1º Trabalho de Sistemas Embarcados

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA NÚCLEO DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO LABORATÓRIO DE AUTOMAÇÃO, SERVOMECNISMOS E CONTROLE 1ª Lista de Exercícios Sistemas Embarcados Aluno: Saulo Garcia Campos Professor: Dr. Fábio Vincenzi Romualdo da Silva UBERLÂNDIA  JUNHO DE 2011 

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA

FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA

NÚCLEO DE CONTROLE E AUTOMAÇÃOLABORATÓRIO DE AUTOMAÇÃO, SERVOMECNISMOS E CONTROLE

1ª Lista de ExercíciosSistemas Embarcados

Aluno: Saulo Garcia Campos

Professor: Dr. Fábio Vincenzi Romualdo da Silva

UBERLÂNDIA – JUNHO DE 2011 

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SAULO GARCIA CAMPOS

1ª LISTA DE EXERCÍCIOS: 

SISTEMAS EMBARCADOS 

Trabalho apresentado para avaliação nadisciplina de Sistemas Embarcados do cursode Mestrado em Engenharia Elétrica, daUniversidade Federal de Uberlândia,ministrado pelo Prof. Dr. Fábio VincenziRomualdo da Silva.

Universidade Federal de Uberlândia - UFU

Uberlândia — Junho de 2011 

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SUMÁRIO

Introdução ................................................................................................................................... 5 1ª Questão: Como funcionam e para que servem os dispositivos de entrada e saída

enumerados a seguir?.................................................................................................................. 6 1)  Portas de I/O .................................................................................................................... 6 2)  PWM ................................................................................................................................ 9 

Aplicações ........................................................................................................................ 10 3)  A/D e D/A ...................................................................................................................... 12 

2ª Questão: Como funcionam e para que servem as portas de comunicação serial enumeradas

abaixo? Onde elas podem ser utilizadas? ................................................................................. 16 1)  RS232 ............................................................................................................................ 16 

Definição de Sinais ........................................................................................................... 17 Aplicações ........................................................................................................................ 20 

2)  SPI ................................................................................................................................. 22 3)  USB; .............................................................................................................................. 24 

Concepção ........................................................................................................................ 26 História das Versões ......................................................................................................... 27 USB 1.1 ............................................................................................................................ 27 USB 2.0 ............................................................................................................................ 28 USB 3.0 ............................................................................................................................ 28 

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Alguns dispositivos .......................................................................................................... 29 4)  CAN; .............................................................................................................................. 29 

Os 4 Pilares Principais da CAN ........................................................................................ 30 Histórico ........................................................................................................................... 31 Conceituação Básica ......................................................................................................... 31 Formatos das Mensagens .................................................................................................. 33 Padrões Existentes ............................................................................................................ 34 Detecção de Falhas ........................................................................................................... 35 Aspectos de Implementação ............................................................................................. 36 

5)  ETHERNET .................................................................................................................. 39 Características Gerais ....................................................................................................... 41 Regras de Controle de Acesso ao Meio ............................................................................ 41 

6)  I2C ................................................................................................................................. 42 Projeto ............................................................................................................................... 42 

Referências ............................................................................................................................... 46 

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INTRODUÇÃO

Trabalho da disciplina Sistemas Embarcados para ser entregue até o dia 09/07/2011

Conforme SILVA: “É muito importante vocês estudarem e compreenderem melhor o

que é periférico e dispositivos de entrada e saída em um microcontrolador. Deste modo, segue

abaixo a descrição de um trabalho que vocês deverão realizar sobre o assunto.”1 

Este trabalho consiste em pesquisa realizada utilizando matérias da Internet. Os textos

foram adaptados dos autores alistados na sessão Referência.

1 SILVA, Fábio. Trabalho de Sistemas Embarcados para ser entregue até o dia 09/07/2011. Mensagem recebidapor <[email protected]> em 19 de Junho de 2011.

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1ª QUESTÃO: COMO FUNCIONAM E PARA QUE

SERVEM OS DISPOSITIVOS DE ENTRADA E SAÍDA

ENUMERADOS A SEGUIR?

1) Portas de I/O

De maneira a tornar o microcontrolador de alguma utilidade, o mesmo tem que estar

ligado a eletrônica adicional no seu exterior, tais como periféricos. Cada microcontrolador

tem um ou mais registos, chamados de Portas, ligados aos pinos do mesmo.

O porquê de I/O ( In / Out , Entrada/Saída), deve-se a que o usuário pode alterar a função

a seu bel prazer, e conforme a aplicação que se dará. Como exemplo, vamos supor que

queremos comandar três LEDs, e simultaneamente controlar o estado lógico de cinco botões:

algumas portas têm de ser configuradas para que haja três saídas e cinco entradas.

Esta configuração é simples e confortavelmente feita por software, o que significa, 

também, que a função pode ser alterada durante a operação (on-the-  fly).

Uma das mais importantes especificações dos pinos I/O, é a corrente máxima que os

mesmos podem suportar. Para a maioria dos microcontroladores, a corrente possível de ser

fornecida por um pino é a suficiente para ativar um LED, ou outro dispositivo similar de baixa

corrente (5-25mA). Se o microcontrolador tiver muitos pinos I/O, então a máxima corrente de

um só pino é menor. Resumidamente, não é possível que todos os pinos suportem a máxima

corrente, se houver mais de 80 pinos em total no microcontrolador. A corrente máxima

descrita nas especificações, é partilhada entre todos os portos I/O.

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Outra importante função é a de que podem ter resistências de “ pull-up” (polarização

positiva). Estas resistências ligam os pinos à alimentação positiva, e o seu efeito é visível

quando o pino está configurado como entrada.

As novas versões de microcontroladores já têm estas resistências configur áveis por

software.

Normalmente, cada porta I/O é controlada por um SFR (Special Function Register  -

Registo de Função Especial), o que significa que cada bit desse registo determina o estado do

pino correspondente do microcontrolador. Como exemplo, escrevendo 1 lógico no bit desse

SFR, o pino da porta correspondente é automaticamente configurado como entrada. De outra

maneira, escrevendo 0 lógico no SFR, o pino da porta correspondente é configurado comosaída. A tensão deste pino, 0v ou 5v, corresponde ao estado do correspondente bit do registo

da Porta.

Se escrevermos 0 em um bit de registo da Porta, esse pino apresentará 0v. Se,

inversamente, escrevermos 1 no mesmo bit, o pino já vai apresentar 5v.

Figura 1 - Portas Input/Output (Entrada/Saída)

Uma das mais importantes funcionalidades do microcontrolador é o número de pinos

I/O usados para ligação aos periféricos externos.

De maneira a que o funcionamento dos pinos I/O coincida com a organização a 8 bits,

todos eles estão, similarmente aos registos, agrupados em Portas denominadas A, B, C, D e E.

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Todas têm características em comum:

  Por razões práticas, a maioria dos pinos I/O têm várias funções. Se um pino é usado

para qualquer função, não pode ser usado como I/O;  Cada porta tem um par, isto é, o correspondente registo TRIS: TRISA, TRISB,

TRISC, TRISD e TRISE, que determina o funcionamento, mas não o conteúdo.

Limpando os bits do TRIS (bit=0), o correspondente pino da Porta é configurado como

Saída.

De igual forma, ativando os bits do TRIS (bit=1), o correspondente pino da Porta é

configurado como Entrada.

Esta regra é simples de memorizar: 0 = Output (Saída), 1 = Input (Entrada)

Figura 2 - Portas I/O - Entrada/Saída

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2) PWM

A Modulação por Largura de Pulso (MLP)  –  mais conhecida pela sigla em inglês

PWM (Pulse-Width-Modulation)  –  de um sinal ou em fontes de alimentação envolve a

modulação de sua razão cíclica (duty-cycle) para transportar qualquer informação sobre um

canal de comunicação ou controlar o valor da alimentação entregue a carga.

