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El Futuro de las Nuevas Tecnologías de Bus en el Control de Instrumentos y la Conectividad


Por más de 20 años, científicos e ingenieros han utilizado ampliamente el estándar IEEE 488, bus interface de propósito general (GPIB) para automatizar sistemas de instrumentación. A medida que la tecnología de computadoras entra al contexto de pruebas y mediciones, y buses como USB, Ethernet e IEEE 1394 son considerados para la conectividad en instrumentos, surgen las preguntas acerca del futuro de GPIB como el bus preferido para el control de instrumentos. Debido a su robustez y a la larga base existente de usuarios, GPIB estará presente por muchas años mas; sin embargo, la industria del control de instrumentos seguramente comenzará a abarcar un mundo mezclado de sistemas de entrada/salida (E/S). Este documento estudia el futuro de los sistemas de instrumentación cuando GPIB y otros buses son combinados, además de la importancia en mantener la compatibilidad del software con previos desarrollos e inversiones en el control de instrumentos.

Tabla de Contenido:

  • Introducción
  • Las Bases de GPIB
  • Los Beneficios de las Nuevas Tecnologías de Bus
  • Preserve su Inversión con los Productos de Enlace
  • Creando una Arquitectura de Software Flexible
  • Conclusión

Introducción

Por más de 20 años, científicos e ingenieros han utilizado ampliamente el estándar IEEE 488, bus interface de propósito general (GPIB) para automatizar sistemas de instrumentación. A medida que la tecnología de computadoras entra al contexto de pruebas y mediciones, y buses como USB, Ethernet e IEEE 1394 son considerados para la conectividad en instrumentos, surgen las preguntas acerca del futuro de GPIB como el bus preferido para el control de instrumentos. Debido a su robustez y a la larga base existente de usuarios, GPIB estará presente por muchas años mas; sin embargo, la industria del control de instrumentos seguramente comenzará a abarcar un mundo mezclado de sistemas de entrada/salida (E/S). Este documento estudia el futuro de los sistemas de instrumentación cuando GPIB y otros buses son combinados, además de la importancia en mantener la compatibilidad del software con previos desarrollos e inversiones en el control de instrumentos.
    Las Bases de GPIB

    GPIB fue diseñado específicamente para aplicaciones de control de instrumentos. En los años 70, el estándar IEEE 488-1975 delineó las especificaciones eléctricas, mecánicas y funcionales para GPIB. La revisión ANSI/IEEE 488.2-1987 hizo más fuerte el estándar original definiendo de manera precisa cómo los controladores y los instrumentos se comunican a través de GPIB. GPIB es una interface de comunicación digital de 8 bits en paralelo, cuenta con una tasa de tranferencia de hasta 8 Mbytes/s. El bus provee un controlador del sistema para hasta 14 instrumentos, y el cableado está limitado a menos de 20 m. Los usuarios pueden superar estas limitaciones utilizando extensiones. Los cables y conectores GPIB son versátiles e industrialmente calificados para su uso en cualquier ambiente.

    Los Beneficios de las Nuevas Tecnologías de Bus

    En años recientes, las computadoras que anteriormente solo contaban con un puerto serial (RS-232) y paralelo, ahora incluyen puertos Ethernet, USB (Universal Serial Bus), y en ocasiones IEEE 1394 (FireWire).

    USB

    USB fue diseñado inicialmente para conectar dispositivos periféricos a la PC, tales como teclados, escáners, unidades de disco. Con el paso de los años, el número de dispositivos que incorporan la conectividad USB se ha incrementado dramáticamente en la industria de las computadoras, esto iniciado con la adopción de USB, por parte de Apple Computers en 1998, como su único bus serial.

    Con la especificación actual USB 1.1, el rendimiento alcanza hasta los 1.5 Mbytes/s. La próxima generación de productos USB incorporará la especificación USB 2.0, ampliando el desempeño del bus hasta 60 Mbytes/s. Además, la especificación USB 2.0 asegura la compatibilidad con los dispositivos USB 1.1 e incluso utiliza el mismo conector. Debido a que USB es una tecnología plug & play, la computadora automáticamente detecta cuando un nuevo dispositivo ha sido agregado, obtiene su identificación y configura los drivers apropiadamente. Hasta 127 dispositivos pueden ejecutarse de manera concurrente en un puerto. Para los sistemas operativos Windows, la conectividad USB está implementada solo en las versiones 2000/XP/Me/98.

    USB proporciona una forma de conexión fácil de utilizar y económica entre dispositivos y las computadoras. Además, mejora la tecnología convencional de puerto serial con un desempeño mucho más rápido, funcionalidad intercambiable al instante (hot plug), configuración del sistema operativo incorporada, conectividad con múltiples dispositivos de un puerto, y un cableado flexible y delgado.

