Redes vs Barramentos: Guia Claro para Fiação em Sistemas Digitais

Os fios entre o tanque e o local de monitoramento são chamados de barramento (bus) ou rede (network). A distinção entre estes dois termos é mais semântica que técnica, e os dois podem ser usados intercambiavelmente para todos os propósitos práticos. Na minha experiência, o termo "barramento" é usualmente usado referindo-se a um conjunto de fios conectando componentes digitais dentro do gabinete de um dispositivo computacional, e "rede" para algo fisicamente mais difundido.

Nos últimos anos, porém, a palavra "barramento" ganhou popularidade descrevendo redes especializadas em interconectar sensores de instrumentação discretos por longas distâncias ("Fieldbus" e "Profibus" são dois exemplos). Em qualquer caso, referimo-nos ao meio pelo qual dois ou mais dispositivos digitais são conectados para que dados possam ser comunicados entre eles.

Nomes como "Fieldbus" ou "Profibus" abrangem não apenas a fiação física do barramento ou rede, mas também os níveis de tensão especificados para comunicação, suas sequências de temporização (especialmente para transmissão serial de dados), especificações de pinout de conectores, e todas outras características técnicas distintivas da rede.

Em outras palavras, quando falamos de certo tipo de barramento ou rede pelo nome, estamos na verdade falando de um padrão de comunicações, aproximadamente análogo às regras e vocabulário de uma linguagem escrita. Por exemplo, antes que duas ou mais pessoas possam tornar-se correspondentes, elas devem ser capazes de escrever uma à outra em formato comum.

Ter apenas um sistema de correio capaz de entregar suas cartas um ao outro não é suficiente. Se concordarem em escrever em francês, concordam em aderir às convenções de conjunto de caracteres, vocabulário, ortografia e gramática especificadas pelo padrão da língua francesa.

Da mesma forma, se conectamos dois dispositivos Profibus, eles poderão comunicar-se apenas porque o padrão Profibus especificou detalhes importantes como níveis de tensão, sequências de temporização, etc. Apenas ter um conjunto de fios entre múltiplos dispositivos não basta para construir um sistema funcional (especialmente se dispositivos foram construídos por fabricantes diferentes!).

Para ilustrar em detalhe, vamos projetar nosso próprio padrão de barramento. Tomando o sistema rudimentar de medição de tanque com cinco chaves para detectar níveis variados de água, e usando (pelo menos) cinco fios para conduzir sinais ao destino, podemos lançar a base para o poderoso BogusBus:

 

 

A fiação física do BogusBus consiste em sete fios entre o dispositivo transmissor (chaves) e o dispositivo receptor (lâmpadas). O transmissor consiste em todos componentes e conexões de fiação à esquerda dos conectores mais à esquerda (símbolos "—>>—"). Cada símbolo de conector representa um elemento complementar macho e fêmea. A fiação do barramento consiste nos sete fios entre os pares de conectores.

Finalmente, o receptor e toda sua fiação constituinte fica à direita dos conectores mais à direita. Cinco dos fios da rede (rotulados 1 a 5) carregam os dados enquanto dois (rotulados +V e -V) fornecem conexões para fontes CC. Existe um padrão para os plugs de conector de 7 pinos também. O layout de pinos é assimétrico para prevenir conexão "invertida".

Para fabricantes receberem a inspiradora certificação "BogusBus-compliant" em seus produtos, teriam que cumprir as especificações definidas pelos projetistas do BogusBus (provavelmente outra empresa, que projetou o barramento para tarefa específica e acabou comercializando para ampla variedade de propósitos). Por exemplo, todos dispositivos devem ser capazes de usar a alimentação 24V CC do BogusBus: contatos das chaves no transmissor devem ser rated para chavear essa tensão CC, as lâmpadas definitivamente devem ser rated para serem alimentadas por essa tensão, e conectores devem aguentar tudo.