Sinais com frequência e duty-cycle variável, têm uma grande aplicação em automação.

Um exemplo típico é um circuito de controle de potência, que está na Figura 3. Se um estado

lógico 0 representa o interruptor desligado, e um estado lógico 1 representa o interruptor-

ligado, a energia que a carga consome, é diretamente proporcional à duração do pulso. Esta

relação é chamada de Duty-Cycle, ou ciclo-ativo.

Figura 3 - CCP2

em modo de PWM 

Outro exemplo muito comum é o uso de sinais PWM para gerar sinais ou formas de

onda arbitrárias como, por exemplo, uma onda senoidal, conforme Figura 4. 

2  Capture/Compare/PWM  - Captura/Compara/PWM - O módulo CCP é um periférico que permite, aoprogramador, controlar e medir o tempo de diversos eventos.

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Figura 4 - CCP em modo de PWM, com  filtragem

Dispositivos que funcionam desta maneira, são frequentemente usados como

reguladores comutados, que controlam o funcionamento de motores: velocidade, aceleração,

desaceleração, etc.

Aplicações

Transferência de potência

PWM é também utilizada para variar o valor da transferência de potência entregue a

uma carga sem as perdas ocorridas normalmente devido à queda de tensão por recursos

resistivos. Em um sistema PWM, a chave de estado sólido (normalmente IGBT, MOSFET ou

transistor bipolar) usada para controlar o fluxo de corrente: ora não conduzindo corrente, oraconduzindo, mas provocando uma queda de tensão muito baixa; como a potência instantânea

dissipada pela chave é o produto da corrente pela tensão elétrica a um dado instante, isso

significa que nenhuma potência é dissipada se a chave fosse uma chave "ideal". Com uma

taxa de modulação suficientemente elevada, simples filtros RC são frequentemente utilizados

para suavizar o trem de pulsos em uma tensão analógica estável. Esse método é normalmente

empregado no controle de velocidade de motores de corrente contínua.

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Figura 5 - Sinal PWM simulando uma tensão alternada senoidal sobre uma carga resistiva.

Os limites de potência de PWM também são empregados em dimmers de luz comuns

em habitações. Neste caso, a eletricidade modulada é de corrente alternada (CA). Um simples

ajuste na quantidade de luminosidade pode ser implementado estabelecendo-se a que tensão

do ciclo CA o dimmer começa a conduzir a eletricidade à lâmpada (usando um triac). Como ociclo ativo da modulação é o mesmo que a frequência da linha, (60Hz no Brasil), o olho

humano "enxerga" somente a intensidade média

 Regulação de tensão

O PWM é utilizado em reguladores de tensão eficientes. Pelo chaveamente de tensão na

carga, com a razão cíclica apropriada, a saída se aproximará do nível de tensão desejado. O

ripple da tensão chaveada normalmente é filtrado com um indutor e um capacitor. Um método

mede a tensão de saída. Quando seu nível é menor que a tensão desejada, a chave é ligada.

Quando a tensão de saída é maior que a tensão desejada, a chave é desligada.

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3) A/D e D/A

Conversor Analógico-Digital (A/D)

Os sinais externos são, normalmente, diferentes dos que o microcontroladorcompreende (1’s e 0’s). Devido a isto, os sinais têm que ser convertidos para linguagem

compatível. Um Conversor de Analógico para Digital é um circuito que converte sinais

contínuos, para números digitais. Este circuito é, então, usado para converter um valor

analógico para um número binário e enviá-lo ao CPU para processamento. Posto por outras

palavras, este módulo é usado para medir tensões presentes no pino. O resultado da medida é

um número de valor digital usado e processado pelo programa.

Figura 6 - Conversor A/D

Além de linhas digitais de I/O, o microcontrolador tem ainda entradas analógicas. Estas

possibilitam ao microcontrolador reconhecer, não só os estados lógicos 0 e 1, bem como fazer

a medição precisa da sua tensão e converte-la para um valor digital. Todo o procedimento

acontece no módulo conversor A/D, que tem as seguintes características:

  O conversor gera um resultado binário de, por exemplo, 10 bits, usando o método de

aproximação sucessiva (SAR), e armazena o resultado nos registos ADRESL e

ADRESH;

  Disponibiliza entradas analógicas;

  O conversor possibilita a conversão de um sinal analógico, para um número binário

de, por exemplo, 10 bits;

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  Escolhendo tensões diferentes para o Vref- e Vref+, a resolução mínima, ou qualidade

de conversão, pode ser ajustada à necessidade do projeto.

Por exemplo, um conversor A/D de 10 bits, preparado para um sinal de entradaanalógica de tensão variável de 0V a 5V pode assumir os valores binários de 0 (0000000000)

a 1023 (1111111111), ou seja, é capaz de capturar 1024 níveis discretos de um determinado

sinal. Se o sinal de entrada do suposto conversor A/D estiver em 2,5V, por exemplo, o valor

binário gerado será 512.

Figura 7  – Esquema de codificação de um ADC de 8-níveis

 Anti-aliasing

Como os conversores são limitados em banda, ou seja, trabalham apenas em uma faixa

específica de frequência, normalmente [0,fN], onde fN representa o dobro da frequência domaior sinal passível de ser adquirido (fN/2 - frequência de Nyquist), normalmente utiliza-se

um filtro passa-baixas com a finalidade de evitar que amplitudes de harmônicas de alta

frequência apareçam na entrada do conversor.

Conversor Digital-Analógico (D/A)

Um Conversor Digital-Analógico é um circuito eletrônico capaz de converter uma

grandeza digital (por exemplo, um código binário) em uma grandeza analógica (normalmente

uma tensão ou uma corrente).

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Na Eletrônica Digital, conversores são circuitos que transformam grandezas analógicas

em digitais ou vice-versa. Isto é uma necessidade imposta pela prática. Em muitos casos, há

grandezas analógicas que precisam ser convertidas em digitais, como, por exemplo, a saída de

tensão de um sensor de temperatura de um termômetro digital. Em outros casos, a operação

inversa é usada.

Figura 8  – Um diagrama funcional simplificado de um DAC de 8-bit 

 Estudo comparativo

Sinais gerados por circuitos analógicos são muitas vezes processados por circuitos

digitais, por exemplo, por um microcontrolador ou por um microcomputador.

Para processar sinais analógicos usando circuitos digitais, deve-se efetuar uma

conversão para essa última forma, a digital. Tal conversão é efetuada por um Conversor

Analógico-Digital (" A/D converter " ou ADC).

O sinal recebido, depois de digitalizado, é processado e, na maioria das vezes, será

utilizado para atuar sobre o circuito analógico que gerou o sinal original ou até mesmo sobre

outro circuito.

Por isso, um sinal na forma digital, para ser processado por um bloco funcional

analógico, deve ser previamente convertido (ou reconvertido) para a forma analógica

equivalente.

Um sistema que aceita uma palavra digital como entrada e traduz ou converte o valor

recebido para uma voltagem ou corrente analógicas proporcionais à entrada é chamado de

Conversor digital-analógico (" D/A converter " ou DAC).

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Figura 9 - Sinal idealmente amostrado

Figura 10 - Saída constante por partes de um DAC convencional prático

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2ª QUESTÃO: COMO FUNCIONAM E PARA QUE

SERVEM AS PORTAS DE COMUNICAÇÃO SERIAL

ENUMERADAS ABAIXO? ONDE ELAS PODEM SERUTILIZADAS?

1) RS232

RS232 (USART): Porta Série que permite os modos síncronos e

assíncronos.

