COMUNICACIONES INDUSTRIALES

1. COMUNICACIONES INDUSTRIALES UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA MEDELLÍN Sesión 3.

2. Datos de contacto • Andrés Felipe Sánchez P. • Correo: sanchezp.andres@gmail.com • Teléfono celular: 301 254 9118 • Página web para información y documentación: http://sanchezudeandres.jimdo.com

3. ESTRUCTURA DEL CURSO • Sesión 2 • Capa física • Comunicaciones entre componentes electrónicas • I2C • SPI • Onewire • Rs232 • Comunicaciones entre sistemas electrónicos. • Rs485 • Usb • Zigbee • Comunicación 4-20mA • Wifi • Irda

4. Transmisión de datos • Transmisión análoga: la información va contenida en las mismas características de la señal: nivel, frecuencia, o fase, generalmente la conexión es por cable. El problema de la transmisión analógica es que la señal se debilita con la distancia, por lo que hay que utilizar amplificadores de señal cada cierta distancia.

5. Transmisión de datos • Transmisión digital: Los datos digitales se suelen representar por una serie de pulsos de tensión o paquetes discretos que representan los valores de la señal, y no cambia tan frecuentemente como la señal análoga. Es de mejor calidad y velocidad, ya que es más fácil regenerar la información. La transmisión digital tiene el problema de que la señal se atenúa y distorsiona con la distancia, por lo que cada cierta distancia hay que introducir repetidores de señal.

6. Transmisión de datos En el proceso de transmisión de datos, se añade información que utiliza el sistema para comprobar que la transmisión ha sido correcta. El proceso de transmisión de datos, se puede dividir básicamente en: • Convertir los datos para su transmisión. • Establecer el control en el envío de los datos. • Comprobar la llegada de los datos a su destino. • Detectar presencia de errores en el proceso de envío/recepción.

7. Técnicas de transmisión de datos • Transmisión en serie Los bits de información se transmiten secuencialmente por una sola línea (canal). Para enviar un byte de datos, se deben enviar cada bit detrás del otro, agregando además dos bits adicionales para determinar el inicio y el final de la transmisión.

8. Técnicas de transmisión de datos • Transmisión en paralelo Los bits se transmiten en grupo sobre varias líneas al mismo tiempo, generalmente se requiere una línea para cada bit. La transmisión en paralelo es más rápida pero se encarece por necesitar de muchos conductores y también porque aumenta la complejidad de los transmisores y los receptores de la línea.

9. Técnicas de transmisión de datos • Transmisión asíncrona • los datos son transmitidos bit a bit. • Los datos incluyen sincronización. • Se añade una señal de inicio y finalización. • Se añaden bits de control para detección de errores.

10. 1.3.1. Técnicas de transmisión de datos • Transmisión síncrona • Las señales se transmiten por paquete, con una coordinación temporal precisa entre el emisor y el receptor. • Se utilizan señales de reloj para sincronizar emisor y receptor. • Se utilizan bits o bytes de sincronización.

11. Técnicas de transmisión de datos De acuerdo al sentido de la transmisión, se clasifica en: • Transmisión simple (SIMPLEX) En este caso la transmisión se da en una sola dirección, en este sistema deben estar definidos el receptor y el emisor. Requiere un solo canal. Algunos ejemplos comunes son la televisión y la radio, en la industria….

12. Técnicas de transmisión de datos • Transmisión semidoble (HALF-DUPLEX) En este tipo de transmisión se permite la comunicación en ambos sentidos, pero se realiza por una sola línea, por lo que no se puede enviar y recibir información al mismo tiempo sino que se debe esperar que se termine de recibir la información para poder enviar datos. Un ejemplo de este tipo de transmisión son los equipos de ”walkie-talkie”.

13. Técnicas de transmisión de datos • Transmisión doble (FULL-DUPLEX) • En este modo de transmisión, se tienen dos líneas, una para enviar y otra para recibir datos al mismo tiempo. Un ejemplo de ello es: El teléfono.

