Unidade III - Hardware para Sistemas Embarcados

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Sistemas Embarcados
Material Teórico
Responsável pelo Conteúdo:
Prof. Me. Tales Gouveia Fernandes 
Revisão Textual:
Prof.ª Me. Sandra Regina Fonseca Moreira
Hardware para Sistemas Embarcados
• Periféricos Internos de um Microcontrolador;
• Alimentação Elétrica do Microcontrolador;
• Periféricos Externos de um Microcontrolador;
• Interfaces de Comunicação.
• Reconhecer as interfaces de comunicação disponíveis em um sistema microcontrolado; 
• Aprender sobre periféricos internos e externos ao microcontrolador;
• Adquirir embasamento técnico sobre dispositivos de entrada e saída de
um sistema embarcado;
• Conhecer os fundamentos da alimentação e regulação de tensão de um microcontrolador.
OBJETIVOS DE APRENDIZADO
Hardware para Sistemas Embarcados
Orientações de estudo
Para que o conteúdo desta Disciplina seja bem 
aproveitado e haja maior aplicabilidade na sua 
formação acadêmica e atuação profissional, siga 
algumas recomendações básicas: 
Assim:
Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte 
da sua rotina. Por exemplo, você poderá determinar um dia e 
horário fixos como seu “momento do estudo”;
Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar; lembre-se de que uma 
alimentação saudável pode proporcionar melhor aproveitamento do estudo;
No material de cada Unidade, há leituras indicadas e, entre elas, artigos científicos, livros, vídeos 
e sites para aprofundar os conhecimentos adquiridos ao longo da Unidade. Além disso, você tam-
bém encontrará sugestões de conteúdo extra no item Material Complementar, que ampliarão sua 
interpretação e auxiliarão no pleno entendimento dos temas abordados;
Após o contato com o conteúdo proposto, participe dos debates mediados em fóruns de discus-
são, pois irão auxiliar a verificar o quanto você absorveu de conhecimento, além de propiciar o 
contato com seus colegas e tutores, o que se apresenta como rico espaço de troca de ideias e de 
aprendizagem.
Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte 
Mantenha o foco! 
Evite se distrair com 
as redes sociais.
Mantenha o foco! 
Evite se distrair com 
as redes sociais.
Determine um 
horário fixo 
para estudar.
Aproveite as 
indicações 
de Material 
Complementar.
Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar; lembre-se de que uma 
Não se esqueça 
de se alimentar 
e de se manter 
hidratado.
Aproveite as 
Conserve seu 
material e local de 
estudos sempre 
organizados.
Procure manter 
contato com seus 
colegas e tutores 
para trocar ideias! 
Isso amplia a 
aprendizagem.
Seja original! 
Nunca plagie 
trabalhos.
UNIDADE Hardware para Sistemas Embarcados
Periféricos Internos de um Microcontrolador 
É possível generalizar e pontuar alguns dos principais periféricos internos de um 
microcontrolador. Certamente existirão fabricantes que não incluirão um ou outro 
periférico em sua linha de microcontroladores, o que será estudado nesta unidade. 
Porém, devido às várias linhas de microcontroladores fornecidas pelos fabricantes, há 
possibilidade de utilizar conjuntos de microcontroladores, com a intenção de utilizar 
os melhores recursos que cada um tem. Assim, criar soluções que incluem a utilização 
desses periféricos poderá contribuir com a otimização do sistema embarcado final, 
seja em termos de velocidade ou, até mesmo, em consumo de energia elétrica.
Para melhor exemplificar e identificar a forma como se utiliza os periféricos 
internos de um microcontrolador, será levado em consideração a arquitetura do 
microcontrolador de 8 bits da família PIC16F84A, fabricado pela Microchip, o 
qual possui clock de 20 MHz, 35 instruções, 68 bytes de memória RAM e 64 de 
memória EEPROM. Além de possuir 13 terminais de entrada e saída de dados, 
chamados de terminais I/O (do inglês Input/Output), os quais há controle individual 
de direção do fluxo de dados e finalmente 4 fontes de interrupção. 
Um dos primeiros periféricos estudados de um microcontrolador é o compara-
dor, o qual consiste em um circuito de comparação analógica, podendo ter suas 
entradas e saídas acessadas diretamente pelos terminais. Para o microcontrolador 
em questão, existem 8 modos de operação, sendo que o registrador CMCON é 
responsável por ligar ou desligar a conexão dos pinos do comparador com os 
terminais do microcontrolador, indo do RA0 ao RA2. Já o registrador VRCON é 
responsável por ajustar o nível de tensão de referência aplicada na entrada inver-
sora do comparador.
