Escolhendo o barramento correto para sua medição

O NI Labview 2009 continua a tradição de oferecer a perfeita integração do software de programação gráfica intuitivo com hardware de aquisição de dados através dos barramentos mais comuns de PC. Com mais de 200 dispositivos de hardware diferentes em uma ampla variedade de barramentos, pode ser dificil escolher o barramento que melhor atenda às exigências de sua aplicação. Este artigo analisa as opções de barramentos disponíveis para você e delineia sobre considerações a ter em conta ao escolher o barramento correto para a sua aplicação de medição.

Cinco perguntas a se fazer para escolher o barramento correto

1. Qual a quantidade de dados a ser transmitida através do barramento?

2. Quais são os requisitos para E/S single-point?

3. É preciso sincronizar vários dispositivos?

4. O quão portátil deve ser este sistema?

5. A que distância as medições estarão do PC?

Qual a quantidade de dados a ser transmitida através do barramento?

Todos os barramentos de PC têm um limite para a quantidade de dados que pode ser transferida em um determinado período de tempo. Isto é conhecido como largura de banda do barramento e é frequentemente especificada em megabytes por segundo (MB/s). Se medições de formas de onda dinâmicas são importantes na sua aplicação, certifique-se de considerar um barramento com uma largura de banda razoável.

Dependendo do barramento escolhido, a largura de banda pode ser compartilhada por vários dispositivos ou dedicada para certos dispositivos. O barramento PCI, por exemplo, tem uma largura de banda teórica de 132 MB/s, que é compartilhada entre todos os dispositivos PCI do computador. Barramentos que oferecem largura de banda dedicada, tais como o PCI Express e PXI Express, fornecem a máxima taxa de transferência de dados para cada dispositivo.

Nas medições de formas de onda, há uma certa taxa de amostragem e resolução que deve ser alcançada com base em quão rápido o seu sinal oscila. Você pode calcular a largura de banda mínima sabendo o número de bytes por amostra (arredondado para o byte imediatamente acima), multiplicando este valor pela velocidade de amostragem e em seguida multiplicando pelo número de canais.

Por exemplo, um dispositivo de 16 bits (2 bytes) e amostragem de 4 MS/s nos quatro canais seria:

 

A largura de banda do barramento precisa ser capaz de sustentar a velocidade na qual os dados estão sendo adquiridos e é muito importante notar que a largura de banda atual será inferior aos limites teóricos do barramento. Esta largura de banda depende do número de dispositivos do sistema e de qualquer outro tráfego que possa sobrecarregar o barramento. Se você precisar realizar o stream de uma grande quantidade de dados em um grande número de canais, a largura de banda pode ser a consideração mais importante para a escolha do barramento de aquisição de dados.

 

Quais são os requisitos para E/S single-point?

Aplicações que leem ou escrevem um único ponto (single-point) dependem muitas vezes dos valores das E/S para serem atualizadas imediatamente e de maneira consistente. Com base na forma de como os barramentos são arquitetados no hardware e no software, Os requisitos da E/S single-point podem ser o fator determinante para o barramento que você escolher.

A latência do barramento é a resposta das E/S, ou seja, é o tempo entre quando uma função do driver é chamada até a atualização do valor das E/S do hardware . Dependendo do barramento, o atraso pode variar entre microsegundos e milisegundos.

Em um sistema de controle PID, por exemplo, a latência do barramento pode causar um impacto na velocidade máxima do loop de controle.

Outro fator importante nas E/S single-point é o determinismo, que é uma medida da consistência dos dados da E/S. Barramentos que sempre têm a mesma latência na comunicação com as E/S são mais determinísticos do que os barramentos que podem variar a sua resposta. Determinismo é importante para aplicações de controle porque impacta diretamente na confiabilidade do loop de controle e muitos algorítimos de controle são projetados com a expectativa de que o loop de controle irá executar sempre a uma taxa constante. Qualquer desvio em relação à taxa esperada vai tornar o sistema de controle menos eficaz.