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 computadorremotos, 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 ideias 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 denome de RS232 para EIA232, algumas linhas de sinais foram renomeadas e várias linhas

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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:

  A ausência ou conexão errada de sinais de controle resulta em estouro do buffer

(“overflow”) ou travamento da comunicação.

  Função incorreta de comunicação para o cabo em uso resulta 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.

Definição de Sinais

Se a norma EIA232 completa for implementada, o equipamento que faz o

processamento dos sinais é chamado DTE (  Data Terminal Equipment   –  usualmente um

computador ou terminal), tem um conector DB25 macho, e utiliza 22 dos 25 pinos disponíveis

para sinais ou terra. O equipamento que faz a conexão (normalmente uma interface com a

linha telefônica) é denominado de DCE ( Data Circuit-terminating Equipment   – usualmente

um modem), tem um conector DB25 fêmea, e utiliza os mesmos 22 pinos disponíveis para

sinais e terra. Um cabo de conexão entre dispositivos DTE e DCE contém ligações em

paralelo, não necessitando mudanças na conexão de pinos. Se todos os dispositivos seguissem

essa norma, todos os cabos seriam idênticos, e não haveria chances de haver conexões

incorretas.

Figura 11 - Cabo de conexão entre dispositivos DTE e DCE 

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Figura 12 - Exemplo de comunicação DTE-DCE 

Na Figura 13 é apresentada a definição dos sinais para um dispositivo DTE (usualmente

um micro PC). Os sinais mais comuns são apresentados em negrito.

Figura 13 - Conector DTE 

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Na Figura 14 é apresentada a definição dos sinais para um dispositivo DCE (usualmente

um modem). Os sinais mais comuns são apresentados em negrito.

Figura 14 - Conector DCE 

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

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comunicação, efetuando um pedido de retransmissão se erros de paridade forem detectados, e

outras funções de controle.

Os sinais de temporização de transmissão e recepção são utilizados somente quando oprotocolo de transmissão utilizado for síncrono. Para protocolos assíncronos, padrão 8 bits, os

sinais de temporização externos são desnecessários.

Os nomes dos sinais que implicam em uma direção, como “Transmit Data” e “ Receive

 Data”, são nomeados do ponto de vista dos dispositivos DTE. Se a norma EIA232 for seguida

a risca, estes sinais terão o mesmo nome e o mesmo número de pino do lado do DCE.

Infelizmente, isto não é feito na prática pela maioria dos engenheiros, provavelmente porque

em alguns casos torna-se difícil definir quem é o DTE e quem é o DCE. A Figura 15 seguirapresenta a convenção utilizada para os sinais mais comuns.

Figura 15 - Convenção utilizada para os sinais DCE e DTE 

Aplicações

Este padrão foi originalmente usado para conectar um teletipo (equipamento

eletromecânico de comunicação assíncrona que usava código ASCII) a um modem. Quando

terminais eletrônicos (burros ou não) começaram a ser usados, eram projetados para serem

intercambiáveis com as teletypewriters, e também suportavam RS-232. A terceira revisão

deste padrão (chamada de RS-232C) fora publicada em 1969, em parte para adequar-se às

características elétricas destes dispositivos. Deste modo, fora utilizado em diversos tipos de

comunicação remota, especialmente por modems. Posteriormente PCs (e outros

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equipamentos) começaram a utilizar este padrão para comunicação com equipamentos já

existentes. Quando a IBM lançou computadores com uma porta RS-232, esta interface tornou-

se realmente onipresente. Por muitos anos o padrão para comunicação serial em quase todos

os computadores era algum tipo de porta RS-232. Continuou sendo utilizado em grande escala

até o fim dos anos 90. Durante este tempo esta foi a maneira padrão para a conexão de

modems.

Uma exceção eram os mainframes, que geralmente não se comunicavam diretamente

com dispositivos terminais. Estes costumavam ter processadores especializados em I/O

conectados a eles, por exemplo, alguns mainframes da IBM possuíam uma unidade de

controle de telecomunicação (TCU - Telecommunication Control Unit , Unidade de Controle

de Telecomunicação) anexados a seus canais multiplexadores. O TCU deveria suportar

múltiplos terminais, às vezes centenas. Vários desses TCUs suportavam RS-232 quando

necessário, assim como outras interfaces seriais.

Há alguma confusão sobre o que a EIA ( Eletronics Industries Alliance) padronizou no

RS-232. Este padrão apenas especifica características elétricas dos circuitos e a numeração

dos pinos. Outras características como o conector em forma de “D”, o uso de código ASCII,

formato dos dados e comunicação assíncrona não são parte do RS-232, a palavra “padrão”,porém, é utilizada geralmente quando todas estas características aparecem juntas, de modo a

tornarem-se efetivamente obrigatórias. Foram construídas em torno de 100.000

teletypewriters (33-ASR) e milhares de PCs feitos toda semana, todos eles podem atuar como

teletypewriters virtuais. Uma única característica que era utilizada em teletypewriters e que

fora abandonada é que uma teletypewriter real requer dois bits de parada para trabalhar de

modo satisfatório, deste modo um caractere ocupava 11 bits. Por isso teletypewriters de 100

palavras por minuto transmitiam a 110 bauds. Hoje em dia utiliza-se apenas um bit de parada.Sendo que trataremos aqui uma simulação de um 33-ASR, não o documento RS-232.

A IBM favoreceu o uso do código EBCDIC de oito bits ao invés do ASCII com sete

bits, favoreceu também um formato de transmissão “big endian” ao invés do formato “little

endian” do ASCII. A IBM ofereceu suporte a esses outros formatos de modo que, para

transmitir caracteres “little endian”, o mainframe precisaria somente inverter cada caractere

usando uma instrução para tradução de bloco. Os primeiros teletypewriters tinham três linhas

de teclas e suportavam somente letras maiúsculas. Elas utilizavam o código Baudot e,geralmente, trabalhavam a taxas de 60 palavras por minuto. Os equipamentos com teclados de

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quatro linhas, código ASCII e letras maiúsculas e minúsculas começaram a aparecer quando

computadores pessoais se popularizaram. Os circuitos integrados de comunicação serial

UART, introduzidos no início dos anos 70, continuam sendo emulados por muitos chipsets e

ainda suportam os primeiros formatos, incluindo 1,5 bits de parada. Contudo tais recursos são

raramente utilizados.

A importância de portas seriais começou a decrescer gradualmente quando redes de alta

velocidade tornaram-se disponíveis para comunicação PC com PC. Hoje é comum utilizar

conexões Ethernet Base 10, 100 ou 1000. Num futuro próximo, velocidades ainda maiores

serão comuns.

2) SPI

SPI (Serial Peripheral Interface): Porta de dados série.

SPI (Serial Peripheral Interface Bus) é um sistema de comunicação série, que usa até

4 condutores: um para receber dados, outro para enviar dados, um para sinal de relógio, e em

alternativa outro para escolher com qual dos dispositivos o Mestre vai comunicar. É uma

ligação Full-Duplex, o que significa que o envio e a recepção podem ser feitas

simultaneamente. O Baud Rate máximo é superior a uma ligação I2C.

Figura 16 - Comunicação SPI 

Serial Peripheral Interface ou SPI  é um protocolo que permite a comunicação do

microcontrolador com diversos outros componentes, formando uma rede. Em modo

“escravo”, o microcontrolador comporta-se como um componente da rede, recebendo o sinal

de relógio. Em modo “mestre”, o microcontrolador gera um sinal de relógio e deve ter um

pino de entrada/saída para habilitação de cada periférico.

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23

O protocolo SPI (Serial Peripheral Interface) foi desenvolvido pela Motorola para a

linha de processadores da família MC68K. O SPI é um protocolo de comunicação síncrono e

opera no modo full-duplex.