Saídas
Saídas
+
–
VIN+
VIN+
VIN–
VIN–
Figura 1 – Comparador
8
9
A Figura 1 ilustra o esquema funcional do comparador, juntamente com a re-
lação entre os níveis analógicos de tensão de entrada e a saída digital. Quando a 
entrada analógica VIN+ é menor do que a entrada analógica VIN-, a saída digital do 
comparador é 0. Por outro lado, se a entrada analógica VIN+ for maior do que a 
entrada analógica VIN-, então a saída digital do comparador será 1. As áreas em 
negrito do gráfico da saída digital representam os momentos de incerteza da res-
posta do comparador, devido ao offset dos sinais de entrada e tempo de resposta 
do periférico.
Offset: O conceito está relacionado com o deslocamento, seja positivo ou negativo, de um 
sinal diante do referencial do mesmo. Por exemplo, se a uma tensão alternada for adicio-
nada uma tensão contínua, ela passa a ter um offset, ou seja, deslocamento, podendo ser 
positivo ou negativo .
Ex
pl
or
O segundo periférico é chamado de PWM (do inglês Pulse Width Modulation) 
ou Modulação por Largura de Pulso. O módulo PWM consiste em um oscilador 
de onda retangular cuja frequência é fixada e o ciclo ativo (do inglês duty cycle) 
é alternado. Para o PWM do PIC16F84A, pois pode haver variação dependendo 
do modelo, é possível ajustar a largura do pulso em 10 bits, ou seja, a escala do 
sinal está entre os níveis 1023, o qual representa o valor máximo do sinal e nível 
0, representando o valor mínimo. A partir destes níveis digitais, é possível gerar 
um sinal analógico através de filtros ou mesmo da operação de integração. Uma 
aplicação prática do PWM está na sua utilização para o controle de velocidade de 
motores de corrente contínua. Para se obter o valor médio de tensão de saída, VS, 
utiliza-se a tensão máxima de saída VP, o tempo de duração do ciclo ativo ou nível 
alto TON, cujo valor é variável e, por fim, o período do sinal, T. O cálculo segue a 
Equação 1.
V V TON
Ts P
= (1)
A Figura 2 ilustra o gráfico do sinal de saída do PWM com os respectivos perí-
odos e ciclo ativo.
Ciclo Ativo
Período
Fig ura 2 – Modulação por largura de Pulso, PWM
9
UNIDADE Hardware para Sistemas Embarcados
O terceiro periférico, o módulo conversor analógico-digital, A/D, pode ser de 
8 bits ou de 10 bits, ou seja, é possível converter um sinal analógico para sua 
respectiva representação digital utilizando 8 bits ou 10 bits. O conversor de 8 bits 
possui 8 entradas analógicas que são multiplexadas para um circuito de amos-
tragem e retenção. A saída deste circuito é conectada à entrada do conversor, o 
qual gera o resultado binário através de sucessivas aproximações. É possível se-
lecionar via software a tensão analógica de referência, podendo ser a tensão po-
sitiva do dispositivo VDD ou a tensão aplicada ao terminal VREF. Além disso, uma 
característica única do conversor A/D é a de estar disponível para uso mesmo 
quando o microcontrolador estiver no modo SLEEP. Este conversor possui três 
registradores, sendo dois de controle, ADCON0 e ADCON1, e um para saída do 
resultado, ADRES. A Figura 3 representa o diagrama funcional do conversor de 
aproximação sucessiva, o qual indica a entrada analógica, o clock de referência 
e as 8 saídas digitais.
Relógio
Entrada
Analógica Registrador de
aproximação
sucessiva
D/A
d7
Ve Vd +
–
d6
d0
saída digital
Figura 3 – Diagrama do conversor analógico-digital A/D, de aproximação sucessiva 
Por fim, o quinto periférico interno é o transmissor/receptor universal síncrono e 
assíncrono, ou USART (do inglês, e UniversalSynchronous Asynchronous Receiver 
Transmitter). Este módulo é um dos dois módulos seriais I/O do microcontrolador, 
ou seja, por este módulo trafegam informações do sistema embarcado para o 
microcontrolador e vice-versa. O módulo USART pode ser configurado como um 
sistema assíncrono full duplex, o qual se comunica com os equipamentos externos 
e até mesmo com o computador pessoal. Também é possível configurá-lo como um 
sistema síncrono half duplex que possibilita a comunicação com conversores A/D, 
comparadores e outros periféricos internos.
Para melhor compreender e estudar mais a fundo sobre comunicação USART, sistema full 
duplex e half duplex, recomenda-se assistir à palestra sobre comunicação serial com micro-
controladores – https://youtu.be/dt3GWQsxQb8
Ex
pl
or
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Para utilização de um dos modos de transmissão ou recepção, síncrona ou assín-
crona, de informação, é preciso saber a taxa de transmissão de dados (do inglês baud 
rate), que corresponde ao número de eventos, ou mudanças de sinal que ocorrem em 
um segundo. Com isso, o modo USART possui um gerador de baud rate (do inglês 
Baud Rate Generator - BRG), dedicado para taxas de 8 bits. O registrador SPBRG 
controla o período livre, sem execução, do temporizador de 8 bits. No modo assín-
crono, o bit BRGH também é responsável por controlar o baud rate. Já no modo 
síncrono, este bit é ignorado. A fórmula de cálculo do baud rate é demonstrada pela 
Equação 2, a partir da qual, dado um valor desejado de baud rate e a frequência 
de clock, FOSC, consegue se estimar um valor inteiro aproximado que o registrador 
SPBRG deve assumir, o qual varia entre 0 e 255. Com as seguintes condições, X é 
o valor do registrador SPBRG.