    A pesar de que USB tiene muchos beneficios atractivos, existen algunas desventajas para su uso en el control de instrumentos. Primero, los cables USB no son para uso industrial, lo cual potencialmente permite pérdida de datos en ambientes ruidosos. Por otro parte, no existe un mecanismo de cierre para los cables USB, pueden ser desconectados de la PC o del instrumento relativamente fácil. La longitud máxima del cable en los sistemas USB es de 30 m, incluyendo el uso de repetidores. Finalmente, no hay un protocolo industrial diseñado para el control de instrumentos via USB; esto requeriría implementación individual por parte del fabricante del instrumento.

    A pesar de las desventajas de USB, la amplia disponibilidad de puertos en las computadoras de hoy en dia y la promesa de alta velocidad con USB 2.0, hacen que sea considerado unas de las opciones futuras para el control de instrumentos. Actualmente existen muy poco instrumentos que ofrecen la opción USB para su control. Los usuarios pueden tomar ventaja de la conectividad USB en sus aplicaciones de control a través del uso de productos de enlace, los cuales permiten hacer una conexión entre USB y GPIB. Los productos enlace se discuten mas tarde en este artículo.

    Ethernet

    Recientemente, los fabricantes de instrumentos han empezado a incluir Ethernet como una interface de comunicacion alternativa. A pesar de que Ethernet es nuevo en las aplicaciones de control, es una tecnología madura que es ampliamente utilizada para sistemas de medición. Con más de 100 millones de computadoras alrededor del mundo con capacidad Ethernet, el argumento de utilizarlo como una solución para el control de instrumentos tiene mucho peso.

    Las aplicaciones de control de instrumentos con Ethernet pueden tomar ventajas de las características únicas del bus, las cuales incluyen control remoto, facilidad para compartir los intrumentos entre usuarios, y una fácil publicación de los datos obtenidos. Por otra parte, los usuarios toman ventaja de las extensas redes Ethernet existentes en sus compañías y laboratorios. Sin embargo, esta ventaja podría ser un problema en algunas compañías ya que requerirá la intervención de administradores de red en las aplicaciones tradicionales de ingeniería.

    Otros factores a considerar al examinar Ethernet para el control de instrumentos, son la velocidad de transferencia, determinismo y seguridad. La mayoría de las redes Ethernet de hoy en día son del tipo 10BaseT ó 100BaseTX, las cuales transmiten datos a 10 Mb/s ó 100 Mb/s respectivamente. Sin embargo, estas tasas de transferencia son teóricas debido a factores como: tráfico en la red, retrasos e ineficiencia en la transferencia de datos. Por otra parte, debido a la incertidumbre en las tasas de transferencia, no se puede asegurar un determinismo en la comunicación a través de Ethernet. Finalmente, los usuarios que requieran integridad y privacidad en los datos deberán tomar medidas de precaución especiales.

    IEEE 1394 (FireWire)

    El estándar IEEE 1394-1995, también conocido como FireWire (marca registrada de Apple Computer) es un bus serial de alto desempeño originalmente desarrollado por Apple en los años 80. Actualmente, IEEE 1394 puede alcanzar velocidades de desempeño de hasta 50 Mbytes/s. Sin embargo, la asociación comercial IEEE 1394 se encuentra revisando la especificación para incrementar la transferencia de datos a una velocidad de 400 Mbytes/s. La especificación 1394 señala que los dispositivos deben de estar dentro de 4.5 m del conector del bus, hasta 16 dispositivos pueden ser conectados en serie con una longitud máxima de 72 m. Para los sistemas operativos Microsoft Windows, solo las versiones 2000/XP/98 ofrecen compatibilidad con IEEE 1394.
    El bus 1394 tiene un gran potencial para aplicaciones de alta velocidad. Muchas cámaras digitales y otros productos electrónicos ya cuentan con puertos IEEE 1394 para la transferencia de datos. El gran ancho de banda que involucra a las aplicaciones multimedia hace que 1394 sea un solución viable. IEEE 1394 ofrece una ventaja sobre USB ya que existe un protocolo definido para controlar instrumentos con el bus. Sin embargo, actualmente hay muy pocos instrumentos con puertos 1394 disponibles.

    Mientras que IEEE 1394 tiene un número de beneficios, como ancho de banda y control de instrumentos, varios factores han impedido su adopción inmediata. La mayor deficiencia para IEEE 1394 es que los puertos no están integrados en circuitos de Intel. (Todas las computadoras Macintosh contienen puertos integrados 1394). De esta manera, los usuarios de computadoras Intel deben adquirir por separado un controlador 1394, típicamente un tarjeta PCI, para poder comunicarse con un dispositivo 1394. A pesar de que los cables para FireWire son delgados y flexibles, no tienen una categoría industrial, lo cual permite la pérdida de datos en algunas aplicaciones de prueba y medición.

