Rendimiento del bus de instrumentos: Sentido de las tecnologías de bus competidoras para el control de instrumentos

Hoy en día, USB, PCI Express y Ethernet/LAN han ganado atención como opciones de comunicación atractivas para el control de instrumentos. Algunos proveedores de pruebas y mediciones y expertos de la industria han afirmado que uno de estos autobuses, por sí mismo, representa una solución para todas las necesidades de instrumentación. En realidad, lo más probable es que dos o más tecnologías de buses sigan coexistiendo en futuros sistemas de prueba y medición porque cada bus tiene sus propias fortalezas. El desafío para el ingeniero de pruebas de hoy en día no es elegir un solo bus o plataforma en el que estandarizar cada aplicación, sino elegir un bus o plataforma apropiada para una aplicación específica o incluso una parte específica de una aplicación.

Este artículo presenta una comparación cara a cara de los buses de instrumentación más populares, para que los ingenieros de pruebas puedan tomar decisiones informadas al elegir las tecnologías de bus y plataforma para satisfacer sus necesidades específicas de aplicación. Las tecnologías de bus específicas que se analizan a continuación incluyen GPIB, USB, PCI, PCI Express y Ethernet/LAN/LXI.

En primer lugar, es importante esbozar los criterios de rendimiento pertinentes para los buses de control de instrumentos, a fin de establecer una línea de base para la evaluación y comparación.

Ancho de banda

Al considerar los méritos técnicos de los buses alternativos, el ancho de banda y la latencia son dos de las características más importantes del bus. El ancho de banda mide la velocidad a la que se envían los datos a través del bus, normalmente en MB/s (106 bytes por segundo). Un bus con ancho de banda alto es capaz de transmitir más datos en un período dado que un bus con ancho de banda bajo. La mayoría de los usuarios reconocen la importancia del ancho de banda porque afecta a si sus datos se pueden enviar a través del bus hacia o desde un procesador host compartido tan rápido como se adquieren o generan y cuánta memoria integrada necesitarán sus instrumentos. El ancho de banda es importante en aplicaciones como la generación y adquisición de formas de onda complejas, así como en aplicaciones de RF y comunicaciones. La transferencia de datos a alta velocidad es particularmente importante para las arquitecturas de instrumentación virtual y sintética. La funcionalidad y personalidad de un instrumento virtual o sintético se define por software; en la mayoría de los casos, esto significa que los datos deben ser trasladados a una PC host para su procesamiento y análisis. La Figura 1 representa el ancho de banda (y latencia) de todos los buses de instrumentación examinados en este trabajo.

Latencia

La latencia mide el retraso en la transmisión de datos a través del bus. Por analogía, si comparáramos un bus de instrumentación con una autopista, el ancho de banda correspondería al número de carriles y a la velocidad de desplazamiento, mientras que la latencia correspondería al retardo introducido en las rampas de encendido y apagado. Un bus con baja latencia (lo que significa buena) introduciría menos retardo entre el momento en que los datos se transmitían en un extremo y se procesaban en el otro extremo. La latencia, aunque menos observable que el ancho de banda, tiene un impacto directo en aplicaciones donde se envía una rápida sucesión de comandos cortos y entrecortados a través del bus, como en el apretón de manos entre un multímetro digital (DMM) y un interruptor, y en la configuración del instrumento.

Comunicación basada en mensajes versus registro

Los buses que usan comunicación basada en mensajes son generalmente más lentos porque este modo de comunicación agrega sobrecarga en forma de interpretación de comandos y relleno alrededor de los datos. Con la comunicación basada en registros, la transferencia de datos se produce escribiendo y leyendo directamente datos binarios en y desde los registros de hardware en el dispositivo, lo que resulta en una transferencia más rápida. Los protocolos de comunicación basados en registros son más comunes a los buses internos de PC, donde las interconexiones son físicamente más cortas y se requiere el mayor rendimiento. Los protocolos de comunicación basados en mensajes son útiles para transmitir datos a distancias más largas y donde los costos generales más altos son aceptables. Cabe señalar que las métricas de latencia y ancho de banda dependen parcialmente de si el bus usa comunicación basada en mensajes o registros y, por lo tanto, este parámetro se captura parcialmente en esas métricas.

