Comunicacao Digital

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Sistemas Digitais para Controle 98/2 - 4º Seminário (Fieldbus) - Princípios de Comunic. Digital
1 – PRINCÍPIOS BÁSICOS DA COMUNICAÇÃO DIGITAL
– Sinais analógicos e sinais digitais
A transmissão analógica de informações é caracterizada por uma contínua variação na amplitude do sinal transmitido. Os órgãos sensoriais humanos registram os estímulos do ambiente, tais como a luz, o som, o sabor essencialmente sob a forma de sinais analógicos.
Na engenharia de processos o sinal de 4...20mA é transmitido de forma analógica pura. Uma corrente proporcional ao valor medido de uma grandeza percorre o circuito entre o transmissor e o controlador. Mudanças na intensidade da corrente são e mediatamente registradas por qualquer dispositivo presente no circuito.
Um sinal analógico pode transportar muitos informações, como em um sinal acústico, onde se pode reconhecer o tom, a intensidade e o timbre. No caso do sinal de corrente de 4...20mA, entretanto, somente a intensidade do sinal ou a sua presença ou ausência pode ser determinada. O sinal digital não varia continuamente, mas é transmitido em pacotes discretos de informação. A informação não é imediatamente interpretada devendo ser primeiro decodificada pelo receptor. Existem diferentes maneiras de trnsmití-la ; como pulsos elétricos que saltam entre dois diferentes níveis de tensão, em computadores e em barramento de campo, ou , como uma série de pulsos ópticos ou acústicos de diferentes durações, como ocorre no Código Morse.
Não há limitação quanto ao conteúdo do sinal, podendo este transmitir além do valor da variável medida, outras informações a respeito do sensor.
Uma das vantagens da transmissão digital é a economia de uma conversão D/A no início da linha e uma D/A no final. A conversão D/A é feita através de uma amostragem do sinal analógico a intervalos regulares. A taxa de amostragem influencia na resolução da conversão, mas os custos de conversão aumentam, havendo portanto um compromisso entre a precisão e custo na determinação da qualidade da conversão.
– Comunicação digital
Na comunicação digital o sinal, composto de uma série de pulsos de tensão é enviado do transmissor para o receptor através de um meio de transmissão. Este pode ser um fio, fibra ótica ou ondas eletromagnéticas. A informação está contida nas mudanças entre dois níveis de tensão. Convencionalmente o nível alto de tensão representa o nível lógico 1 e a tensão baixo o nível lógico 0. A Fig. 1 ilustra este conceito.
Fig. 1 Informação representada por uma série de níveis de tensão
A unidade de informação, representada pelos valores 0 e 1, é denominada bit-binary digit. O sistema de numeração binário, que utiliza estes dois algarismos na sua representação, é usado nos microprocessadores. Um bit somente não é suficiente para o processamento de números e textos. Por isto se utiliza o byte, o bloco construtivo dos caracteres alfanuméricos (letras, números e outros símbolos), constituído de 8 bits, que possibilita a comunicação entre operador e o microprocessador. A comunicação, envolvendo dois parceiros, exige que ambos seja capaz de interpretar o sinal. Para isto se utiliza os códigos de controle e de dados, que informam o que está sento transmitido e de que modo. Exemplos de códigos são : o ASCII (Americana Standard Ode of. Informativo Interchange) , o ANSI (American National Standard Institute) e o RTU ( Remote Terminal Unit). O código hexadecimal é principalmente utilizado no endereçamento de bancos de memória, tendo a vantagem de encurtar a representação numérica facilitando a programação.
– Estruturas de redes
Uma rede é a conexão de dois ou mais dispositivos através de um meio de transmissão. Em uma rede de barramento de campo, o meio pode ser fio, fibra óptica ou um canal de telecomunicação. A escolha do meio depende da interface e da taxa de transmissão requerida.
A topologia de rede descreve a maneira pela qual os vários dispositivos da rede são conectados. Existem varias topologias, que se diferenciam de acordo com três critérios : a disponibilidade, a redundância e a expansibilidade. As três topologias básicas são : estrela, anel e barramento.
Na estrutura em estrela, Fig. 2(A), toda a informação é canalizada através de um nó central, um computador de processo. Cada dispositivo é servido por uma conexão própria. Toda troca de informação entre os diapositivos é manipulada via nó central.
		(a)					(b)
				( c) 
Fig. 2 Estrutura de redes em (a) estrela, (b) anel e (c) barramento
Nesta topologia falhas nas linhas individuais não são críticas, afetando somente o dispositivo a elas conectado. Pôr outro lado se a estação falhar toda a rede falha.