O protocolo SPI é composto por 4 sinais, são eles:

  Sinais de dados: MOSI ( M aster data Output, Slave data  I nput ) e MISO (Master

dataInput, Slave data Output) são responsáveis pela transferência de dados entre o

master e o slave.

  Sinais de controle: SCLK (Serial Clock) e SS (Slave Select).

Figura 17  – Comunicação entre o dispostivo mater e o slave utilizando o protocolo SPI 

Figura 18 - Comunicação entre o dispostivo master e vários dispositivos

slave utilizando o protocolo SPI.

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24

Note que a seleção é feita pelo pino SS, no caso da comunicação de um master com

diversos dispositivos slaves, requerem do microcontrolador um número grande de pinos de

seleção.

Figura 19  – Diagrama no tempo mostrando fase e polaridade do clock 

O protocolo de comunicação é muito simples, não requer uma programação complicada.

Por isso mesmo, este protocolo permite velocidade de comunicação mais alta que o I

2

C.

A lista de componentes que utilizam o protocolo SPI é muito extensa. A seguir, serão

alistados alguns desses componentes.

  EEPROM e Flash (AT250X0, 25LCXX, NM93CXX, AT45D0XX, NX25FXX)

  ADC (ADS1210, ADS1212, ADS1286, ADS7834, ADS8321, CS5531)

  DAC (AD5530, AD7394, AD8303, DAC8143, TLV5636, TLV5627, TLV5618)

  RTC (NM25CXX, MC68HC86T1)  Controlador CAN (82527, MCP2510)

  Microcontrolador, DSP, Controlador USB, Sensor de Temperatura, etc..

3) USB;

USB (Universal Serial Bus)

Universal Serial Bus (USB) é um tipo de conexão “ligar e usar ” 

que permite a conexão de periféricos sem a necessidade de desligar o

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computador.

Antigamente, instalar periféricos em um computador obrigava o usuário a abrir a

máquina, o que para a maioria das pessoas era uma tarefa quase impossível pela quantidadede conexões internas, que muitas vezes eram feitas através de testes perigosos para o

computador, sem falar que na maioria das vezes seria preciso configurar jumpers e

interrupções IRQs, tarefa difícil até para profissionais da área.

O surgimento do padrão PnP (Plug and Play) diminuiu toda a complicação existente na

configuração desses dispositivos. O objetivo do padrão PnP foi tornar o usuário sem

experiência capaz de instalar um novo periférico e usá-lo imediatamente sem mais delongas.

Mas esse padrão ainda era suscetível a falhas, o que causava dificuldades para algunsusuários.

O USB Implementers Forum foi concebido na óptica do conceito de Plug and Play,

revolucionário na altura da expansão dos computadores pessoais, feito sobre um barramento

que adota um tipo de conector que deve ser comum a todos os aparelhos que o usarem, assim

tornando fácil a instalação de periféricos que adotassem essa tecnologia, e diminuiu o esforço

de concepção de periféricos, no que diz respeito ao suporte por parte dos sistemas

operacionais (SO) e hardware. Assim, surgiu um padrão que permite ao SO e à placa-mãe

diferenciar, transparentemente:

  A classe do equipamento (dispositivo de armazenamento, placa de rede, placa de som,

etc);

  As necessidades de alimentação elétrica do dispositivo a uma distância de ate 5 metros

sem a necessidade de outro equipamento, caso este não disponha de alimentação

própria;  As necessidades de largura de banda (para um dispositivo de vídeo, serão muito

superiores às de um teclado, por exemplo);

  As necessidades de latência máxima;

  Eventuais modos de operação internos ao dispositivo (por exemplo, máquina digital

pode operar, geralmente, como uma webcam ou como um dispositivo de

armazenamento - para transferir as imagens).

Ainda, foi projetado de maneira que possam ser ligados vários periféricos pelo mesmo

canal (i.e., porta USB). Assim, mediante uma topologia em árvore, é possível ligar até 127

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dispositivos a uma única porta do computador, utilizando, para a derivação, hubs

especialmente concebidos, ou se, por exemplo, as impressoras ou outro periféricos existentes

hoje tivessem uma entrada e saída usb, poderíamos ligar estes como uma corrente de até 127

dispositivos, um ligado ao outro, os quais o computador gerenciaria sem nenhum problema,

levando em conta o tráfego requerido e velocidade das informações solicitadas pelo sistema.

Estes dispositivos especiais (os hubs anteriormente citados) - estes também dispositivos USB,

com classe específica -, são responsáveis pela gestão da sua sub-árvore e cooperação com os

nós acima (o computador ou outros hubs). Esta funcionalidade foi adaptada da vasta

experiência em redes de bus, como o Ethernet - o computador apenas encaminhará os pacotes

USB (unidade de comunicação do protocolo, ou URB, do inglês Uniform Request Block ) para

uma das portas, e o pacote transitará pelo bus até ao destino, encaminhado pelos hubs

intermediários.

Concepção

O padrão USB foi desenvolvido por um consórcio de empresas, entre as quais

destacam-se: Microsoft, Apple, Hewlett-Packard, NEC, Intel e Agere.

Foi muito difícil para estas empresas encontrar um consenso sobre a abordagem do

controlador. Dividiram-se então as opiniões, formando dois grupos distintos:

  UHCI, Universal Host Controller Interface, apoiado majoritariamente pela Intel, que

transferia parte do processamento do protocolo para o software (driver ), simplificando

o controlador eletrônico;

  OHCI, Open Host Controller Interface, apoiado pela Compaq, Microsoft e National

Semiconductor, que transferia a maior parte do esforço para o controlador eletrônico,

simplificando o controlador lógico (driver).

Isto gerou algumas incompatibilidades e lançou a ameaça de dispersão do padrão. Pela

experiência anterior em casos de adaptação de padrões (como o caso das extensões

individualistas do HTML da Microsoft e da Netscape à versão 3 deste protocolo que,

frequentemente, quebrava a compatibilidade entre sites), agora podia-se confirmar a

desvantagem de não se conseguir a universalização. Porém, traria novas conclusões para a

versão 2.0 deste protocolo, desta vez unidos sob o modelo EHCI,  Enhanced Host Controller 

 Interface, permitindo colmatar as falhas e reunir as qualidades dos dois modelos anteriores;mas sem dúvida, o avanço notável desta versão seria o aumento da largura de banda

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disponível - tornava-se agora possível, com um único driver, transferir som, vídeo e ainda

assim usar a impressora, tudo isso pelo mesmo canal - até um total de 480 Megabit/s no usb

2.0, e 4,8 Gigabit/s no usb 3.0.

História das Versões

  USB 0.7: Lançado em novembro de 1994.

  USB 0.8: Lançada em dezembro de 1994.

  USB 0.9: Lançada em abril de 1995.

  USB 0.99: Lançado em agosto de 1995.

  USB 1.0: Lançado em janeiro de 1996, com taxas de transferência de dados de 1,5

Mbit / s (baixa velocidade) e 12 Mbit / s (Velocidade máxima).  USB 2.0: Lançado em abril de 2000 com a velocidade de 480 Mbps.

  USB 3.0: Lançado em setembro de 2009 com a velocidade de 4,8 Gbps.

Tabela 1 - Comparativo entres as versões USB

Versão do USB 1.0 1.1 2.0 3.0

Ano de Lançamento 1996 1998 2000 2009

Taxa de Transferência 1,5 Mbps - 12 Mbps 480 Mbps 4,8 Gbps

Alimentação elétrica 5V - 500 mA 5V - 900 mA

USB 1.1

O padrão 1.1 foi lançado em 1998 para corrigir problemas encontrados no padrão 1.0.