Fiação, claro, deve estar em conformidade com mesmo padrão: lâmpadas 1 a 5, por exemplo, devem ser ligadas aos pinos apropriados para que quando LS4 do transmissor do Fabricante XYZ feche, a lâmpada 4 do receptor do Fabricante ABC acenda, e assim por diante. Como tanto transmissor quanto receptor contêm fontes CC rated a 24 Volts de saída, todas combinações transmissor/receptor (de todos fabricantes certificados) devem ter fontes que podem ser ligadas em paralelo com segurança.

Considere o que poderia acontecer se Fabricante XYZ fizesse transmissor com lado negativo (-) de sua fonte 24VCC ligado a terra e Fabricante ABC fizesse receptor com lado positivo (+) de sua fonte 24VCC ligado a terra. Se ambos terras forem relativamente "sólidos" (baixa resistência entre eles, como caso se dois grounds feitos em estrutura metálica de prédio industrial), as duas fontes curto-circuitariam uma à outra!

BogusBus, claro, é exemplo completamente hipotético e muito imprático de rede digital. Tem resolução de dados incrivelmente pobre, requer fiação substancial para conectar dispositivos, e comunica em apenas uma direção (transmissor para receptor). Porém, serve como exemplo tutorial do que é uma rede e algumas considerações associadas à seleção e operação de rede.

Existem muitos tipos de barramentos e redes que você pode encontrar na profissão. Cada um tem suas aplicações, vantagens e desvantagens. Vale a pena associar-se com parte da "sopa de letrinhas" usada para rotular os vários projetos:

Barramentos de curta distância

PC/AT
Barramento usado em computadores IBM-compatíveis iniciais para conectar periféricos como drives de disco e placas de som à motherboard.

PCI
Outro barramento em computadores pessoais, não limitado a IBM-compatíveis. Muito mais rápido que PC/AT. Taxa típica de transferência 100 Mbytes/seg (32 bit) e 200 Mbytes/seg (64 bit).

PCMCIA
Barramento projetado para conectar periféricos a laptops e notebooks. Tem "footprint" físico muito pequeno, mas consideravelmente mais lento que outros barramentos PC populares.

VME
Barramento de alta performance (co-projetado pela Motorola, baseado no padrão Versa-Bus anterior) para construir computadores industriais e militares versáteis, onde múltiplos cartões de memória, periféricos e até microprocessadores podiam ser plugados em "rack" passivo ou "card cage" para facilitar projetos customizados. Taxa típica 50 Mbytes/seg (64 bits).

VXI
Na verdade expansão do barramento VME, VXI (VME eXtension for Instrumentation) inclui o barramento VME padrão junto com conectores para sinais analógicos entre cartões no rack.

S-100
Às vezes chamado barramento Altair, este padrão foi produto de conferência em 1976, para servir como interface ao chip microprocessador Intel 8080. Similar em filosofia ao VME, onde múltiplos cartões de função podiam ser plugados em "rack" passivo, facilitando construção de sistemas customizados.

MC6800
Equivalente Motorola do S-100 centrado em Intel, projetado para interligar periféricos ao popular chip microprocessador Motorola 6800.

STD
Significa Simple-To-Design, mais um "rack" passivo similar ao barramento PC/AT, adequado a projetos baseados em hardware IBM-compatível. Projetado pela Pro-Log, tem 8 bits (paralelo), acomodando cartões de circuito relativamente pequenos (4,5 x 6,5 polegadas).

Multibus I e II
Outro barramento para projeto flexível de sistemas computacionais customizados, projetado pela Intel. 16 bits (paralelo).

CompactPCI 

Adaptação industrial do padrão PCI de computador pessoal, projetado como alternativa de maior performance ao antigo barramento VME. Em clock de barramento 66 MHz, taxas de transferência são 200 Mbytes/seg (32 bit) ou 400 Mbytes/seg (64 bit).

Microchannel
Outro barramento, projetado pela IBM para sua malfadada série PS/2, para interligar motherboards PC a periféricos.

IDE
Barramento usado principalmente para conectar drives de disco rígido de PC com placas periféricas apropriadas. Amplamente usado em PCs atuais para interface de disco rígido e CD-ROM.