Na estrutura em anel, Fig. 2 (b), não há um controle centralizado. Cada dispositivo assume o papel de controlador em intervalos estritamente predeterminados. Expansibilidade teoricamente eliminada. Falha em um dispositivo seria suficiente para interromper a comunicação na rede. Isto é evitado utilizando-se chaves “by pass”.
Na estrutura em barremento, Fig. 2 (c), todos os dispositivos são conectados a uma linha de dados simples, chamada barramento, ao longo da qual a informação é disponibilizada. Um barramento com ramos é denominado árvore. A informação chega até um receptor sem a ajuda de qualquer outro dispositivo, agindo estes como elementos passivos, ao contrário do que ocorre na estrutura em anel.
A estrutura permite comunicação cruzada entre quaisquer dispositivos conectados, mas a transmissão de dados pelo barramento deve ser regulada com rigor. Apresenta expansibilidade teoricamente ilimitada.
– Meios de transmissão
Quanto mais informação e quanto maior a taxa de transmissão necessários maiores são as exigências sobre os meios de transmissão. Isto é particularmente verdadeiro em redes de comunicação industrial, onde as condições podem se afastar muito de ideal devido às possíveis interferências da maquinaria elétrica pesada. O melhor meio de transmissão depende muito da aplicação.
A Fig. 3 apresenta vários tipos de condutores utilizados como meios de conexão de uma rede de comunicação.
Fig. 3 Vários tipos de condutores
O par trançado é a solução mais econômica na transmissão de dados, possibilitando taxas de transmissão de até 375kbit/s em distâncias de até 300m. Quando encapado aumenta sua imunidade a interferências e melhora a performance.
Cabos múltiplos encapados podem ser usados desde que não haja comunicação cruzada entre os cabos. O padrão FIP especifica dois pares de cabos com duplo revestimento permitindo taxas de transmissão de 1Mbit/s sobre distâncias de até 2000m. Em qualquer caso, entretanto, estes meios devem ficar bem afastados dos cabos de potência onde grandes cargas são chaveadas. Os cabos coaxiais permitem altas taxas de transmissão e podem transportar várias mensagens simultaneamente. Por serem mais caros que os pares trançados serão raramente encontrados no campo.
A capacidade de transmissão das fibras óticas é cinco vezes maior que a dos cabos coaxiais. São compostas de uma fibra de vidro simples e fina, mas que, por motivo de estabilidade recebe várias camadas de proteção tornando o cabo espesso como um cabo coaxial. Os sinais transmitidos nas fibras óticas são sinais de luz, o que as torna imunes a interferências eletromagnéticas. As fibras ótica permitem taxas de transmissão da ordem de gigabits por segundo. Os métodos de conexão ainda são muito complicados, tornando-as muito caras para sua utilização extensiva em nível de campo.
– Modos de transmissão
Quando um sinal é enviado de um dispositivo para outro, ele deve primeiro passar pela interface para o meio de transmissão. Isto pode ser feito de duas maneiras :
Transmissão de dados byte a byte com um mínimo de 8 linhas de transmissão paralelas sobre uma interface paralela. Ver Fig. 4 (a). Exemplo : IEC-625/IEEE-488.
Transmissão de dados bit a bit sobre uma interfaceserial, denominada transmissão serial. Ver Fig. 4 (b). Requer menos fios do que na transmissão paralela mas o tempo de transmissão aumenta em função do tamanho do cordão de bits transmitido. Exemplos são as interfaces padrão IEEE RS- 232C e RS – 485.
(a)				(b)
Fig. 4 Transmissão paralela (a) e transmissão serial (a)
A interface tem a finalidade de colocar o sinal gerado pelo dispositivo da rede no meio de transmissão. O cordão de bits pode ser transmitido como um sinal de corrente alternada de amplitude, frequência ou fase moduladas. Ver Fig. 5 . Na recepção o sinal é demodulado pela interface eletrônica e a informação original é recuperada. Os módulos eletrônicos que executam a modulação e a demodulação fazem parte de toda interface e são projetados para um particular padrão.
Fig. 5 Transmissão de sinal por amplitude e frequência moduladas.
Temporização: 
Uma interface pode transmitir de dois modos : assíncrono, onde a transmissão pode ocorrer a qualquer tempo; ou síncrono, onde a transmissão está amarrada a um sistema comum de relógio entre transmissor e receptor.