Rendimiento a largo plazo

Para aplicaciones de monitoreo remoto y para sistemas que implican medición en una gran área geográfica, el alcance se vuelve importante. El rendimiento en esta categoría puede verse como un compromiso con la latencia, porque la comprobación de errores y el relleno de mensajes agregados para superar las limitaciones físicas del envío de datos a través de cables más largos pueden agregar retrasos al envío y recepción de los datos.

Configuración de instrumentos y rendimiento del software

La facilidad de uso en términos de configuración de instrumentos y rendimiento de software es el criterio más subjetivo examinado aquí. Sin embargo, es importante discutir. La configuración del instrumento describe la experiencia y el tiempo de configuración listos para usar. El rendimiento del software se refiere a la facilidad con la que los usuarios pueden encontrar utilidades interactivas o API de programación estándar como VISA para comunicarse con el instrumento y controlarlo.

Robustez del conector

El conector físico para el bus afecta si es adecuado para aplicaciones industriales y si se requerirá un esfuerzo adicional para "reforzar" la conexión entre el instrumento y el controlador del sistema. La Figura 2 presenta fotos de varios conectores de bus de instrumentación.

GPIB

El primer bus que veremos es el bus IEEE 488, conocido familiarmente como GPIB (bus de interfaz de propósito general). GPIB es un bus probado diseñado específicamente para aplicaciones de control de instrumentos. GPIB ha sido un bus de comunicación robusto y confiable durante 30 años y sigue siendo la opción más popular para el control de instrumentos debido a su baja latencia y ancho de banda aceptable. Actualmente goza de la adopción más amplia de la industria, con una base de más de 10.000 modelos de instrumentos con conectividad GPIB.

Con un ancho de banda máximo de aproximadamente 1,8 MB/s, es el más adecuado para comunicarse y controlar instrumentos independientes. La revisión más reciente de alta velocidad, HS488, aumentó el ancho de banda hasta 8 MB/s. Las transferencias se basan en mensajes, a menudo en forma de caracteres ASCII. Múltiples instrumentos GPIB se pueden cablear juntos a una distancia total de 20 m, y el ancho de banda se comparte entre todos los instrumentos en el bus. A pesar de un ancho de banda relativamente menor, la latencia GPIB es significativamente menor (mejor) que la de USB y especialmente Ethernet. Los instrumentos GPIB no se autodetectan o autoconfiguran cuando se conectan al sistema; aunque GPIB Software está entre los mejores disponibles, y el cable resistente y el conector son adecuados para los entornos físicos más exigentes. GPIB es ideal para automatizar equipos existentes o para sistemas que requieren instrumentos altamente especializados.

USB

USB (bus serie universal) se ha popularizado en los últimos años para conectar periféricos de computadora. Esa popularidad se ha extendido a la prueba y medición, con un número cada vez mayor de proveedores de instrumentos que añaden capacidades de controlador de dispositivos USB a sus instrumentos.

USB de alta velocidad tiene una velocidad de transferencia máxima de 60 MB/s, por lo que es una alternativa atractiva para la conectividad de instrumentos y el control de instrumentos independientes y algunos virtuales con velocidades de datos inferiores a 1 MS/s. Aunque la mayoría de las computadoras portátiles, de escritorio y servidores pueden tener varios puertos USB, todos esos puertos generalmente se conectan al mismo controlador host, por lo que el ancho de banda USB se comparte entre todos los puertos. La latencia para USB cae en la mejor categoría (entre Ethernet en el extremo lento y PCI y PCI Express en el extremo rápido), y la longitud del cable se limita a 5 m. Los dispositivos USB se benefician de la autodetección, lo que significa que a diferencia de otras tecnologías como LAN o GPIB, los dispositivos USB son inmediatamente reconocidos y configurados por el PC cuando un usuario los conecta. Los conectores USB son los menos robustos y menos seguros de los autobuses examinados aquí. Es posible que se necesiten bridas externas para mantenerlas en su lugar.

Los dispositivos USB son adecuados para aplicaciones con mediciones portátiles, registro de datos de computadora portátil o de escritorio y adquisición de datos a bordo del vehículo. El bus se ha convertido en una opción de comunicación popular para instrumentos independientes debido a su ubicuidad en PC y especialmente debido a su facilidad de uso plug-and-play. La especificación USB Test and Measurement Class (USBTMC) aborda los requisitos de comunicación de una amplia gama de dispositivos de prueba y medición.