    Adopción Actual de Nuevas Tecnologías de Bus

    Hoy en día, solo un grupo de fabricantes de instrumentos incluyen opciones integradas para el control de instrumentos para USB, Ethernet, ó IEEE 1394. La integración lenta de estos buses por los fabricantes puede ser atribuida a la falta de predominio de un bus en particular en la industria del control de instrumentos. La extensa disponibilidad de USB ó la gran existencia de redes Ethernet podría dar a los diseñadores la motivación de empezar a incluir un bus de comunicación separado para el control. Mientras que los fabricantes debaten la viabilidad de cada opción de bus, los usuarios que desean implementar lo último en tecnología en sus sistemas de pruebas, ahora tienen una opción con productos los productos de enlace.

    Preserve su Inversión con los Productos de Enlace

    Debido a la adopción lenta de la nueva tecnología de bus y la incertidumbre en la industria sobre un bus predominante, los productos de enlace (también conocidos como bridge) están emergiendo como una solución viable para el control de instrumentos y la conectividad. Utilizando productos de enlace, los usuarios pueden convertir de manera transparente de un tipo de bus a otro diferente, así tomando ventaja de la última tecnología mientras mantienen la compatibilidad con sistemas anteriores. Por ejemplo, una terminal de un producto de enlace puede conectarse a un puerto Ethernet, USB ó 1394 en su computadora o sistema, mientras que en la otra terminal se conectan instrumentos tradicionales a través de GPIB ó puertos seriales. Los usarios toman ventajan de las capacidades plug & play, fácil de usar, y la amplia disponibilidad de estos nuevos buses en la mayoría de las computadoras modernas. Por otro parte, al matener la compatibilidad del software de control de insitrumentos se logra que los usuarios reduzcan al mínimo su inversión en software y tiempo de desarrollo.

    Los productos de enlace está diseñados como una solución transparente para las aplicaciones de usarios. Por ejemplo, una persona puede tomar el código escrito para un controlador GPIB y reutilizarlo sin ninguna modificación cuando reemplace dicho dispositivo con un producto de enlace Ethernet-GPIB. La importancia del software en los sistemas de control de instrumentos de discute mas adelante.

    National Instruments ofrece una amplia variedad de controladores externos GPIB [1] que ayudan a los usuarios a desarrollar soluciones de bajo costo y alto desempeño. Con el dispositivo NI GPIB-ENET/100 [2], nuestro controlador Ethernet-GPIB, se pueden manejar y compartir instrumentos localizados en cualquier parte del mundo por medio de una red TCP/IP. Por otra parte, se puede adoptar el código escrito para cualquier otra interface NI GPIB para su uso con el GPIB-ENET/100 (sin necesidad de modificarlo).

    El dispositivo compacto NI GPIB-USB-B [3] transforma cualquier computadora con un puerto USB en todo un controlador IEEE-488.2 que puede manejar hasta 14 instrumentos programables GPIB. El bajo peso y el tamaño pequeño de dicho dispositivo, lo hace ideal para aplicaciones que requieren portabilidad, como el uso de una Laptop, o bien aplicaciones de escritorio donde la computadora no tiene ranuras de E/S disponibles.

    De la misma forma, GPIB-1394 [4] convierte una computadora con un puerto IEEE 1394, en un controlador IEEE 488.2 con toda su funcionalidad.

    Ethernet, USB y 1394 tienen un gran potencial como buses de interfaz para aplicaciones de prueba y medición. A medida que la tecnología de computadoras evoluciona, éstos, y otros buses futuros podrían ser considerados para aplicaciones de control de instrumentos. Sin embargo, es importante considerar que la tecnología en equipos de cómputo cambia muy rápidamente, mientras que los instrumentos tienen un período mucho más largo de vida. Por lo tanto, es pertinente que los buses utilizados estén disponibles por un período de tiempo extenso. Una de las grandes razones por las cuales GPIB es hoy en día el bus más utilizado para el control de instrumentos y la conectividad, es precisamente su éxito a lo largo del tiempo. A diferencia de las nuevas tecnologías de buses, GPIB fue diseñado específicamente para el control de instrumentos, y continuará presente en las aplicaciones de prueba y medición por muchos años mas.

