Cómo elegir el bus de hardware adecuado para su sistema de control de instrumentos

Los instrumentos suelen ofrecer una o más opciones de bus a través de las cuales puede controlarlos, y los PC suelen ofrecer múltiples opciones de bus para el control de instrumentos. Si una PC no tiene nativamente el bus que está en el instrumento, generalmente puede agregarlo como una placa enchufable o un convertidor externo. Hay muchos buses para el control de instrumentos y se pueden dividir en estas categorías generales:

• Los autobuses independientes se utilizan para comunicarse con instrumentos de rack y apilamiento. Estos incluyen buses específicos de prueba y medición como GPIB y buses estándar para PC como serial (RS232), Ethernet y USB. Puede utilizar algunos buses independientes como medio para otros buses independientes, como un convertidor USB a GPIB.
• Los buses modulares incorporan el bus de interfaz en el propio instrumento. Incluyen PCI, PCI Express, VXI y PXI. También puede usar estos buses como medio para agregar un bus independiente a un PC que no tenga uno, como con una placa controladora NI PCI-GPIB.

Tres factores principales afectan el rendimiento del bus: ancho de banda, latencia e implementación del instrumento.

• El ancho de banda es la velocidad de datos y se mide generalmente en millones de bits por segundo.
• La latencia es el tiempo de transferencia y se mide generalmente en segundos. Por ejemplo, en las transferencias Ethernet, los grandes bloques de datos se dividen en pequeños segmentos y se envían en múltiples paquetes. La latencia es la cantidad de tiempo para transferir uno de estos paquetes.
• La implementación del instrumento del software, Firmware y hardware del bus afectará su rendimiento. No todos los instrumentos se crean iguales y las compensaciones de implementación hechas por el diseñador del instrumento, ya sea un instrumento virtual definido por el usuario o tradicional definido por el proveedor, tendrán un impacto en el rendimiento del instrumento. Un beneficio principal de los instrumentos virtuales es que el usuario final, como diseñador de instrumentos, decide las compensaciones óptimas de implementación.

Figura 1. Compare los anchos de banda teóricos frente a las latencias de los buses de prueba y medición convencionales.

Al crear una aplicación de control de instrumentos, es importante considerar el entorno en el que se implementará. Las consideraciones principales incluyen la distancia del instrumento desde el PC y las especificaciones de robustez de la interfaz y el cableado. Ambos elementos juegan un papel importante en la toma de una decisión sobre qué bus debe utilizar para su sistema de control de instrumentos.

Distancia del instrumento desde el PC

Si sus instrumentos están cerca del PC (menos de cinco metros), tiene la flexibilidad de elegir entre todos los tipos de autobuses. Si sus instrumentos están lejos de la PC, por ejemplo, en otra habitación o edificio, debe considerar una arquitectura de sistema de control de instrumentos distribuido. Un sistema de control de instrumentos distribuido podría incluir el uso de extensores, repetidores, LAN/LXI o un convertidor LAN (por ejemplo, convertidor Ethernet a GPIB).

Resistencia Especificaciones de la interfaz y el cableado

Si sus instrumentos se encuentran en entornos ruidosos, como entornos industriales, considere la posibilidad de utilizar un bus de interfaz que ofrezca protección contra estos elementos ambientales. Por ejemplo, en un piso de fabricación, GPIB o USB sería una opción más apropiada debido a sus especificaciones de enganche de cable y blindaje robusto.

Tenga en cuenta la configuración e instalación al elegir su interfaz de bus. Para implementaciones de control de instrumentos que se realizarán en áreas como un laboratorio donde muchos usuarios interactuarán con el sistema, considere el uso de la interfaz de bus USB para facilitar el uso y una experiencia de usuario consistente. Para los sistemas de control de instrumentos que se ubicarán donde la seguridad pueda ser un problema, debe tener en cuenta que Ethernet/LAN/LXI puede no estar permitido por su departamento de tecnología de la información. Si decide que Ethernet/LAN/LXI es la mejor interfaz de bus para su sistema de control de instrumentos y se implementará en un entorno consciente de la seguridad, debe trabajar con su departamento de tecnología de la información durante todo el proceso de implementación del diseño.

Tabla 1. Aquí hay un breve vistazo a los buses de hardware de instrumentos más comunes.

GPIB

El bus de interfaz de propósito general (GPIB) es una de las interfaces de E/S más comunes en instrumentos independientes. GPIB es una interfaz de comunicaciones digital paralela de 8 bits con velocidades de transferencia de datos de hasta 8 Mb/s. El bus proporciona un controlador de sistema para hasta 14 instrumentos, y el cableado está limitado a menos de 20 m. Puede superar ambas limitaciones utilizando expansores y extensores GPIB. Los cables y conectores GPIB son versátiles y de calidad industrial para su uso en cualquier entorno.

Al no ser un bus de la industria de PC, GPIB rara vez está disponible de forma nativa en una PC. En su lugar, puede usar una placa plug-in como un PCI-GPIB o un convertidor externo como un NI GPIB-USB para agregar funcionalidad de control de instrumentos GPIB a su PC.

Serial

Serial es un protocolo de comunicación de dispositivos que se encuentra principalmente en PC de escritorio y portátiles más antiguos. No lo confundas con USB. Serial es un protocolo de comunicación común para instrumentación en muchos dispositivos, y numerosos dispositivos compatibles con GPIB cuentan con un puerto EIA232. EIA232 y EIA485/EIA422 también pueden denominarse RS232 y RS485/RS422.

El concepto de comunicación serial es simple. El puerto serie envía y recibe bytes de información de un bit a la vez. Aunque esto es más lento que la comunicación paralela, que transmite un byte entero a la vez, es más simple y se puede utilizar a distancias más largas.

