Automatización de la medida de característica estática de circuitos analógicos 10 2. Protocolos de instrumentación En este apartado se recogen los protocolos de instrumentación más extendidos actualmente, haciendo especial hincapié en el protocolo LXI, en el cual se basa el sistema de instrumentación diseñado. 2.1. GPIB Bus estándar desarrollado a finales de los años 60 y principio de los 70 por Hewlett Packard (HP), para la conexión de dispositivos de test y medida con equipos de control. El objetivo principal de este bus es gestionar la transferencia de información entre dos o más dispositivos. Posteriormente al lanzamiento del primer dispositivo fabricado por HP conocido como HP-IB que implementaba el bus tratado, otros fabricantes lo imitaron implementándolo en sus equipos y denominándolo como Gerenal Purpose Instrumentation Bus (GPIB) que le dio el nombre común al bus. Debido al alto índice de popularidad del bus GPIB, en 1973 se convirtió en estándar IEC (International Electrotechnical Commission), recibiendo el IEEE-488 y en 1987 adoptó el nombre de ANSI/IEEE-488.1 que define el hardware de GPIB. Ese mismo año se llevó a cabo una ampliación del protocolo, IEEE-488.2 con el fin de describir los controladores y la comunicación entre dispositivos. Uno de los problemas iniciales que existió en el bus GPIB fue que los comandos de control de una misma clase de equipos de instrumentación variaban según el fabricante y el modelo, por tanto, en 1989 HP desarrolló su lenguaje TML, precursor de los comandos estándar para la programación mediante SCPI (ver 3.5.3 Comandos SCPI). El lenguaje SCPI cumple con el estándar IEEE-488.2 y además de ser un lenguaje de programación de equipos de instrumentación para equipos que implementan otros buses de instrumentación distintos de GPIB. El bus GPIB es un protocolo paralelo de 8 bits, asíncrono, cuya arquitectura es maestro- esclavo, es decir, en la que únicamente existe un controlador del bus que es el encargado de supervisar todas las operaciones realizadas. Dicho controlador es el que gestiona cual es el dispositivo que envía la información y en que instante se produce el envío, para así evitar la simultaneidad de envío de varios equipos al mismo tiempo en una misma red. Además cuenta con funciones de control de transferencia de datos o data hardware handshake para garantizar la recepción de los datos en los dispositivos esclavos. La baja latencia y el buen ancho de banda son la firma del bus GPIB, que cuenta con un ancho de banda de más de 1 MBytes/s, pudiéndose incrementar hasta la velocidad de 8 MBytes/s en la versión Hi-Speed (HS488). Sin embargo, el ancho de banda varía en función del número de equipos conectados a la red, ya que éste se distribuye de forma que se reparte entre todos los dispositivos conectados. La distancia máxima alcanzable por el bus es de 20 m con un máximo de 2 m entre dispositivos. Al contrario que ocurre con el ancho de banda, la latencia de este protocolo es mejor incluso que la de USB 2.0 que es de 100 μs. Los dispositivos suelen conectarse mediante un cable apantallado de 24 polos. La gran robustez de los conectores IEEE-488 utilizados dota al sistema de una alta fiabilidad, con la particularidad de que dichos conectores de cada extremo son al mismo tiempo enchufe y receptáculo como se puede observar en la Ilustración 4.
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Automatización de la medida de característica estática de circuitos analógicos
10
2. Protocolos de instrumentación
En este apartado se recogen los protocolos de instrumentación más extendidos actualmente,
haciendo especial hincapié en el protocolo LXI, en el cual se basa el sistema de
instrumentación diseñado.
2.1. GPIB
Bus estándar desarrollado a finales de los años 60 y principio de los 70 por Hewlett Packard
(HP), para la conexión de dispositivos de test y medida con equipos de control. El objetivo
principal de este bus es gestionar la transferencia de información entre dos o más dispositivos.