F MHz Baud rate desejada BRGH e SYNC
Baud ra
OSC � � � �16 9600 0 0; ; 
 tte desejada
F
X X
XOSC 
 
�
�
�
�
�
( ( ))
;
( ( ))
; .
64 1
9600 16000000
64 1
25 0442 25
16000000
64 25 1
9615
�
�
�
�
�
CalculandoBaudrate
Erro Baud
( ( ))
( 
 
rate calculado Baud rate desejado
Baud rate desejado
�
�
) (96115 9600
9600
0 16� �) .
É vantajoso usar a maior taxa de baud rate, ou seja, BRGH valendo 1, até 
mesmo quando o clock é baixo, pois a equação do cálculo, em alguns casos, pode 
reduzir a taxa de erro de transmissão e recepção. Reescrever o valor do registrador 
SPBRG provoca a reinicialização do temporizador BRG. Isto garante que o BRG 
não irá esperar o estouro do ciclo de tempo anterior para que seja gerado uma 
nova baud rate. Com isso, o módulo USART implementa todo o protocolo lógico 
de comunicação da porta serial do microcomputador. No entanto, para o protocolo 
físico, utiliza-se um conversor de níveis, uma vez que o PIC16F84A fornecerá níveis 
de tensão de 0 V a 5 V e a porta serial trabalha com níveis de +15 V a -15 V.
Alimentação Elétrica do Microcontrolador
O conceito fundamental que rege o funcionamento dos periféricos de alimen-
tação do circuito, sendo eles a fonte de alimentação e o regulador de tensão, é 
chamado de diferença de potencial (DDP) entre dois pontos. Dados dois pontos A 
e B, com potenciais VA e VB respectivamente, define-se tensão entre os pontos A 
e B ou diferença de potencial entre os pontos A e B como a diferença, ou seja, a 
subtração dos valores de VA e VB.
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UNIDADE Hardware para Sistemas Embarcados
O primeiro periférico que segue o conceito da DDP é a fonte de alimentação 
elétrica, que tem por objetivo alimentar o microcontrolador com tensões semelhantes 
às dos sinais de entrada e saída, os quais estão entre 0V e 5V para o PIC16F84A. 
Usar transformadores pode ser uma alternativa quando se quer ligar em uma 
tomada. Também é possível utilizar pilhas e baterias, quando o equipamento precisa 
de mobilidade e facilidade para ser transportado. No caso do sistema que precisa de 
uma alimentação de 5V, ao escolher pilhas AA descartáveis, que fornecem 1,5V e 
geralmente 300 mAh de corrente, seria necessária uma associação de quatro pilhas 
ligadas em série, para, assim, as tensões serem somadas e a corrente ser mantida. 
Outra forma de associação seria a paralela, sendo que se soma as correntes, e 
a tensão é mantida. Esta configuração é geralmente usada nos casos em que se 
tenha um consumo maior de corrente, como no acionamento de um motor elétrico. 
A Figura 4 ilustra os dois tipos de associação, em série e em paralelo, de baterias e 
seus resultados em termos de tensão e corrente.
1,5V 1,5V 1,5V 1,5V
Veq = 6V.
Veq =1,5 V.
+ AA – 1,5V – + AA – 1,5V –
AA 1,5V
AA 1,5V
AA 1,5V
AA 1,5V
– AA – 1,5V + – AA – 1,5V +
1,5 V
1,5 V1,5 V1,5 V1,5 V
+
+
+
+
Figura 4 – Associação série (esquerda) e paralelo (direita) de pilhas AA 
Ao utilizar pilhas para alimentar um sistema embarcado, é importante ter em 
mente o tempo de autonomia dele, ou seja, por quanto tempo o arranjo de baterias 
conseguirá mantê-lo ligado. Para facilitar a estimativa, e abstraindo uma série de 
fatores que podem influenciar o resultado, considera-se uma bateria AA de 300 
mAh, a qual garante fornecer 0,3 amperes em uma hora. Em um arranjo de três 
pilhas em paralelo, é possível contar com a disponibilidade de 900 mAh para uso. 
Considerando um circuito que consuma 100 mA, é possível estimar a autonomia 
do sistema embarcado em 9 horas.
Para se ter uma ideia da grandeza de corrente elétrica que um circuito consome, podemos 
associar este consumo com os efeitos da corrente elétrica no corpo humano. Considerando 
o tempo de duração da corrente elétrica sendo maior do que um ciclo cardíaco, qual será o 
efeito percebido pelo corpo humano? Para o caso de 100 mA, os efeitos podem ser desde 
marcas visíveis até mesmo fibrilação ventricular, inconsciência e paralisia respiratória.
