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Protocolo serial

La comunicación serial es un protocolo muy común (no hay que confundirlo con el Bus Serial de Comunicación, o USB) para comunicación entre dispositivos que se incluye de manera estándar en prácticamente cualquier computadora. La mayoría de las computadoras incluyen dos puertos seriales RS-232. La comunicación serial es también un protocolo común utilizado por varios dispositivos para instrumentación; existen varios dispositivos compatibles con GPIB que incluyen un puerto RS-232. Además, la comunicación serial puede ser utilizada para adquisición de datos si se usa en conjunto con un dispositivo remoto de muestreo.

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 handshaking, 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.

RS-232 (Estándar ANSI/EIA-232) es el conector serial hallado en las PCs IBM y compatibles. Es utilizado para una gran variedad de propósitos, como conectar un ratón, impresora o modem, así como instrumentación industrial. Gracias a las mejoras que se han ido desarrollando en las líneas de transmisión y en los cables, existen aplicaciones en las que se aumenta el desempeño de RS-232 en lo que respecta a la distancia y velocidad del estándar. RS-232 está limitado a comunicaciones de punto a punto entre los dispositivos y el puerto serial de la computadora. El hardware de RS-232 se puede utilizar para comunicaciones seriales en distancias de hasta 50 pies.

Figura 1. Muestra un conector DB-9 hembra desde su vista frontal.

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Código ASCII

ASCII es una sigla para "American Standard Code for Information Interchange" (Código Standard Norteamericano para Intercambio de Información). Este código fue propuesto por Robert W. Bemer, buscando crear códigos para caracteres alfa-numéricos (letras, símbolos, números y acentos). De esta forma sería posible que las computadoras de diferentes fabricantes lograran entender los mismos códigos.

Este código nació a partir de reordenar y expandir el conjunto de símbolos y caracteres ya utilizados en aquel momento en telegrafía por la compañía Bell. En un primer momento solo incluía letras mayúsculas y números, pero en 1967 se agregaron las letras minúsculas y algunos caracteres de control, formando así lo que se conoce como US-ASCII, es decir los caracteres del 0 al 127.

Así con este conjunto de solo 128 caracteres fue publicado en 1967 como estándar, conteniendo todos lo necesario para escribir en idioma inglés.

En 1981, la empresa IBM desarrolló una extensión de 8 bits del código ASCII, llamada "página de código 437", en esta versión se reemplazaron algunos caracteres de control obsoletos, por caracteres gráficos. Además se incorporaron 128 caracteres nuevos, con símbolos, signos, gráficos adicionales y letras latinas, necesarias para la escrituras de textos en otros idiomas, como por ejemplo el español. Así fue como se sumaron los caracteres que van del ASCII 128 al 255.

IBM incluyó soporte a esta página de código en el hardware de su modelo 5150, conocido como "IBM-PC", considerada la primera computadora personal. El sistema operativo de este modelo, el "MS-DOS" también utilizaba el código ASCII extendido.

Casi todos los sistemas informáticos de la actualidad utilizan el código ASCII para representar caracteres, símbolos, signos y textos.

Tabla 1. Muestra los caracteres ASCII de control, imprimibles y extendido.

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Código Gray

Código Gray. Consiste en una ordenación de números binarios de tal forma que cada número sólo tenga un dígito binario distinto a su predecesor. Esta técnica de codificación se originó cuando los circuitos lógicos digitales se realizaban con válvulas de vacío y dispositivos electromecánicos. Los contadores necesitaban potencias muy elevadas a la entrada y generaban picos de ruido cuando varios bits cambiaban simultáneamente. El uso de código Gray garantizó que en cualquier transición variaría tan sólo un bit. En la actualidad, el código Gray se sigue empleando para el diseño de cualquier circuito electrónico combinacional mediante el uso de un Mapa de Karnaugh, ya que el principio de diseño de buscar transiciones más simples y rápidas entre estados sigue vigente, a pesar de que los problemas de ruido y potencia se hayan reducido.