Analisando agora o lado do software de comunicação de um barramento, é importante ressaltar sua grande influência na latência e no determinismo do barramento. Barramentos e drivers que tenham suporte para sistemas operacionais de tempo real apresentarão o melhor determinismo, e portanto o mais alto desempenho. Em geral, barramentos internos como PCI Express e PXI express são melhores aplicações de E/S single-point de baixa latência que barramentos externos, como USB e Wireless.

Preciso sincronizar vários dispositivos?

Muitos sistemas de medição têm necessidades complexas de sincronização, seja para sincronizar centenas de canais de entrada ou vários tipos de instrumentos. Um sistema de resposta a estímulos, por exemplo, pode exigir que os canais de saída compartilhem o mesmo sample clock e trigger que os canais de entrada para correlacionar as E/S e realizar uma melhor análise dos resultados. Dispositivos que fazem aquisição de dados em diferentes barramentos fornecem maneiras diferentes de realizá-las. Quase todos os dispositivos de aquisição de dados da NI (DAQ) oferecem acesso às linhas de entrada de função programavel (PFI) que podem ser usadas para encaminhar clocks e triggers entre dispositivos diferentes, e podem ser facilmente configuradas através do driver NI-DAQmx. Certos barramentos, contudo, têm linhas adicionais integradas para o trigger e de temporização, tornando a sincronização entre os dispositivos a mais fácil possível . Dispositivos PCI e PCI Express oferecem barramento RTSI (Integração de Sistemas em Tempo Real), no qual várias placas de um sistema desktop podem ser cabeadas juntas, eliminando a necessidade de cabos adicionais através do conector frontal e simplificando a conectividade das E/S.

A melhor opção de barramento para sincronização de múltiplos dispositivos é a plataforma PXI, incluindo PXI e PXI Express. Este padrão aberto foi desenvolvido especificamente para alta-performance de sincronização e trigger, com diferentes opções para sincronização de módulos de E/S dentro do mesmo chassi, bem como a sincronização de vários chassis.

Quão portátil deve ser este sistema?

A adoção da computação portátil é inegável e proporciona a engenheiros e pesquisadores novas formas de inovar com a aquisição de dados baseada em PC. Portabilidade é um fator importante para muitas aplicações e pode facilmente ser a principal razão na escolha de um barramento em detrimento de outro. Em aquisicão de dados de um veículo, por exemplo, é benéfico utilizar um hardware compacto que pode ser facilmente transportado. Barramentos externos como USB e Ethernet são particularmente bons para sistemas portáteis de aquisição de dados devido à rápida instalação do hardware e compatibilidade com laptops. Dispositivos energizados via USB também são convenientes, pois não requerem uma fonte de alimentação separada. Outra opção para portabilidade é utilizar transferência de dados sem fio, pois o hardware de medição em si torna-se portátil enquanto que o computador pode ficar em um lugar fixo.

 

A que distância minhas medições estarão do meu computdaor?

A distância das medições em relação ao computador pode variar drasticamente de aplicação para aplicação. Para obter o melhor sinal e precisão na medição, você deve colocar o hardware que está adquirindo os dados o mais próximo possível da fonte de sinal. Isto pode ser um desafio para aplicações de medições amplamente distribuídas, como monitoração de saúde estrutural ou monitoração ambiental. Utilizar longos cabos através de uma ponte ou cruzando uma fábrica apresenta um alto custo e pode resultar em sinais ruidosos. Uma solução para este problema é utilizar uma plataforma de computação portátil e mover todo o sistema para perto da fonte de sinal. Com a tecnologia sem fio, a ligação física entre o computador e o hardware de medição não existe, permitindo que você distribua as medições e envie os dados de volta para uma localização central.

