Ingeniería en Mecatrónica

Transcripción

1 Instituto Tecnológico de Colima Departamento de Ingeniería Industrial Ingeniería en Mecatrónica Materia: Programación Avanzada Investigación INVESTIGACIÓN SOBRE TECNOLOGÍAS DE PUERTOS DE COMUNICACIÓN. Alumnos: Saúl Orozco Maldonado José Manuel Hurtado Salinas Christian Emanuel Cuellar Ruvalcaba Colima, Col.; a 17 de Abril de 2015

2 I. INTRODUCCIÓN Los periféricos de comunicación e conectan alrededor al ordenador a través de unos conectores especiales denominados puertos de comunicación. Estos puertos se sitúan generalmente en la parte posterior de la caja, aunque la caja también puede tener puertos en la parte frontal y lateral. Cuantos más puertos tenga un ordenador, mas dispositivos externos podremos conectar simultáneamente. Los periféricos se conectan a los puertos del ordenador mediante un cable o directamente con el conector del dispositivo. Normalmente los conectores de los puertos son de tipo hembra y los de tipo macho. Los conectores macho tienen pines y los conectores hembra tienen agujeros.

3 1.1 OBJETIVO DE LA PRÁCTICA Desarrollar un reporte sobre la investigación sobre las tecnologías de los puertos de comunicación que existen hoy en día. II. DESARROLLO DE LA PRACTICA Comunicación I2C. EL Bus I2C (Inter- Integrated Circuits) fue desarrollado al principio de los 80 s por Philips, como medio de interconexión entre una CPU y dispositivos periféricos dentro de la electrónica de consumo. Su propósito original fue el de proporcionar una manera fácil de conectar un CPU a los chips periféricos en un equipo de TV. El objetivo de esta comunicación consistía en: Simplificar las conexiones entre los periféricos (pistas, decodificadores,...) Aumentar de la inmunidad al ruido Control de sistemas de audio y vídeo (baja velocidad). Las características más importantes del bus I2C son: Comunicación serial, utilizando un conductor para manejar el timming (SCL) (pulsos de reloj) y otro para intercambiar datos (SDA), que transportan información entre los dispositivos conectados al bus. Las líneas SDA (Serial Data) y SCL (Serial Clock) etán conectadas a la fuente de alimentación a través de las resistencias de pull-up. Cuando el bus está libre, ambas líneas están en nivel alto. Los dispositivos pueden ser considerados como Maestro (Master) o esclavo (Slave), en donde el Maestro es el dispositivo que inicia la transferencia en el bus y genera la señal de Clock y el Slave (esclavo) es el dispositivo direccionado.

4 Así pues la comunicación I2C crea un bus de comunicación entre los diferentes dispositivos en serie, esto nos permite conectar hasta 1000 dispositivos uno detrás de otro. La comunicación siempre se realizara entre dos dispositivos, uno actuara de maestro, este es el que trasmitirá la señal para sincronizar la transferencia de datos, y el otro de esclavo. El que hace de maestro, no tiene porque hacer esta función siempre, puede ir pasándose de uno a otro, aunque no todos los periféricos tienen esta funcionalidad, están diseñados para ser siempre esclavos. Para identificar que periférico a enviado la información, cada uno de ellos tiene una dirección única, igual que una red de ordenadores donde cada ordenador tiene su propia dirección. El bus I2C como ya hemos mencionado consta consta de 2 lineas, la linea SDA (datos), y la linea SCL (reloj). SDA: Es la linea por donde circulan los datos, formateada de la siguiente forma: start A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 R/W ACK DATA ACK stop idle SCL: Por esta linea va la señal para sincronizar las transferencias de datos. Así pues la transmisión de bits de datos está dada de la siguiente manera. Los bits de datos van por SDA Por cada bit de información es necesario un pulso de SCL Los datos sólo pueden cambiar cuando SCL está a nivel bajo

5 Las características más importantes de este bus I2C son: Comunicación serial, utilizando un conductor para manejar el timming (SCL) (pulsos de reloj) y otro para intercambiar datos (SDA), que transportan información entre los dispositivos conectados al bus. Las líneas SDA (Serial Data) y SCL (Serial Clock) etán conectadas a la fuente de alimentación a través de las resistencias de pull-up. Cuando el bus está libre, ambas líneas están en nivel alto. Los dispositivos pueden ser considerados como Maestro (Master) o esclavo (Slave), en donde el Maestro es el dispositivo que inicia la transferencia en el bus y genera la señal de Clock y el Slave (esclavo) es el dispositivo direccionado. Maestro S S Esclavo1 Esclavo2 Esclavo3 Maestro (Master): Dispositivo que determina la temporización y la dirección del tráfico de datos en el bus. Es el único que aplica los pulsos de reloj en la línea SCL. Cuando se conectan varios dispositivos maestros a un mismo bus la configuración obtenida se denomina "multi-maestro".