Posteriormente al lanzamiento del primer dispositivo fabricado por HP conocido como HP-IB
que implementaba el bus tratado, otros fabricantes lo imitaron implementándolo en sus
equipos y denominándolo como Gerenal Purpose Instrumentation Bus (GPIB) que le dio el
nombre común al bus. Debido al alto índice de popularidad del bus GPIB, en 1973 se convirtió
en estándar IEC (International Electrotechnical Commission), recibiendo el IEEE-488 y en 1987
adoptó el nombre de ANSI/IEEE-488.1 que define el hardware de GPIB. Ese mismo año se llevó
a cabo una ampliación del protocolo, IEEE-488.2 con el fin de describir los controladores y la
comunicación entre dispositivos.
Uno de los problemas iniciales que existió en el bus GPIB fue que los comandos de control de
una misma clase de equipos de instrumentación variaban según el fabricante y el modelo, por
tanto, en 1989 HP desarrolló su lenguaje TML, precursor de los comandos estándar para la
programación mediante SCPI (ver 3.5.3 Comandos SCPI). El lenguaje SCPI cumple con el
estándar IEEE-488.2 y además de ser un lenguaje de programación de equipos de
instrumentación para equipos que implementan otros buses de instrumentación distintos de
GPIB.
El bus GPIB es un protocolo paralelo de 8 bits, asíncrono, cuya arquitectura es maestro-
esclavo, es decir, en la que únicamente existe un controlador del bus que es el encargado de
supervisar todas las operaciones realizadas. Dicho controlador es el que gestiona cual es el
dispositivo que envía la información y en que instante se produce el envío, para así evitar la
simultaneidad de envío de varios equipos al mismo tiempo en una misma red. Además cuenta
con funciones de control de transferencia de datos o data hardware handshake para
garantizar la recepción de los datos en los dispositivos esclavos.
La baja latencia y el buen ancho de banda son la firma del bus GPIB, que cuenta con un ancho
de banda de más de 1 MBytes/s, pudiéndose incrementar hasta la velocidad de 8 MBytes/s en
la versión Hi-Speed (HS488). Sin embargo, el ancho de banda varía en función del número de
equipos conectados a la red, ya que éste se distribuye de forma que se reparte entre todos los
dispositivos conectados.
La distancia máxima alcanzable por el bus es de 20 m con un máximo de 2 m entre
dispositivos. Al contrario que ocurre con el ancho de banda, la latencia de este protocolo es
mejor incluso que la de USB 2.0 que es de 100 µs.
Los dispositivos suelen conectarse mediante un cable apantallado de 24 polos. La gran
robustez de los conectores IEEE-488 utilizados dota al sistema de una alta fiabilidad, con la
particularidad de que dichos conectores de cada extremo son al mismo tiempo enchufe y
receptáculo como se puede observar en la Ilustración 4.
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Ilustración 4. Conectores IEEE-488 [ 2 ]
Es posible encadenar dispositivos mediante configuraciones lineales, en estrella o utilizando
una versión híbrida. En Ilustración 5 se muestra la conexión en lineal, a la izquierda, y la
conexión en estrella, a la derecha.
Dispositivo A
Dispositivo C
Dispositivo B
Dispositivo A
Dispositivo BDispositivo C
Dispositivo D
Ilustración 5. Conexión lineal y en estrella.
El número máximo de dispositivos que se puede conectar en un mismo bus GPIB contiguo es
de 15 siendo uno de ellos el controlador. A pesar de que los dispositivos GPIB cuentan con una
dirección que se puede encontrar entre 0 y 30, el número de equipos que se permite tener
conectados es inferior. Esto es debido a que las restantes direcciones se reservan para equipos
secundarios, por ejemplo, un multímetro digital tiene la dirección 3 y puede tener un módulo
de relés a la entrada de alguna de las señales, dicho módulo podría tener la dirección
secundaria 5. La dirección número 0 del bus GPIB queda reserva para el controlador del
mismo.
La baja latencia, el ancho de banda, la robustez y la fiabilidad hacen que tras 30 años se siga
utilizando el bus GPIB para el control de instrumentación. A pesar de su antigüedad, hoy día
existen numerosos equipos y fabricantes que lo siguen implementando, pese a que en el
mercado han aparecido buses que tienden a desplazar al bus GPIB.
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2.2. VME
En 1981 las empresas Motorola, Mostek y Signetics/Philips lanzaron al mercado el bus VME,
que es la evolución de un bus estándar creado en 1979 por Motorola para sistemas basados en
el microprocesador 68000 de Motorola.