El código Gray es un tipo especial de código binario que no es ponderado (los dígitos que componen el código no tienen un peso asignado). Su característica es que entre una combinación de dígitos y la siguiente, sea ésta anterior o posterior, sólo hay una diferencia de un dígito. Por eso también se le llama Código progresivo.

Esta progresión sucede también entre la última y la primera combinación. Por eso se le llama también código cíclico.

El código GRAY es utilizado principalmente en sistemas de posición, ya sea angular o lineal. Sus aplicaciones principales se encuentran en la industria y en robótica.

En robótica se utilizan unos discos codificados para dar la información de posición que tiene un eje en particular. Esta información se da en código GRAY.

La característica de pasar de un código al siguiente cambiando sólo un dígito asegura menos posibilidades de error.

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Tabla 2. Muestra las conversaciones Figura 2. Codificador rotatorio en código gray entre Decimal, Binario y Gray.

Codificación Manchester

En la codificación Manchester, cada período de un bit se divide en dos intervalos iguales. Un bit binario de valor 1 se transmite con valor de tensión alto en el primer intervalo y un valor bajo en el segundo. Un bit 0 se envía al contrario, es decir, una tensión baja seguida de un nivel de tensión alto.

Este esquema asegura que todos los bits presentan una transición en la parte media, proporcionando así un excelente sincronismo entre el receptor y el transmisor. Una desventaja de este tipo de transmisión es que se necesita el doble del ancho de banda para la misma información que el método convencional.

La codificación diferencial Manchester es una variación puesto que en ella, un bit de valor 1 se indica por la ausencia de transición al inicio del intervalo, mientras que un bit 0 se indica por la presencia de una transición en el inicio, existiendo siempre una transición en el centro del intervalo. El esquema diferencial requiere un equipo más sofisticado, pero ofrece una mayor inmunidad al ruido. El Manchester Diferencial tiene como ventajas adicionales las derivadas de la utilización de una aproximación diferencial.

Todas las técnicas bifase fuerzan al menos una transición por cada bit pudiendo tener hasta dos en ese mismos periodo. Por tanto, la máxima velocidad de modulación es el doble que en los NRZ, esto significa que el ancho de banda necesario es mayor. No obstante, los esquemas bifase tienes varias ventajas:

Sincronización: debido a la transición que siempre ocurre durante el intervalo de duración correspondiente a un bit, el receptor puede sincronizarse usando dicha transición. Debido a esta característica, los códigos bifase se denominan auto-sincronizados.

No tienen componente en continua. Detección de errores: se pueden detectar errores si se detecta una ausencia de la

transición esperada en la mitad del intervalo. Para que el ruido produjera un error no detectado tendría que intervenir la señal antes y después de la transición.

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Figura 3. Muestra la representación de una señal directa en codificación Manchester y Manchester diferencial.

Código Gray Codificación Manchester diferencial

En el código Manchester Diferencial al igual que en el Manchester hay una transición en la mitad del intervalo; en este tipo de codificación, un bit de valor "1" se indica por la ausencia de transición al inicio del intervalo, mientras que un bit "0" se indica por la presencia de una transición en el inicio, existiendo siempre una transición en el centro del intervalo. La transición a la mitad de un bit se presenta para sincronizar al transmisor y al receptor. El esquema diferencial requiere un equipo más sofisticado, pero ofrece una mayor inmunidad al ruido.

Codificación NRZ

La forma más frecuente y fácil de transmitir señales digitales es mediante la utilización de un nivel diferente de tensión para cada uno de los bits. Los códigos que siguen esta estrategia comparten la propiedad de que el nivel de tensión se mantiene constante durante la duración del bit, es decir, no hay transiciones (no hay retorno al nivel cero de tensión). Por ejemplo la ausencia de tensión se puede usar para representar un 0 binario, mientras que un nivel constante y positivo de tensión puede representar al 1.