6 Esclavo (Slave): Cualquier dispositivo conectado al bus incapaz de generar pulsos de reloj. Reciben señales de comando y de reloj proveniente del dispositivo maestro. A continuación y como parte de lo que desarrollamos en la materia de Programación avanzada, mostraremos un ejemplo de este protocolo de comunicación entre dos Arduinos teniendo así un programa Maestro y un esclavo para poder encender con un Arduino un Led al momento de presionar un botón en otro Arduino. Ejemplo en Arduino. Diagrama de conexión en Proteus. Programa Maestro. /** *Título: Comunicación Entre Arduinos por comunicación (I2C) *Objetivo: Comunicar a 2 arduinos mediante la comunicación I2C en el cual si se presiona un botón en un Arduino este manda la señal a otro el cual al captarla enciende un LED poniendo en alto uno de sus pines *Programa Maestro o master *Autor: José Manuel Hurtado Salinas *Fecha: 26/03/2015 */ #include <Wire.h> //Incluimos la librería para comunicación I2C (Inter-Integrated Circuit) int estado = 0; //Asignamos el valor 0 a la variable estado para conmutar entre 0 y 1 int boton = 2; //Asignamos el valor 2 a la variable botón ya que es el Pin en el que se encuentra void setup() { Wire.begin(); //Función para empezar la comunicación I2C, el paréntesis está vacío porque es el programa maestro y no obtiene nada de ningún puerto }

7 void loop() { estado = digitalread(boton); //Para comprobar el estado del pulsador 0 si no está pulsado, 1 si está pulsado if(estado == 1){ //Si el estado del botón es igual a 1 (ósea se ha presionado) Wire.beginTransmission(4); //Empezamos la transmisión con el dispositivo entre el pin 4 Wire.write(1); //mandamos un 1 a este dispositivo ya que fue presionado el boton y está en 1 Wire.endTransmission(); // Se para la transmisión } else{ Wire.beginTransmission(4); //Empezamos la transmisión con el dispositivo entre el pin 4 Wire.write(0); //mandamos un 0 a este dispositivo ya que el botón no fue presionado Wire.endTransmission(); //Paramos la transmisión } } Programa Esclavo. /** *Título: Comunicación Entre Arduinos *Objetivo: Generar la comunicacion entre dos arduino siendo este el programa esclavo el cual realizará la acción que el primer Arduino decida segun la entrada que tenga. *Programa Esclavo o slave *Autor: Equipo azul *Fecha: 26/03/2015 */ #include <Wire.h> //Incluimos la librería para comunicación I2C (Inter-Integrated Circuit) int led = 2; //Asignamos el valor 2 a la variable led del pin en el que se encuentra void setup() { //Empezamos la comunicación I2C con dirección del Pin 4 debido a que este es el programa esclavo con conexión en ese pin y de ahí recibirá los datos Wire.begin(4); Wire.onReceive(Evento); //función Evento que se ejecutará cuando se establezca la conexión, nos dirá el dato enviado } void loop() { } void Evento {

