Instrument Bus Performance – Making Sense of Competing Bus Technologies for Instrument Control

Visão geral

In 1997 Hewlett-Packard (now Keysight) strongly claimed that IEEE 1394 (Firewire) was ideally situated to be the new leading bus technology in instrument control. HP advocated abandoning the then-leading technology, GPIB, in light of IEEE 1394 potential. In the decade since, IEEE 1394 has failed to gain anything more than a marginal adoption in instrumentation outside of imaging, but some test and measurement companies have continued to try to identify a single instrument control bus to replace all others.

While other bus technologies have certainly proved more successful than IEEE 1394 in fulfilling a broad range of application needs, even GPIB, the most adopted instrument control standard in the past 40 years, cannot claim to be categorically superior to all other buses.

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Introdução aos Barramentos para Controle de Instrumentos

Em 1997 a Hewlett-Packard (agora Agilent) divulgou fortemente que o IEEE 1394 era idealmente situado para ser a nova tecnologia líder de barramentos para controle de instrumentos. A HP promoveu o abandono da então tecnologia líder,GPIB, em função do potencial do IEEE 1394.  Na década seguinte, o IEEE 1394 falhou e não obteve nada mais além de uma adoção marginal na instrumentação que não fosse voltada a imagem, mas algumas empresas de teste e medição continuaram tentando identificar um único barramento para controle de instrumento que substituísse todos os outros.

Enquanto outras tecnologias de barramento tiveram certamente mais sucesso que o IEEE 1394 atendendo um maior range de requisitos de aplicações, mesmo o GPIB, o mais adotado padrão para controle de instrumento nos últimos 40 anos, não pode ser julgado superior a todos os outros barramentos.

Atualmente, o USB, PCI Express e Ethernet/LAN ganharam atenção como atrativas opções de comunicação para controle de instrumento. Alguns fabricantes de equipamentos para teste e medição assim como alguns especialistas têm dito que um destes barramentos, por si só, representa uma solução para todos os requisitos de instrumentação. Na realidade, é mais provável que duas ou mais tecnologias de barramento continuem a coexistir nos futuros sistemas de teste e medição porque cada barramento possui suas próprias vantagens. O desafio atual para engenheiros de teste não é escolher um único barramento ou plataforma para padronizar todas as aplicações, mas  escolher um barramento ou plataforma apropriada para uma aplicação específica ou mesmo uma parte específica da aplicação.

Este artigo apresenta uma comparação dos barramentos mais populares para instrumentação, para que engenheiros de teste estejam informados para tomar decisões quando escolherem a tecnologia de barramento e a plataforma que atenda as necessidades específicas da aplicação. As tecnologias específicas de barramentos discutidas a seguir incluem FPIB, USB, PCI, PCI Express e Ethernet/LAN/LXI.

Entendendo o Desempenho do Barramento

Primeiramente, é importante definir o critério de desempenho para os barramentos para  controle de instrumento a fim de se ter um método para avaliação e comparação

Largura de Banda

Na avaliação dos parâmetros técnicos dos barramentos, a largura de banda e a latência são duas das mais importantes características. A largura de banda mede a taxa que os dados são enviados através do barramento, tipicamente em MB/s (106 bytes por segundo). Um barramento com grande largura de banda pode transmitir mais dados em um determinado período do que um barramento com baixa largura de banda. A maior parte dos usuários reconhece a importância da largura de banda porque esta afeta diretamente se os dados podem ser enviados através do barramento para um processador compartilhado tão rápido quanto os dados são adquiridos ou gerados, e o quanto de memória interna os instrumentos irão necessitar. A largura de banda é importante em aplicações como uma aquisição ou geração de uma forma de onda complexa como RF e aplicações de comunicação. Alta taxa de transferência de dados é particularmente importante para arquiteturas de instrumentação virtual e sintética. A funcionalidade e personalidade da instrumentação virtual e sintética é definida por software; na maioria dos casos, isto significa que os dados devem ser transferidos para um PC host para processamento e análise. A Figura 1 mostra o gráfico de largura de banda (e latência) de todos os barramentos para instrumentação examinados neste artigo.