En las transmisiones en banda base se utilizan directamente señales digitales de forma directa, por ejemplo 5 voltios indican "1" y 0 voltios indican "0". El método más inmediato se denomina de código de no retorno a cero (NZR) y asigna un nivel alto de tensión para la representación de un 1 lógico y nivel bajo de tensión para el cero lógico. El segundo, denominado código de no retorno a cero invertido (NRZI), representa la información por cambio de niveles. De esta manera, un cambio de nivel se utiliza para representar un 1 lógico y la ausencia de transición representa la asignación del cero. Los dos mantienen constante el nivel de tensión mientras dura un bit. Los datos se codifican mediante la presencia o ausencia de una transición de la señal al principio del intervalo de duración del bit. Un 1 se codifica mediante la transición (bajo a alto o alto a bajo) al principio del intervalo del bit, mientras que un cero se representa por la ausencia de transición.

El NRZI es un ejemplo de codificación diferencial. En esta codificación en lugar de determinar el valor absoluto, la señal se codifica comparando la polaridad de los elementos de señal adyacentes. Una ventaja de este esquema es que en presencia de ruido puede ser más seguro detectar una transición en lugar de comparar valor con un umbral. Otra ventaja es que en un sistema complicado de transmisión, no es difícil perder la polaridad de la señal.

La principal limitación de las señales NRZ es la presencia de una componente de continua y la ausencia de capacidad de sincronización. Estos métodos no ofrecen al receptor un medio para determinar el ritmo con el que el emisor envía los bits, es decir, el ritmo del reloj del emisor.

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Figura 4. Formatos de Codificación usando señal digital.

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Modulación FSK

FSK (Frequency-shift keying), es una modulación de frecuencia donde la señal moduladora (datos) es digital. Los dos valores binarios se representan con dos frecuencias diferentes (f1 y f2) próximas a la frecuencia de la señal portadora fp.

Generalmente f1 y f2 corresponden a desplazamientos de igual magnitud pero en sentidos opuestos de la frecuencia de la señal portadora.

Figura 5. Muestra la señal moduladora (datos), así mismo la señal portadora y modulada.

El índice de modulación tiene gran incidencia en la señal modulada y determina los dos tipos fundamentales de FSK.

FSK de banda reducida o banda angosta

Si el índice de modulación es pequeño, mf < π/2 (esto significa que la variación de frecuencia de la señal modulada produce una diferencia de fase menor que π/2), se tiene modulación de frecuencia en banda angosta y su espectro de frecuencias es similar al de ASK. La única diferencia es que en este caso, la amplitud de las armónicas se ve afectada por la frecuencia o sea, se tiene una pequeña modulación de amplitud, superpuesta a la FSK. El ancho de banda necesario para FSK de banda angosta es igual al necesario para ASK.

FSK de banda ancha

Las ventajas de FSK sobre ASK se hacen notables cuando el índice de modulación es grande es decir mf > π/2. Con esta condición se aumenta la protección contra el ruido y las interferencias, obteniendo un comportamiento más eficiente respecto a ASK, puesto que en este caso la pequeña modulación de amplitud mencionada en el caso de FSK de banda angosta, se hace despreciable.

La desventaja es que es necesario un mayor ancho de banda, debido a la mayor cantidad de bandas laterales (un par por cada armónica).

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Protocolo HART

“HART” es un acrónimo en inglés para Transductor Remoto Direccionable en Red. El Protocolo HART usa la norma Bell 202 Modulación por desplazamiento de frecuencia o MDF (FSK en inglés) para empalmar señales digitales de comunicación a bajo nivel sobre 4 a 20 mA.

Esto permite la comunicación bidireccional en campo y hace posible la transmisión de información adicional más allá de sólo las variables normales de proceso comunicadas de y hacia un instrumento inteligente de campo. El Protocolo HART se comunica a 1200 bps sin interrumpir la señal de 4 a 20 mA y permite a la aplicación central (maestra) obtener dos o más actualizaciones digitales por segundo de un dispositivo inteligente de campo. Ya que la señal digital MDF es de fase continua no hay interferencia con la señal de 4 a 20 mA.