Ao ser lançado o padrão USB 1.1 trouxe uma série de vantagens pois graças a uma interface

única, a tarefa de conectar diversos tipos de aparelho ao computador tornou-se mais fácil, e

aumentou o diversificação de tipos de periféricos, porém tinha como um grande ponto fraco a

baixa velocidade na transição de dados (1,5 a 12 Mbps), elevado em consideração as portas

seriais, mas muito deficiente em relação a outros tipos de barramentos como o SCSI (80 a 160

Mbps) e o FireWire, principal concorrente cujo o maior desenvolvedor era a Apple. Até então

a baixa transição não era um agravante para as aplicações da época, mas à medida que o uso

crescia aumentava a necessidade de taxas maiores na transferência de dados entre umdispositivo e o computador, prejudicando o uso de equipamentos como HDs removíveis,

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gravadores de DVDs externos, e scanner de alta resolução tornando-se nesse necessário o

upgrade do padrão.

USB 2.0O padrão USB 2.0 foi lançado em abril de 2000 com a velocidade de 480 Mbps, o

equivalente a cerca de 60 MB por segundo. O conector continuou sendo o mesmo da versão

anterior, totalmente compatível com dispositivos que funcionam com o USB 1.1, mas nesse

caso com a mesma velocidade de transferência reduzida do padrão 1.1. Isso ocorre porque o

barramento USB 2.0 tentará se comunicar à velocidade de 480 Mbps. Se não conseguir,

tentará a velocidades mais baixas até obter êxito.

Uma outra novidade importante é que, a partir dessa versão, os fabricantes poderiam

adotar o padrão em seus produtos sem a obrigatoriedade de pagar uma licença de uso da

tecnologia. Esse foi um fator importante para a ampliação de novos periféricos que usam a

tecnologia e o barateamento desses periféricos.

O lançamento do USB 2.0 também trouxe outra vantagem: o padrão FireWire foi

padronizado principalmente para trabalhar com aplicações que envolvem vídeo e áudio, mas

como a velocidade do USB 2.0 supera a velocidade das primeiras implementações do

FireWire, ele também se tornou uma opção viável para aplicações multimídia, o que

aumentou seu leque de utilidades.

USB 3.0

Mantendo praticamente a mesma arquitetura e a mesma praticidade do USB 2.0, a sua

designação comercial será USB SuperSpeed.

Caracteriza-se principalmente por um aumento das velocidades de transferência que

será de 4,8 Gigabits por segundo, o equivalente a mais ou menos 614.4MiB/segundo, e ser

full-duplex (transferindo dados bidirecionalmente, capacidade semelhante às ligações de

rede).

Encontra-se disponível as especificações da versão 3.0. Espera-se que comece a circular

em 2010, que seja norma generalizada em 2011/2012, tendo sido recentemente anunciado

pela empresa Buffalo, para o fim do mês de Outubro de 2009, o lançamento de um disco

rígido externo que emprega a plataforma USB 3.0 Primeiro HD com USB 3.0.

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Alguns dispositivos

Entre os mais conhecidos dispositivos que utilizam-se da interface USB estão:

  Webcam  Teclado

  Mouse

  Unidades de armazenamento (HD, Pendrive, CD-ROM)

  Joystick

  Gamepad

  PDA

  Câmera digital

  Impressora

  Placa-de-Som

  Modem

  MP3 Player

  Alguns dispositivos usam apenas a alimentação eléctrica da USB sem nenhuma função

de comunicação ou controle. São exemplos: pequenas luminárias eventiladores.

  Adaptadores Bluetooth

4) CAN;

CAN (Controller Area Network )

As redes CAN (Controller Area Network ), as quais são um tipo de NCS ( Network 

Controller System), consistem em redes que abrangem um espaço geográfico de umaPersonal Area Network  às LAN (  Local Area Network ) dependendo do propósito a ser

utilizado. Pelo fato das CANs basearem-se na aplicação de sistemas real-time (sistemas em

que as informações são transmitidas em tempo real) é necessário um controle rígido de erros e

garantia de recebimento de mensagens.

As CANs baseam-se no conceito do uso de mensagens geradas por broadcast contendo

um dispositivo central controlador de mensagens.

É também um padrão de barramento que possibilita a comunicação de

microcontroladores e dispositivos entre si sem a necessidade de um computador host.

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Os 4 Pilares Principais da CAN

Baseada nesses 4 pilares as CANs trabalham com uma topologia da rede física em

estrela e lógica em barramento, enviando suas mensagens em broadcast.

1º Implementação de Hardware:

O meio de transmissão para as redes CAN influencia diretamente no funcionamento e

no envio correto das mensagens, uma vez que estas precisam ser confiáveis e em alta

velocidade.

A topologia física da rede também precisa ser analisada com cuidado. O comprimento

de cada ramo do “Chicote Elétrico” deve seguir a norma CAN, do contrário, a propagação das

mensagens pode ser prejudicada.

 2º Simples Transmissão:

As CANs devem funcionar mesmo caso haja falha no link, assim, uma CAN

transmitindo por 2 pares de cabo é capaz de operar normalmente somente com 1 par.

 3º Controle de Erro:

O controle de erro do protocolo CAN é o mais interessante e principal característica

desse tipo de rede. Como as CANs são utilizadas em sistemas sensíveis a falha o controle deerro é feito pelos próprios dispositivos.

 4º Ótimo confinamento de falhas:

A danificação de um dispositivo pode resultar no envio de mensagens de erro na rede,

assim, prejudicando a largura de banda.

Este mecanismo de controle de erros garante que as mensagens sinalizadoras de eventos

críticos possam ser enviadas com sucesso garantindo a integridade do sistemas. Apesar dasmensagens serem enviadas em broadcast, as colisões não são destrutivas como nas redes

Ethernet, sendo em todas as mensagens transmitidas com um bit recessivo e outro dominante

ao qual tem prioridade na transmissão. Quando duas mensagens são enviadas no meio, a

mensagem com maior prioridade continua a ser transmitida enquanto a com o bit recessivo, de

menor prioridade, é abortada a transmissão pelo dispositivo originador do sinal.

As mensagens bloqueadas são retransmitidas pelo controlador central.

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Histórico

O CAN Bus (ou Barramento Controller Area Network ) foi desenvolvido pela empresa

alemã Robert BOSCH e disponibilizado em meados dos anos 80. Sua aplicação inicial foi

realizada em ônibus e caminhões. Atualmente, é utilizado na indústria, em veículos

automotivos, navios e tratores, entre outros.

Conceituação Básica

O CAN é um protocolo de comunicação serial síncrono. O sincronismo entre os

módulos conectados a rede é feito em relação ao início de cada mensagem lançada ao

barramento (evento que ocorre em intervalos de tempo conhecidos e regulares).

Trabalha baseado no conceito multi-mestre, onde todos os módulos podem se tornar

mestre em determinado momento e escravo em outro, além de suas mensagens serem

enviadas em regime  multicast, caracterizado pelo envio de toda e qualquer mensagem para

todos os módulos existentes na rede.

Outro ponto forte deste protocolo é o fato de ser fundamentado no conceito CSMA/CD

with NDA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection with Non-Destructive

 Arbitration). Isto significa que todos os módulos verificam o estado do barramento,analisando se outro módulo está ou não enviando mensagens com maior prioridade. Caso isto

seja percebido, o módulo cuja mensagem tiver menor prioridade cessará sua transmissão e o

de maior prioridade continuará enviando sua mensagem deste ponto, sem ter que reiniciá-la.

Outro conceito bastante interessante é o NRZ ( Non Return to Zero), onde cada bit (0 ou

1) é transmitido por um valor de tensão específico e constante.

A velocidade de transmissão dos dados é inversamente proporcional ao comprimento

do barramento. A maior taxa de transmissão especificada é de 1Mbps considerando-se um

barramento de 40 metros. A Figura 20 representa a relação entre o comprimento da rede

(barramento) e a taxa de transmissão dos dados.

