Tópicos Especiales de Mecatrónica
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- Víctor Salas Torres
- hace 7 años
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1 Tópicos Especiales de Mecatrónica Comunicación Serial Ricardo-Franco Mendoza-Garcia Escuela Universitaria de Ingeniería Mecánica Universidad de Tarapacá Arica, Chile May 7, 2015 R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
2 Outline Outline 1 Conceptos básicos 2 UARTs 3 RS-232C 4 RS RS I2C (Inter-Integrated Circuit) 7 SPI (Serial Peripheral Interface) 8 Referencias R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
3 Outline The electronics of a computer is nothing more than a system designed to hold, move and change numbers. R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
4 Conceptos básicos Outline 1 Conceptos básicos 2 UARTs 3 RS-232C 4 RS RS I2C (Inter-Integrated Circuit) 7 SPI (Serial Peripheral Interface) 8 Referencias R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
5 Velocidad de transmisión Conceptos básicos Si cada bit dura τ seconds, la velocidad de transmisión es: R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
6 Palabra, un tren de bits Conceptos básicos R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
7 Conceptos básicos Protocolo de comunicación Definición Set de reglas entre el transmisor y receptor para asegurar la correcta transmisión de datos (e.g., niveles de voltage, significado de palabras, etc.) Ejemplos: High-level data link control (HDLC) Synchronous data link control (SDLC) Carrier sense, multiple access with collision detection (CSMA/CD) Ethernet network standard (IEEE 802.3) R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
8 Conceptos básicos Comunicación Asíncrona Características elemento de sincronización (bit) en cada dato transmitido (palabra). E.g., 0 indica comienzo de palabra; y 1 indica final de palabra; y utilizada cuando se quiere enviar un caracter a la vez, y el intervalo de tiempo entre cada transmisión de bytes puede variar. R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
9 Conceptos básicos Comunicación Síncrona Características se transmite una señal de reloj; ó la sincronización se produce a nivel de grupos de palabras; y el elemento de sincronización puede ser una palabra o un patrón de bits en particular. R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
10 Comunicación Síncrona Conceptos básicos R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
11 UARTs Outline 1 Conceptos básicos 2 UARTs 3 RS-232C 4 RS RS I2C (Inter-Integrated Circuit) 7 SPI (Serial Peripheral Interface) 8 Referencias R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
12 UARTs UART: Universal Asynchronous Receiver-Transmitter TX-RX deben enviar/recibir a la misma frecuencia (relojes independientes)! R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
13 UARTs Detección de Errores Ruido y errores En cualquier transferencia de datos a través de un medio potencialmente ruidoso (e.g., el cable serial), existe la posibilidad de errores de transmisión. Paridad (even or odd) bit adicional (1 o 0) para hacer el número de 1s en el byte par o impar (configurable); calculado en TX y RX; y doble bit-error no es indicado. Es responsabilidad del programador hacer algo con el aviso de error de paridad provisto por el hardware UART. R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
14 UARTs Detección de Errores Ruido y errores En cualquier transferencia de datos a través de un medio potencialmente ruidoso (e.g., el cable serial), existe la posibilidad de errores de transmisión. Paridad (even or odd) bit adicional (1 o 0) para hacer el número de 1s en el byte par o impar (configurable); calculado en TX y RX; y doble bit-error no es indicado. Es responsabilidad del programador hacer algo con el aviso de error de paridad provisto por el hardware UART. R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
15 UARTs Detección de Errores Ruido y errores En cualquier transferencia de datos a través de un medio potencialmente ruidoso (e.g., el cable serial), existe la posibilidad de errores de transmisión. Paridad (even or odd) bit adicional (1 o 0) para hacer el número de 1s en el byte par o impar (configurable); calculado en TX y RX; y doble bit-error no es indicado. Es responsabilidad del programador hacer algo con el aviso de error de paridad provisto por el hardware UART. R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
16 UARTs Detección de Errores Problema (doble error) % <- parity = 1 % <- parity = 1 CRC (Cyclic Redundancy Check) número calculado en base a bits de palabras; y más robusto. R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
17 UARTs Detección de Errores Problema (doble error) % <- parity = 1 % <- parity = 1 CRC (Cyclic Redundancy Check) número calculado en base a bits de palabras; y más robusto. R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
18 UARTs Detección de Errores Problema (doble error) % <- parity = 1 % <- parity = 1 CRC (Cyclic Redundancy Check) número calculado en base a bits de palabras; y más robusto. R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
19 UARTs Implementación R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
20 UARTs Problema Para comunicar dispositivos que se encuentran a cierta distancia, mendiante cables, los niveles de voltage TTL (0V-5V) no son los más adecuados; Para eso se crearon los siguientes protocolos asíncronos... R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
21 RS-232C Outline 1 Conceptos básicos 2 UARTs 3 RS-232C 4 RS RS I2C (Inter-Integrated Circuit) 7 SPI (Serial Peripheral Interface) 8 Referencias R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
22 RS-232C RS-232C - I Características diseñado para comunicar dispositivos simples (lentos, bajo poder de procesamiento) distancias de hasta 25m velocidades de hasta 38.4kbps no-balanceado (referencia a tierra) 1 representado por -5 a -15V (típicamente -12V) 0 representado por +5 a +15V (típicamente +12V) problema con diversidad de conectores R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
23 RS-232C RS-232C - II R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
24 RS-232C RS-232C - III Señal RS232C (amarilla) y señal UART (azul) R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