La Tecnología HART es un protocolo maestro/servidor, lo cual significa que un dispositivo inteligente de campo (servidor) sólo habla cuando le habla un maestro. El Protocolo HART se puede utilizar en diversos modos, como punto a punto o multipunto para transmitir información hacia y desde los instrumentos inteligentes de campo y el control central o los sistemas de monitoreo.

La comunicación HART se produce entre dos dispositivos habilitados con HART, típicamente un dispositivo de campo inteligente y un sistema de control o monitoreo. La comunicación se produce mediante un cable de instrumentación de calidad estándar y el uso de prácticas de cableado y terminación estándar.

El protocolo HART proporciona dos canales de comunicación simultáneos: la señal analógica de 4 a 20 mA y una señal digital. La señal de 4 a 20 mA comunica el valor primario medido (en el caso de un instrumento de campo) con el circuito de corriente 4 a 20 mA, el estándar más rápido y más fiable de la industria. Información adicional del dispositivo se comunica mediante una señal digital que se superpone a la señal analógica.

La señal digital contiene la información del dispositivo incluyendo el estado del dispositivo, diagnóstico, valores medidos o calculados adicionales, etc. Juntos, los dos canales de comunicación proporcionan una solución completa de comunicación de campo muy robusta a bajo costo que es fácil de usar y configurar.

Figura 6. Configuración HART multipunto con 2 maestros.

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Protocolo Zigbee

ZigBee es un protocolo de comunicaciones inalámbricas basado en el estándar 802.15.4, está pensado para comunicaciones a baja velocidad entre dos o varios dispositivos, se pueden formar redes con miles de dispositivos comunicándose entre sí, por lo que es ideal para muchas aplicaciones.

Es desarrollado por la ZigBee Alliance, formada por cientos de compañías que quieren solventar la necesidad de un estándar para comunicaciones a baja velocidad, con un bajo coste de implementación y donde los dispositivos que forman parte de una red pueden requerir un bajo consumo, llegando a estar funcionando durante años con un par de pilas.

Cualquier dispositivo de un fabricante que soporte este estándar de comunicaciones y pase la certificación correspondiente, podrá comunicarse con otro dispositivo de otro fabricante distinto. Un dispositivo ZigBee estaría formado por una radio según el estándar 802.15.4 conectada a un microcontrolador con la pila (stack) de ZigBee, donde se implementan las capas por encima de las del 802.15.4. Esta pila está diseñada para poder ser implementada en microcontroladores de 8 bits.

Características de las redes/dispositivos ZigBee serían las siguientes:

Velocidad de transmisión entre 25-250 kbps. Protocolo asíncrono, half duplex y estandarizado, permitiendo a productos de distintos

fabricantes trabajar juntos. Se pueden formar redes que contengan desde dos dispositivos hasta cientos de ellos. Los dispositivos de estas redes pueden funcionar en un modo de bajo consumo, lo que

supone años de duración de sus baterías. Opera en la frecuencia de 2.4 GHz (16 canales) y también en las frecuencias de 868 MHz y

915 MHz. Es un protocolo fiable, la red se organiza y se repara de forma automática y se rutean los

paquetes de manera dinámica. Es un protocolo seguro ya que se puede implementar encriptación y autentificación.

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Tabla 3. Muestra la comparación entre Zigbee con Bluetooth y WiFi.

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Fuente de información:

http://digital.ni.com/public.nsf/allkb/039001258CEF8FB686256E0F005888D1

http://www.informatica-hoy.com.ar/aprender-informatica/Que-es-el-codigo-ASCII.php

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http://www.unicrom.com/dig_codigo-GRAY.asp

http://www.ecured.cu/index.php/C%C3%B3digo_Gray

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http://www.teltelematica.freeservers.com/diferencial.htm

http://docente.ucol.mx/al000408/public_html/NRZ.html

http://www.textoscientificos.com/redes/modulacion/FSK