UNED DE CUBATÃO
APOSTILA DE
CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO E
CONTROLE DE PROCESSOS INDUSTRIAIS CONTÍNUOS
5o MÓDULO
MONTAGEM:
PROFESSOR MARCELO S. COELHO
Revisão 1 – JANEIRO/2008
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Tecnologia da Comunicação, Notas de estudo de Automação
Prof. Marcelo Saraiva Coelho
Tipologia: Notas de estudo
Antes de 2010
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UNED DE CUBATÃO
APOSTILA DE
CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO E CONTROLE DE PROCESSOS INDUSTRIAIS CONTÍNUOS
5 o^ MÓDULO
MONTAGEM:
PROFESSOR MARCELO S. COELHO
Revisão 1 – JANEIRO/
Transmissão digital de dados
O processo de transmissão de dados pode ser dividido em 5 componentes:
Transmissor : Elemento que está originando a mensagem.
Mensagem : Dado a ser enviado.
Obs.: Na codificação da informação em um formato digital é comum precisarmos de vários bits. Por exemplo, usando o código ASCII, precisamos de 8 bits para transferir uma única letra.
Canal de Transmissão : Meio físico por onde trafegará a mensagem.
Obs.: A transmissão de dados digitais podem ser efetuadas em dois formatos:
- Serial: apenas um canal para transmissão da informação.
- Paralelo: vários canais para transmissão da informação.
Protocolo de comunicação : Regras para que a comunicação seja estabelecida.
Receptor : Elemento que está recebendo a mensagem.
Figura 1. FORMATO DE TRANSMISSÃO DE DADOS PARALELO
Na comunicação em paralelo, grupos de bits são transferidos simultaneamente (em geral, byte a byte) através de diversas linhas condutoras dos sinais. Desta forma, como
rápido e chegue à extremidade do cabo antes que os outros n-1 bits do byte. Este fenômeno é chamado skew, e as conseqüências são catastróficas: os bits x chegariam fora de ordem (os bytes chegariam embaralhados) e a informação ficaria irrecuperável.
Em decorrência desse problema, há limites para o comprimento do cabo que interliga um dispositivo ao computador, quando se usa o modo paralelo.
As restrições citadas contribuem para que a utilização da comunicação em paralelo se limite a aplicações que demandem altas taxas de transferência, normalmente associadas a dispositivos mais velozes tais como unidades de disco, ou que demandem altas taxas de transferência, como CD-ROM, DVD, ou mesmo impressoras, e que se situem muito próximo do núcleo do computador. Em geral, o comprimento dos cabos paralelos é limitado a até um máximo de 1,5 metros.
FORMATO DE TRANSMISSÃO DE DADOS SERIAL
Na comunicação serial, os bits são transferidos um a um, através de um único par condutor.
Os bytes a serem transmitidos são serializados, isto é, são "desmontados" bit a bit, e são individualmente transmitidos, um a um. Na outra extremidade do condutor, os bits são contados e quando formam 8 bits, são remontados, reconstituindo os bytes originais.
Na transmissão serial os bits que formam as unidades de informação são transmitidos seqüencialmente, um após o outro, começando sempre pelo bit menos significativo (bms) e terminando no bit mais significativo (BMS). No exemplo a seguir, para transmitir a letra "K", cujo código ASCII é 01001011, enviamos primeiro o bit "1", depois o seguinte "1", o "0" e assim por diante até o último bit.
Figura 4.
Nesse modo, o controle é comparativamente muito mais simples que no modo paralelo e é de implementação mais barata. Como todos os bits são transferidos pelo mesmo meio físico (mesmo par de fios), as eventuais irregularidades afetam todos os bits igualmente. Portanto, a transmissão serial não é afetada por irregularidades do meio de transmissão e não há skew. No entanto, a transmissão serial é intrinsecamente mais lenta (de vez que apenas um bit é transmitido de cada vez).
Figura 5.
Como os bits são transmitidos seqüencialmente um a um, sua utilização é normalmente indicada apenas para periféricos mais lentos, como por exemplo, teclado, mouse, etc. ou quando o problema da distância for mandatório, como nas comunicações a distâncias médias (tal como em redes locais) ou longas (comunicações via linha telefônica usando modems).
Comparativamente, a transmissão serial tem recebido aperfeiçoamentos importantes (seja de protocolo, de interface e de meio de transmissão) que vem permitindo o aumento da velocidade de transmissão por um único par de fios, cabo coaxial ou de fibra ótica. Como o aumento da velocidade de transmissão em interfaces paralelas ocasiona mais skew, a tendência tem sido no sentido do aperfeiçoamento das interfaces seriais que hoje permitem taxas de transferência muito altas com relativamente poucas restrições de distância. Em microcomputadores, a interface USB
- Universal Serial Bus permite hoje ligar até 128 dispositivos a taxas muito altas (centenas de kbps).