Dada la gran funcionalidad del bus VME, éste se aplicó a muchas otras aplicaciones
estandarizadas como ANSI/IEEE 1014 e IEC 821. Pese a que VME no se considera un bus de
instrumentación, se ha incluido debido al gran número de dispositivos dedicados a la
instrumentación que lo implementan, además de ser la base de la cual parte el bus de
instrumentación VXI.
VME es un bus interno, de arquitectura es compartida en la que el bus reside en un panel de
conexiones. Dicho panel cuenta con varios slots donde se instalan las distintas tarjetas VME.
Un ejemplo del panel de conexión o chasis VME se muestra en la Ilustración 6, en la cual se
observa un chasis de 21 slots del fabricante ELMA.
Ilustración 6. Chasis VME [ 4 ]
VME es una tecnología muy extendida en el mercado, por lo que existe una amplia variedad de
tarjetas de adquisición de datos, memorias, de generación de señales, etc, que deben ser
instaladas en chasis VME. Existen cuatro tamaños de tarjetas VME que se encuentran
estandarizados, éstos se muestran en la Ilustración 7.
Ilustración 7. Tamaño tarjetas VME [ 5 ]
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Para definir los tamaños de las tarjetas se sigue la siguiente normativa:
IEEE 1101.1 Base Document for Mechanics.
IEEE 1101.10 Mechanics for VME Boards and Subracks.
IEEE 1101.11 Mechanics for Rear Transition Modules.
El bus VME es una tecnología asíncrona con una tasa de datos de 40 Mbytes/s. Con el paso del
tiempo se han realizado nuevas versiones que han ido mejorando el rendimiento de la
especificación del bus VME, consiguiéndose tasas de transferencia de datos mayores que
llegan hasta 160 Mbytes/s para el estándar VME64x y 320 Mbytes/s para VME320. Sin
embargo, el número de equipos que siguen VME320 es muy reducido, además aún no se ha
considerado como un estándar de VME. La latencia del bus VME ronda los 0.8 µs en el mejor
de los casos.
A continuación en el siguiente apartado se describe el bus VME dedicado a instrumentación,
denominado VXI.
2.3. VXI
Con el tiempo el bus VME ha evolucionado en forma de nuevos buses de expansión que parten
de la plataforma VME. Éste es el caso de VXI (VME eXtensions for Instrumentation) que es la
extensión del bus VME para instrumentación.
VXI nació por la necesidad de reducir el tamaño físico de los sistemas de instrumentación y
actualmente es utilizado en aplicaciones de sistema de pruebas, mediación, adquisición de
datos y análisis, sistemas de automatización industrial, sistemas militares y aeroespaciales.
En 1987 el consorcio VXI desarrolló la normativa de VXI, con el objetivo de definir un estándar
para múltiples fabricantes que se dedicaban al desarrollo de tarjetas de instrumentación, que
no fue aceptada por IEEE hasta 1993, como IEEE-1155. Inicialmente los miembros del
consorcio fueron GenRad, Hewlett Packard, National Instruments, Racal Instruments y
Tektronix, a medida que aumentó la importancia de VXI se elevó el número de miembros.
Actualmente en el mercado existen más de 250 fabricantes y más de 1500 dispositivos que
implementan el bus VXI.
Entre las diferencias de VME y VXI se encuentran las líneas extras para temporización y
disparo, nuevos protocolos para la comunicación y la comunicación basada en mensajes (SCPI).
VXI al igual que VME son tecnologías asíncronas que cuentan con una tasa de datos máxima de
160 MBytes/s, al igual que ocurre con GPIB el ancho de banda es distribuido y por tanto,
dividido por el número de elementos conectados al bus. Se debe destacar la baja latencia que
posee el bus VXI.
El bus VXI utiliza la arquitectura definida por el estándar IEEE-1014 VMEbus que es la
arquitectura de VME de 32 bits. Las dimensiones de las tarjetas VXI son idénticas a las tarjetas
VME que se recogen en la Ilustración 7.
