Introducción comunicación serial

M. en C. Teth Azrael Cortés Aguilar

Enlace serial

En un enlace serial, el transmisor envía cada bit uno a la vez en una secuencia. Un enlace con dos dispositivos requiere dedicar una ruta para cada dirección. Además se requiere una señal de reloj para controlar el flujo de datos. El transmisor y el receptor usan el reloj para decidir cuándo enviar y cuándo leer cada bit.

Transmisión serial

Síncrona Asíncrona

Transmisión síncronaEn una transmisión síncrona, todos los dispositivos usan un reloj común generado por uno de los dispositivos o una fuente externa. La señal de reloj debe tener una frecuencia fija y todos los bits se sincronizan a la señal. En otras palabras cada bit enviado es válido sólo si se define un tiempo después de alguna transición de reloj (subida o bajada). La interfaz síncrona es útil para distancias cortas o entre componente de un circuito, pero no es práctica para distancias largas por que requiere de una línea extra para la señal de reloj, además de ser susceptible al ruido.

Transmisión asíncronaEn una transmisión asíncrona el enlace no requiere de una línea de reloj, porque cada terminal provee su propio reloj. Cada byte transmitido incluye un bit para sincronizar el reloj y uno bit más para detener la señal. En puerto RS232 de las computadoras utilizan un formato asíncrono para la comunicación con el modem y otros dispositivos.

Formato asíncrono 8-N-1

El formato más común de enlace asíncrono es el 8-N-1, en el cual el transmisor envía cada dato como un byte, comenzando por un 1, seguido de 8 bits de datos que inician en 0 y termina enviando el bit 1 de alto. La N en el formato 8-N-1 indica que la transmisión no usa el bit de paridad. Otros formados incluyen el bit de paridad como una forma simple de detectar un error. La tasa de bits de un enlace se refiere al número de bits por segundo transmitido o recibido por unidad de tiempo, usualmente se expresa en bits por segundo (bps). En el formato 8-N-1 la tasa de transmisión es de 9600 bps o 960 bytes por segundo.

Bit de paridad

even par odd impar

Transmisión USB

Existen otras formas de generar el bit se inicio y de alto sin modificar el ancho del bit. La interfaz de USB usa varios voltajes para indicar el inicio y el alto, obviamente esto requiere de un hardware que soporte estas definiciones.

UARTAfortunadamente la programación de enviar y recibir datos en un formato asíncrono es muy simple porque las computadoras y microcontroladores tienen un componente llamado UART (universal asynchronos receiver/transmitter) que maneja el envío y recepción de datos seriales. Para enviar un byte la aplicación escribe el dato en el buffer del puerto seleccionado y el UART se encarga de enviar bit por bit en el formato requerido, adicionando los bits de inicio, alto y paridad. De forma similar los bytes recibidos son almacenados automáticamente en el buffer. El UART puede disparar una interrupción para notificar al CPU, que una aplicación de datos de entrada u otros eventos desean acceder.

Diagrama de bloques UART

Registro UART

El UART 16550 y similares contienen 12 registros de 8 bit. Los registros retienen el siguiente byte para transmitir, almacenan el último byte recibido, guardan la configuración de la tasa de bits, la información de control, estado de la información, secuencia FIFO e interrupciones. El direccionamiento del UART es según la dirección base, por ejemplo, en el puerto COM1, la dirección 0 es usualmente 3F8h y la dirección 7 es 3FFh.

Código para rastrear los puertos COM

Conector serial DB9

Conector serial DB9-DB25

Adaptador USB SERIAL DB9

El adaptador USB-Serial DB9 emula el puerto serial RS232 en una terminal USB de la computadora.

Circuito MAX232Es un circuito integrado que convierte los niveles de las líneas de un puerto serie RS232 a niveles TTL y viceversa. Sólo necesita una alimentación de 5V, ya que genera internamente algunas tensiones que son necesarias para el estándar RS232. El circuito MAX232 soluciona la conexión necesaria para lograr comunicación entre el puerto serie de una PC y cualquier otro circuito con funcionamiento en base a señales de nivel TTL/CMOS.

Circuito EDE300

El circuito integrado EDE300 convierte una señal serial en paralelo y viceversa.