8 int x = Wire.read(); //Leemos el dato recibido y lo almacenamos en una variable x // Para hacer la función de encender el LED usamos un Case switch (x) { //select case de la variable x case 1: //si es 1 presionó el botón digitalwrite(led, HIGH); //Entonces enciende el led break; case 0: //si es 0 no se presionó el boton digitalwrite(led, LOW); //Entonces apaga el led break; } } Comunicación Serial. La comunicación serial consiste en el envío de un bit de información de manera secuencial, esto es, un bit a la vez y a un ritmo acordado entre el emisor y el receptor. El concepto de comunicación serial es sencillo. El puerto serial envía y recibe bytes de información un bit a la vez. Aun y cuando esto es más lento que la comunicación en paralelo, que permite la transmisión de un byte completo por vez, este método de comunicación es más sencillo y puede alcanzar mayores distancias. Por ejemplo, la especificación IEEE 488 para la comunicación en paralelo determina que el largo del cable para el equipo no puede ser mayor a 20 metros, con no más de 2 metros entre cualesquier dos dispositivos; por el otro lado, utilizando comunicación serial el largo del cable puede llegar a los 1200 metros. Típicamente, la comunicación serial se utiliza para transmitir datos en formato ASCII. Para realizar la comunicación se utilizan 3 líneas de transmisión: (1) Tierra (o referencia), (2) Transmitir, (3) Recibir. Debido a que la transmisión es asincrónica, es posible enviar datos por una línea mientras se reciben datos por otra. Existen otras líneas disponibles para realizar hands haking, o intercambio de pulsos de sincronización, pero no son requeridas. Las características más importantes de la comunicación serial son la velocidad de transmisión, los bits de datos, los bits de parada, y la paridad. Para que dos puertos se puedan comunicar, es necesario que las características sean iguales.

9 Velocidad de transmisión (baud rate): Indica el número de bits por segundo que se transfieren, y se mide en baudios (bauds). Por ejemplo, 300 baudios representa 300 bits por segundo. Cuando se hace referencia a los ciclos de reloj se está hablando de la velocidad de transmisión. Por ejemplo, si el protocolo hace una llamada a 4800 ciclos de reloj, entonces el reloj está corriendo a 4800 Hz, lo que significa que el puerto serial está muestreando las líneas de transmisión a 4800 Hz. Las velocidades de transmisión más comunes para las lineas telefónicas son de 14400, 28800, y Es posible tener velocidades más altas, pero se reduciría la distancia máxima posible entre los dispositivos. Las altas velocidades se utilizan cuando los dispositivos se encuentran uno junto al otro, como es el caso de dispositivos GPIB. Bits de datos: Se refiere a la cantidad de bits en la transmisión. Cuando la computadora envía un paquete de información, el tamaño de ese paquete no necesariamente será de 8 bits. Las cantidades más comunes de bits por paquete son 5, 7 y 8 bits. El número de bits que se envía depende en el tipo de información que se transfiere. Por ejemplo, el ASCII estándar tiene un rango de 0 a 127, es decir, utiliza 7 bits; para ASCII extendido es de 0 a 255, lo que utiliza 8 bits. Si el tipo de datos que se está transfiriendo es texto simple (ASCII estándar), entonces es suficiente con utilizar 7 bits por paquete para la comunicación. Un paquete se refiere a una transferencia de byte, incluyendo los bits de inicio/parada, bits de datos, y paridad. Debido a que el número actual de bits depende en el protocolo que se seleccione, el término paquete se usar para referirse a todos los casos. Bits de parada: Usado para indicar el fin de la comunicación de un solo paquete. Los valores típicos son 1, 1.5 o 2 bits. Debido a la manera como se transfiere la información a través de las líneas de comunicación y que cada dispositivo tiene su propio reloj, es posible que los dos dispositivos no estén sincronizados. Por lo tanto, los bits de parada no sólo indican el fin de la transmisión sino además dan un margen de tolerancia para esa diferencia de los relojes. Mientras más bits de parada se usen, mayor será la tolerancia a la sincronía de los relojes, sin embargo la transmisión será más lenta.

10 Paridad: Es una forma sencilla de verificar si hay errores en la transmisión serial. Existen cuatro tipos de paridad: par, impar, marcada y espaciada. La opción de no usar paridad alguna también está disponible. Para paridad par e impar, el puerto serial fijará el bit de paridad (el último bit después de los bits de datos) a un valor para asegurarse que la transmisión tenga un número par o impar de bits en estado alto lógico. Por ejemplo, si la información a transmitir es 011 y la paridad es par, el bit de paridad sería 0 para mantener el número de bits en estado alto lógico como par. Si la paridad seleccionada fuera impar, entonces el bit de paridad sería 1, para tener 3 bits en estado alto lógico. La paridad marcada y espaciada en realidad no verifican el estado de los bits de datos; simplemente fija el bit de paridad en estado lógico alto para la marcada, y en estado lógico bajo para la espaciada. Esto permite al dispositivo receptor conocer de antemano el estado de un bit, lo que serviría para determinar si hay ruido que esté afectando de manera negativa la transmisión de los datos, o si los relojes de los dispositivos no están sincronizados.