Figura 1. Largura de Banda versus Latência para Barramentos de Instrumentação

Latência

A latência mede o atraso na transmissão dos dados através do barramento. Por analogia, se compararmos um barramento para instrumentação como uma rodovia, a largura de banda corresponderia ao número de pistas e a velocidade permitida, enquanto a latência corresponderia ao atraso introduzido com os cruzamentos existentes na rodovia. Um barramento com baixa (boa) latência introduziria menos atraso entre o tempo que os dados são enviados em uma “ponta” e processados na outra “ponta” do barramento. A latência, ainda que menos notável que a banda, possui um impacto direto em aplicações onde uma sucessão rápida de pequenos comandos é enviada através do barramento, como os sinais de controle entre um multímetro (DMM) e um switch para configuração do instrumento.

Comunicação Baseada em Mensagem versus Comunicação Baseada em Registro

Barramentos que utilizam comunicação baseada em mensagem são geralmente mais lentos porque este modo de comunicação adicionar um atraso na forma de interpretação do comando e interpretação dos dados. Com uma comunicação baseada em registros, a transferência dos dados ocorre com a escrita e leitura direta dos dados binários nos registradores do hardware no dispositivo, resultando em uma tranferência mais rápida. Protocolos com comunicação baseada em registro são mais comuns em barramentos internos de PCs, onde as interconexões são fisicamente menores e são necessárias maiores taxas de transferências. Protocolos de comunicação baseados em mensagem são úteis para transmissão de dados através de longas distâncias onde um maior atraso é aceitável. Deve ser considerado que as métricas de latência e largura de banda são parcialmente dependentes se o barramento utiliza comunicação baseada em mensagem ou  baseada em registros.

Desempenho em Longas Distâncias

Para aplicações de monitoramento remoto e para sistemas que envolvem medições através de uma grande área geográfica, a distância se torna importante. O desempenho é a categoria que pode ser visualizada como justificativa para a latência, a verificação de erros e a interpretação das mensagens para melhorar limitações físicas de envio de dados através de longos cabos podem adicionar atrasos no envio e recebimento dos dados.

Configuração do Instrumento e Desempenho do Software

A facilidade de uso em termos de configuração do instrumento e desempenho do software é o critério mais subjetivo examinado neste artigo. Mesmo assim é importante ser discutido. A configuração do instrumento descreve um experimento “out of the box” (inicialização do dispositivo a partir da retirada de sua embalagem) e tempo de configuração. O desempenho do software relata o quão facilmente os usuários podem localizar utilitários interativos ou APIs (Interfaces para programação da aplicação) padrão como VISA para comunicar ou controlar um instrumento.

Robustez do Conector

O conector físico dos barramentos implica na maneira que este é apropriado para aplicações industriais e se existe a necessidade de esforços adicionais para “reforçar” a conexão entre o instrumento e o sistema controlador. A Figura 2 apresenta fotos de diversos conectores de barramentos para instrumentação.

Figura 2. Conectores Ethernet, USB, PXI e GPIB (não está em escala). O conector do  PXI é uma parte integrada do instrumento modular no qual este reside.

Comparação entre Barramentos para Controle de Instrumentos (GPIB, USB, PCI, PCI Express e Ethernet/LAN/LXI

GPIB

O primeiro barramento a ser examinado é o IEEE 488, também conhecido como GPIB (Barramento com Interface para Propósitos Gerais). O GPIB é um barramento consolidado e projetado especificamente para aplicações de controle de instrumentos. O GPIB têm sido um barramento robusto e confiável por 30 anos e ainda é a escolha mais popular para controle de instrumentos devido a sua baixa latência e largura de banda aceitável. Atualmente é o barramento de maior adoção na indústria, com uma base de mais de 10.000 modelos de instrumentos com conectividade GPIB.