MODOS DE OPERAÇÃO DO CANAL DE COMUNICAÇÃO
Existem três Modos de Operação possíveis para um Sistema de Comunicação: Simplex (transmissão unidirecional) Half - Duplex (transmissão bidirecional não- simultânea) e Full - Duplex (transmissão bidirecional simultânea).
No modo de operação Simplex, a comunicação só é permitida em um único sentido, a qualquer tempo; alguns exemplos: ligação entre uma Impressora e um Microcomputador; Sistema de TV e Rádio. No modo Half -Duplex, é permitida a
Esta definição de velocidade pode ser aplicada tanto às transmissões seriais quanto às paralelas.
Com relação à velocidade referenciada à sinalização, considera-se que um bit de informação pode ser representado por algum tipo de sinalização (nível de tensão, freqüência, etc...), que é mantida por um fixo e uniforme período de tempo, chamado de Tempo de Bit. O número, então, dessas sinalizações em um segundo, é adotado como velocidade daquela transmissão e foi criada uma unidade especial, o baud, provavelmente em memória a Jean Marie Emile Baudot, funcionário do Telégrafo Francês, a quem se atribui a criação do código BAUDOT, usado em telegrafia. É comum a referência a este tipo de velocidade como "Taxa de baud" ou "Baud Rate" do Sistema. Este tipo de definição é utilizado apenas em transmissões seriais, devido à sua própria característica e origem histórica, ou seja, o Telégrafo.
Vamos ver a seguir alguns exemplos para fixação do conceito.
Figura 7.
Exemplo:
-Se Tb = 0,005 s, então a Taxa de Transmissão é: Taxa = 1/0,005s = 200 bauds ou 200 bps
Aqui temos um exemplo onde existe um tipo de sinalização, no caso nível de tensão, para representar cada bit. O cálculo da velocidade é simples quando se conhece o Tempo de Bit - basta aplicar uma regra de três para se obter o resultado: Se um bit (ou uma sinalização) tem uma duração igual a Tb segundos, quantos bits (ou sinalizações) ocorrerão em 1 segundo? Basta inverter o Tempo de Bit para se obter o resultado. Neste caso é fácil verificar que a velocidade em bauds é igual à velocidade em bps, pois o número de sinalizações por segundo equivale ao de bits por segundo.
Temos agora, na figura ao lado, uma transmissão onde cada nível lógico é associado a uma freqüência diferente, ou seja, continuamos a ter a relação de um tipo de
sinalização (neste caso freqüência) para cada bit. O cálculo de velocidade se faz como o anterior, basta inverter o Tempo de Bit, aqui a taxa em baud também é a mesma em bps. Observe entretanto que "sinalização" não é sinônimo de freqüência ou nível de tensão.
Figura 8. Exemplo: -Se Tb = 0,005 s, então a Taxa de Transmissão é: Taxa = 1/0,005s = 200 bauds ou 200 bps
Mesmo possuindo distintas definições, as unidades bps e baud são muitas vezes utilizadas como sinônimas por muitos autores e publicações da área, pois em muitos sistemas, como visto nos exemplos anteriores, o seu valor numérico coincide; porém, podem apresentar valores muito distintos entre si para um sistema onde se empregue algum método especial de transmissão que inclua compactação de dados ou codificação especial, em que uma sinalização na linha possa representar mais de um bit de informação. Assim sendo, é fácil imaginar que se possa conseguir, por exemplo, com uma taxa de transmissão de 2400 bauds, um fluxo de dados de 9600 bps.
Como regra geral, utiliza-se a velocidade de transmissão medida em baud quando se está interessado em explicitar as características do sinal elétrico no meio de transmissão empregado, e utiliza-se o bps quando estamos mais interessados em explicitar o volume de dados enviados durante uma transmissão. Em nosso curso, como sempre utilizaremos sistemas onde cada bit é representado por um tipo de sinalização na linha, poderemos utilizar tanto uma unidade quanto a outra, sempre com a ressalva de que se trata de grandezas diferentes.
Modos de Sincronismo
Mesmo após definidos o tipo e velocidade de uma Transmissão Digital de Dados, um outro problema permanece: como que o Receptor pode estar sincronizado com o
Figura 10.
O método assíncrono consiste em acrescentar, para cada caracter a ser transmitido,
um bit de Espaço no início da transmissão, caracterizando a transição da linha de
repouso para atividade, e outro bit de Marca ao final da transmissão, para garantir a caracterização de uma transição de linha em atividade para repouso. Note que o
sincronismo existe apenas durante a transmissão de cada unidade transmitida, ou
caracter.
Figura 11.