Interfaz

1. ¿Cómo se llama la señal que controla el flujo de datos?

a) Reloj b) UART c) asíncrona

2. ¿Cómo se llama la transmisión serial que requiere de una línea de reloj?

a) UART b) síncrona c) asíncrona

3. ¿Cómo se llama la transmisión serial que no requiere de una línea de reloj?

a) asíncrona b) síncrona c) UART 4. ¿Cuál es la transmisión serial que solo es útil para distancias cortas?

a) Reloj b) síncrona c) asíncrona 5. ¿Cuál es la transmisión serial en la que cada byte incluye un bit para sincronización de la señal de reloj ? a) Reloj b) síncrona c) asíncrona

6. ¿Cuál es el nombre el bit en la trasmisión asíncrona que se usa para detectar errores? a) Start b) Parity c) Stop

7. ¿Cuánto es la tasa de transmisión del formato asíncrono 8N1?a) 3600 bps b) 6400 bps c) 9600 bps

8. ¿Cuál es el circuito encargado de la transmisión serial junto con el CPU? a) UART b) MAX232 c) EDE300

9. ¿Cuál es el circuito encargado de la conversión RS232 a TTL/CMOS? a) UART b) MAX232 c) EDE300

10. ¿Cuál es el circuito encargado de la conversión serie – paralelo bidireccional?

a) UART b) MAX232 c) EDE300

Evaluación

Esquemas de Tensión

M. en C. Teth Azrael Cortés Aguilar

Non-Return-to-Zero Level (NRZ-L)Non-Return-to-Zero Inverted (NRZ-I)Non-Return-to-Zero Mark (NRZ-M)Non-Return-to-Zero Space (NRZ-S) USB

Esquemas de tensión unipolar

Los ceros y unos se representan en un nivel de voltaje en DC. Su principal desventaja es la difícil sincronización cuando no se presenta un cambio, además se desaprovecha energía debido al nivel de DC del bit en bajo.

Esquema de tensión bipolar

Usualmente se representa un 1 “uno” con un voltaje negativo y un 0 “cero” con un voltaje positivo. Este esquema es menos susceptible al ruido.

En el estándar RS232 los voltajes del bit uno lógico son -5 a -12 volts y los voltajes del cero lógico son de +5 a +12 volts.

Esquemas bipolares con retorno a cero RZ

Esquema de tensión USB

En el esquema de tensión de NRZ-S (Non Return to Zero Space), el uno lógico se representa como sin cambios en la tensión y un cero se representa como un cambio en la tensión. Este sistema es utilizado por High Level Data Link Control HDLC y USB. Ambos evitan periodos largos de transición insertando bits 1 aun en HDLC y bits 0 en USB para secuencias largas. El receptor utiliza las transiciones para sincronizar el reloj, por contrario el receptor omite bit 0 sin datos.

Código Manchester

En el código Manchester se traslada un 1 lógico hacia una transición descendente [01] y un 0 lógico se traslada hacia una transición ascendente [01], denominado código bifásico, aplicado principalmente en interfaces Ethernet.

RS232 (EIA) Modem

RS422 (EIA) Video Audio Macintosh

RS423 (BBC micro 1980) Datos

RS485 (TIA EIA) Industria

USB (IBM INTEL) periféricos

I2C (Phillips) Circuitos

IEEE 1394 Firewire (apple) i-link (sony)

Comunicación serial

Características de puertos serie

RS232

Es estándar RS-232 fue desarrollado por EIA (Electronic Industries Association) y otras partes interesadas en una interface serie entre el DTE (Data Terminal Equipment) y el DCE (Data Communications Equipment). El estándar RS323 incluye las características de los niveles de voltaje, conectores, circuitos de conexión y la terminal de modem más común. Las definiciones RS449, RS422, RS423 son estándar de comunicación desarrollado por la EIA en 1975 que después fueron reemplazados por el RS232.

RS422

El estándar RS422 fue ampliamente utilizado en las computadoras Macintosh-Apple hasta la llegada del estándar USB. Su aplicación principal fue en la transmisión de las señales de control de equipos de edición de video y audio. El RS422 tiene una transmisión de datos por señal diferencial o balanceada con formato unidireccional y no reversible .

RS485

El estándar RS485 es usado como definición de la capa física de muchos protocolos de automatización implementados en los sistemas de control industrial como son: Modbus y Profibus. Además son utilizados en los controladores lógicos programables PLC y otros dispositivos de campo. Su principal ventaja es su resistencia a la interferencia electromagnética de motores u equipos de soldadura.

El estándar RS485 se definió para drivers y receptores con características eléctricas para ser usadas en un sistema multipunto digital balanceado. El estándar se publico por la ANSI Telecommunications Industry Association y Electronic Industries Alliance ara ser aplicado en distancias largas y entornos con ruido eléctrico. Además permite que varios receptores se conecten a la red; debido a estas características el estándar RS485 es ideal para aplicaciones en la industria.