14. Detección de errores Siempre se debe implementar el sistema de comunicación más confiable posible, pero cuanto mayor es la trama que se envía, mayor es la probabilidad de que se produzca algún error; ya que, en la práctica, un canal de comunicación está sujeto a una a diversidad de perturbaciones que dan como resultado una distorsión del mensaje que se está trasmitiendo. Interferencias, calor, magnetismo, etc., influyen en una señal electromagnética, esos factores pueden alterar la forma o temporalidad de una señal. Si la señal transporta datos digitales, los cambios pueden modificar el significado de los datos.

15. Tipos de errores Error de bit Únicamente un bit de una unidad de datos determinada cambia de valor. Un error de bit altera el significado del dato. Son el tipo de error menos probable en una transmisión de datos serie, puesto que el intervalo de bit es muy breve (1/frecuencia) el ruido tiene que tener una duración muy breve. Sin embargo si puede ocurrir en una transmisión paralela, en que un cable puede sufrir una perturbación y alterar un bit de cada byte.

16. Tipos de errores Error de ráfaga El error de ráfaga significa que dos o más bits de la unidad de datos han cambiado. Los errores de ráfaga no significa necesariamente que los errores se produzcan en bits consecutivos. La longitud de la ráfaga se mide desde el primero hasta el último bit correcto, algunos bits intermedios pueden estar bien Los errores de ráfaga es más probable en transmisiones serie, donde la duración del ruido es normalmente mayor que la duración de un bit, por lo que afectara a un conjunto de bits. El número de bits afectados depende de la tasa de datos y de la duración del ruido

17. Técnicas de detección de errores Para detectar errores, se añade un código en función de los bits de la trama de forma que este código señale si se ha cambiado algún bit en el camino. Este código debe de ser conocido e interpretado tanto por el emisor como por el receptor. Se pueden usar las siguientes técnicas de detección de errores: • Comprobación de paridad • Comprobación de Redundancia Cíclica (CRC) • Comprobación de suma

18. Técnicas de detección de errores • Comprobación de paridad En un mecanismo simple que consiste en agregar un bit adicional (bit de paridad) a cierto numero de bits que forman una palabra, generalmente se hace cada 7 bits, de modo que con el bit de paridad, se forme un byte. El valor del bit de paridad se determina de modo que la cantidad de “1” sea par. Por lo tanto si el código de información tiene una cantidad par de “1”, el bit de paridad es “0”, en caso contrario será “1”

19. Técnicas de detección de errores • Comprobación de paridad • Error: Si uno de los bit sufre un error, el bit de paridad será incorrecto y se detecta la falla

20. Técnicas de detección de errores • Comprobación de paridad Pero que sucede si son dos bits los que fallan de manera simultanea mientras se envía la información Ya que el sistema de control de paridad puede detectar un número impar de errores, puede detectar solamente el 50% de todos los errores. Este mecanismo de detección de errores también tiene la gran desventaja de ser incapaz de corregir los errores que encuentra (la única forma de arreglarlo es solicitar que el byte erróneo sea retransmitido).

21. Técnicas de detección de errores • Comprobación de Redundancia Cíclica (CRC) Es la técnica más usada, consiste en dividir un mensaje binario dentro de una cantidad constante, su residuo se envía de vuelta y se compara en la estación receptora con el residuo obtenido al dividir los datos recibidos entre la misma constante. Se acepta el mensaje, cuando los residuos son iguales, o se considera que hubo un error en caso contrario.

22. Técnicas de detección de errores • Comprobación de suma (Checksum) • A la información a transmitir se le considera como un conjunto de palabras de n bits, y la redundancia es otra palabra de n bits, que inicialmente están a “0”. • Emisor: La redundancia se calcula como el complemento a 1 de la suma de las palabras de información. • Receptor: Se suman en complemento a 1 tanto las palabras de información como la de redundancia, y si el resultado es una palabra con todos los bits a “1” se da por buena.

23. Codificación Digital Codificación digital unipolar. En este tipo de codificación se usa solo un tipo de voltaje para enviar la señal.