A transmissão assíncrona é particularmente adequada para as pequenas mensagens encontradas em sistemas de barramento de campo. Cada byte a ser transmitido é empacotado entre um “start bit” e um “stop bit”. Ver Fig. 6.
O “start bit” informa ao receptor que um byte de dados o segue, e o “stop bit”que a transmissão de byte está completa. O comprimento da mensagem pode ser maior do que um byte desde que isto seja regulamentado. A transmissão assíncrona exige relativamente poucos esforços técnicos, podendo ser utilizado em praticamente todas as situações.
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Fig. 6 Estrutura de um sinal assíncrono
Na transmissão síncrona o sistema de relógio no transmissor e no receptor devem estar em fase. Isto exige o envio de um “preânbulo” antes do começo da transmissão. O preâmbulo compõe-se de pulsos de bits de sincronização do receptor, da base de tempo e da mensagem, resultando em um “caracter de sincronização”, que deve ser repetida a intervalos regulares. Ver Fig. 7 . 
Fig. 7 Estrutura de um sinal síncrono
A transmissão síncrona, portanto, apresenta mais problemas técnicos do que a assíncrona. Sua vantagem, entretanto, está na possibilidade de transmissão de longos blocos de dados mais eficientemente, isto é , com uma alta proporção de dados úteis.
Sentido da mensagem
Simplex : a informação flui somente em um sentido. Não é possível a confirmação da recepção da mensagem. Exemplo : difusão de rádio e TV.
Semi-duplex : a informação flui em ambos os sentidos. Primeiro, um dispositivo transmite, e, tendo este completado a transmissão, o parceiro responde. Como exemplo temos o telefax ou o teletipo on-line, onde a comunicação deve ser estabelecida antes que a mensagem seja transmitida. É o modo de comunicação preferido para o campo.
Duplex : a informação pode ser simultaneamente transmitida e recebida. Exemplo : a conversação telefônica entre duas pessoas. Para a comunicação entre duas máquinas entretanto, são necessárias linhas separadas para recepção e transmissão, caso contrário a informação não poderia ser decodificada.
Taxa de transmissão
Indica a quantidade de bits por segundo que pode ser transmitida entre transmissor e receptor. Todos os dispositivos em uma rede devem operar a uma mesma taxa de transmissão.
A máxima taxa de transmissão é limitada pelo tipo de interface e pelo meio de transmissão utilizado. Ela também é função do comprimento da linha, pois, a interferência eletromagnética aumenta com o comprimento da linha. O par trançado, o cabo múltiplo, o cabo coaxial e as fibras óticas apresentam taxa de transmissão admissível crescente nesta ordem.
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– Interfaces
No campo as linhas de transmissão devem ser baratas e confiáveis, exigências que se refletem no tipo de condutor utilizado, mas também na interface adotada. Assim, apesar da alta taxa de transmissão atingível, uma interface paralela como o patrão IEC-625/IEEE-488, que exige 16 linhas para enviar 1Byte de informação, o seu custo de instalação é muito alto neste nível.
Por esta razão a interface padrão no nível de campo é a serial. Os custos de instalação mais baixos (menos conectores e cabos), linhas longas, e transmissão mais segura compensam de sobra as taxas de transmissão menores.
Interfaces Seriais
Loop de corrente de 20mA
Originada da telegrafia, onde se exige comunicação confiável sobre grandes distâncias. Sua principal vantagem é a insensibilidade a interferências, úteis para longas distâncias e regiões sujeitas a fortes campos elétricos.
RS – 232C
O padrão estabelece as características físicas e elétricas para a transmissão serial de bits. Define os sinais de reconhecimento para os equipamentos padrões de controle para linhas telefônicas e modems.
Eletricamente o sistema é baseado em pulsos de +12V e –12V nos quais os dados são codificados. Mecanicamente, o padrão define conectores de 9 pinos e 25 pinos. Compõe-se principalmente de três linhas : a de transmissão, a de recepção e a do potencial de referência. 
RS – 422
Usa sinais diferenciais simétricos, que permitem altas taxas de transmissão, até 10Mbit/s.
No terminal de recepção a diferença entre os dois níveos é usada como sinal de decodificação. A vantagem do sistema é que ele se torna imune aos ruídos externos, pois este atua nos dois sinais, mantendo constante a diferença. Isto possibilita linhas mais longas que a interface RS – 232C e maiores taxas de transmissão.
RS – 485
Especifica as características elétricas e físicas para a transmissão simétrica de dados (como RS – 232C) entre vários dispositivos.