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Figura 20 - a relação entre o comprimento da rede (barramento) e a taxa de transmissão dos dados

Considerando-se fios elétricos como o meio de transmissão dos dados, existem trêsformas de se constituir um barramento CAN, dependentes diretamente da quantidade de fios

utilizada. Existem redes baseadas em 1, 2 e 4 fios. As redes com 2 e 4 fios trabalham com os

sinais de dados CAN_H (CAN High) e CAN_L (CAN Low). No caso dos barramentos com

4 fios, além dos sinais de dados, um fio com o VCC (alimentação) e outro com o GND

(referência) fazem parte do barramento, levando a alimentação às duas terminações ativas da

rede. As redes com apenas 1 fio têm este, o fio de dados, chamado exclusivamente de linha

CAN.

Considerando o CAN fundamentado em 2 e 4 fios, seus condutores elétricos devem ser

trançados e não blindados. Os dados enviados através da rede devem ser interpretados pela

análise da diferença de potencial entre os fios CAN_H e CAN_L. Por isso, o barramento CAN

é classificado como Par Trançado Diferencial. Este conceito atenua fortemente os efeitos

causados por interferências eletro-magnéticas, uma vez que qualquer ação sobre um dos fios

será sentida também pelo outro, causando flutuação em ambos os sinais para o mesmo sentido

e com a mesma intensidade. Como o que vale para os módulos que recebem as mensagens é a

diferença de potencial entre os condutores CAN_H e CAN_L (e esta permanecerá inalterada),

a comunicação não é prejudicada.

No CAN, os dados não são representados por bits em nível “0” ou nível “1”. São

representados por bits Dominantes e bits Recessivos, criados em função da condição

presente nos fios CAN_H e CAN_L. A Figura 21 ilustra os níveis de tensão em uma rede

CAN, assim como os bits Dominantes e Recessivos.

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Figura 21 - Níveis de tensão em uma rede CAN 

Como mencionado no início, todos os módulos podem ser mestre e enviar suas

mensagens. Para tanto, o protocolo é suficientemente robusto para evitar a colisão entre

mensagens, utilizando-se de uma arbitragem bit a bit não destrutiva. Podemos exemplificar

esta situação, analisando o comportamento de dois módulos enviando, ao mesmo tempo,

mensagens diferentes. Após enviar um bit, cada módulo analisa o barramento e verifica se

outro módulo na rede o sobrescreveu (vale acrescentar que um bit Dominante sobrescreve

eletricamente um Recessivo). Um módulo interromperá imediatamente sua transmissão, caso

perceba que existe outro módulo transmitindo uma mensagem com prioridade maior (quando

seu bit recessivo é sobrescrito por um dominante). Este módulo, com maior prioridade,

continuará normalmente sua transmissão.

Formatos das Mensagens

Existem dois formatos de mensagens no protocolo CAN:

CAN 2.0A  –     Mensagens com identificador de 11 bits. É possível ter até 2048

mensagens em uma rede constituída sob este formato, o que pode caracterizar uma limitação

em determinadas aplicações. A Figura 22 apresenta o quadro de mensagem do CAN 2.0A.

Figura 22 - Quadro de mensagem do CAN 2.0A

CAN 2.0B  –   Mensagens com identificador de 29 bits. É possível ter, aproximadamente,

537 milhões de mensagens em uma rede constituída sob este formato. Percebe-se que a

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limitação em virtude da quantidade de mensagens não mais existe. Por outro lado, o que pode

ser observado em alguns casos é que, os 18 bits adicionais no identificador aumentam o

tempo de transmissão de cada mensagem, o que pode caracterizar um problema em

determinadas aplicações que trabalhem em tempo-real (problema conhecido como overhead ).

A Figura 23 apresenta o quadro de mensagem do formato CAN 2.0B.

Figura 23 - Quadro de mensagem do formato CAN 2.0B

Padrões Existentes

Os fundamentos do CAN são especificados por duas normas: a ISO11898 e a

ISO11519-2. A primeira, ISO11898, determina as características de uma rede trabalhando

com alta velocidade de transmissão de dados (de 125Kbps a 1Mbps). A segunda, ISO11519-

2, determina as características de uma rede trabalhando com baixa velocidade (de 10Kbps a

125Kbps).

Ambos os padrões especificam as camadas Física e de Dados, respectivamente 1 e 2 se

considerado o padrão de comunicação OSI de 7 camadas (ISO7498). As demais camadas, da

3 à 7, são especificadas por outros padrões, cada qual relacionado a uma aplicação específica.

Existem diversos padrões fundamentados no CAN, dentre os quais podemos destacar:

  NMEA 2000: Baseado no CAN 2.0B e utilizado em aplicações navais e aéreas.

  SAE J1939: Baseado no CAN 2.0B e utilizado em aplicações automotivas,

especialmente ônibus e caminhões.

  DIN 9684 – LBS: Baseado no CAN 2.0A e utilizado em aplicações agrícolas.

  ISO 11783: Baseado no CAN 2.0B e também utilizado em aplicações agrícolas.

Estes padrões especificam o equivalente às camadas de Rede (3), Transporte (4), Sessão

(5), Apresentação (6) e Aplicação (7), do padrão OSI, incluindo-se as mensagens pertinentes

ao dicionário de dados de cada aplicação em especial.

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Detecção de Falhas

Algumas das maiores vantagens do CAN é a sua robustez e a capacidade de se adaptar

às condições de falha, temporárias e/ou permanentes. Podemos classificar as falhas de uma

rede CAN em três categorias ou níveis: Nível de Bit, Nível de Mensagem e Nível Físico.

 Nível de Bit

Possui dois tipos de erro possíveis:

   Bit Monitoring: Após a escrita de um bit dominante, o módulo transmissor verifica o

estado do barramento. Se o bit lido for recessivo, significará que existe um erro no

barramento.

   Bit Stuffing: Apenas cinco bits consecutivos podem ter o mesmo valor (dominante ou

recessivo). Caso seja necessário transmitir seqüencialmente seis ou mais bits de

mesmo valor, o módulo transmissor inserirá, imediatamente após cada grupo de cinco

bits consecutivos iguais, um bit de valor contrário. O módulo receptor ficará

encarregado de, durante a leitura, retirar este bit, chamado de Stuff Bit . Caso uma

mensagem seja recebida com pelo menos seis bits consecutivos iguais, algo de errado

terá ocorrido no barramento.

 Nível de Mensagem

São três os tipos de erro possíveis:

  CRC ou Cyclic Redundancy Check: Funciona como um checksum. O módulo

transmissor calcula um valor em função dos bits da mensagem e o transmite

 juntamente com ela. Os módulos receptores recalculam este CRC e verificam se este é

igual ao transmitido com a mensagem.

  Frame Check: Os módulos receptores analisam o conteúdo de alguns bits da

mensagem recebida. Estes bits (seus valores) não mudam de mensagem para

mensagem e são determinados pelo padrão CAN.

    Acknowledgment Error Check: Os módulos receptores respondem a cada mensagem

íntegra recebida, escrevendo um bit dominante no campo ACK de uma mensagem

resposta que é enviada ao módulo transmissor. Caso esta mensagem resposta não seja

recebida (pelo transmissor original da mensagem), significará que, ou a mensagem de

dados transmitida estava corrompida, ou nenhum módulo a recebeu.

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Toda e qualquer falha acima mencionada, quando detectada por um ou mais módulos

receptores, fará com que estes coloquem uma mensagem de erro no barramento, avisando

toda a rede de que aquela mensagem continha um erro e que o transmissor deverá reenviá-la.