SCSI
Alternativa (tecnicamente superior ao IDE) para drives de disco de PC. SCSI = Small Computer System Interface. Usado em alguns PCs IBM-compatíveis, Macintosh (Apple), e muitos mini e mainframes empresariais. Interfaceia discos rígidos, CD-ROM, floppy, impressoras, scanners, modems, e muitos outros periféricos. Velocidades até 1,5 Mbytes/seg para padrão original.

GPIB (IEEE 488)
General Purpose Interface Bus, também conhecido como HPIB ou IEEE 488, para interligar equipamentos de teste eletrônico como osciloscópios e multímetros a PCs. Caminho endereço/dados 8 bit com 8 linhas adicionais para controle de comunicações.

Centronics parallel
Ampliamente usado em PCs para interligar impressoras e plotters. Às vezes usado para interligar outros periféricos, como drives ZIP (floppy 100 Mbyte) e tape drives externos.

USB
Universal Serial Bus, para interligar muitos periféricos externos (teclados, modems, mice, etc.) a PCs. Longamente usado em Macs, agora instalado como equipamento novo em máquinas IBM-compatíveis.

FireWire (IEEE 1394)
Rede serial de alta velocidade capaz de operar a 100, 200 ou 400 Mbps com recursos versáteis como "hot swapping" (adicionar/remover dispositivos com energia ligada) e topologia flexível. Projetado para interligação de PC de alta performance.

Bluetooth
Rede de comunicações baseada em rádio para interligação de dispositivos de escritório. Provisões para segurança de dados projetadas neste padrão.

 

Redes de longa distância

Loop de corrente 20 mA
Não confundir com padrão analógico 4-20 mA de instrumentação, esta é rede de comunicações digital baseada em interromper loop de 20 mA (ou às vezes 60 mA) para representar dados binários. Embora baixa impedância dê boa imunidade a ruído, é suscetível a falhas de fiação (como quebras) que derrubariam a rede inteira.

RS-232C
Rede serial mais comum em sistemas computacionais, frequentemente usada para ligar periféricos como impressoras e mice a PC. Limitada em velocidade e distância (tipicamente 45 pés e 20 kbps, embora velocidades maiores possam rodar com distâncias menores). Rodei RS-232 confiavelmente acima de 100 kbps, mas com cabo de apenas 6 pés! RS-232C frequentemente referido simplesmente como RS-232 (sem "C").

RS-422A/RS-485
Duas redes seriais projetadas para superar limitações de distância e versatilidade do RS-232C. Usadas amplamente na indústria para ligar dispositivos seriais em ambientes de planta "ruidosos" eletricamente. Limitações de distância e velocidade muito maiores que RS-232C, tipicamente meia milha e velocidades aproximando 10 Mbps.

Ethernet (IEEE 802.3)
Rede de alta velocidade ligando computadores e alguns tipos de periféricos. Ethernet "normal" roda a 10 milhões bits/seg, "Fast" Ethernet a 100 milhões bits/seg. Ethernet lenta (10 Mbps) implementada em variedade de meios em cobre (coax grosso = "10BASE5", coax fino = "10BASE2", par trançado = "10BASE-T"), rádio, e fibra óptica ("10BASE-F"). Fast Ethernet também em alguns meios (par trançado 2 par = 100BASE-TX; 4 par = 100BASE-T4; fibra = 100BASE-FX).

Token ring
Outra rede de alta velocidade ligando dispositivos computacionais, usando filosofia de comunicação muito diferente do Ethernet, permitindo tempos de resposta mais precisos de dispositivos individuais, e maior imunidade a danos de fiação.

FDDI
Rede de altíssima velocidade implementada exclusivamente em cabeamento fibra-óptica.

Modbus/Modbus Plus
Originalmente implementado pela Modicon, grande fabricante de CLPs (PLCs) para ligar racks I/O remotos com processador PLC. Ainda bastante popular.

Profibus
Originalmente implementado pela Siemens, outro grande fabricante de equipamentos PLC.

Foundation Fieldbus
Barramento de alta performance expressamente projetado para permitir múltiplos instrumentos de processo (transmissores, controladores, posicionadores de válvula) comunicarem com computadores hospedeiros e entre si. Pode deslocar o sinal analógico 4-20 mA como padrão para interconexão de instrumentação de controle de processo no futuro.