Com uma largura de banda máxima de 1.8 MB/s, é melhor utilizado para comunicação e controle de instrumentos autônomos. O mais recente, revisão de alta velocidade, HS488, teve um aumento na largura de banda para 8 MB/s. A transferência é baseada em mensagem, frequentemente na forma de caracteres ASCII. Múltiplos instrumentos GPIB podem ser conectados ao mesmo cabo com uma distância total de 20 m e a largura de banda é compartilhada entre todos os instrumentos conectados ao barramento. Desconsiderando a relativamente pequena largura de banda, a latência do GPIB é significantemente menor (melhor) do que o USB e especialmente o Ethernet. Os instrumentos GPIB não são auto-detectados ou auto-configurados quando conectados ao sistema, mas o software GPIB está entre os mais bem avaliados, a robustez dos cabos e conectores são apropriados para a maior parte dos ambientes físicos. O GPIB é ideal para automatizar equipamentos existentes ou sistemas que requerem instrumentos altamente especializados.

USB

O USB (Universal Serial Bus) tem se tornado popular nos últimos anos para conexão de periféricos de computadores. Esta popularidade tem sido expandida para medições e teste, e há um aumento no número de fabricantes de instrumentos adicionando portas USB aos controladores de seus instrumentos.

O Hi-Speed USB (USB de alta velocidade) possui uma transferência máxima de 60 MB/s, tornando-o uma alternativa atrativa para conectividade com instrumentos, controle de instrumentos autônomos e virtuais com taxas de transferências inferiores a 1 MS/s. Mesmo que a maioria dos laptops, desktops e servidores possuam diversas portas USB, todas estas portas geralmente são conectadas ao mesmo controlador host, assim a largura de banda do USB é compartilhada entre todas as portas. A latência do USB está na melhor categoria (entre o Ethernet no menor nível e o PCI e PCI Express em um maior nível) e o comprimento do cabo é limitado em 5 m; Os dispositivos USB se beneficiam de auto-detecção, significando que, ao contrário de outras tecnologias como LAN ou GPIB, os dispositivos USB são imediatamente reconhecidos e configurados pelo PC quando um usuário conecta-os. Os conectores USB são os menos robustos e menos seguros dos barramentos examinados neste documento. São necessários fixadores externos para os cabos a fim de mantê-los no lugar.

Dispositivos USB são mais apropriados para aplicações de medições portáteis, datalogger em laptop ou desktop e aquisições de dados em veículos. O barramento tem se tornado uma popular escolha de comunicação para instrumentos autônomos devido a sua ubiqüidade em PCs e especialmente devido a sua facilidade de uso plug-and-play. A especificação da classe USB Test and Measurement (USBTMC) especifica os requisitos de comunicação de uma grande escala de dispositivos para teste e medição.

PCI

O PCI e PCI Express conseguem o melhor desempenho em relação à banda e latência entre todos os instrumentos examinados neste artigo. A largura de banda do PCI é 132 MB/s, com esta banda compartilhada entre todos os dispositivos no barramento. O desempenho de latência do PCI é extremamente bom. Atingindo 700 ns quando testado, comparado com 1 ms do Ethernet. O PCI utiliza comunicação baseada em registros, ao contrário dos outros barramentos mencionados neste artigo, o PCI não possui conexão com instrumentos externos. Ao invés disso, é um barramento interno do PC utilizado para placas plug-in e em sistemas de instrumentação modular como o PXI, assim, geralmente não são aplicados para medições a longas distâncias. Mesmo assim, o barramento PCI pode ser estendido por até 200m com o uso de interfaces MXI de fibra ótica quando conectados a sistemas PXI. Devido à conexão PCI ser interna ao computador, esta é quase sempre certo caracterizar a robustez do conector como sendo limitada pela estabilidade e robustez do PC em que este reside. Os sistemas de instrumentação modular PXI, que são baseados nos padrões PCI, melhoram esta conectividade com um painel traseiro de alto desempenho e múltiplos terminais de parafusos para manter a conexão fixa. Uma vez inicializado com os módulos PCI ou PXI conectados, o Windows automaticamente detecta e instala os drivers para estes módulos.