Entre las ventajas de VXI se encuentran las siguientes:
Es un sistema modular ya que en un mismo chasis podemos instalar tarjetas VXI de
distinta naturaleza. En caso de fallo de una tarjeta, ésta se puede sustituir por otra en
un corto espacio de tiempo, por tanto, se reducen los tiempos de reparación.
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Las tarjetas VXI soportan el software VXIplug&play que facilita la configuración del
sistema y la programación.
El bus VXI contiene funciones de sincronización y disparo que mejoran la capacidad de
medición.
La especificación VXIbus incluye requisitos de emisión de radiaciones que impiden que
un módulo pueda interferir en el funcionamiento de otros módulos.
El principal inconveniente de la tecnología VME y VXI es que se tratan de buses internos y por
tanto es necesario el despliegue de un bus de comunicaciones a la salida de los chasis que
alojan las tarjetas VME o/y VXI si se desea conseguir un mayor alcance.
2.4. PCI
A principio de los años 90 la compañía Intel desarrolló un bus interno conocido como PCI, que
a pesar de la poca aceptación que tuvo inicialmente fue sustituyendo a los servidores MCA y
EISA como buses de expansión. El apogeo del bus PCI se produjo a mitad de la década de los
noventa con la aparición de la segunda generación de los procesadores Pentium. Fue entonces
donde el bus PCI comenzó a sustituir al bus ISA en los ordenadores personales debido, entre
otras cosas, a la configuración dinámica de dispositivos, mientras que ISA deber ser
configurado manualmente.
PCI es un bus interno o de sistema lo que le reporta unas mejores características de ancho de
banda y latencia. El bus presenta un ancho de banda de 132 MBytes/s para un bus de 32 bits y
266 MBytes/s si se trata de un bus de 64 bits. En cuanto a latencia se tiene unos 700 ns.
El bus PCI opera con líneas multiplexadas para dirección y datos, lo que permite reducir el
número de contactos entre los conectores y las tarjetas de extensión que trae consigo una
reducción del coste de fabricación
El gran inconveniente del bus PCI es que el ancho de banda es compartido por entre todos los
elementos conectados al bus, por tanto, un número muy elevado de tarjetas provoca una
disminución del rendimiento.
En el año 2002 se desarrolló el bus PCI-Express (PCIe), que es la evolución del PCI. La diferencia
entre PCI y PCIe es la topología del bus; mientras PCI se ejecuta en un bus paralelo, PCIe lo
hace en una interfaz serie que permite alcanzar un ancho de banda mayor que PCI y dedicado
para dispositivo del bus. PCIe llega a conseguir tasas de transferencias de 250 MBytes/s por
carril y un total de 8 GBytes/s si se utilizan 32 canales.
A igual que ocurría en VME, las dimensiones de las tarjetas PCI y PCIe se encuentran
normalizadas. En la Ilustración 8 se muestran las dimensiones de ambas tarjetas.
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Ilustración 8. Tamaño de las tarjetas PCI y PCIe [ 14 ][ 15 ]
Como se puede comprobar en la Ilustración 8 se tienen varios tipos de tarjetas PCI, cortas y
largas, cuya diferencia es la longitud de las tarjetas que en el primer de los casos es de 174 mm
y en el segundo de 312 mm, manteniendo el mismo ancho que es de 106.68 mm. Para las
tarjetas PCIe también se tienen dos formatos de tarjeta corta y larga, cuyas dimensiones tal
como se puede comprobar en la Ilustración 8 son similares.
Entre las ventajas de ambos buses se encuentran que son sistemas de bajo costo por lo
general, no necesitan un alto nivel de procesamiento y al ser buses internos tienen una
conexión robusta. El inconveniente es que al ser buses de sistema poseen un alcance muy
limitado. Sin embargo, tanto PCI como PCIe son compatibles con Ethernet ya que existe una
gran variedad de dispositivos que implementan los ambos buses.
Al igual que ocurre con el bus VME, PCI y PCIe no se pueden considerar realmente buses de
instrumentación, sin embargo, se recogen en este texto porque PCI es el bus en el que se
encuentra basado el bus de instrumentación PXI y por el gran catálogo de equipos de
instrumentación que implementan PCI y PCIe.