Além disso, a cada mensagem erroneamente transmitida ou recebida, um contador de

erros é incrementado em uma unidade nos módulos receptores, e em oito unidades no

transmissor. Módulos com estes contadores iguais a zero são considerados Normais. Para os

casos em que os contadores contêm valores entre 1 e 127, os módulos são considerados Error 

 Active. Contadores contendo valores entre 128 e 255 colocam os módulos em condição de

 Error Passive. Finalmente, para contadores contendo valores superiores a 255, os módulos

serão considerados em  Bus Off e passarão a não mais atuar no barramento. Estes contadores

também são decrementados a medida que mensagens corretas são recebidas, o que reduz o

grau de incerteza em relação a atividade dos módulos ora com contadores contendo valores

diferentes de zero e possibilita novamente a plena participação deles no barramento.

 Nível Físico

Para os barramentos com 2 e 4 fios, caso algo de errado venha a ocorrer com os fios de

dados CAN_H e CAN_L, a rede continuará operando sob uma espécie de modo de segurança.

Seguem abaixo algumas das condições de falha nas linhas de comunicação que permitem acontinuidade das atividades da rede:

  Curto do CAN_H (ou CAN_L) para GND (ou VCC);

  Curto entre os fios de dados CAN_H e CAN_L;

  Ruptura do CAN_H (ou CAN_L);

Aspectos de Implementação

 Dicionário de Dados

Esta é a parte mais dedicada à aplicação quando se trabalha com um protocolo como o

CAN. O Dicionário de Dados (ou Data Dictionary) é o conjunto de mensagens que podem

ser transmitidas naquela determinada rede.

A forma mais interessante de se organizar um dicionário de dados é criando uma matriz

com todos os módulos da rede. Esta matriz mostrará cada mensagem sob a responsabilidade

de cada módulo, relacionando quem a transmite e quem a recebe. Outros dados importantesnesta matriz são: o tempo de atualização dos valores da mensagem, o intervalo de transmissão

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da mesma e o valor relativo ao seu identificador. Além desta matriz, a documentação

referente ao Dicionário de Dados deverá conter uma descrição detalhada de cada mensagem,

bit a bit.

O Dicionário de Dados é implementado numa rede CAN via software e deverá ser o

mesmo (ter a mesma versão de atualização, inclusive) em todos os módulos conectados à

rede. Isto garantirá total compatibilidade entre os participantes do barramento.

 Exemplo de Rede

Uma rede CAN, dependendo da sua aplicação, poderá ter até centenas de módulos

conectados. O valor máximo para a conexão de módulos em um barramento depende da

norma que se utiliza na dada aplicação.

Toda rede CAN possui 2 Terminadores. Estes terminadores nada mais são que

resistores com valores entre 120 e 124 ohms, conectados à rede para garantir a perfeita

propagação dos sinais elétricos pelos fios da mesma. Estes resistores, um em cada ponta da

rede, garantem a reflexão dos sinais no barramento e o correto funcionamento da rede CAN.

Outra característica de determinadas aplicações fundamentadas no CAN é que estas

poderão ter duas ou mais sub-redes trabalhando, cada qual, em uma velocidade diferente. Osdados são transferidos de uma sub-rede para a outra através de módulos que atuam nas duas

sub-redes. Estes módulos são chamados de Gateways.

A Figura 24 ilustra a rede CAN de um sistema automotivo, com duas sub-redes e dois

terminadores. O Gateway desta aplicação é o Painel de Instrumentos.

Figura 24 - Rede CAN de um sistema automotivo

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 Montagem da Rede

Barramento é o termo técnico que representa os condutores elétricos das linhas de

comunicação e a forma como eles são montados. Apesar de parecer simples, o ato de

interligar os módulos requer bastante atenção.

Sobre o cabeamento necessário, considerando-se uma aplicação CAN de dois fios,

deve-se utilizar par trançado onde a secção transversal de cada um dos fios deve ser de no

mínimo 0,35mm².

As duas terminações (resistores de aproximadamente 120 ohms), do ponto de vista

teórico, podem ser instaladas nas extremidades do chicote, diretamente nos fios de dados

CAN_H e CAN_L. Do ponto de vista prático isto é extremamente complexo. O que deve serfeito é adicionar as terminações nas duas ECUs (Unidades Eletrônicas de Controle)

conectadas aos extremos da rede. Se as ECUs forem montadas dependendo dos opcionais do

veículo, deve-se procurar instalar as terminações nas ECUs que sempre estarão presentes nele

(veículo). As terminações são mandatórias numa rede CAN.

No momento de se projetar o roteamento do barramento, algumas regras em relação ao

comprimento dos chicotes devem ser observadas. O sincronismo das operações das ECUs no

CAN é fundamentado no tempo de propagação física das mensagens no barramento. Assim, a

relação do comprimento de determinados intervalos do chicote no barramento são

fundamentais ao bom funcionamento da rede. A Figura 25 mostra um diagrama que ilustra as

medidas que devem ser observadas no desenvolvimento do chicote.

Figura 25 - Medidas que devem ser observadas no desenvolvimento do chicote

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Destacamos que, após o barramento ser montado, caso seja necessário qualquer

retrabalho no mesmo, é aconselhável a troca do chicote elétrico danificado. Emendas poderão

alterar a impedância característica da rede e com isso afetar o seu funcionamento.

5) ETHERNET

A necessidade de diminuir custos, aumentar a confiabilidade,

disponibilizar o compartilhamento de recursos físicos (HD,

impressoras,...) e informações (banco de dados, programas,...) fez surgir

as redes de computadores. Estas características fazem com que estas

redes não parem de evoluir.

O padrão ethernet surgui em 1972 nos laboratórios da Xerox com Robert Metcalfe. Com

uma rede onde todas as estações compartilhavam do mesmo meio de transmissão, um cabo

coaxial; a configuração utilizada para esta conexão foi a de barramento, utilizava uma taxa de

transmissão de 2,94 Mbps.

No início este padrão era chamado de “ Network Alto Aloha”, depois foi modificado para

“ethernet” para deixar claro que este padrão pode suportar qualquer computador e para

mostrar que pode ser desenvolvido fora de seus laboratórios. Metcalfe3 optou pela palavra

“ether ” de maneira a descrever uma característica imprescindível do sistema: o meio físico

transporta os bits para todas as estações, como se acreditava que acontecia com o éter, o meio

que preenchia o universo e o espaço entre os corpos celestes que propagava as ondas

eletromagnéticas pelo espaço.

Figura 26 - Rascunho da primeira rede ethernet 

3 METCALFE, Robert Melancton (Brooklyn, 7 de abril de 1946) é um engenheiro estadunidense. Foi umpioneiro no desenvolvimento tecnológico nos Estados Unidos, co-inventor da Ethernet, com David Boggs,fundou a 3Com e formulou a Lei de Metcalfe.

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A falta de padronização dificultava o progresso das pesquisas e a venda de

equipamentos, com o intuito de resolver este problema foi homologado ao IEEE -  Institute of 

 Electrical and Electronic Engineers, em 1980, a responsabilidade de criar e administrar a

padronização da ethernet. Desde a sua regulamentação pelo IEEE suas especificações foram

totalmente disponibilizadas. Esta abertura combinada com a facilidade na utilização e com sua

robustez resultou no largo emprego desta tecnologia.

O surgimento de avanços tecnológicos, sua padronização e o aumento da quantidade de

redes que utilizavam este padrão no decorrer do tempo estão descritos no gráfico da Figura

27. 

Figura 27 - Ordem cronológica dos principais acontecimentos e da criação de órgãos padronizadores

A tecnologia ethernet, basicamente, consiste de três elementos: o meio físico, as regras

de controle de acesso ao meio e o quadro ethernet.

O modo de transmissão é uma característica importante da ethernet, podendo ser:

  Simplex: durante todo o tempo apenas uma estação transmite, a transmissão é feita

unilateralmente;

   Half-duplex: cada estação transmite ou recebe informações, não acontecendo

transmissão simultânea;

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   Full-duplex: cada estação transmite e/ou recebe, podendo ocorrer transmissões

simultâneas.

