidas.
Embora tenha sofrido poucas alterações, muitos fabricantes adotaram diversas soluções mais simplificadas que tornaram impossível a simplificação da padronização proposta. As maiores dificuldades encontradas pelos usuários na utilização da interface RS232 incluem pelo menos um dos seguintes fatores:
9 A ausência ou conexão errada de sinais de controle, resultam em estouro do buffer (“overflow”) ou travamento da comunicação. 9 Função incorreta de comunicação para o cabo em uso, resultam em inversão das linhas de Transmissão e Recepção, bem como a inversão de uma ou mais linhas de controle (“handshaking”).
Felizmente, os drivers utilizados são bastante tolerantes aos abusos cometidos, e os CIs normalmente sobrevivem.
(^1) O termo RS232 será utilizado nesta apostila quando o texto fizer referências à interface de comunicação. O termo EIA232 será utilizado quando o texto fizer referências à norma estabelecida pela EIA.
%0< 'PIGPJCTKC G +PHQTOhVKEC .VFC Av. Estácio de Sá, 560 - Cotia - SP
Na figura a seguir é apresentada a definição dos sinais para um dispositivo DTE (usualmente um micro PC). Os sinais mais comuns são apresentados em negrito.
%0< 'PIGPJCTKC G +PHQTOhVKEC .VFC Av. Estácio de Sá, 560 - Cotia - SP
Na figura a seguir é apresentada a definição dos sinais para um dispositivo DCE (usualmente um modem). Os sinais mais comuns são apresentados em negrito.
Diversos sinais são necessários para conexões onde o dispositivo DCE é um modem, e eles são utilizados apenas quando o protocolo de software os emprega. Para dispositivos DCE que não são modem, ou quando dois dispositivos DTE são conectados diretamente, poucos sinais são necessários.
Deve-se notar que nas figuras apresentadas existe um segundo canal que inclui um conjunto de sinais de controle duplicados. Este canal secundário fornece sinais de gerenciamento do modem remoto, habilitando a mudança de taxa de transmissão durante a comunicação, efetuando um pedido de retransmissão se erros de paridade forem detectados, e outras funções de controle.
%0< 'PIGPJCTKC G +PHQTOhVKEC .VFC Av. Estácio de Sá, 560 - Cotia - SP
Pino Nome Descrição Canal de Comunicação Secundário 14 Secondary TransmittedData (STxD) Equivalente ao sinal TxD, porém válido para o canal secundário.
16 Secondary Received Data(SRxD) Equivalente ao sinal RxD, porém válido para o canal secundário.
19 Secondary Request ToSend (SRTS) Equivalente ao sinal RTS, porém válido para o canal secundário. 13 Secondary Clear To Send(SCTS) Equivalente ao sinal CTS, porém válido para o canal secundário. Sinais de Controle e de Status de Modem
6 DCE Ready (DSR)
Também chamado de Data Set Ready. Quando originado de um modem, este sinal é habilitado (nível lógico “0”) quando as seguintes forem satisfeitas: 1 - O modem estiver conectado a uma linha telefônica ativa e “fora do gancho; 2 - O modem estiver no modo dados; 3 – O modem tiver completado a discagem e está gerando um tom de respota. Se a linha for tirada do gancho, uma condição de falha for detectada, ou uma conexão de voz for estabelecida, o sinal DSR é desabilitado (nível lógico “1”).
20 DTE Ready (DTR)
Também chamado de Data Terminal Ready. Este sinal é habilitado (nível lógico “0”) pelo DTE quando for necessário abri o canal de comunicação. Se o DCE for um modem, a habilitação do sinal DTR prepara o modem para ser conectado ao circuito do telefone, e uma vez conectado, mantém a conexão. Quando o sinal DTR for desabilitado (nível lógico “1”), o modem muda para a condição “no gancho” e termina a conexão.