PCI

PCI y PCI Express logran las mejores especificaciones de ancho de banda y latencia entre todos los buses de instrumentación examinados aquí. El ancho de banda PCI es de 132 MB/s, con ese ancho de banda compartido en todos los dispositivos del bus. El rendimiento de latencia PCI es excepcional; se compara con 700 ns, en comparación con 1 ms en Ethernet. PCI utiliza la comunicación basada en registros. A diferencia de los otros autobuses mencionados aquí, PCI no cablea a instrumentos externos. En cambio, es un bus interno de PC utilizado para tarjetas plug-in de PC y en sistemas de instrumentación modular como PXI, por lo que las medidas de distancia no se aplican directamente. Sin embargo, el bus PCI se puede “extender” hasta 200 m mediante el uso de interfaces MXI de fibra óptica NI cuando se conecta a un sistema PXI. Debido a que la conexión PCI es interna a la computadora, probablemente sea justo caracterizar la robustez del conector como limitada por la estabilidad y robustez de la PC en la que reside. Los sistemas de instrumentación modular PXI, que se construyen alrededor de la señalización PCI, mejoran esta conectividad con un conector backplane de alto rendimiento y múltiples terminales de tornillo para mantener las conexiones en su lugar. Una vez arrancado con los módulos PCI o PXI en su lugar, Windows detecta e instala automáticamente los controladores para los módulos.

Una ventaja que PCI (y PCI Express) comparten con Ethernet y USB es que están universalmente disponibles en PC. PCI es uno de los estándares más ampliamente adoptados en la historia de la industria de PC. Hoy en día, cada PC de escritorio tiene ranuras PCI, ranuras PCI Express o ambas. En general, los instrumentos PCI pueden lograr costos más bajos, porque estos instrumentos dependen de la fuente de alimentación, procesador, pantalla y memoria del PC que los aloja, en lugar de incorporar ese hardware en el instrumento en sí.

PCI Express

PCI Express es similar a PCI. Es la última evolución del estándar PCI, tanto como lo es el USB de alta velocidad al USB. Por lo tanto, gran parte de la evaluación anterior de PCI se aplica también a PCI Express.

La principal diferencia entre el rendimiento de PCI y PCI Express es que PCI Express es un bus de mayor ancho de banda y da ancho de banda dedicado a cada dispositivo. De todos los buses cubiertos en este tutorial, solo PCI express ofrece ancho de banda dedicado a cada periférico en el bus. GPIB, USB y LAN dividen el ancho de banda en los periféricos conectados. Los datos se transmiten a través de conexiones punto a punto llamadas carriles a 250 MB/s por dirección. Cada enlace PCI Express puede estar compuesto por varios carriles, por lo que el ancho de banda del bus PCI Express depende de cómo se implemente en la ranura y el dispositivo. Un enlace x1 (por 1) proporciona 250 MB/s; un enlace x4 proporciona 1 GB/s; y un enlace x16 proporciona 4 GB/s de ancho de banda dedicado. Es importante tener en cuenta que PCI Express logra la retrocompatibilidad del software, lo que significa que los usuarios que se mueven al estándar PCI Express pueden preservar sus inversiones de software en PCI. PCI Express también extensible por cableado externo.

Los buses internos de PC de alta velocidad fueron diseñados para una comunicación rápida. En consecuencia, PCI y PCI Express son opciones de bus ideales para sistemas de alto rendimiento y uso intensivo de datos donde se requiere un gran ancho de banda, y para integrar y sincronizar varios tipos de instrumentos.

Ethernet/LAN/LXI

Ethernet ha sido durante mucho tiempo una opción de control de instrumentos. Es una tecnología de bus madura y se ha utilizado ampliamente en muchas áreas de aplicación fuera de prueba y medición. 100BaseT Ethernet tiene un ancho de banda máximo teórico de 12,5 MB/s. Gigabit Ethernet, o 1000BaseT, aumenta el ancho de banda máximo a 125 MB/s. En todos los casos, el ancho de banda Ethernet se comparte a través de la red. A 125 MB/s Gigabit Ethernet es teóricamente más rápido que el USB de alta velocidad, pero este rendimiento disminuye rápidamente cuando varios instrumentos y otros dispositivos comparten ancho de banda de red. La comunicación a lo largo del bus se basa en mensajes, con paquetes de comunicación que agregan una sobrecarga significativa a la transmisión de datos. Por esta razón, Ethernet tiene la peor latencia de las tecnologías de bus que aparecen en este tutorial.