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Pela Figura 4, é possível verificar que a associação de 4 pilhas em série promove 
uma tensão de 6V, no entanto, o microcontrolador necessita de no máximo 5V. 
Assim, é necessário reduzir essa tensão antes de alimentar o circuito do microcon-
trolador. Para isso, utiliza-se um regulador de tensão.
Já o segundo periférico, regulador de tensão, é um componente que tem por 
objetivo manter a tensão de saída constante, independentemente de eventuais varia-
ções na tensão de entrada e do consumo de saída, isso considerando certos limites 
de operação. Existem algumas famílias de reguladores de tensão, que são definidas 
pela nomenclatura e sua capacidade de tensão de saída. A família LM78xx corres-
ponde aos reguladores de tensão fixa positiva com corrente máxima de 1500 mA. 
O código xx representa os possíveis valores de tensão de saída que o regulador dis-
ponibiliza, podendo assumir os seguintes valores 5V, 6V, 8V, 10V, 12V, 15V, 18V 
ou 24V. Já a família LM79xx corresponde aos reguladores de tensão fixa negativa, 
diferente da família LM78xx, disponibilizando tensão de saída entre os valores -5V, 
-6V, -8V, -10V, -12V, -15V, -18V ou -24V, a corrente máxima também é de 1500 
mA. Por fim, existe uma família de reguladores de tensão, denominada LM117, 
com saída ajustável na faixa de valores entre 1.2V e 57V. Considerando o micro-
controlador PIC16F84A, que necessita de uma tensão de 5V, o regulador de tensão 
do sistema embarcado para controlar essa tensão deve ser o LM7805. A Figura 5 
ilustra o funcionamento esquemático do regulador de tensão citado anteriormente, 
sendo que a tensão de entrada está na faixa de 9V e a de saída é fixada em 5V.
Os capacitores utilizados foram dimensionados para manter a saída estável em 5V.
+9V
C C
LM7805
VoutVI VO
GN
D
GND
U1
0.33 Fµ 0.1 Fµ
Figura 5 – Esquema funcional do regulador de tensão LM7805
Para manter a saída deste regulador de tensão em 5V, será necessário associar 5 
pilhas em série, cujo fornecimento estará na faixa de 7.5V, pois os limites de tensão 
de entrada do regime de trabalho do LM7805 estão entre 7V e 20V.
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UNIDADE Hardware para Sistemas Embarcados
Periféricos Externos de 
um Microcontrolador
Além dos componentes de fornecimento de energia elétrica, para o correto fun-
cionamentodo microcontrolador, é necessário que o sistema embarcado forneça 
uma infraestrutura mínima, responsável por conectar periféricos como oscilador e 
um circuito de reset.
O primeiro periférico externo a um microcontrolador considerado será o oscilador 
externo. Este módulo é necessário quando a unidade de controle não possui um 
oscilador interno ou quando o oscilador interno não possui a frequência necessária 
para a aplicação. Existem alguns circuitos simples. Um deles é o resistor capacitor 
(RC), o qual é dimensionado para oscilar na frequência requerida pelo processamento. 
A variação de temperatura e tensão pode influenciar na estabilidade de oscilação do 
circuito, podendo ter alteração em sua ressonância. A Figura 6 ilustra o esquema do 
circuito RC, sendo que o nó OSC1 corresponde ao ponto oscilador 1 do circuito, 
o qual pode ser conectado no terminal de mesmo nome do microcontrolador. Para 
a configuração deste exemplo, o tempo de carga do capacitor é de 1 segundo, 
calculado a partir da multiplicação do valor do resistor pelo valor do capacitor, assim, 
a frequência de oscilação deste circuito é inversamente proporcional a este tempo 
de carga do capacitor.
C2
XTAL 1
10 MHzR1
100 Fµ
5V OSC1
OSC1
OSC210 kΩ
Figura 6 – Circuito RC oscilante (esquerda) e cristal oscilante (direita)
Também há possibilidade de se utilizar o circuito ressonante com cristal por vários 
motivos. Um deles é que o cristal é sensivelmente mais estável e preciso quando com-
parado com o circuito RC. Além do mais, há disponibilidade, no mercado, de cristais 
com várias frequências, sendo que cada um já vem com sua frequência ajustável. 
Encontram-se cristais com valores não comerciais quando solicitado diretamente com 
o fabricante, ou ainda cristais extremamente precisos. Porém, o custo é bem maior 
quando comparado com os comerciais convencionais. A Figura 6 ilustra um cristal de 
10 MHz, sendo que os pontos OSC1 e OSC2 podem ser conectados nos terminais 
do microcontrolador de mesmo nome.
14
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Além do oscilador externo, há também o circuito de reset, que nada mais é 
do que um botão conectado ao sistema que reseta a unidade de controle. Muitas 
vezes o terminal do microcontrolador é denominado de MCLR (do inglês, Master 
Clear). O objetivo do reset é funcionar de modo equivalente a retirar a alimentação 
do circuito e recolocar em um pequeno intervalo de tempo.