24. Codificación Digital Codificación bipolar La codificación polar utiliza dos niveles de voltaje, positivo y negativo. • NRZ (No retorno a cero) • RZ (Retorno a cero) • Bifase (autosincronizados)

25. Codificación Digital NRZ (No retorno a cero) El nivel de la señal es siempre positivo o negativo. Los dos métodos más utilizados son: • NRZ-L (Non ReturntoZero-L): Un voltaje positivo significa que el bit es un ‘0’, y un voltaje negativo que el bit es un ‘1’. • NRZ-I (Non ReturntoZero, Invertonones): En esta codificación el bit ‘1’ se representa con la inversión del nivel de voltaje. Lo que representa el bit ‘1’ es la transición entre un voltaje positivo y un voltaje negativo, o al revés, no los voltajes en sí mismos. Un bit ‘0’ no provoca un cambio de voltaje en la señal. Así pues, el nivel de la señal no solo depende del valor del bit actual, sino también del bit anterior.

26. Codificación Digital • RZ (Retorno a cero) • Utiliza tres valores: positivo, negativo y cero. Un bit ‘1’ se representa por una transición de positivo a cero y un bit ‘0’ se representa con la transición de negativo a cero, con retorno de voltaje 0 en mitad del intervalo.

27. Codificación Digital • Bifase (autosincronizados) • En este método, la señal cambia en medio del intervalo del bit, pero no retornó a cero, sino que continua el resto del intervalo en el polo opuesto. Hay dos tipos de codificación Bifase: • Manchester: Una transición de polaridad de positiva a negativa representa el valor binario ‘0’, y una transición de negativa a positiva representa un ‘1’. • Manchester Diferencial: Necesita dos cambios de señal para representar el bit ‘0’, pero solo ‘1’ para representar el bit ‘1’. Es decir, una transición de polaridad inversa a la del bit previo, para representar el '0' y una transición igual para el '1'.

28. Modulaciones digitales Este tipo de modulaciones son útiles para enviar datos binarios por medio de la manipulación de las características de una señal dada. Normalmente como portadora se usan señales cuadradas o senoidales.

29. Modulaciones digitales Modulación por Amplitud o ASK: En este tipo de modulación se envía la señal portadora para representar un ‘1’ y no se envía nada para representar ‘0’

30. Modulaciones digitales Modulación por cambio de frecuencia o FSK En este tipo de señales se envían al menos 2 frecuencias diferentes para representar el ‘1’ y el ‘0’ lógico.

31. Modulaciones digitales Modulación por cambio de fase PSK En este tipo de modulación se invierte la fase de la señal para indicar un ‘0’ o ‘1’ lógico. En su concepción más simple se desfasa la señal 180°, pero pueden existir numerosos cambios de fase para representar no solo bits, sino secuencias completas.

32. Modulaciones digitales especiales Dentro de este tipo de modulaciones encontramos: Modulaciones multinivel: se utilizan varios niveles de voltaje para representar un simbolo. Modulaciones por ancho de pulso: Se manipula el ciclo de dureza para representar varios simbolos.

33. Protocolos de comunicación entre dispositivos Las comunicaciones entre dispositivos juegan un papel sumamente importante en el mundo de la electrónica moderna, ya que la tendencia actual es encontrar dispositivos robustos que entregan información mediante protocolos digitales resolviendo ellos internamente el acondicionamiento de señal.

34. Protocolos de comunicación entre dispositivos Protocolos mas utilizados en la actualidad: • I2c (Inter IntegratedCircuits). • SPI • Onewire • Rs232

35. I2c (Inter IntegratedCircuits). Historia • El I2C (Inter IntegratedCircuits) es un bus de comunicaciones serial síncrono de dos líneas que fue originalmente desarrollado por Philips Semiconductors (ahora nxp semiconductors) desde los inicios de los ‘80. Hoy es un estándar aceptado y respaldado por los fabricantes de dispositivos semiconductores.

36. I2c (Inter IntegratedCircuits). Características preliminares El bus I2C permite la comunicación entre múltiples dispositivos (en teoría más de 1000), todos conectados paralelamente a las dos líneas. Las transferencias de datos siempre se realizan entre dos dispositivos a la vez y en una relación maestro – esclavo.

37. I2c (Inter IntegratedCircuits). Maestros y esclavos Los dispositivos maestros son normalmente los microcontroladores y los dispositivos esclavos pueden ser memorias, conversores DAC y ADC, controladores de LCD, sensores de todos los tipos, etc.