8 Received Line SignalDetector (CD)
Também chamado de Data Carrier Detect (DCD). Este sinal é relevante quando o DCE for um modem. Ele é habilitado (nível lógico “0”) quando a linha telefônica está “fora do gancho”, uma conexão for estabelecida, e um tom de resposta começar a ser recebido do modem remoto. Este sinal é desabilitado (nível lógico “1”) quando não houver tom de resposta sendo recebido, ou quando o tom de resposta for de qualidade inadequada para o modem local. 12 Secondary Received LineSignal Detector (SCD) Este sinal é equivalente ao CD, porém refere-se ao canal de comunicaçãosecundário.
22 Ring Indicator (RI)
Este sinal é relevante quando o DCE for um modem, e é habilitado (nível lógico “0”) quando um sinal de chamada estiver sendo recebido na linha telefônica. A habilitação desse sinal terá aproximadamente a duração do tom de chamada, e será desabilitado entre os tons ou quando não houver tom de chamada presente.
23 Data Signal Rate Selector
Este sinal pode ser originado tanto no DTE quanto no DCE (mas não em ambos), e é usado para selecionar um de dois “baud rates” pré-conffigurados. Na condição de habilitação (nível lógico “0”) o “baud rate” mais alto é selecionado.
%0< 'PIGPJCTKC G +PHQTOhVKEC .VFC Av. Estácio de Sá, 560 - Cotia - SP
Pino Nome Descrição Sinais de Transmissão e Recepção de Tempos
15 Transmitter SignalElement Timing (TC)
Também chamado de Transmitter Clock (TxC). Este sinal é relevante apenas quando o DCE for um modem e operar com um protocolo síncrono. O modem gera este sinal de clock para controlar exatamente a taxa na qual os dados estão sendo enviado pelo pino TxD, do DTE para o DCE. A transição de um nível lógico “1” para nível lógico “0” nessa linha causa uma transição correspondente para o próximo bit de dado na linha TxD.
17 Receiver Signal ElementTiming (RC)
Também chamado de Receiver Clock (RxC). Este sinal é similar ao sinal TC descrito acima, exceto que ele fornece informações de temporização para o receptor do DTE.
24 Transmitter SignalElement Timing (ETC)
Também chamado de External Transmitter Clock. Os sinais de temporização são fornecidos externamente pelo DTE para o uso por um modem. Este sinal é utilizado apenas quando os sinais TC e RC não estão sendo utilizados. Sinais de Teste do Canal de Comunicação
18 Local Loopback (LL)
Este sinal é gerado pelo DTE e é usado para colocar o modem no estado de teste. Quando o sinal LL for habilitado (nível lógico “0”), o modem redireciona o sinal de saída modulado, que normalmente vai para o linha telefônica, de volta para o circuito de recepção. Isto habilita a geração de dados pelo DTE serem ecoados através do próprio modem. O modem habita os sinal TM reconhecendo que ele está na condição de “loopback”.
21 Remote Loopbalk (RL)
Este sinal é gerado pelo DTE e é usado para colocar o modem remoto no estado de teste. Quando o sinal RL é habilitado (nível lógico “0”), o modem remoto redireciona seus dados recebidos para a entrada, voltando para o modem local. Quando o DTE inicia esse teste, o dado transmitido passa através do modem local, da linha telefônica, do modem remoto, e volta, para exercitar o canal e confirmar sua integridade.
25 Test Mode (TM)
Este sinal é relevante apenas quando o DCE é um modem. Quando habilitado (nível lógico “0”), indica que o modem está em condição de teste local (LL) ou remoto (RL).
Sinal de Terra Comum
A norma EIA232 inclui a referência de terra no Pino 7, e é freqüentemente conectada ao Pino 1 e a blindagem do cabo que envolve os demais condutores. Sinais de tensão dos dados, temporizações e controle são medidos com relação a esse terra comum. Equipamentos que utilizam a interface RS não podem ser utilizados em aplicações onde o equipamento nos dois opostos devem estar eletricamente isolados.
Isoladores ópticos podem ser usados para garantir isolação, contudo, isso não é mencionado ou incluído na especificação da norma EIA232.
%0< 'PIGPJCTKC G +PHQTOhVKEC .VFC Av. Estácio de Sá, 560 - Cotia - SP
Os sinais de saída foram projetados para funcionar em aberto, ou com curto-circuito com outros sinais do condutor, incluindo o sinal de terra, sem danificar o outro circuito associado. Os sinais de entrada também foram projetados para aceitar qualquer tensão entre ±25 volts sem danificar.