Por trás do circuito de reset, existe um conceito importante e fundamental para 
o funcionamento deste, correspondendo ao padrão de níveis de tensão para comu-
nicação digital. Este padrão define as faixas de tensão que serão consideradas como 
nível alto, ou 1 binário, e nível baixo, ou 0 binário. Alguns dos padrões são CMOS, 
LVTTL, LVCMOS, PECL, LVECL, LVPECL e HSTL. Porém, um dos mais utilizados 
é o nível TTL (do inglês Transistor-Transistor Logic) de 5V, o qual define que tensões 
acima de 2V até 5V são consideradas nível alto, ou 1 binário, e nível baixo, ou 0 biná-
rio, está na faixa de tensões de 0.8V até 0V. Com isso, o intervalo de tensões da faixa 
de 0.8V até 2V é considerado uma região em que o nível lógico é indeterminado, ou 
seja, uma região de transição em que nada se pode afirmar sobre o estado do sinal.
A ideia do botão de reset é fornecer um pulso baixo, ou seja, uma rápida transição 
do nível alto, 1 lógico, ao nível baixo, 0 lógico, e o retornar ao nível alto novamente. 
Para o funcionamento correto do microcontrolador, geralmente o terminal de reset 
deve estar em nível alto, 1 binário ou 5V, seguindo o padrão TTL. A Figura 7 ilustra 
um destes circuitos de reset com o padrão TTL. 
MCLR
R1 SW1
10kΩ
5V
Figura 7 – Circuito do botão reset de um sistema embarcado
Quando o botão estiver no seu estado padrão, não pressionado, o dispositivo 
recebe uma tensão de nível lógico alto, 1 lógico. Contudo, devido à presença do re-
sistor, a tensão não é 5V , mas sim uma tensão próxima ao limite da região de nível 
alto. Já no momento em que o botão for pressionado, a transição para nível baixo, 
ou 0 binário, acontece enquanto o mesmo se mantiver pressionado, podendo até 
ser o mais próximo do instantâneo. Quando o terminal MCLR do microcontrola-
dor for ligado diretamente ao nível alto de tensão de forma permanente, o micro-
controlador funcionará normalmente, sendo que esta medida é chamada de POR 
(do inglês Power-on Reset). Porém, se houver algum travamento no firmware do 
microcontrolador, não será possível reiniciá-lo. Desta forma, por ser de baixo custo 
o circuito de reset, a maioria dos sistemas embarcados disponibiliza este recurso.
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UNIDADE Hardware para Sistemas Embarcados
Interfaces de Comunicação
As interfaces de comunicação estão relacionadas com a comunicação entre 
computadores pessoais e o sistema embarcado, ou até mesmo entre sistemas em-
barcados distintos. Estabelecer uma comunicação entre dispositivos é vantajoso 
quando se precisa compartilhar memória de armazenamento, processamento, ou 
uma interface homem máquina (IHM) já implementada, a qual, nos computadores, 
corresponde aos dispositivos de entrada e saída como mouse, teclado, monitor e 
impressora. No entanto, o método de integração entre os dispositivos eletrônicos 
nada mais é do que um caminho de dados que transmite ou recebe bits.
A primeira interface de comunicação a ser considerada será a paralela, sendo 
que a forma de transferência de dados se dá de forma simultânea através de 8 bits 
independentes via 8 terminais. A porta paralela já foi muito utilizada para conexão de 
impressoras em computadores pessoais. Contudo, atualmente, essa porta possui três 
modos de operação, os quais são configurados pelo sistema básico de entrada/saída (do 
inglês Basic Input/Output System - BIOS). Os três modos de operação são:
Método unidirecional, ou seja, em apenas um sentido e de baixa velocidade, é 
denominado SPP (do inglês Standard Parallel Port).
Método avançado bidirecional, ou seja, em dois sentidos, sendo de maior velo-
cidade. Utiliza o processador para transferência de dados. É denominado EPP (do 
inglês Enhanced Parallel Port).
Método avançado bidirecional de maior velocidade, sendo que não há necessi-
dade de utilizar o processador para transferência de dados. É denominado ECP (do 
inglês Enhanced Capabilities Port).
A Figura 8 ilustra um conector utilizado na comunicação paralela. Este, por sua vez, 
possui 25 pinos e é denominado DB25.
STROBE
D1
D0
D2
D3
D4
D5
D6
D7
ACK
2
1
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
BUSY
Paper Out
Select
Error
GND
GND
GND
GND
GND
GND
GND
GND
RESET
Line Feed
Select Printer
Figura 8– Conector paralelo DB25
16
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O conector da Figura 8 possui um barramento de dados de 8 bits, tendo quatro 
pinos para o controle de saída de dados, que são Strobe, Linefeed, Initialize e 
Select In, além de 5 pinos para o controle de entrada de dados, sendo eles ACK, 
Busy, Select, Error e Paper Out. Por fim, 8 pinos são terra, definidos como GND 
e a taxa de transferência de dados por segundo chega a 150 kbit/s. 