25 RS-232C Handshaking Después de mandar un byte, el transmisor no debería enviar otro hasta recibir una confirmación de que el receptor está listo para recibir nuevamente (handshaking). Existen tres tipos de handshaking: hardware, software, and none. V T = 1MHz ; PC = 5GHz ; none handshaking needed. Hardware handshaking usa las lineas RTS (transmisor) y CTS (receptor). Software handshaking (XON/XOFF) usa dos caracteres para handshaking Crtl-S (0x13) y Ctrl-Q (0x11) los cuales no pueden ser usados en el envío de información. R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
26 RS-232C Implementación El transciever genera los valores de voltajes requeridos +12V / -12V sin la necesidad de proveer reguladores externos. R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
27 RS-232C Implementación El transciever genera los valores de voltajes requeridos +12V / -12V sin la necesidad de proveer reguladores externos. R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
28 RS-422 Outline 1 Conceptos básicos 2 UARTs 3 RS-232C 4 RS RS I2C (Inter-Integrated Circuit) 7 SPI (Serial Peripheral Interface) 8 Referencias R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
29 RS-422 RS I Características distancias de hasta 1200m velocidades de hasta 100kbps - 10Mbps a comunicación diferencial (twisted pair or differential pair) transmisión balanceada (no referenciada a GND) ruido afecta a ambas lineas, la diferencia entre voltajes es menor (common mode rejection) niveles representados por diferencias entre ±4V y ±12V a R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
30 RS-422 RS II Rt = 100Ω 120Ω *voltage levels for one line R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
31 RS-422 RS III Canales diferenciales A (amarillo) y B (azul) R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
32 RS-422 Implementación Desarrolladores utilizan cualquier cable para el twisted pair. Al poner el chip en high-impedance se hace invisible a la red. Por lo tanto, se pueden conectar varios transceivers y establecer una red simple y robusta. Este último modo de operación genera el protocolo RS-485. R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
33 RS-485 Outline 1 Conceptos básicos 2 UARTs 3 RS-232C 4 RS RS I2C (Inter-Integrated Circuit) 7 SPI (Serial Peripheral Interface) 8 Referencias R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
34 RS-485 RS I Características protocolo industrial para crear redes de bajo costo permite que múltiples nodos compartan información a través de un único twisted pair arquitectura maestro-esclavo distancias de hasta 1200m velocidades de hasta 10Mbps (pero no limitado) a comunicación diferencial, balanceada, common mode rejection niveles representados por diferencias de 6V máx. se pueden conectar al menos 32 nodos a R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
35 RS-485 RS II Arquitectura master-slave R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
36 RS-485 RS III Canales diferenciales A (amarillo) y B (azul) R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
37 RS-485 Implementación - I R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
38 RS-485 Implementación - II half-duplex full-duplex R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
39 RS-485 Problema La velocidad máxima de los protocolos asíncronos es limitada; Para distancias cortas, e.g., dentro de la misma PCB, se pueden utilizar los siguientes protocolos síncronos... R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
40 I2C (Inter-Integrated Circuit) Outline 1 Conceptos básicos 2 UARTs 3 RS-232C 4 RS RS I2C (Inter-Integrated Circuit) 7 SPI (Serial Peripheral Interface) 8 Referencias R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
41 I2C (Inter-Integrated Circuit) I2C - I Características desarrollado para conectar dispositivos en la misma PCB (distancias cortas) usa tres lineas: GND, clock (SCL) y serial data line (SDA) velocidades de 100kbps in low-speed mode, 400kbps in fast mode, y 3.4Mbps in high-speed mode utiliza direcciones para seleccionar receptores operación master-slave, permite multimaster half-duplex R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
42 I2C (Inter-Integrated Circuit) I2C - II Multimaster, cualquiera puede ser master (pero sólo uno a la vez) Master envía señal de clock R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
43 Implementación - I I2C (Inter-Integrated Circuit) Cada linea, clock y SDA, es bidireccional. Pull-up resistors permite multimaster (wired AND). R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
44 SPI (Serial Peripheral Interface) Outline 1 Conceptos básicos 2 UARTs 3 RS-232C 4 RS RS I2C (Inter-Integrated Circuit) 7 SPI (Serial Peripheral Interface) 8 Referencias R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
45 SPI (Serial Peripheral Interface) SPI - I Características desarrollado para conectar dispositivos en la misma PCB (distancias cortas) usa al menos cuatro lineas: GND, clock (SCLK), master output - slave input (MOSI), master input - slave output (MISO), slave select (active low, output from master) (SS). velocidades desde 100kbps hasta 100Mbps operación master-slave, maestro inicia comunicación pueden haber múltiples esclavos selección de receptor por hardware, líneas slave select (chip select) Full-duplex R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
46 SPI (Serial Peripheral Interface) SPI - II Modo de funcionamiento típico: rotación de registros (buffer circular) R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
47 Implementación - I SPI (Serial Peripheral Interface) Tres esclavos independientes R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
48 Implementación - II SPI (Serial Peripheral Interface) Tres esclavos en daisy-chain R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
49 Referencias Outline 1 Conceptos básicos 2 UARTs 3 RS-232C 4 RS RS I2C (Inter-Integrated Circuit) 7 SPI (Serial Peripheral Interface) 8 Referencias R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
50 Referencias Bibliografía Valdes-Perez, Fernando, Pallas-Areny, Ramon, Microcontrollers, Fundamentals and Applications with PIC, 1st edition, CRC PRess, February, 2009, Chapter 08. Catsoulis, John, Designing Embedded Hardware, 2nd edition, O Reilly Media, May, 2005, Chapter 09. R. F. Mendoza-Garcia (Mecánica, UTA) Comunicación Serial May 7, / 45
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