 

Guia de seleção dos barramentos mais comuns

Baseada nas cinco questões previamentes delineadas, a Tabela 1 mostra um guia de seleção para os barramentos de aquisição de dados mais comuns.

Tabela1. Esta tabela mostra um guia de seleção de barramenttos com base nos requisitos e com exemplos de produtos NI.

1Máxima Taxa de streaming teórico baseado nas especificações dos barramentos: PCI, PCI Express 1.0, PXI, PXI Express 1.0, USB 2.0, 100Mbps Ethernet e Wi-Fi 802.11g

 

Visão geral dos barramentos de Aquisição de dados

Embora existam vários barramentos e padrões, esta seção concentra-se nos sete mais comuns:

• PCI
• PCI Express
• USB
• PXI
• PXI Express
• Ethernet
• Padrão sem fio

A Figura 1 mostra esses barramentos organizados de acordo com a hierarquia dos produtos NI de aquisição de dados baseados em barramentos de PC, desde opções com plug-in interno a barramentos externos com troca quente (hot-swappable).

 

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Figura 1. Muitos barramentos estão disponíveis para satisfazer os requisitos de sua aquisição de dados.

PCI

Figura 2. DAQ Multifunções PCI Série M

O barramento PCI (Interconexão de Componentes Periféricos) é um dos barramentos internos mais utilizados atualmente em computadores. Com uma largura de banda de 132 MB/s compartilhada, o PCI oferece streaming de dados em alta velocidade e transferência de dados determinística para aplicações de controle single-point. Existem várias opções de hardware de aquisição de dados para o barramento PCI, com placas multifunções com E/S de até 10MS/s e de até 18 bits de resolução.

 

PCI Express

Figura 3. Placas DAQ PCI Express multifunções da Série X

PCI Express é a evolução do PCI e oferece um novo nível de inovação na indústria do PC. O maior benefício da arquitetura PCI Express é a largura de banda dedicada proporcionada por linhas de transferência de dados independentes. Diferentemente do PCI, no qual 132 MB/s de largura de banda são compartilhados entre todos os dispositivos, o PCI Express utiliza linhas de transmissão de dados independentes que são capazes transferir dados com uma taxa de até 250 MB/s cada.

O barramento PCI Express é também escalável, com linhas de dados a partir de x1 (por um) a x16 para uma taxa de transferência de 4 GB/s, sendo capaz de encher um disco rígido de 200 GB em menos de um minuto. Para aplicações de medição, isto significa alta perfomace de amostragem e taxa de transferência de dados, evitando a concorrência de múltiplos dispositivos no barramento.

Saiba mais sobre a nova Série X dos dispositivos DAQ para PCI Express

 

USB

Figura 4. Dispositivo da Série M com USB, energizado pelo barramento, com conectividade BNC direta

O USB (Barramento Serial Universal) foi originalmente concebido para ligar dispositivos periféricos, como teclados e mouses, a PCs. Contudo, este barramento já provou ser útil para outras aplicações, incluindo medição e automação. O USB é barato e apresenta uma conexão simples entre dispositivos de aquisição de dados e PCs. O USB 2.0 Hi-Speed possui uma largura de banda teórica máxima de 60 MB/s, que é partilhada entre todos os dispositivos conectados a um único controlador USB. Os dispositivos USB são inerentemente latentes e não determinísticos. Isso significa que transferência de dados single-point pode não acontecer exatamente quando esperado, e portanto o USB não é recomendado para aplicações de controle de alta perfomace.

Por outro lado o barramento USB tem diversas características que o torna mais fácil de usar do que alguns barramentos internos tradicionais de PC. Os dispositivos que se conectam usando USB permitem troca quente, de modo que eliminam a necessidade de desligar o PC para adicionar ou remover um dispositivo. O barramento também possui um dispositivo de detecção automática, o que significa que o usuário não tem que configurar manualmente seu dispositivo após conectá-lo. Depois que o driver é instalado, o sistema operacional deve detectar e instalar o dispositivo por conta própria.