Já a segunda interface de comunicação considerada será a serial. Já vimos 
que o dispositivo interno USART, utiliza a forma serial de transferência de da-
dos pelo barramento. No entanto, a porta serial de comunicação é muito utili-
zada para conectar computadores pessoais ao sistema embarcado e realizar gra-
vações de firmwares ou informações de BIOS. Diferentemente da interface de 
comunicação paralela, o envio de bits ocorre de forma serial, como uma fila, 
um atrás do outro, por uma única via. Ele possui dois canais de transferência 
de dados, um para envio (Tx) e o de recebimento (Rx). Em cada dado enviado 
é necessário incluir alguns campos, para assim ser efetuado o controle deles.
A codificação mais comum é a que usa um bit de início, seguido por sete ou oito 
bits de dados, possivelmente um bit de paridade, e um ou dois bits de parada, 
sendo necessários dez bits para enviar um único caractere.
Desta forma, quando se configurauma comunicação serial, é necessário alinhar 
o transmissor e receptor para quais padrões serão considerados, sendo os seguintes 
padrões disponíveis:
A velocidade com a qual os bits são transmitidos serialmente é chamada de bits 
por segundo (do inglês Baud Rate) .
O número de bits de um caractere, sendo este campo comumente selecionado 
para 8 bits, é chamado de bits de dados (do inglês Character Length).
Há um bit configurado em 0 ou 1, para assegurar que o número total de bits 1 
no campo de dados é par ou ímpar, como necessário. É chamado de Paridade (do 
inglês Parity).
E xiste um bit que determina início e fim de bloco, podendo ser zero ou um, estes 
são chamados de bits de parada (do inglês Start and Stop Bit).
Por fim, há uma configuração que pode ser feita tanto por hardware quanto por 
software, a qual é chamada de Controle de fluxo (do inglês Flow Contr ol). Configurar 
por hardware usa linhas de controle para transmitir o sinal e receber as condições. 
O DSR (do inglês Data Set Ready), DTR (do inglês Data Terminal Ready), CTS (do 
inglês Clear to Send) e RTS (do inglês Request to Send) são padrões de negociação 
da comunicação serial por hardware. Há também o software para controle de fluxo 
dos sinais XON e XOFF, que habilita ou desabilita a transmissão.
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UNIDADE Hardware para Sistemas Embarcados
XON (do inglês X-on) e XOFF (do inglês X-off) são protocolos para controle de fluxo de 
dados entre computadores pessoais e outros dispositivos que estão em uma conexão serial 
assíncrona. Por exemplo, normalmente um computador envia dados a uma impressora mais 
rápido do que a impressora consegue imprimir. Desta forma, a impressora possui um buffer, 
no qual os dados são armazenados antes de serem capturados para impressão. Se este buffer 
ficar cheio antes que a impressora os capture, um microcontrolador interno é responsável 
por enviar um sinal XOFF ao computador para que o ele pare de enviar dados. Após algumas 
impressões, consequentemente o buffer se esvaziará e o microcontrolador enviará um sinal 
XON ao computador para que este retome o envio de novos dados para impressão.
Ex
pl
or
A comunicação serial é realizada normalmente com um conector DB9 de nove 
pinos, ilustrado na Figura 9. É possível simplificar, utilizando apenas três pinos, 
sendo Rx, Tx e GND. A conexão R1IN e R2IN são os terminais de conexão do 
circuito integrado de buffer, podendo ser o MAX232 ou o ST232C, os quais geram 
as saídas Rx e Tx para o microcontrolador.
5
9
4
8
3
7
2
6
1
SERIAL
R1IN
R2IN
 
Figura 9 – Conector serial DB9
Com a evolução dos dispositivos, e da forma com que eles se comunicam, surgiu 
a porta USB (do inglês Universal Serial Bus), que veio para suprir a necessidade de 
ligar em um mesmo sistema vários periféricos com as características de conectar e 
acioná-los imediatamente, sem configurações adicionais. Esta ausência de configura-
ções prévias em uma conexão de periféricos é o chamado de plug and play.
Desde a invenção das portas USB, houve o desenvolvimento e evolução de algu-
mas versões. A versão mais atual é a 3.0, no entanto, a mais utilizada continua sendo 
a 2.0, também chamada de High-Speed. Possui uma velocidade de transferência su-
perior às versões anteriores, porém, continua compatível, de forma que a velocidade 
fica limitada à menor versão. A versão 1.1, conhecida como Low-Speed, possui uma 
taxa de transferência máxima de 10Mbps, enquanto a versão 2.0 atinge os 480Mbps, 
já a versão 3.0 chega aos 5Gbps. Esta opção de interface de comunicação tornou-se 
bem interessante por ser de baixo custo, com boa taxa de transferência e por suportar 
dados em tempo real de áudio, voz e vídeo.