Sin embargo, Ethernet sigue siendo una opción poderosa para crear una red de sistemas distribuidos. Puede operar a distancias de hasta 85 a 100 m sin repetidores y con repetidores no tiene límites de distancia. Ningún otro autobús tiene este rango de separación del PC o plataforma de control. Al igual que con GPIB, la autoconfiguración no está disponible en Ethernet/LAN. Los usuarios deben asignar manualmente una dirección IP y una configuración de subred a su instrumento. Al igual que USB y PCI, las conexiones Ethernet/LAN son omnipresentes en los PC modernos. Esto hace que Ethernet sea ideal para sistemas distribuidos y monitoreo remoto. A menudo se utiliza junto con otras tecnologías de bus y plataforma para conectar nodos del sistema de medición. Estos nodos locales pueden estar compuestos por sistemas de medición basados en GPIB, USB y PCI. Las conexiones Ethernet físicas son más robustas que las conexiones USB, pero menos que las GPIB o PXI.

LXI (LAN eXtenstions for Instrumentation) es un estándar emergente basado en LAN. El estándar LXI define una especificación para instrumentos independientes con conectividad Ethernet que agrega funciones de activación y sincronización.

A pesar de la conveniencia conceptual de designar un solo bus o estándar de comunicación como la tecnología “definitiva” o “ideal”, la historia nos enseña que es probable que varios estándares alternativos continúen coexistiendo, ya que cada tecnología de bus tiene una fortaleza y debilidades únicas. En la tabla 1 se recopilan los criterios de rendimiento de la sección anterior. Debe quedar claro que ningún autobús es superior en todas las medidas de rendimiento.

	Ancho de banda (MB/s)	Latencia (μs)	Rango (m) (sin extensores)	Configuración e instalación	Rugosidad del conector
GPIB	1.8 (488.1) 8 (HS488)	30	20	Bueno	El mejor
USB	60 (alta velocidad)	1000 (USB) 125 (alta velocidad)	5	El mejor	Bueno
PCI	132	0.7	Bus PC interno	Mejor	Mejor Best (para PXI)
PCI Express	250 (x1) 4000 (x16)	0,7 (x1) 0,7 (x4)	Bus PC interno	Mejor	Mejor Best (para PXI)
Ethernet/LAN/LXI	12,5 (Rápido) 125 (Gigabit)	1000 (Rápido) 1000 (Gigabit)	100 m	Bueno	Bueno

Los desarrolladores de sistemas de prueba pueden explotar las fortalezas de varios autobuses y plataformas creando sistemas híbridos. Los sistemas híbridos de prueba y medición combinan componentes de plataformas de instrumentación modulares como PXI y VXI e instrumentos independientes que se conectan a través de GPIB, USB y Ethernet/LAN. Una clave para crear y mantener un sistema híbrido es implementar una arquitectura de sistema que reconozca de manera transparente múltiples tecnologías de bus y aproveche una plataforma informática abierta y multiproveedor, como PXI, para lograr conectividad de E/S.

La otra clave para desarrollar con éxito un sistema híbrido es asegurarse de que el software que elija a nivel de controlador, aplicación y gestión del sistema de prueba sea modular. Aunque algunos proveedores pueden ofrecer soluciones de software verticales para instrumentos específicos, la arquitectura del sistema más útil es una que divide las funciones de software en capas modulares intercambiables para que su sistema no esté vinculado a una pieza de hardware en particular o a un proveedor en particular. Este enfoque por capas proporciona la mejor reutilización de código, modularidad y longevidad. Por ejemplo, VISA (Virtual Instrument Software Architecture) es un estándar de software neutral para el proveedor para configurar, programar y solucionar problemas de sistemas de instrumentación que comprenden interfaces GPIB, VXI, serial (RS232/485), Ethernet, USB y/o IEEE 1394. Es una herramienta útil porque la API para programar funciones VISA es similar para una variedad de interfaces de comunicación.

Con los sistemas híbridos, puede combinar las fortalezas de muchos tipos de instrumentos, incluidos equipos heredados y dispositivos especializados. A pesar del atractivo de encontrar una solución única para la instrumentación, la realidad requiere que los ingenieros de pruebas ajusten los instrumentos y las tecnologías de bus asociadas a sus necesidades de aplicación específicas.

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