Quatro sinais foram implementados com segurança à falhas (“fail-safe design”) no qual durante a desenergização ou desconexão do cabo, seus sinais estarão desabilitados (nível lógico “0”). São eles:
9 Sinal RTS – desabilitado 9 Sinal SRTS – desabilitado 9 Sinal DTR – DTE não pronto 9 Sinal DSR – DCE não pronto
Temporização dos Sinais
A norma EIA232 especifica uma taxa máxima de transferência de dados de 20.000 bits por segundo (o limite usual é 19200 bps). Baud rates fixos não são fornecidos pela norma. Contudo, os valores comumente usados são 300, 1200, 2400, 4800, 9600 e 19200 bps.
Mudanças no estado dos sinais de nível lógico “1” para “0” ou vice-versa devem seguir diversas características, dadas a seguir:
9 Sinais que entram na zona de transição durante uma mudança de estado deve atravessar essa região com direção ao estado oposto sem reverter a direção ou reentrar; 9 Para os sinais de controle, o tempo na zona de transição deve ser menor do que 1ms; Para sinais de temporização, o tempo para atravessar a zona de transição deve ser: 9 Menor do que 1 ms para períodos de bits maiores que 25 ms; 9 4% do período de um bit para períodos entre 25 ms e 125 μs; 9 Menor do que 5 μs para períodos menores que 125 μs.
As rampas de subida e de descida de uma transição não devem exceder 30 V/μs. Taxas maiores do que esta podem induzir sinais em condutores adjacentes de um cabo.
%0< 'PIGPJCTKC G +PHQTOhVKEC .VFC Av. Estácio de Sá, 560 - Cotia - SP
Conversores de nível TTL – RS
A maioria dos equipamentos digitais utilizam níveis TTL ou CMOS. Portanto, o primeiro passo para conectar um equipamento digital a uma interface RS232 é transformar níveis TTL (0 a 5 volts) em RS232 e vice-versa. Isto é feito por conversores de nível.
Existe uma variedade grande de equipamentos digitais que utilizam o driver 1488 (TTL => RS232) e o receiver 1489 (RS232 => TTL). Estes CIs contém 4 inversores de um mesmo tipo, sejam drivers ou receivers. O driver necessita duas fontes de alimentação +7,5 volts a +15 volts e –7,5 volts a – volts. Isto é um problema onde somente uma fonte de +5 volts é utilizada.
Um outro CI que está sendo largamente utilizado é o MAX232 (da Maxim). Ele inclui um circuito de “charge pump” capaz de gerar tensões de +10 volts e –10 volts a partir de uma fonte de alimentação simples de +5 volts, bastando para isso alguns capacitores externos, conforme pode-se observar na figura a seguir. Este CI também tem 2 receivers e 2 drivers no mesmo encapsulamento. Nos casos onde serão implementados somente as linhas de transmissão e de recepção de dados, não seria necessário 2 chips e fontes de alimentação extras.
Cabo “Null Modem”
Um cabo “null modem” é utilizado para conectar dois DTEs juntos. Isto é comumente usado como um meio barato para transferir arquivos entre computadores utilizando protocolos Zmodem, Xmodem, etc. Ele também pode ser utilizado em diversos sistemas de desenvolvimento.
Na figura abaixo é apresentado um método de conexão de um cabo “null modem”. Apenas 3 fios são necessários (TxD, RxD e GND). A teoria de operação é razoavelmente simples. O princípio é fazer o DTE pensar que está falando com um modem. Qualquer dado transmitido do DTE deve ser recebido no outro extremo e vice-versa. O sinal de terra (SG) também deve ser conectados ao terra comum dos dois DTEs.
O sinal DTR é conectado com os sinais DSR e CD nos dois extremos. Quando o sinal DTR for ativado (indicando que o canal de comunicação está aberto), imediatamente os sinais DSR e CD são ativados. Nessa hora o DTE pensa que o Modem Virtual ao qual está conectado está pronto e que foi