Uma vantagem que o PCI (e PCI Express) possui juntamente com o Ethernet e USB é que estes são universalmente disponíveis nos PCs. O PCI é um dos padrões mais adotados na história da indústria dos PCs. Atualmente, todo PC desktop possui slots PCI, PCI Express ou ambos. Em geral, instrumentos PCI podem alcançar baixos custos porque estes instrumentos utilizam a fonte de alimentação, processador, display e memória do PC em que residem, ao invés de incorporar estes dispositivos no próprio instrumento.

PCI Express

O PCI Express é semelhante ao PCI. Este é a mais recente evolução do padrão PCI, assim como o Hi-Speed USB é para o USB. Consequentemente, muito das avaliações acima do PCI são aplicadas também ao PCI Express.

A maior diferença entre o desempenho do PCI e do PCI Express é que o PCI Express é um barramento de maior largura de banda e fornece banda dedicada para cada dispositivo. De todos os barramentos mencionados neste tutorial, somente o PCI Express fornece banda dedicada para cada periférico no barramento. O GPIB, USB e LAN, dividem a banda através dos periféricos conectados ao barramento. Os dados são transmitidos através de conexões ponto-a-ponto chamadas “vias” (também conhecidas como “lanes”) a 250 MB/s por direção. Cara link PCI Express pode ser composto de múltiplas “vias”, assim a largura do barramento PCI Express depende de como o slot e o dispositivo são implementados. Um link x1 (vezes 1) provê 250 MB/s; um link x4 provê 1 GB/s; e um link x16 provê 4 GB/s de banda dedicada. É importante verificar que o PCI Express possui compatibilidade de software para versões anteriores, ou seja, os usuários que migram para o padrão PCI Express podem preservar seus investimentos de software feitos para PCI. O PCI Express também é extensível por cabos externos.

Os barramentos de alta velocidade, internos em PCs foram projetados para comunicações rápidas. Consequentemente, o PCI e PCI Express são as escolhas ideais para sistemas de alto desempenho e alta intensidade de dados onde uma grande largura de banda é necessária e para sistemas com integração e sincronização de diversos tipos de instrumentos.

Ethernet/LAN/LXI

O Ethernet têm sido por muito tempo uma opção de controle de instrumento.Este é um barramento consolidado e têm sido amplamente utilizado em diversas áreas de aplicação fora da indústria de teste e medição. O Ethernet 100BaseT possui uma largura de banda teórica máxima de 12.5 MB/s. O Gigabit Ethernet, ou 1000BaseT aumenta a largura de banda máxima para 125 MB/s. Em todos os casos, a largura de banda do Ethernet é compartilhada através da rede. O Ethernet Gigabit de 125 MB/s é teoricamente mais rápido que o Hi-Speed USB, mas este desempenho rapidamente é declinado quando múltiplos instrumentos e outros dispositivos estão compartilhando a banda em rede. As comunicações pelo barramento são baseadas em mensagens, com os pacotes de comunicação adicionando um significante atraso na transmissão dos dados. Por esta razão, o Ethernet possui a pior latência das tecnologias de barramento abordados neste tutorial.

Mesmo assim, o Ethernet continua como uma poderosa opção para criação de rede de sistemas distribuídos. Este pode operar em distâncias de 85 a 100 m sem repetidores e, com repetidores, não tem limite de distâncias. Nenhum outro barramento possui esta escala de separação do PC controlador e a plataforma. Como o GPIB, não há auto-configuração disponível no Ethernet/LAN. Os usuários devem manualmente associar um endereço IP e uma configuração de sub rede para o instrumento. Como USB e PCI, as conexões do Ethernet/LAN são ubíquitas em PCs modernos. Isto torna o Ethernet ideal para sistemas distribuídos e monitoração remota. Este é frequentemente utilizado em conjunto com outras tecnologias de barramentos e plataformas para conectar pontos de sistemas de medição. Estes pontos locais devem ser compostos de sistemas de medição com barramento GPIB, USB e PCI. As conexões físicas do Ethernet são mais robustas do que as conexões USB, porém menos do que as GPIB e PXI.