Figura 28 - Diagrama dos modos de transmissão

Características Gerais

A Ethernet é um padrão de camada física e camada de enlace, opera à 10 Mbps, com

quadros que possuem tamanho entre 64 e 1518 bytes. O endereçamento é feito através de uma

numeração que é única para cada host com 6 bytes sendo os primeiros 3 bytes para a

identificação do fabricante e os 3 bytes seguintes para o número sequencial da placa. Este

numeração é conhecida como endereço MAC –   Media Access Control.

A subcamada MAC, pertencente a camada 2 da pilha de protocolos OSI, controla a

transmissão, a recepção e atua diretamente com o meio físico, consequentemente cada tipo de

meio físico requer características diferentes da camada MAC.

As características da camada de MAC:

  Modo de transmissão half-duplex, evoluindo para full-duplex;

  Encapsulamento dos dados das camadas superiores;

  Desencapsulamento dos dados para as camadas superiores;

  Transmissão dos quadros;

  Recepção dos quadros.

Regras de Controle de Acesso ao Meio

O modo de transmissão em half-duplex requer que apenas uma estação transmita

enquanto que todas as outras aguardam em “silêncio” esta é uma característica básica de um

meio físico compartilhado. O controle deste processo fica a cargo do método de acesso

Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - CSMA/CD qualquer estação pode

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transmitir quando “percebe” o meio livre. Pode ocorrer que duas ou mais estações tentem

transmitir simultaneamente; nesse caso, ocorre uma colisão e os pacotes são corrompidos.

Quando a colisão é detectada, a estação tenta retransmitir o pacote após um intervalo de

tempo aleatório. Isto implica que o CSMA/CD pode estar em três estados transmitindo,

disputando ou inativo.

6) I2C

I2C: Porta de dados série

I²C (  Inter-Intergrated Circuit) é um barramento serialbarramento multi-mestre desenvolvido pela Philips que é usado para

conectar periféricos de baixa velocidade a uma placa mãe, a um sistema

embarcado ou a um telefone celular. O nome significa Circuito Inter-integrado e é

pronunciado “I-ao quadrado-C” e também, incorretamente, “I-dois-C”. A partir do dia 1 de

Outubro de 2006, nenhuma taxa de licenciamento é exigida para implementar o protocolo I²C,

contudo, algumas taxas ainda são exigidas para obtenção de endereços escravos I²C. SMBus é

um subconjunto do I²C que define convenções elétricas rígidas e de protocolo. Um objetivodo SMBus é promover robustez e interoperabilidade. Consequentemente, sistemas I²C

modernos incorporam políticas e regras do SMBus e a linha entre esses dois padrões é

frequentemente obscura na prática.

Projeto

O I²C utiliza apenas duas linhas bidirecionais de dreno aberto, Dados Seriais (Serial

 Data - SDA) e Clock Serial (Serial Clock  - SCL), computadores. Este protocolo especifica

dois sinais de comunicação, um com o sinal de clock (gerado pelo mestre), e outro de dados,

bidirecional.

I2C (Inter Integrated Circuit) é um sistema usado quando a distância entre

microcontroladores e periféricos é curta (normalmente o emissor e o receptor estão na mesma

placa de circuito impresso). A ligação é feita com dois condutores: um para transferência de

dados, e o outro para o sinal de relógio (sincronização). Como se pode ver na fi gura, um dos

dispositivos é sempre o Mestre. Faz o endereçamento de um chip Escravo, antes da

comunicação se iniciar. Desta maneira, um microcontrolador pode comunicar com 112

dispositivos diferentes.

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O  Baud Rate é normalmente de 100 Kbit/s no modo normal, ou de 10 Kb/s em modo

lento. A distância máxima, sem ajudas, entre dispositivos que se comunicam por I2C, está

limitada a poucos metros.

Figura 29 - Comunicação I2C 

O protocolo I2C foi desenvolvido pela Philips em 1980 e a maioria dos dispositivos

interfaceados serialmente, adotam este protocolo, tais como: memória E2PROM, conversores

A/D e D/A, sensores de temperatura, Real Time Clock (RTC), smart card , decodificadores de

video, etc... Este protocolo caracteriza-se por ter 2 fios que fazem a conexão, o SDA (Serial

Data) e SCL (Serial Clock). Inicialmente a velocidade de transmissão/recepção, era de

100Kbps (Slow), depois saíram dispositivos operando a 400Kbps (Fast ) e agora já temos os

dispositivos operando a 3,4Mbps ( High Speed ).

O I2C permite que vários dispositivos sejam ligados no mesmo barramento, portanto

com apenas dois pinos, podemos interfacear diversos dispositivos (vide Figura 30).

Figura 30  – Diagrama de Ligação I²C 

O master  pode ser um microcontrolador e os slaves podem ser memórias, RTC,

conversor A/D, etc.. Todos estes dispositivos se comunicam via protocolo I2C. Pelo SCL é

gerado o sinal de sincronismo da comunicação entre o mestre e o escravo. Pelo SDA são

trocadas todas as informações (dados).

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Todo protocolo segue um diagrama de tempo e a seguir veremos o diagrama do

Protocolo I2C.

Figura 31 - Diagrama no tempo do Protocolo I 2C 

No início, tanto os sinais SCL como SDA, estão em nível lógico alto. O início do

protocolo, se dá quando o SDA vai a nível lógico zero e após um determinado tempo, o SCL

também vai a nível lógico zero. Esta transição com uma defasagem de tempo, é interpretado

pelo slave como início da comunicação serial. Logo após, o master envia os dados sempre

sincronizados por um clock , gerado pelo master no sinal SCL.

Cada oito bits trocados entre master  / slave, é gerado um sinal de reconhecimento (ACK -

 Acknolodge). Quando a master envia os bits da dados, quem responde com o ACK é o slave,

caso o slave envie os bits de dados, quem responde com o ACK é o master . A seguir será

mostrado um novo diagrama de tempo, com a transmissão de dados e o respectivo ACK.

Depois do start bit, o master envia o endereço do dispositivo, isto porque pode-se ter

vários slaves conectados ao barramento SDA e SCL. O endereço é formado por 7 bits e o

fabricante do dispositivo informa este endereço no datasheet . O oitavo bit sinaliza se é uma

operação de escrita ou leitura (R/W). Após o envio destes 8 bits, se o slave reconhecer o

pedido, ele envia a confirmação, gerando o sinal de ACK. O sinal de ACK é gerado sempre

por aquele que recebe a informação, ou seja, é uma confirmação do recebimento.

Após o recebimento do ACK, o master continua a comunicação e envia o próximo byte

e novamente o slave responde com um ACK. Os bytes que serão enviados ou recebidos

dependem do dispositivo que está sendo utilizado - os datasheets trazem todas estas

informações.

Para encerrar a transmissão, gera-se um stop bit, que consiste em subir o SCL antes do

SDA. Existe um tempo mínimo para esta transição.

Caso, algum ACK não seja gerado, deve-se interromper a comunicação gerando um

stop bit.

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Figura 32 - Diagrama de tempo, com a transmissão de dados e o respectivo ACK 

A temporização apresentada, refere-se a frequência de 100KHz e são os tempo

mínimos. Portanto, antes de implementar o protocolo, aconselha-se a estudar o datasheet do

componente e seguir a temporização indicada.

Figura 33 - Temporização referente a frequência de 100KHz

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DIAS, Beethovem Zanella; ALVES, Nilton. Evolução do Padrão Ethernet . 2002. Disponívelem: http://mesonpi.cat.cbpf.br/naj/ethernet.pdf. Acesso em: 21 de junho de 2011.

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