Máximos : 1,2km de distância com taxa de transmissão de 93,75kBits/s e, 200m a 500Bits/s.Três estados lógicos 0, 1 e “sem-dados”, este usado para controle ou sincronização de fluxo de dados.
Encontrada com frequência no campo, p. ex., no padrão PROFIBUS.
IEEE 1158-2
Interface intrinsecamente segura, apoiada pela WorldFFIP e PROFIBUS PA, semelhante á camada física da FIP (usa o código Manchester II de transmissão de dados). A interface usa um preâmbulo de sincronização e adiciona um delimitador de começo e de fim de dados transmitidos. A inconfundível natureza dos delimitadores e a monitoração estrita do tempo do sinal proporciona uma transmissão muito segura a altas taxas e longas distâncias.
A interface pode suprir potência intrinsecamente segura para até 10 dispositivos. 
Banda portadora : digital, um canal cabo coaxial, 5Mbit/s a 1000m.
Banda larga : analógico, multiplexados independentes, cabo coaxial, 10Mbit/s a distâncias de quilômetros.
Gateways : interfaces para outras redes
Um dos objetivos da comunicação digital é a comunicação entre todos os níveis de uma fábrica, de modo que informações de campo, p.ex., o nível de um tanque de armazenamento, possa ser passado para o nível de gerenciamento. Uma rede ao nível de gerenciamento, transmite grandes quantidades de dados, e o tempo não é fator crítico. Por outro lado um barramento de campo deve transmitir curtas mensagens com rapidez, confiabilidade e pequenos tempos de respostas. Além disso ele deve ser intrinsecamente seguro, uma exigência que não pode ser atendida pela maioria dos sistemas.
O gateway transfere dados de um nível de rede para o próximo, ou seja, é um tipo de interface. Na realização de sua tarefa, ele descobre a taxa de transmissão, interpreta os código de dados e de controle e associa os serviços de um nível naqueles de outro.
– Acessos a barramentos
Quando um computador passa dados para uma impressora em uma conexão ponto a ponta, não há questões como o que é permitido transmitir e como o meio de transmissão é acessado. Quando vários dispositivos de comunicação estão presentes em uma linha simples, entretanto, deve haver regras claras para a comunicação. Há dois métodos distintos para regular o acesso ou a arbitragem do barramento: 
OMestre Fixo (controle centralizado do barramento), onde o acesso ao barramento pelos dispositivos é controlado por um mestre central. Como exemplo temos o método Mestre-Escravo e o método Arbitrador de Barramento.
O Mestre Volante (controle descentralizado do barramento). Devido à sua inteligência, cada dispositivo tem condições ele mesmo de controlar o barramento quando ele quer se comunicar. Dois modelos de controle descentralizado já alcançaram aceitação mundial : o “Carrier Sense Multiple Access with Colision Detection” (CSMA/CD) e o “Token Passing”.
Mestre-Escravo 
Neste método, encontrado em aplicações de campo e de sensor/atuador, um dispositivo de barramento é o mestre. O principio é mostrado na Fig. 8. 
O mestre endereça os dispositivos no barramento um de cada vez. Ele os alimenta com dados, e/ou pede a eles que transmitam seus dados, por exemplo, o status ou valores medidos. A segurança dos dados depende da estrutura protocolar e dos métodos de checar erros. A interface e o meio de transmissão também influenciam a performance geral da transmissão. 
Arbitrador de Barramento
A Fig. 9 ilustra um método híbrido (centralizado/descentralizado) de controle de barramento baseado no principio da difusão. 
Todo dispositivo transmite e recebe. O direito de transmitir é organizado por um controlador central, denominado arbitrador de barramento. A cada variável produzida por um único dispositivo é dado um nome. Ela é definida como sento produzida por um único dispositivo mas pode ser consumida por qualquer número de dispositivos da rede. Cada dispositivo é autônomo, exigindo-se apenas que ele envie sua variável quando solicitado pelo arbitrador. Ele também deve reconhecer as variáveis por ele mesmo processadas.
Fig. 8 Método Mestre – Escravo
Fig. 9 Método Arbitrador de Barramento
O arbitrador nomeia as variáveis de acordo uma tabela. Com este princípio de acesso todos os dispositivos que consomem uma particular variável são atualizados simultaneamente.
Método CSMA/CD
O princípio é ilustrado na fig. 10. Todos os dispositivos no barramento têm o direito de transmitir. Cada um sensoria continuamente o barramento. Se ele estiver livre, então qualquer dispositivo pode transmitir seus dados. Se vários dispositivos querem transmitir simultaneamente, uma colisão é detectada eles recuam. Uma temporização 
aleatória em cada dispositivo determina então um intervalo de tempo para que ele tente novamente. 