2.5. PXI
En 1997 la compañía National Instruments diseñó un bus específicamente para plataformas de
instrumentación, medida y control automático. Dicho modelo se denominó PXI, el cual el
mismo año de su creación fue considerado como un bus estándar, además se extendió
rápidamente entre las distintas industrias como la aeroespacial, militar o automoción.
Posteriormente en 2005 se elaboró la especificación del bus PXI Express (PXIe) que incluye las
especificaciones de compatibilidad con PXI.
Los buses PXI y PXIe son las extensiones para instrumentación de los buses PCI y PCIe
respectivamente que utilizan el estándar CompactPCI (cPCI). El estándar cPCI se basa en la
arquitectura PCI, combina las características eléctricas de éste con un formato robusto y
modular, con la ventaja de que las tarjetas cPCI pueden ser sustituidas en caliente y puede
utilizarse en ambientes con grandes interferencias magnéticas.
Tanto PXI como PXIe además de incluir las ventajas que incluye cPCI respecto a PCI, añaden las
ventajas de temporización y triggering como TriggerBus, StarTrigger y un reloj de sistema
compartido de 10 ó 100 MHz.
Al tratarse de dos buses internos, tienen latencias por debajo de 1 µs, y tasas de datos altas,
obteniéndose para PXI una tasa de 132 MBytes/s y de hasta 6 GBytes/s para PXIe. El hecho de
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que los buses sean internos significa que son una plataforma robusta con una alta
transferencia de datos, sin embargo poseen un corto alcance.
El bus de disparo PXI permite la transmisión de relojes de frecuencias variables de manera que
diferentes módulos puedan compartir directamente un reloj de muestreo o una base de
tiempos. Como características, PXI ofrece las mismas que PCI.
PXIe a diferencia de PXI incluye características de temporización y sincronización adicionales
gracias a los avances tecnológicos y a que posee dos conectores diferenciales, que ofrecen una
sincronización de un reloj diferencial, señalización diferencial y disparos en estrella
diferenciales. El bus PXIe permite la transmisión a mayores frecuencias debido a que
implementan relojes de instrumentación que crean una mayor inmunidad al ruido.
Las tarjetas PXI y PXIe se presentan en dos formatos distintos que se muestran en la Ilustración
9. De los dos formatos, el más común es el de dimensiones 3U.
Ilustración 9. Tamaño de tarjetas PXI [ 16 ]
Además de la notable diferencia de dimensiones entre ambas tarjetas, se puede observar que
las dos no tienen el mismo número de conectores, ya que la de tamaño 3U posee 3 conectores
y la de 6U tiene 5 conectores.
Los conectores J1 de ambas tarjetas proporcionan señales PCI de 32 bits, los J2 señales PCI de
64 bits y algunas PXI. El resto de conectores J3, J4 y J5 que solo se encuentran en el formato 6U
quedan reservados para señales recogidas en la especificación PXI.
Las tarjetas PXI y PXIe se alojarán en chasis como los mostrados en la Ilustración 10, que le
proporcionarán una envolvente robusta. Estos chasis, aparte de alojar a las distintas tarjetas
proporcionan otros buses de comunicación como Ethernet, para dotar a los sistemas basados
en PXI y PXIe de mayor alcance.
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Ilustración 10. Chasis PXI de 3U, chasis híbrido de 3U y 6U
Los chasis generalmente están disponibles en tamaños 3U y 6U que contienen 4, 6, 8, 14 ó 18
slots. Entre las opciones que incluyen los chasis, se encuentran las fuentes de alimentación que
pueden ser AC y DC, además del acondicionamiento de señales que en algunos casos se
encuentra integrado. También existen chasis que permiten alojar tanto módulos PXI como PXIe
de forma que se puede tener un sistema híbrido totalmente compatible.
2.6. LXI
2.6.1. Introducción LXI
LAN eXtensions for Instrumetation (LXI) es un protocolo estándar para instrumentación,
basado en Ethernet. Cabría pensar que debido a la existencia de equipos destinados a la
instrumentación que implementan Ethernet, LXI es similar. Sin embargo, las principales
diferencias entre ambos se muestran en la Tabla 1.