18
19
Para a comunicação USB acontecer, são necessários dois dispositivos, sendo 
eles o Host e a Aplicação. O primeiro é responsável por detectar a inserção ou 
remoção de algum dispositivo. Ele gerencia o fluxo de dados e a interface elétrica 
entre ele e a Aplicação. Na versão 2.0, cada Host suporta até 127 dispositivos. Já 
na parte física, os dispositivos USB são ligados por meio de um cabo, que em cada 
extremidade possui conectores chamados de tipo A e tipo B. Pelo padrão USB, o 
tipo A é conectado na Aplicação e o tipo B no Host. Além desses, outro conector 
que é utilizado geralmente em equipamentos menores, como celulares e câmeras 
digitais, é o mini-B, o micro-B, e em aparelhos atuais já se usa o tipo C. A Figura 
10 mostra alguns conectores USB.
Figura 10 – Conectores USB
Fonte: Getty Images
A interface USB da versão 2.0 possui quatro fios condutores, sendo dois para 
alimentação e dois para transmissão de dados. Já os fios de alimentação, Vbus e 
Gnd, são utilizados para alimentar a aplicação em +5V, quando for necessário. 
Para cada porta USB, o Vbus possui uma corrente de até 5 mA. Os fios de dados 
denominados D+ e D- são responsáveis pela comunicação entre os dispositivos 
propriamente ditos, sendo a diferença de tensão entre eles a forma de envio das 
informações. Existem cabos para altas e baixas velocidades. Para o primeiro caso, 
o cabo possui uma blindagem e o par D+ e D- é entrelaçado.
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UNIDADE Hardware para Sistemas Embarcados
Após ter compreendido o funcionamento da interface de comunicação USB, por que não a 
utilizar, ao invés da Ethernet, para comunicação de computadores pessoais, ou até mesmo 
entre sistemas embarcados? Este assunto será aprofundado, porém, em resumo, a interface 
Ethernet possui melhor infraestrutura de transmissão e recepção de informação do que a 
USB. Tanto na parte elétrica, suportando maiores potencias e, consequentemente, maiores 
distâncias de transmissão, quanto na camada de software com definição de protocolos.
Ex
pl
or
Um ponto importante que se deve considerar é que a tecnologia USB não é de 
domínio público. Assim, cada fabricante de equipamentos eletrônicos que a utiliza 
compra uma licença. Através do link abaixo é possível obter todas as informações 
sobre a especificação USB e o contrato. Após adquirida uma licença, cada empresa 
possui um código chamado Vendor ID e para cada tipo de produto desenvolvido é 
atribuído um Product ID, ou seja, números que identificam tanto o vendedor como 
o produto na lista USB. É com essas informações que o computador pessoal ou 
sistema embarcado reconhecerá o dispositivo conectado. Por serem pagos direitos 
à licença de uso USB e também os IDs, há uma alternativa para pequenos desen-
volvedores que não pretendem comprá-los, devido ao seu custo, que é utilizar chips 
de grandes fabricantes que emprestam seu Vendor ID. Um exemplo é a Microchip 
que disponibiliza uma faixa de Product ID para seus clientes que utilizam seus pro-
dutos para desenvolver aplicações com USB. Assim, é possível utilizar a tecnologia 
USB sem ser ilegal. Uma alternativa bastante utilizada de implementação dessa co-
municação é o conversor Serial-USB, correspondendo ao desenvolvimento de uma 
aplicação serial, a qual será ligada a um conector USB. Neste caso, não é necessá-
rio adquirir os IDs, pois podem ser utilizados os dos conversores. Em contrapartida, 
a velocidade de comunicação fica limitada à utilizada na comunicação serial, não 
sendo vantajoso para casos de aplicações estritamente 3.0, como HDs externos.
USB Enabling Connections – http://bit.ly/2Q3uu3U
Ex
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or
Outra interface de comunicação utilizada em sistemas embarcados e em compu-
tadores pessoais é a tecnologia Ethernet, que funciona transmitindo pacotes de da-
dos em uma interconexão de redes locais, as LANs (do inglês Local Area Networks). 
A transmissão de pacotes funciona decompondo um arquivo grande em pequenos pe-
daços, adiciona os devidos campos para identificação e controles, e finalmente o envia.
A Ethernet muitas vezes está associada diretamente com a Internet. O que 
é algo natural, pois a Ethernet faz parte de uma das camadas da Internet. Sem 
expandir muito os conceitos de redes de computadores, existe uma divisão por ca-
madas que deu origem ao difundido modelo OSI e ao modelo TCP/IP. A Figura11 
ilustra este último modelo e os respectivos usos.