11 Comunicación Bluetooh. La tecnología Bluetooth es una especificación abierta para la comunicación inalámbrica (WIRELESS) de datos y voz. Está basada en un enlace de radio de bajo coste y corto alcance, implementado en un circuito integrado de 9 x 9 mm, proporcionando conexiones instantáneas (ad hoc) para entornos de comunicaciones tanto móviles como estáticas. Es una tecnología desarrollada por Ericsson en 1994, que hace factible la conectividad inalámbrica entre dispositivos a corta distancia, éstos pueden llegar a formar redes con diversos equipos de comunicación: computadoras móviles, radiolocalizadores, teléfonos celulares, PDAs, e, inclusive, electrodomésticos.

12 El estándar Bluetooth se compone de dos capítulos, uno de ellos describe las especificaciones técnicas principales, mientras que el otro define perfiles específicos para aplicaciones, estos últimos aseguran la interoperabilidad de dispositivos Bluetooth entre fabricantes. Algunos de estos perfiles son el de acceso genérico, identificación de servicio, puerto serial, acceso a LAN sincronización y el de dispositivo de información móvil (MIDP). La IEEE ha desarrollado un protocolo equivalente denominado Wireless Personal Area Network (WPAN), , con el objetivo de lograr la interoperabilidad con otros dispositivos inalámbricos. Características Tecnología inalámbrica. Reemplaza la conexión alámbrica en distancias que no exceden los 10 metros, alcanzando velocidades del rango de 1Mbps. Comunicación automática. La estructura de los protocolos que lo forman favorece la comunicación automática sin necesidad de que el usuario la inicie. Bajo consumo de potencia. Lo pequeño de los dispositivos y su portabilidad requieren de un uso adecuado de la energía, el cual provee esta tecnología. Bajo costo. Los dispositivos de comunicación que soporta pueden experimentar un incremento en su costo no mayor a 20 dólares con tendencia a bajar. Asimismo, su operación se efectúa bajo una banda de frecuencias no licenciada (2.4GHZ), lo que ayuda a su bajo costo. Integración de servicios. Puede soportar transmisiones de voz y datos de manera simultánea. Transmisión omnidireccional. Debido a que basa su comunicación en radiofrecuencia, no requiere línea de vista y permite configuraciones punto multipunto. Seguridad. Utiliza Spread Spectrum Frequency Hopping como técnica de multiplexaje, lo que disminuye el riesgo de que las comunicaciones sean interceptadas o presenten interferencia con otras aplicaciones. Provee también

13 especificaciones para autenticar dispositivos que intenten conectarse a la red Bluetooth, así como cifrado en el manejo de llaves para proteger la información. Establecimiento de redes. Tiene la característica de formar redes en una topología donde un dispositivo hace las veces de maestro y hasta siete más operando como esclavos. Esta configuración se conoce como piconet. Un grupo de piconets, no más de diez, es referido como Scatternet. Bluetooth vs. Infrarrojo Ambos protocolos especifican una comunicación inalámbrica a corta distancia, hay quienes suponen que Bluetooth podría sustituir las aplicaciones de infrarrojo por las claras ventajas que proveen, las cuales se deducen de sus propias características. Debido a la similitud de aplicaciones, se considera importante delimitar las ventajas entre una y otra tecnología. El infrarrojo requiere de una comunicación lineal entre transmisor y receptor, lo que hace imprescindible la línea de vista para su efectiva transmisión. Las frecuencias de la banda del infrarrojo no permiten la penetración a través de paredes, dándole una importante ventaja a la radiofrecuencia que opera Bluetooth. La comunicación con infrarrojo siempre será uno a uno, dejando de lado las configuraciones punto multipunto. Bluetooth permite la generación de redes.