1. ¿Cómo se denominan los esquemas de tensión que trabajan solo en DC?

a) Bipolar b) Unipolar c) Manchester

2. ¿Cuál es el esquema de tensión del estándar RS232?

a) Unipolar b) Bipolar c) Manchester

3. ¿Cuál es el código de enlace serial de Ethernet? a) Manchester b) Unipolar c) Bipolar

4. ¿Cuál es el esquema de tensión de estándar USB? a) NRZ-S b) NRZ-M c) NRZ-I

5. ¿Cuál es el esquema de tensión serial diseñado para la comunicación DTE-DCE?

a) IEEE 1394 b) RS485 c) RS232

6. ¿Cuál es la distancia máxima del estándar RS232? a) 5 m b) 1200 m c) 15 m

7. ¿Cuál fue el estándar de comunicación serial usado por Macintosh antes de la USB?

a) RS422 b) RS232 c) RS485

8. ¿Cuál es el estándar de comunicación serial usado en las redes industriales?

a) RS232 b) IEEE 1394 c) RS485

9. ¿Cuál es el estándar usado en la comunicación serial entre circuitos integrados?

a) RS232 b) I2C c) IEEE 1394

10. ¿Cuál es el nombre comercial de Apple para el estándar IEEE 1394 ?

a) Firewire b) i-Link c) I2C

Evaluación

Protocolos de comunicación serial

M. en C. Teth Azrael Cortés Aguilar

Velocidades de reloj tipicas

Serial Peripheral Interface. Es un enlace de datos seriales full-duplex de 4 cables

1. SCLK reloj.2. MOSI Master Out Slave In, datos del maestro hacia el

esclavo.3. MISO Master In Slave Out, datos delesclavo hacia el

maestro.4. SS Slave Select, selector de esclavo.

Fue desarrollado originalmente por Motorola para conexiones entre periféricos y el microprocesador. Utiliza registros de desplazamiento para transmitir datos seriales entre dispositivos SPI. Solamente soporta que este activado un maestro a la vez. Tiene 3+n cables de interface por n dispositivos

¿Qué es SPI?

¿Cómo se conectan los dispositivos SPI?

Esquema de transferencia simple de 8 o 16 bits. Permite varios dispositivos SPI adicionando registros de corrimiento. El numero de cables es proporcional al numero de dispositivos en el bus.

Controller Area Network. Es un protocolo propuesto por la compañía alemana Bosh para aplicaciones automotrices. La codificación de mensajes es compleja y usualmente precisa. Todos los módulos participan en cada comunicación y el mensaje esta orientado por un esquema de direcciones.

¿Qué es CAN?

Se requieren varios controladores inteligentes para general el protocolo

Protocolo CAN

Es el estándar aceptado para aplicaciones automotrices e industriales, por lo tanto la interfaz entre dispositivos de distintos proveedores es fácil de implementar. Se tiene la libertad de seleccionar el hardware conveniente; entre diferencial o bus de un solo cable.

Posee confiabilidad en las comunicaciones con un alto nivel de detección de errores. Utiliza 15 bit CRC (Cyclic Redundancy Check) de mensaje. También genera reportes de mensajes sesgados, permite que se puedan desconectar dispositivos con fallas dentro de una configuración flexible. Además brinda una alta inmunidad al ruido electromagnético EMC.

Ventajas del protocolo CAN

Universal Serial Bus. Es un estándar diseñado originalmente para conectar los periféricos a la PC, inicialmente fue definido por INTEL, IBM, MICROSOFT, etc. Su propósito es reemplazar todos los puertos de la PC.

¿Qué es USB?

El maestro es el sistema anfitrión y posee una capacidad de conexión superior a 127 periféricos. Tiene un sistema Plug and Play con cables, puertos y conectores estandarizados . Se utiliza en el 99% de las computadoras. Es un protocolo flexible que permite que la función del anfitrión sea desempeñada por un dispositivo diferente a la PC como una cámara o una impresora, intercambiando los roles de anfitrión y esclavo.

Es un protocolo que no requiere abrir software adicional, posee una configuración automática. Soporta mas de 127 dispositivos conectados en conjunto. El USB tiende a ser el estándar en las computadoras, sustituyendo el puerto serial RS232 y ser un interfaz de enlace con otros canales de comunicación como IrDA (Infrared Data Association) y Ethernet. Los altos volúmenes de integración empujan el costo de los circuitos integrados a precios mas bajos.

Ventajas del protocolo USB

Question: Which Broadband Modem Interface is Better - Ethernet or USB?

