Comunicação Via USB entre Computador e Dispositivo Gerador de Sinais Digitais Rafael dos Santos Gonçalves Orientador: Prof. MSc. Jonas Barcellos de Moraes Curso de Engenharia da Computação UNIVERSIDADE ANHANGUERA - UNIDERP DEZEMBRO DE 2012 Rafael S. Gonçalves - Curso de Engenharia da Computação UNIVERSIDADE ANHANGUERA - UNIDERP

Roteiro Introdução Protocolo de Comunicação RS232 Protocolo de Comunicação USB Gerador de Sinais Digitais Programado por Software Módulos de Comunicação Camadas Mensagens Resultados Dificuldades Considerações Finais Novos Projetos Rafael S. Gonçalves - Curso de Engenharia da Computação UNIVERSIDADE ANHANGUERA - UNIDERP

Introdução Objetivo Este trabalho visa implementar um protocolo de comunicação entre um computador e um dispositivo de hardware utilizando a comunicação USB e a comunicação entre os protocolos USB e RS232. Justificativa Demonstrar de forma prática a implementação do protocolo de comunicação USB. Interface entre o protocolo de comunicação RS232 e USB. Motivação Integrar o software com o hardware. Rafael S. Gonçalves - Curso de Engenharia da Computação UNIVERSIDADE ANHANGUERA - UNIDERP

Protocolo de Comunicação RS232 O protocolo de comunicação RS232 consiste em uma comunicação serial assíncrona full-duplex, que transmite 10 ou 11 bits entre um terminal de dados DTE (Data Terminal Equipment) e um comunicador de dados DCE (DATA Comunication Equipment) (COMER). Criado em 1969 pela EIA (Eletronics Industries Associations) -15 – 15 volts Baud Rate Fios Conector DB9 Rafael S. Gonçalves - Curso de Engenharia da Computação UNIVERSIDADE ANHANGUERA - UNIDERP

Protocolo de Comunicação USB Segundo Roberto Myadaira, o protocolo de comunicação USB trata-se de uma comunicação assíncrona padronizada, que opera no modo half- duplex, com sinal diferencial e codificação NRZI (Non Return Zero Invert). Estados Linha D+ Linha D- J 1 K SE0 (Single-Ended Zero) Empresas Compaq, Hewlett-Packard, Intel, Lucent, Microsoft, NEC e Philips. Objetivo: Unificar a forma como os periféricos se conectam ao computador. USB-IF (Implements Forum) Especificação 1.0 lançada em 1996 com velocidade Low-Speed de até 1.5 Mbps Especificação 1.1 lançada em 1998 com velocidade Full-Speed de até 12 Mbps Especificação 2.0 lançada em 2000 com velocidade High-Speed de até 480 Mbps Especificação 3.0 lançada em 2008 com velocidade SuperSpeed de até 5 Gbps Rafael S. Gonçalves - Curso de Engenharia da Computação UNIVERSIDADE ANHANGUERA - UNIDERP Obs.: USB-IF

Protocolo de Comunicação USB - Topologia Host: Elemento responsável pela inicialização dos serviços em um barramento USB e comunica-se com um hub. Hub: Dispositivos que dispõe de pontos de ligação adicionais para o USB. Dispositivo: Dispositivo de hardware controlado pelo hots. Host: Elemento responsável pela inicialização dos serviços em um barramento USB e comunica-se com um hub Hub: Até 500mA, Upstream: Corrente acima Descritores: São estruturas de dados que contêm informações sobre o dispositivo para que o hub aprenda sobre o dispositivo antes de se comunicar (Processo de Enumeração). Device Configuration String Interface (Conjunto de Endpoints) Endpoint Device_Qualifier (fornece informações de como um dispositivo que opera no modo High-Speed vai operar no modo Full-Speed e vice-versa) Other_Speed_Configuration (Estrutura idêntica ao descritor Configuration, diferença é que fornece a configuração do dispositivo High-Speed quando ele opera em uma velocidade que não está atualmente ativa). Interface_Power Enumeração: É uma atividade que identifica e atribui endereços únicos de dispositivos conectados a o barramento Conectado: Dispositivo conectado ao barramento identificado pelo desbalanceamento das linhas D+ e D- e a porta é desconectada. Alimentado: Host faz solicitação para o hub identificar a natureza do evento. Ao descobrir a porta downstream, o host aguarda 100ms e habilita a porta e envia um sina de reset com período de 10ms. Após o tempo o dispositivo já pode receber correte do barramento. Padrão: Host se comunica com dispositivo no endereço padrão 0x00 e endpoint 0 (Default Control Pipe). Endereço: Solicita os dados pelos descritores e criar um endereço para o dispositivo. Configurado: Solicita a configuração do dispositivo através do descritor e o dispositivo está pronto para drenar corrente conforme informado. Rafael S. Gonçalves - Curso de Engenharia da Computação UNIVERSIDADE ANHANGUERA - UNIDERP