Veja o sistema de sensores NI CompactDAQ para USB 2.0

 

 

Plataforma PXI

Figura 5. A plataforma PXI é composta pelo chassis,pela controladora e pelos módulos de E/S.

 

O PXI (eXtensão para Instrumentação PCI) foi desenvolvido para preencher a lacuna existente entre o PC desktop e os sistemas high-end VXI e GPIB. O PXI System Alliance é uma associação com mais de 200 membros, que regula este padrão aberto e em 2006 passou a regulamentar também o padrão PXI Express para fornecer a tecnologia de transmissão de dados PCI Express também para a plataforma PXI.

Baseada no compactPCI, o PXI incorpora extensões para instrumentação e especificações de nível de sistema mais rígidas para assegurar alto desempenho de medição e automação. Os benefícios de um sistema de aquisição de dados baseado em PXI inclui racks que suportam as condições agressivas que muitas vezes existem em aplicações industriais. Os sistemas PXI oferecem também uma arquitetura modular, o que significa que você pode utilizar vários dispositivos no mesmo espaço como um único instrumento autônomo, além de você ter a possibilidade de expandir o seu sistema muito além da capacidade de um PC desktop com barramento PCI. Dois dos benefícios mais importantes que o PXI oferece são as funcionalidades de temporização e trigger integrados. Sem quaisquer conexões externas, vários dispositivos podem ser sincronizados utilizando os barramentos internos na traseira do chassi.

 

Ethernet

Figura 6. NI Ethernet DAQ para módulos série C

Ethernet é a espinha dorsal de quase todas a redes corporativas do mundo. Como o barramento de aquisição de dados, o Ethernet é ideal para transmitir medições distribuídas e portáteis que passem dos cinco metros (distância máxima aceitável) de um cabo USB. Um único cabo Ethernet pode ser usado por até 100 metros antes de necessitar de um hub, switch ou repetidor. Esta característica combinada com uma base de redes em laboratórios, escritórios e instalações industriais faz com que a Ethernet seja uma escolha ideal para a distribuição de medições para locais remotos. Apesar da largura de banda ser dependente do número de dispositivos da rede,a Ethernet 100BASE-T (100Mb/s) pode acomodar múltiplos dispositivos de aquisição de dados executando em plena velocidade. Além disso, o gigabit Ethernet (1000BASE-T) pode agregar dados de múltiplas redes 100BASE-T em sistemas maiores.

 

Wireless

Figura 7. NI Wi-Fi DAQ para módulos série C

A tecnologia Wireless extende a flexibilidade e portabilidade da aquisição de dados baseados em PC para aplicações de medição onde não é possível utilizar cabos ou seu uso é incoveniente, como em parques eólicos ou estruturas civis. A rede wireles pode reduzir drasticamente os custos eliminando todo o cabeamento e o tempo de sua instalação.Contudo, a tecnologia wireless tem maior latência do que qualquer outro barramento de aquisição de dados, não sendo recomendável para aplicações que requerem determinismo ou controle de alta velocidade. Existem várias tecnologias sem fio disponíveis, sendo o IEEE 802.11 (Wi-Fi) o mais popular.

O Wi-FI está entre as tecnologias sem fio mais fáceis de configurar. A conexão com um hotspot Wi-Fi é tão simples quanto conectar um cabo USB. Após 10 anos de uso no setor de TI, o Wi-FI também é seguro. O IEEE 802.11i(WPA2) é o mais alto padrão de segurança sem fio disponível comercialmente, apresentando até esta data criptografia AES de 128 bits e autenticação IEEE 802.1x. Para o streaming de sinais de formas de onda dinâmicas, o Wi-Fi fornece mais largura de banda que qualquer outra tecnologia sem fio, o que a torna ideal para monitoração de condições de máquinas e outras aplicações que requerem alta velocidade.

 

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