Most broadband modems support two kinds of network connections - Ethernet and USB. Both interfaces serve the same purpose, and either will work in most situations. Users can re-configure their modem between Ethernet and USB whenever needed, but both interfaces cannot be connected simultaneously. So which is better?

Answer: Ethernet is the preferred option for connecting a broadband modem, for the following reasons:

•Ethernet is technically more reliable than USB for networking. You are less likely to experience dropped connections or sluggish response time to your modem when using Ethernet over USB.

•Ethernet cables can reach a longer distance than USB cables. A single Ethernet cables can run most anywhere within a home (technically up to 100m (328 feet), while USB cable runs are limited to approximately 5m (16 feet).

•Ethernet does not require the installation of device driver software, while USB does. Modern operating systems like Microsoft Windows XP will be capable of automatically installing drivers for many broadband modems. However, the procedure varies on different operating systems and not all systems will be compatible with a given brand of modem. USB drivers can also slow down the overall performance of older computers. In general, a device driver is an additional installation step and source of potential problems that you need not worry about with Ethernet.

•Ethernet supports higher performance networking than does USB. This is the first advantage of Ethernet that many techies notice, but performance is actually the least relevant consideration in this list when choosing between USB and Ethernet connections. Both Ethernet and USB 2.0 interfaces support sufficient bandwidth for broadband modem networking. Modem speed is instead limited by the speed of the modem's connection to your service provider.

Topología USB

Versiones USB

¿Qué es IEEE 1394?

Es un estándar de bus diseñado para manejar la elevada tasa de transferencia de datos en los requerimientos MPEG-2 y DVD. En la transmisión se video se requiere una tasa de transferencia constante (de 100Mbps, 200 Mbps, 400 Mbps y hasta 3.2 Gbps) que garantice el ancho de banda. El protocolo IEEE1394 es una marca registrada por Apple como Firewire y por sony como i-Link, que automáticamente reconoce dispositivos plug and play. Soporta mas de 63 conexiones y 4.5 metros de distancia máxima con 16 nodos.

Conectores Motherboard

RJ-45 Interfaz física de Ethernet

¿Qué es PS/2?El conector PS/2 toma su nombre de la serie de computadoras IBM Personal System/2 que es creada por IBM en 1987, y empleada para conectar teclados y mouse. La comunicación en ambos casos es serial (bidireccional en el caso del teclado) y controlada por microcontroladores situados en la tarjeta madre. No soporta plug and play. Y se diseñaron para relevar al RS232 que presentaba el problema que cuando trabaja simultáneamente con el Modem las interrupciones del mouse o del teclado interrumpían la comunicación.

El protocolo I2C fue definido por Philips para proveer de una vía de comunicación simple entre circuitos integrados, usando la mínima cantidad de pins. Las especificaciones establecen un estándar simple de hardware y software entre los diferentes fabricantes. El protocolo no especifica cables o conectores, principalmente se construye el enlace sobre las pistas del PCB. Actualmente se ha convertido en el estándar aceptado por la mayoría de los fabricantes de circuitos Integrados.

¿Qué es I2C?

Líneas

SDA datos SCL reloj GND tierra

¿Ventajas y desventajas de los diferentes buses?

1. ¿Cuál es la velocidad de reloj de USB 2.0?

a) 400 MHz b) 480 MHz c) 12 MHz

2. ¿Cuál es la velocidad de reloj máxima de USB 1.1?

3. ¿Cuál es la velocidad de reloj de IEEE 1394?

4. ¿Cuál es el estándar que utiliza una línea SS (Slave Select) para apuntar al periférico? a) CAN b) SPI c) I2C

5. ¿Cuál es el estándar serial orientado a la industria automotriz?

6. ¿Puede el estándar USB reemplazar al protocolo Ethernet? a) Cierto b) Falso

7. ¿Cuál es el estándar de comunicación serial usado para transmisión de video?

a) IEEE 1394 b) USB 1.1 c) CAN

8. ¿El estándar PS/2 no soportaba conexiones plug an play?

9. ¿Cuál es el estándar cuyas líneas de transmisión se construyen sobre el PCB?

a) CAN b) I2C c) IEEE 1394

10. ¿Cuál es la distancia máxima que soporta el estándar USB?

Evaluación

a) 400 MHz b) 480 MHz c) 12 MHz

a) 400 MHz b) 480 MHz c) 12 MHz

a) CAN b) SPI c) I2C

a) Cierto b) Falso

a) 15 m b) 4.5 m c) 5 m