O bit de espaço no início da transmissão é chamado de "Start Bit" , o bit de Marca ao
final é chamado de "Stop Bit", sendo muito comum utilizarem-se 2 ou 1,5 Stop Bits em
transmissões seriais. Se você achou estranhou utilizar 1,5 bit como Stop Bit, observe que, para os circuitos de hardware, o bit representa um nível de tensão e um tempo
(tempo de bit) de permanência dessa tensão; assim sendo, 1, 1,5 ou 2 Stop Bits
representam tempos que os circuitos de hardware devem aguardar para considerar
terminada a decodificação dos bits anteriormente recebidos.
Figura 12.
Figura 14.
Com relação às vantagens e desvantagens de um método sobre outro, é fácil verificar que a transmissão síncrona exige ao menos uma via a mais no meio de comunicação para o sinal de sincronismo, o que aumenta os custos; por outro lado, a transmissão assíncrona, feita à mesma velocidade de uma síncrona, tende a ser menos eficiente porque insere ao menos dois bits por caracter transmitido. Tanto uma técnica quanto outra podem ser encontradas em um ambiente de automação. Em nosso curso daremos ênfase a transmissões Seriais assíncronas.
Exercitando
Responda às seguintes questões:
O sinal elétrico medido na saída de um microfone dinâmico é analógico ou digital?
Podemos transmitir dados com 5,6 bits de comprimento pelo método Serial? Por quê?
Cite uma aplicação de transmissão Paralela.
Descreva o processo de transmissão Serial Assíncrona explicando a função dos Start e Stop Bits.
A leitura de dados numa memória RAM pela CPU pode ser considerado um exemplo de transmissão Paralela Síncrona? Por quê?
Numa transmissão Serial Assíncrona, onde o nível lógico "O" vale -5v e o nível "1" vale +5v, foram transferidos 500 caracteres ASCII de 8 bits em 0.5 segundo. Qual velocidade da transmissão? Se a transmissão fosse Síncrona, sem usar frames, os mesmos bytes serão transferidos em um tempo maior ou menor? Justifique.
Como o estudo das técnicas especiais para blindagem eletromagnética escapam ao escopo de nosso curso, estudaremos alguns tipos de distorções mais conhecidos e seus efeitos sobre o sinal elétrico que percorre um Meio de Transmissão. Vamos então analisar dois tipos mais comuns de distorção: em Amplitude e em Freqüência.
Distorção em Amplitude: Imunidade a Ruídos
Este tipo de distorção ocorre devido ao fato de que os ruídos elétricos externos acabam se somando à amplitude do sinal original que percorre o Meio. Um ruído elétrico pode ser causado por agentes externos, como nos casos de faiscamento em contatores, etc., ou por aquecimento nos circuitos de hardware; em todo caso é prudente conhecer bem o ambiente de trabalho antes de se fazer uma instalação.
Para entender porque a Distorção em Amplitude atrapalha a comunicação, vamos estudar um exemplo simples. Sabemos que os circuitos digitais de hardware, para interpretação correta dos bits, trabalham com níveis bem definidos de tensão, em lógica TTL. Por exemplo, um sinal digital para ser reconhecido como nível lógico "1" deve estar entre 2,4 e 5,0 volts e para nível lógico "0" deve estar entre 0 e 8 volts, existindo portanto uma região onde as tensões maiores que 0,8v e menores que 2,4 v não serão decodificadas como nível lógico, o que caracteriza a existência de uma faixa de Imunidade a Ruídos, no caso TTL de 1,6v, em que qualquer ruído será desprezado, como pode ser visto na figura abaixo.
Figura 16.
Essa faixa, entretanto, pode ser insuficiente para evitar alguns transtornos. Um exemplo dos problemas que podem ocorrer com um sinal em um meio inadequado pode ser visto abaixo. Nela vemos que o sinal original, por interferência do ruído elétrico externo que se soma ao sinal elétrico original, causa uma interpretação errônea no circuito de recepção; neste caso a faixa de imunidade ao ruído não foi suficiente para garantir correta decodificação do sinal e, como o meio de comunicação
não é 100% imune às interferências do ambiente que o circunda, devemos procurar a tecnologia mais adequada às condições de trabalho.
Figura 17. Distorção em Amplitude : Atenuação
A atenuação de amplitude de um sinal ao longo do meio de comunicação é outro tipo de influência que deve ser considerada. Ela está relacionada com a perda de potência do sinal ao longo do Meio devido principalmente à sua resistência elétrica. É muito importante conhecê-la pois um sinal que sofreu uma grande atenuação de amplitude poderá não ser corretamente detectado, ou nem identificado, pelos circuitos de hardware. Uma forma de mensurar essa perda de potência é através de uma relação entre a potência elétrica entregue ao meio e a potência recebida. Foi criado, então, o conceito de Ganho de Potência, cuja unidade é o Bell (B).
O Ganho de Potência em Bell é definido como:
Gp = log PentradaPsaida^ em Bell
Gp: Ganho de Potência (B)
Onde: P (^) saída: Potência de Saída (W)
P (^) entrada: Potência de Entrada (w)