O CSMA/CD é um método encontrado em nível de administração ou nos níveis mais altos de sistemas de automação. Raramente ele será encontrado em nível de campo, pois não há estrita periodicidade de varredura. 
Fig. 10 Método CSMA/CD
Token Passing
Neste método o “token”, ou seja, o direito de transmitir, é passado de dispositivo para dispositivo. A circulação do token é real ou lógica. A sequência de passagem depende da aplicação e é definida durante o planejamento do sistema. O princípio é mostrado na Fig. 11. 
Este método dá a cada dispositivo direito igual d acesso ao barramento, pois, a cada um é permitido transmitir dentro de um período de tempo predefinido. O tempo gasto para passar o teken em torno de sistema determina a frequência de audiência de cada membro.
Este método de acesso é usado em aplicações de controle e de campo, onde a resposta a eventos na periferia do processo deve ser dada dentro de um tempo específico.
Fig. 11 Método Token Passing
1.8 – O Modelo de Referência ISO
Os sistema proprietários que trabalham com seus próprios protocolos, conjunto de características, sequências de transmissão, etc, são denominados sistemas fechados. A maioria deles foi desenvolvida quando a integração da instrumentação de outros fabricantes não era considerada importante e ela não foi adotada. Sistemas abertos, ao contrário, seguem normas que estão disponíveis a todos. Isto possibilita aos diversos fabricantes produzirem equipamentos compatíveis, permitindo uma integração direta ao sistema, ou, produzirem interfaces, permitindo uma integração indireta.
Modelo de Interconexão de Sistemas Abertos
Em 1978 a I S O (International Standards Organization), diante da proliferação de sistemas de redes fechadas definiu um Modelo de Referência para a Comunicação de Sistemas Abertos, chamado OSI ( Open Systems Interconnection). Ele se aplica a todos os sistemas de comunicação, desde um computador pessoal operando em uma rede até a comunicação entre satélites e suas estações terrestres.
Redes proprietárias tornam evidentes dois problemas : a impossibilidade de atendimento completo de todas a necessidades de sistemas de grandes companhias e o crescente custo de softwares especiais para interfacear diferentes redes.
Em 1984 o modelo OSI foi aceito como o padrão internacional I S O 7498-1. Desde então trabalha-se com protocolos de redes baseado neste padrão.
O modelo de referência OSI é uma estrutura modular, contendo sete camadas que governam a transmissão de dados entre vários sistemas, assim como em um sistema único com várias fedes heterogêneas. Ver Fig. 12.
Fig. 12 Modelo de Referência I S O / OSI
Cada camada tem uma função particular. A comunicação dentro de um sistema heterogêneo é possível se as funções dentro de cada camada seguirem o padrão.
Uma descrição resumida da função de cada camada é apresentada a seguir :
Camada 1 – Camada física – Responsável pela transmissão de dados através do meio físico entre dois nós adjacentes. Os protocolos se referem qualidades dos bits de informação e especificações de cabeamento, conectores, etc,
Camada 2 – Camada de Enlace – Assegura que a informação pode ser trocada entre dois nós adjacentes. Camada onde os dados serão preparados para a transmissão. Responsável também pela transferência de dados sem falha para a próxima camada.
Camada 3 – Camada de Rede – Controla o intercâmbio de dados entre nós não adjacentes. Roteia os pacotes de informação pela rede para a correspondente camada de destina.
Camada 4 – Camada de Transporte – Assegura que as informações são confiavelmente trocadas entre nós finais. Manipula detecção de erros nos subsistemas 1 a 3 .
Camada 5 – Camada de Sessão – Sincroniza sessões de comunicação entre duas aplicações.
Camada 6 – Camada de Apresentação – Converte informações codificadas localmente em um código comum aos parceiros em comunicação. Faz a tradução entre os códigos.
Camada 7 – Camada de Aplicação – Oferece serviços OSI compreensíveis diretamente pelos programas de aplicação.
O modelo OSI serve como um padrão de comunicação para grandes e pequenos sistemas. Para uma rede de barramento de campo, que com frequência compreende um controlador, sensores e atuadores somente, a estrutura completa não é necessária. Ao invés disto, as camadas de aplicação, de enlace de dados e a camada física são usadas junto com uma camada de sub- aplicação exercendo a função das camadas do modelo ausentes. Para ele também é adicionada a Camada do Usuário.
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