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Camada de Aplicação FTP
TCP UDP
IPv4 IPv6
ICMP
IGMP
HTTP Telnet DNS RIP
Camada de Transporte
Camada de Internet
Camada de Rede Ethernet FrameRelay IS-IS
OSPF EIGRPICMPv6
Figura 11 – Modelo TCP/IP da interface de comunicação de rede que inclui a Ethernet
Para dois sistemas se comunicarem, é necessário passar por todas as suas cama-
das até chegar à camada de rede, Ethernet, a ser transmitida, e, ao chegar ao seu 
destino, escalar novamente todas as camadas até chegar ao sistema. Implementar a 
interface Ethernet é desenvolver as subcamadas internas a esta, ou seja, a parte de 
Enlace e a parte Física. A subcamada de Enlace é composta pelo controle do link 
lógico (do inglês Logical Link Control - LLC) e pelo controle de acesso ao meio 
(do inglês Media Access Control - MAC). Já a subcamada Física é composta pelo 
driver da placa de rede e pela própria placa de rede.
É possível perceber que a Ethernet define a camada inferior do protocolo TCP/IP. 
Por isso ela define a parte Física, o cabeamento e os sinais elétricos, e na camada de 
Enlace indica o formato de pacotes e os protocolos. Uma das vantagens da Ethernet 
é que todos dispositivos possuem uma identificação física única, sendo o endereço 
MAC. Este é um código interno à placa de rede, não podendo ser trocado. Assim, de 
certa forma, há uma segurança para controle e transferência de dados.
Há uma série de conceitos envolvidos na interface Ethernet que devem ser levados 
em consideração para o correto funcionamento. Desse modo, um sistema embarca-
do normalmente utiliza um circuito integrado de controle Ethernet. Os fabricantes 
de circuitos integrados para Ethernet são Realtek e Micrel, por exemplo, oferecendo 
soluções rápidas de integração para essa finalidade.
Por fim, uma interface de comunicação alternativa aos métodos convencionais 
de transmissão por cabo, e que se encaixa na transmissão sem fio, é a comunicação 
por radiofrequência (RF). Há módulos comerciais de transmissão RF de tamanho e 
custo bem reduzido, sendo de fácil manuseio e atualização, os quais podem integrar 
um sistema embarcado. Ao adquirir um módulo de transmissão RF, é necessário 
verificar algumas características, como tensão e temperatura de operação e, princi-
palmente, a frequência de transmissão e recepção, pois suas frequências são fixas.
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UNIDADE Hardware para Sistemas Embarcados
Os módulos funcionam enviando e recebendo um bit, como uma comunicação 
serial, porém, vários bits em uma mesma frequência podem se misturar. É muito 
comum o uso de encoder’s e decoder’s com esses módulos. Os mais utilizados e até 
recomendados pelo fabricante dos módulos em seu Datasheet são o MC145026 e 
o MC145027 do fabricante Telecontrolli. Para uma correta comunicação, o encoder 
e o transmissor possuem um código de sincronia, o qual indica os sinais que devem 
ser transmitidos. O código é definido por cinco bits. É possível fazer um transmissor 
se comunicar com diversos receptores, apenas tornando o código de envio do trans-
missor variável, ou seja, cada vez que o transmissor desejar se comunicar com um 
determinado receptor, ele deve adequar-se ao código do receptor. A Figura 12 ilustra 
um módulo de transmissão, que utiliza o modelo RT4 com frequência de operação de 
433.92 MHz. A comunicação entre esses módulos permite uma distância máxima mé-
dia de 100 metros em locais abertos, ou seja, sem barreiras.
Figura 12 – Módulo RF do fabricante Telecontrolli
Fonte: Wikimedia Commons
O sistema de comunicação por radiofrequência exemplificado necessita de uma 
antena tanto para transmissão como para a recepção. A antena recomendada pelo 
fabricante é apenas um pedaço de fio de cobre e seu comprimento é determinado 
pela seguinte equação.
7500 
 ( )
Comprimento da Antena
Frequencia de Operação MHz
=
Sendo assim, o comprimento da antena é inversamente proporcional à frequência 
de operação do módulo pela constante do fabricante.
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Material Complementar
Indicações para saber mais sobre os assuntos abordados nesta Unidade:
 Sites
Detalhes dos Certificados USB de comunicação
http://bit.ly/2Q81TdB
 Vídeos
Comunicação Serial com Microcontroladores: USART, I2C, SPI e outros
https://youtu.be/dt3GWQsxQb8
Capacitores - Circuito RC - Constante de Tempo
https://youtu.be/lps1hDCJH0s
Comunicação Serial com Microcontroladores: USART, I2C, SPI e outros
https://youtu.be/dt3GWQsxQb8
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UNIDADE Hardware para Sistemas Embarcados
Referências
BINDAL, A. Electronics for Embedded Systems. Cham: Springer International 
Publishing, 2017.
HOLT, A.; HUANG, C. Y. Embedded Operating Systems a Practical Approach. 
2. ed. Ed. Cham: Springer International Publishing AG, 2018.
QIAN, K.; HARING, D. D.; CAO, L. Embedded Software Development with C. 
New York: Springer Science + Business Media, 2009.
OLIVEIRA, A. S.; SOUZA. A. F. Sistemas Embarcados Hardware e Firmware 
na Prática. 2. ed. São Paulo: Érica, 2010.
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