38. I2c (Inter IntegratedCircuits). Características Las transferencias de datos se llevan a cabo mediante dos líneas: línea serial de datos SDA y línea serial de reloj SCL. Ambas son bidireccionales. SDA se encarga de conducir los datos entre el dispositivo maestro y los esclavos. SCL es la señal de reloj que sincroniza los datos que viajan por la línea SDA. Tanto SDA y SCL son puertos del tipo colector abierto por lo que se requiere pull-up externa.

39. I2c (Inter IntegratedCircuits). Características El dispositivo maestro (microcontrolador) es quien siempre tiene la iniciativa de la comunicación: el maestro genera la señal de reloj y controla cuando se transmiten o reciben los datos.

40. I2c (Inter IntegratedCircuits). Características Puede haber varios esclavos en la red I2C, pero el maestro solo se comunica con uno a la vez. Por eso cada dispositivo esclavo debe ser identificado por una dirección única.

41. I2c (Inter IntegratedCircuits). Transferencia de Datos Los datos que se transfieren por el bus I2C deben viajar en forma de paquetes, aquí llamados transferencias. Como se ve en la siguiente figura, una transferencia empieza con un START y termina con un STOP. Entre estas señales van los datos propiamente dichos. Cada dato debe ser de 8 bits (1 byte) y debe ir seguido de un noveno bit, llamado bit de reconocimiento (ACK o NACK).

42. I2c (Inter IntegratedCircuits). La transferencia mostrada tiene dos bytes pero puede varios más (sin restricción) o puede haber un solo byte por paquete.

43. I2c (Inter IntegratedCircuits). Los datos son transferidos por la línea SDA y son acompañados y sincronizados por los pulsos de reloj de la línea SCL. Para transmitir un bit primero hay que poner la línea SDA a 1 ó 0 según sea el caso, y luego colocar un pulso en la línea SCL.

44. I2c (Inter IntegratedCircuits). Los datos pueden viajar de ida y de vuelta por SDA sin colisionar porque es el maestro quien controla cuándo se transmite o recibe un dato. De ese modo, el control de SDA puede ser asumido tanto por el maestro como por el esclavo y ambos dispositivos podrán intercambiar los roles de transmisor o receptor. Eso sí, en cualquier caso, el control de la línea SCL siempre es asumido por el maestro.

45. I2c (Inter IntegratedCircuits). Condición de START: Una condición START es una transición de Alto a Bajo en la línea SDA cuando SCL está en Alto. Se le representa por la letra S. Después de Start el bus se considera ocupado.

46. I2c (Inter IntegratedCircuits). Condición de STOP:Una condición STOP es una transición de Bajo a Alto en la línea SDA mientras SCL está en Alto. Está simbolizada por la letra P. Después de Stop las dos líneas están en Alto y el bus se considera libre. Se usa Stop para cerrar la transferencia de un paquete de datos o para abortar una transferencia previa que quedó truncada.

47. I2c (Inter IntegratedCircuits). Condición de START REPETIDO:La señal de una condición START repetida es exactamente igual a la de START. La diferencia es de tipo “ocasional”: aunque en principio cada transferencia debe ir enmarcada por un Start y un Stop, el estándar contempla la posibilidad de iniciar una nueva transferencia sobre una anterior que no ha sido cerrada con un Stop. El Start de la nueva transferencia se llama entonces Start Repetida y su símbolo es Rs.

48. I2c (Inter IntegratedCircuits). El bit de reconocimiento:Según las figuras mostradas, cada byte transferido debe ir seguido de un noveno bit, llamado Acknowledge bit (bit de reconocimiento, en inglés). Este bit siempre debe ser devuelto por el dispositivo receptor (maestro o esclavo) tras cada byte recibido.

49. I2c (Inter IntegratedCircuits). ACK:Si el bit de reconocimiento es 0 significa que el dato fue reconocido y aceptado. Este bit se denomina ACK (Acknowledge).

50. I2c (Inter IntegratedCircuits). NACK:Si el bit de reconocimiento es 1 significa que el dato recibido aún no es aceptado. Se usa este mecanismo para indicar que el receptor está ocupado realizando alguna tarea interna. Este bit se denomina NACK (NotAcknowledge).