Protocolo de Comunicação USB - Exemplo de Conexão Rafael S. Gonçalves - Curso de Engenharia da Computação UNIVERSIDADE ANHANGUERA - UNIDERP

Protocolo de Comunicação USB - Protocolo Endpoint e Pipe Transferências de Dados Pacotes Descritores Classes Enumeração Transferências de Dados Control Transfers Bulk Data Transfers Interrupt Data Transfers Isochronous Data Transfers Pacotes Token Data Handshake Special Descritores Device Configuration String Interface Endpoint Device Qualifier Other Speed Configuration Enumeração Conectado Alimentado Padrão Endereço Configurado Rafael S. Gonçalves - Curso de Engenharia da Computação UNIVERSIDADE ANHANGUERA - UNIDERP

Gerador de Sinais Digitais Programado por Software Software de Programação dos Sinais apresentado no trabalho Desenvolvimento do Software Gerador de Palavras pelo acadêmico Raphael Silva do Nascimento. Hardware apresentado no trabalho Desenvolvimento de um Equipamento Gerador de Sinais Digitais pelo acadêmico Nelson Antonio Ferreira Candido Neto. Rafael S. Gonçalves - Curso de Engenharia da Computação UNIVERSIDADE ANHANGUERA - UNIDERP

Módulos de Comunicação PC (SOFTWARE) Linguagem de programação C# Visual Studio 2010 Orientação a Objetos Dispositivo (FIRMWARE) Linguagem de programação C CodeWarrior Classic 5.1 Demo board DEMOJM Microcontrolador MCF51JM128 Rafael S. Gonçalves - Curso de Engenharia da Computação UNIVERSIDADE ANHANGUERA - UNIDERP

Camadas Rafael S. Gonçalves - Curso de Engenharia da Computação UNIVERSIDADE ANHANGUERA - UNIDERP

Camada de Aplicação Responsável pelo monitoramento dos eventos. Estrutura de dados do módulo de comunicação do PC Estrutura de dados do módulo de comunicação do Dispositivo Responsável pelo monitoramento dos eventos. Rafael S. Gonçalves - Curso de Engenharia da Computação UNIVERSIDADE ANHANGUERA - UNIDERP

Camada de Transporte Responsável pelo gerenciamento do protocolo. Geração e cálculo do CRC. Protocolo de Comunicação Slave Protocolo de Comunicação Master Rafael S. Gonçalves - Curso de Engenharia da Computação UNIVERSIDADE ANHANGUERA - UNIDERP

Camada de Acesso ao Meio Físico Responsável pela comunicação física entre os módulos. RS232 Classe SerialPort Driver USB2SER DLL USB2SER_DLL Interface SCI USB Driver WinUSB DLL FslWinusb Driver CMX USB V1 Interface USB OTG (On-The-Go) Rafael S. Gonçalves - Curso de Engenharia da Computação UNIVERSIDADE ANHANGUERA - UNIDERP

Mensagens A comunicação entre os ambientes acontece através da troca de mensagens contendo as informações necessárias para que eles consigam se sincronizar. Conexão Sinais DESCRIÇÃO DO CAMPO TAMANHO CÓDIGO CRC QUANTIDADE DE BYTES 2 1 VALOR 4 X DESCRIÇÃO DO CAMPO TAMANHO CÓDIGO FREQUÊNCIA QTD. SINAIS SINAIS CRC QUANTIDADE DE BYTES 2 1 ATÉ 4950 VALOR X Rafael S. Gonçalves - Curso de Engenharia da Computação UNIVERSIDADE ANHANGUERA - UNIDERP