Típicamente, los ingenieros usan serial para transmitir datos ASCII. Completan la comunicación utilizando tres líneas de transmisión: tierra, transmisión y recepción. Debido a que serial es asíncrono, el puerto puede transmitir datos en una línea mientras recibe datos en otra. Otras líneas están disponibles para el apretón de manos, pero no son necesarias. Las características seriales importantes son velocidad de baudios, bits de datos, bits de parada y paridad. Para que dos puertos se comuniquen, estos parámetros deben coincidir.

USB

Universal Serial Bus (USB) fue diseñado principalmente para conectar dispositivos periféricos de PC, como teclados, ratones, escáneres y unidades de disco, a PC. En los últimos años, el número de dispositivos que soportan conectividad USB ha aumentado dramáticamente. USB es una tecnología plug-and-play en la que el host USB detecta automáticamente cuándo se ha añadido un nuevo dispositivo, consulta al dispositivo para su identificación y configura los controladores del dispositivo adecuadamente.

USB 2.0 es totalmente compatible con dispositivos de baja velocidad y velocidad completa. Su modo de alta velocidad es capaz de velocidades de transferencia de datos de hasta 480 Mbit/s (60 MB/s). La última especificación USB, USB 3.0, tiene un modo SuperSpeed, que tiene una tasa de transferencia de datos teórica de hasta 5.0 Gbit/s.

Aunque USB fue diseñado originalmente como un bus periférico para PC, su velocidad, amplia disponibilidad y facilidad de uso lo hacen atractivo para su uso en aplicaciones de control de instrumentos. Sin embargo, hay algunos inconvenientes en su uso para el control de instrumentos. En primer lugar, los cables USB no están clasificados industrialmente, lo que potencialmente permite la pérdida de datos en entornos ruidosos. Además, no hay ningún mecanismo de enganche para los cables USB: los cables se pueden extraer del PC o instrumento con relativa facilidad. Además, la longitud máxima del cable en los sistemas USB es de 30 m, incluido el uso de repetidores en línea.

Ethernet

Ethernet es una tecnología madura que es ampliamente utilizada para sistemas de medición en otras capacidades, incluyendo redes generales y almacenamiento remoto de datos. Con más de 100 millones de ordenadores con capacidad Ethernet en todo el mundo, Ethernet también ofrece una opción atractiva para el control de instrumentos. Se define como IEEE Standard 802.3 y ofrece configuraciones de red que admiten velocidades de transferencia de datos teóricas de 10 Mbit/s (10BASE-T), 100 Mbit/s (100BASE-T) y 1 Gbit/s (1000BASE-T). Las redes más comunes son 100BASE-T.

Las aplicaciones de control de instrumentos a través de Ethernet pueden aprovechar las características únicas del bus, incluido el control remoto de instrumentos, el uso compartido de instrumentos simplificado y la publicación fácil de resultados de datos. Además, los usuarios obtienen la ventaja de las extensas redes Ethernet existentes en sus empresas y laboratorios. Sin embargo, esta ventaja puede plantear un problema en algunas empresas porque obliga a los administradores de redes a participar en aplicaciones de ingeniería tradicionales.

Otros inconvenientes de Ethernet como bus de control de instrumentos son las tasas de transferencia reales, el determinismo y la seguridad. Aunque las redes Ethernet pueden alcanzar tasas de transferencia teóricas de 1 Gbit/s, estas tasas rara vez se realizan en una red verdadera debido a otros gastos generales de tráfico de red y transferencia de datos ineficiente. Además, debido a la incertidumbre de las tasas de transferencia, el determinismo no está asegurado en la comunicación a través de Ethernet. Por último, para los datos sensibles, los usuarios deben tomar medidas de seguridad adicionales para garantizar la integridad y privacidad de los datos.

PCI

El bus PCI normalmente no se utiliza directamente para el control de instrumentos, sino como un bus periférico para conectar dispositivos GPIB o seriales para el control de instrumentos. Además, debido a su alto ancho de banda, PCI se utiliza como bus portador para instrumentos modulares donde el bus de E/S está incorporado en el dispositivo de medición.

PXI

PXI (PCI eXtensions for Instrumentation) es una plataforma robusta basada en PC para sistemas de medición y automatización. PXI combina las características de bus eléctrico PCI con el paquete modular Eurocard de CompactPCI y luego agrega buses de sincronización especializados y características clave de software. Esto la convierte en una plataforma de despliegue de alto rendimiento y bajo costo para sistemas de medición y automatización. Estos sistemas sirven para aplicaciones tales como pruebas de fabricación, militares y aeroespaciales, monitoreo de máquinas, pruebas automotrices e industriales. Desarrollado en 1997 y lanzado en 1998, PXI se introdujo como un estándar de la industria abierta para satisfacer las crecientes demandas de sistemas de instrumentación complejos. Hoy en día, PXI es gobernado por PXI Systems Alliance (PXISA), un grupo de más de 65 empresas que se estableció para promover el estándar PXI, garantizar la interoperabilidad y mantener la especificación PXI. PXI es muy utilizado como plataforma para instrumentación modular, proporcionando una alternativa atractiva a la instrumentación independiente tradicional a través de dispositivos de hardware de medición compactos y de alto rendimiento con recursos de sincronización y temporización integrados.

PCI Express

Al igual que con PCI, PCI Express normalmente no se utiliza directamente para el control de instrumentos, sino como un bus periférico para conectar dispositivos GPIB a PC para el control de instrumentos. Pero debido a su tremenda velocidad, PCI Express se puede utilizar como bus portador para instrumentos modulares.

Pasos siguientes

• Descargue la guía completa para construir un sistema de control de instrumentos
• Ver todos los productos NI GPIB, serial y Ethernet