Compreender protocolos seriais

Exemplos de protocolos seriais

Protocolos seriais são utilizados em uma ampla variedade de aplicações. Os três principais protocolos seriais usados para aplicações genéricas são UAR, I²C e SPI..

Uma categoria especial usada no setor automotivo é composta por protocolos seriais tais como CAN, LIe FlexRay. Esses protocolos foram projetados para lidar com os requisitos desafiadores dos veículos, como dispor de operação confiável em uma mistura tanto de velocidades baixas quanto altas e em um ambiente ruidoso.

Características de protocolos seriais

Apesar dos detalhes de implementação diferirem entre os protocolos, todos os protocolos seriais têm quatro características básicas que também são importantes para a análise e decodificação de dados seriais:

• Níveis: como as tensões são usadas para representar "zero" ou "um"
• Temporização: com que frequência os bits são enviados (tempo de bit)
• Enquadramento: como os bits são organizados em grupos e qual o papel de cada bit ou grupo de bits
• Protocolo: quais mensagens são trocadas e em quais circunstâncias

Níveis

Antes de fazer qualquer tipo de decodificação digital, precisamos poder distinguir entre uns e zeros. Em outras palavras, como os valores de bits são determinados a partir dos níveis de tensão? Uma abordagem simples seria definir que uma tensão "baixa" é igual a zero e uma tensão "alta" é igual a um. Na verdade, alguns protocolos seriais funcionam assim.
Protocolos seriais utilizados em ambientes com condições adversas, tais como no setor automotivo, frequentemente utilizam uma tensão diferencial, pois sinais diferenciais tendem a ser mais imunes contra ruídos. O termo "diferencial" significa que um 0 ou 1 é definido com base na diferença entre duas tensões, ao invés de ser definido em relação ao aterramento.

Observe: pontas de prova diferenciais são muito úteis nessas medições.

Temporização

Definir os níveis de tensão "0" e "1" não é suficiente para determinar quais bits estão recebendo. Adicionalmente, é importante compreender com que rapidez os bits estão sendo gerados, em outras palavras, o "tempo de bits" ou a "taxa de bits".
Para decodificar dados seriais, o receptor ou instrumento deve utilizar a mesma taxa de bits que o transmissor.

Enquadramento

Protocolos seriais geralmente organizam bits nos chamados "frames". Os bits individuais ou grupos de bits no frame têm significados definidos. Para decodificar frames corretamente, é necessário conhecer essa estrutura.
Por exemplo, ao decodificar o protocolo serial UART, é importante saber que o estado inativo da linha é um nível de alta tensão. Uma transição de alto a baixo é um "bit inicial" indicando o início do frame. Além disso, é necessário compreender quantos bits de dados devem ser lidos, bem como o fato de que existe um bit de parada de nível de alta tensão que termina o frame, seguido por um retorno ao estado inativo. Ao conhecer a estrutura de frames, é possível extrair os dados de usuário podem do fluxo serial de bits e obter outras informações sobre a transmissão.

Protocolo

O último aspecto a considerar pode ser denominado "protocolo". Uma definição genérica de protocolo é um conjunto de regras para decodificação e troca e informações. Pode haver regras sobre como e quando os dados são enviados e sobre os tipos e os significados de mensagens trocadas entre os pontos de extremidade.
Um protocolo simples seria enviar dados assim que eles estiverem disponíveis, independentemente de o receptor estar ou não pronto para os dados. Um protocolo mais sofisticado seria utilizar um mecanismo para pedir permissão antes de enviar dados. Outro protocolo ainda mais sofisticado poderia envolver a espera do emissor pelo reconhecimento de um fator explícito de que os dados foram corretamente recebidos antes de enviar mais dados ou enviar novamente dados em falta ou recebidos com erros.

Decodificação de protocolos seriais

No passado, os protocolos seriais geralmente eram decodificados utilizando testadores de protocolo específicos especiais. Atualmente, o método mais comum é utilizar um moderno osciloscópio de armazenamento digital com um ou mais canais. Após escolher o protocolo serial de interesse, os níveis, a temporização e o enquadramento devem ser configurados para corresponder ao sinal serial analisado. Usando essa informação, o osciloscópio produz resultados na forma de níveis de tensão bruta, bits detectados e frames cujos conteúdos podem ser exibidos em formato binário, hex ou ASCII. A decodificação serial em osciloscópios também inclui frequentemente funcionalidades adicionais, tais como triggering em símbolos específicos dentro do frame e atribuição de rótulos legíveis por pessoas aos padrões definidos por usuários e dados exportados.