O LXI (LAN com extensão para Instrumentação) é um padrão emergente baseado em LAN. O padrão LXI define uma especificação para instrumentos autônomos com conectividade Ethernet que adiciona características de trigger e sincronização.

Conclusão: Desempenho dos Barramentos de Instrumentos

Desconsiderando a conveniência conceitual de designar um único barramento ou padrão de comunicação como a tecnologia “final” e “ideal”. A história nos ensina que diversos padrões continuarão a coexistir como alternativa, pois cada tecnologia de barramento possui suas vantagens e desvantagens.

Tabela 1. Comparação de Desempenho de Barramentos

Desenvolvedores de sistemas de teste podem explorar as vantagens dos diversos barramentos e plataformas criando sistemas híbridos. Sistemas híbridos para teste e medição combinam componentes de plataformas de instrumentação modular como PXI e VXI e instrumentos autônomos que são conectados através de GPIB, USB e Ethernet/LAN. Um ponto importante na criação e manutenção de um sistema híbrido é implementar uma arquitetura que reconheça de maneira transparente as múltiplas tecnologias de barramento e utilize as vantagens de uma plataforma computacional aberta e de múltiplos fornecedores, como o PXI, para conseguir conectividade de E/S.

Outro ponto importante para desenvolver com sucesso um sistema híbrido é assegurar que o software escolhido para driver, para a aplicação e para gerenciamento do sistema de teste seja modular. Ainda que alguns fabricantes possam oferecer soluções verticais de software para instrumentos específicos, a arquitetura mais útil para o sistema é a que divide as tarefas do software em camadas modulares intercambiáveis para que o sistema não fique “amarrado” a um hardware de um fabricante específico. Este conceito de camadas proporciona a melhor reutilização do código, maior modularidade e longevidade. Por exemplo, o VISA (Virtual Instrument Software Architecture) é um padrão de software, onde o fabricante é neutro, para configuração, programação e manutenção de sistemas de instrumentação baseados em interfaces GPIB, VXI, serial (RS232/485), Ethernet, USB e/ou IEEE 1394. Esta é uma ferramenta útil porque as APIs (Interfaces para Programação da Aplicação) para programação das funções VISA são similares para diversas interfaces de comunicação.

Com sistemas híbridos, você pode combinar as vantagens de diversos tipos de instrumentos, incluindo equipamentos já existentes e dispositivos especializados. Mesmo com o apelo de que “um barramento soluciona tudo” para instrumentação, a realidade requer que engenheiros de teste utilizem o instrumento mais apropriado e associem tecnologias de barramento às necessidades específicas de suas aplicações.

Artigos e Produtos Relevantes da National Instruments

A National Instruments, líder em teste automatizado, é comprometida em prover ferramentas de hardware e software para usuários que necessitem criar esta próxima geração de sistemas de teste.

Software:

• Software para Gerenciamento de Testes NI TestStand

• Ambiente Gráfico para Desenvolvimento NI LabVIEW

• Software para Medições Interativas NI Signal Express

Hardware:

• Instrumentos Modulares (Osciloscópios, Multímetros, RF, Switching e mais)

• Placas Multifunção para Aquisição de Dados

• Componentes para Sistemas PXI (Chassi e Controladoras)

• Controle de Instrumentos (GPIB, USB e LAN)

Artigos:

A National Instruments oferece um Guia para Desenvolvedores de Projetos da Nova Geração de Sistemas de Teste. Este guia é uma seleção de artigos projetados para ajudar no desenvolvimento de sistemas de teste que reduzem custo, aumentam a velocidade do teste e podem ser expandidos para futuras necessidades. Para fazer o donwload do guia completo de desenvolvedores (120 páginas), visite ni.com/automatedtest.