14 Comunicación TTL/SSL. El protocolo que habitualmente se utiliza para el cifrado en internet se llama SSL (Secure Sockets Layer) o protocolo de capa de conexión segura. El protocolo HTTPS se utiliza el cifrado basado en SSL/TTL. Una buena forma de saber si los datos que introducimos en una web viajan de forma segura, es observar en la barra de direcciones de nuestro navegador si aparece lo que indicara es que la web es segura, o en su lugar aparece que significa que no cuanta con cifrado SSL. El protocolo SSL llego hasta su versión 3.0 y a partir de ese momento comenzó a usar el nombre de TLS, Transport Layer Security, Seguridad de la Capa de Transporte (cuarto nivel del modelo OSI). Estos protocolos protegen la información que se envía a través de internet, brindándole privacidad y autentificación a través de la criptografía. Es el servidor y no el cliente quien se autentica en la comunicación. Lo más habitual es encontrar el SSL trabajando junto al protocolo HTTP para conformar el ya mencionado HTTPS, aunque puede funcionar junto a otro tipo de protocolo como el TCP o el SMTP. Antes de entender cómo funciona esta tecnología, es necesario abordar algunos conceptos importantes y que forman parte del funcionamiento interno de SSL/TLS.

15 Cifrado, no Encriptado El cifrado es el proceso que transforma tu información de manera que no cualquier usuario pueda entenderla, se realiza con base a un elemento único conocido como llave, así nadie, excepto el poseedor puede leerla. El procedimiento inverso al cifrado es el descifrado. La palabra correcta para describir el proceso de ocultamiento de información es cifrado, usualmente encontrarás literatura con el término encriptado, el cual es incorrecto. Llave pública y llave privada Son un par de llaves digitales asociadas a una persona o entidad y generadas mediante métodos criptográficos. La llave pública es usada para cifrar la información, haciendo una analogía, es como la llave utilizada para cerrar una puerta y mantener fuera a cualquier persona mientras que la llave privada se usa para descifrar, es decir, la llave que abre la puerta y sólo la posee la persona autorizada, por lo tanto ésta debe mantenerse en secreto. Firma digital Del mismo modo que tu firma autógrafa, es un elemento que te identifica y distingue de las demás personas y que al firmar con ella adquieres derechos y obligaciones. La firma digital se genera con base a la llave privada de quien firma y por lo tanto es única.

16 Comunicación LAN. Una LAN es una red privada a la que solamente pueden acceder los host autorizados que pertenezcan a la red. Dentro de la misma LAN no se podrán repetir direcciones IP, pero entre distancias LAN sí podría haber direcciones repetidas. En cambio en internet, como es una red pública a la que puede acceder todo el mundo, no se pueden repetir direcciones IP, por eso hay organismos que se encargan de vender estas direcciones y controlar que no se repitan. Una dirección IP se compone de dos partes, la dirección de la red y la dirección de host: Dirección de la Red: Seria equivalente a la dirección de una casa. En una LAN son los tres primeros octetos. Los dos primeros octetos de una LAN siguiendo el estándar deberán ser: , por lo que el tercer octeto nos determinara la red del área local. Dirección del host: Sería equivalente al nombre del usuario al que va dirigido el paquete. En el LAN es el último octeto, por lo que podemos conectar hasta un máximo de 254 host, desde el número 1 hasta el 254. Los números 0 y el 255 no se pueden utilizar como identificador del host ya que están reservados. III CONCLUSIONES Ya sea con un dispositivo de comunicación por buses de datos a través de un cable o una comunicación inalámbrica o por comunicación inter-circuitos, en la actualidad con estos tipos de puertos periféricos y los avances tecnológicos que vivimos en nuestros tiempos han venido a facilitar las comunicaciones. Como se mencionó en al principio mientras más puertos de comunicación se obtengan más dispositivos podrás tener en la comunicación.

17 BIBLIOGRAFÍA *I2C** CIASI2C.PDF **Serial** **Bluetooth** unicacion+lan&hl=en&sa=x&ei=zlyxvbqhcjcmyasi7ycwdg&ved=0cck Q6AEwAg#v=onepage&q=comunicacion%20LAN&f=false os+de+comunicacion&hl=en&sa=x&ei=wsuxvf4rhjdjbixogyge&ved=0cb sq6aewaa#v=onepage&q=puertos%20de%20comunicacion&f=false &site=webhp&source=lnms&tbm=isch&sa=x&ei=tc0xva- 8OYP8yQSCyoGgCA&sqi=2&ved=0CAYQ_AUoAQ#imgrc=fg17G1CbEzNH vm%253a%3bqbpcnawxvgarom%3bhttp%253a%252f%252fwww.defi nicionabc.com%252fwpcontent%252fuploads%252f2014%252f07%252fpuertoserie.jpg%3bhttp%253a%252f%252fwww.definicionabc.com%252ftecnol ogia%252fpuerto-serial.php%3b640%3b254

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