    Creando una Arquitectura de Software Flexible

    Independientemente de que bus sea utilizado en el futuro en conjunto con GPIB, la compatibilidad del software y la integración serán la clave para el éxito de cualquier usuario. El software que mantenga compatibilidad inversa, y que al mismo tiempo se adapte a los nuevos buses, hará la diferencia entre gastar horas configurando un nuevo instrumento, o meses reescribiendo la aplicación.

    Debido a que los sistemas de múltiples fabricantes e interfaces se están volviendo comunes, se requiere de una arquitectura de software que pueda manejar dichos sistemas con un mínimo esfuerzo y una máxima reutilización del software. Al utilizar estándares de software industriales como IVI (Interchangeable Virtual Instruments) y VISA (Virtual Instrument Software Architecture), los usuarios pueden mantener sus inversiones en software al momento de migrar a nuevos buses ya que se mantiene la compatibilidad con el código previament escrito, a la vez que se agregran protocolos de comunicación industriales.

    Mantenga la Inversión en Software con VISA

    Como un paso hacia una amplia compatibilidad de software, la Alianza de Sistemas VXIplug&play desarrolló una especificación para el software de E/S, VISA. Cuando la alianza fue fundada en 1993, existían muchas implementaciones comerciales (no estandarizadas) de software de E/S para interfaces VXI, GPIB y serial. Para estos buses, VISA proporciona una base para el desarrollo, entrega, e interoperabilidad en componentes de software de alto nivel (de múltiples fabricantes), como drivers de instrumentos, paneles frontales, y software de aplicación. A pesar de que la alianza definió VISA, los fabricantes por separado crearon diferentes implementaiones de VISA.

    Debido a que VISA delimita una Interfaz para Programación de Aplicaciones (API) para la comunicación con instrumentos, se puede mantener la inversión de software cuando se migra a nuevos buses o sistemas mixtos de E/S.

    Un problema con el modelo previo fue que cada fabricante diseño su propia implementación VISA para trabajar con controladores de la misma marca imposibilitando el uso de dispositivos de otros fabricantes. Además, para poder trabajar con interfaces nuevas, se tenía que instalar un librería VISA completa. En ocasiones, venía de un fabricante diferente y no se garantizaba la preservacion de interfaces existentes.

    Para resolver tales problemas, National Instruments ha rediseñado su implementación VISA utilizando un modelo de conexión de tipo “Passport”, el cual define un puerto distinto de comunicación (passport), para cada bus distinto. El modelo de National Instruments divide los mecanismos comunes de comunicación para la conectividad de buses de la librería base VISA, la cual contiene la capa común API de alto nivel. Con este modelo, cada bus diferente requiere una identificación para conectarse al núcleo VISA, ademós de que se agrega fácilmente compatibilidad con nuevos buses sin perturbar las interfaces existentes.

    Con este modelo usted puede tener realmente sistemas de múltiples fabricantes e interfaces. A diferencia de otras soluciones que dependen de tecnologías como COM (Component Object Model), la tecnología multiplataforma ANSI C es aun la base del modelo de Passport. Además de las interfaces con la cuales VISA trabaja hoy en día, National Instruments tiene el compromiso de agregar compatibilidad dentro de VISA para cualquier bus de interface que se vuelva popular en las aplicaciones de prueba y medición.

    Encuentre Versatilidad con IVI

    La fundación IVI está definiendo un estándar para los drivers de instrumentos (módulos de software que regulan los detalles de comunicación de bajo nivel), un estándar que se añade a VISA para proveer un protocolo robusto, de alto deesempeño y fácil de usar. Estos drivers, creados de acuerdo a los estándares de la fundación, contienen funciones de alto nivel (como por ejemplo: configurar medición, leer forma de onda), que internamente contienen las funciones VISA de bajo nivel de lectura y escritura. Combinado con VISA, IVI proporciona un gran mecanismo para desarrollar sistemas de pruebas multiplataforma.

    Conclusión

    Mientras que el futuro de Ethernet y USB como tecnologías para el control de instrumentos no está claro, los productos de enlace permiten que los usuarios puedan tomar ventaja de las nuevas tecnologías de bus para sus aplicaciones. Independientemente del bus que se utilice en el futuro, los usuarios demandarán compatibilidad con software existente y aplicaciones desarrolladas antes de que cualquier nueva tecnología sea ampliamente adoptada.

    El futuro de los sistemas de pruebas constará de hardware de instrumentación con conectividad de E/S mixtas. La mejor forma para que los usuarios puedan mantener su inversión en software y hardware a través del ciclo de vida del sistema, es utilizar una arquitectura capaz de trabajar con múltiples fabricantes e interfaces, y sistemas multiplataforma.

    [1] Controladores Externos
    [2] NI GPIB-ENET/100
    [3] NI GPIB-USB-B
    [4] NI GPIB-1394