Resultados Prioridade na implementação da camada de Acesso ao Meio Físico. Incrementos no desenvolvimento. Testes de depuração utilizando as ferramentas de desenvolvimento. Resultados alcançados alinhados ao proposto. Comunicação completa entre os módulos. Rafael S. Gonçalves - Curso de Engenharia da Computação UNIVERSIDADE ANHANGUERA - UNIDERP

Resultados Transferência e recepção da mensagem de sinais através da comunicação USB. Rafael S. Gonçalves - Curso de Engenharia da Computação UNIVERSIDADE ANHANGUERA - UNIDERP

Resultados Transferência e recepção da mensagem de sinais através da comunicação RS232. Rafael S. Gonçalves - Curso de Engenharia da Computação UNIVERSIDADE ANHANGUERA - UNIDERP

Dificuldades Integração dos dois protocolos de comunicação. Integração dos projetos que compõem o gerador de sinais digitais programado por software. Rafael S. Gonçalves - Curso de Engenharia da Computação UNIVERSIDADE ANHANGUERA - UNIDERP

Considerações Finais Documentação abrangente. Protocolo de comunicação USB é a melhor opção. Conhecimento sobre o sistema operacional e o hardware. A utilização dos drivers fornecidos pelos fabricantes foi essencial para o desenvolvimento da comunicação USB. A utilização da interface USB2SER. Integração dos projetos realizada conforme o definido no escopo do projeto como um todo. O objetivo de cada um dos projetos alcançado. Rafael S. Gonçalves - Curso de Engenharia da Computação UNIVERSIDADE ANHANGUERA - UNIDERP

Novos Projetos Implementação do protocolo USB 3.0. Alimentação do dispositivo pela comunicação USB. Dispositivo operando em modo host (USB On-The-Go). Comunicação USB com dispositivos Mobile. Desenvolvimento do hardware integrando o chip USB2SER. Rafael S. Gonçalves - Curso de Engenharia da Computação UNIVERSIDADE ANHANGUERA - UNIDERP

Principais Referências MIYADAIRA, Alberto Noburo. Microcontroladores PIC18 Aprenda e Programe em Linguagem C. São Paulo: Érica, 2010. SOARES, André Muniz. Interligação Via USB de Concentradores de Dados com PC Servidor para Rede de Distribuição de Gás. Campo Grande: UNIDERP, 2003 COMER, Douglas. Computer Networks and Internets. Prentice Hall. AXELSON, Jan. USB Complete – The developer’s guide. 4ª Ed., LakeView Research LLC, 529p, 2009, Madison. ALVES, Luiz. COMUNICAÇÃO DE DADOS. São Paulo: Makron Books dos Brasil, 1992. ZUCCHI, Wagner Luiz. TRANSMISSÃO DE DADOS EM REDES DE COMPUTADORES. São Paulo e Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora S.A, 1986. USB Implementers Forum, 2000, Inc. Universal Serial Bus Specification - Revision 2.0. Disponível em <www.usb.org>, acessado em 2 de maio de 2012. Freescale Semiconductor, Inc. USB2SER: USB to Serial Bridge. Disponível em <www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp?code=USB2SER>, acessado em 6 de setembro de 2012. Freescale Semiconductor, Inc. AN4314 - Using USB2SER DLL in C# Projects. Disponível em <www.cache.freescale.com/files/analog/doc/app_note/AN4314.pdf>, acessado em 6 de setembro de 2012. Mircrosoft 2012. Classe SerialPort. Disponível em <www.msdn.microsoft.com/pt-br/library/system.io.ports.serialport.aspx>, acessado em 10 de setembro de 2012. Microsoft 2012. Driver WinUSB. Disponível em <www.msdn.microsoft.com/en- us/library/windows/hardware/ff540196(v=vs.85).aspx>, acessado em 12 de setembro de 2012. Freescale Semiconductor, Inc. AN4378 - Using WinUSB in a Visual Studio Project with Freescale USB device controller. Disponível em <www.cache.freescale.com/files/microcontrollers/doc/app_note/AN4378.pdf>, acessado em 12 de setembro de 2012. Freescale Semiconductor, Inc. USB and Using the CMX USB Stack. Disponível em <www.cache.freescale.com/files/microcontrollers/doc/app_note/AN3492.pdf>, acessado em 13 de setembro de 2012. Rafael S. Gonçalves - Curso de Engenharia da Computação UNIVERSIDADE ANHANGUERA - UNIDERP

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