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Cómo Escoger el Bus Adecuado para su Sistema de MedidaFecha de Publicación: Oct 18, 2012

Visión GeneralCuando usted puede escoger entre cientos de diferentes dispositivos de adquisición de datos (DAQ) en una amplia variedad de buses, puede ser difícil seleccionar el bus adecuado para susnecesidades de aplicación. Cada bus tiene distintas ventajas y es optimizado para rendimiento, latencia, portabilidad o distancia desde un servidor. Esta nota técnica examina las opciones de busde la PC más común y describe las consideraciones técnicas que se deben tener en mente al escoger el bus adecuado para su aplicación de medida.

Contenido5 Preguntas que Debe Hacerse para Escoger el Bus Adecuado

Otros temas

1. 5 Preguntas que Debe Hacerse para Escoger el Bus Adecuado¿Cuántos datos voy estar escribiendo a través de este bus?

¿Cuáles son mis requerimientos de E/S de un solo punto?

¿Tengo que sincronizar múltiples dispositivos?

¿Qué tan portátil debe ser este sistema?

¿Cuál es la distancia entre mis medidas y mi PC?

2. Otros temasGuía para Selección de los Buses Más Comunes

Información General de los Buses DAQ

¿Cuántos datos voy a estar escribiendo a través de este bus?Todos los buses de la PC tienen un límite de la cantidad de datos que pueden ser transferidos en un cierto periodo de tiempo. Esto se conoce como el ancho de banda del bus y generalmente esespecificado en megabytes por segundo (MB/s). Si las medidas de forma de onda dinámica son importantes en su aplicación, asegúrese de considerar un bus con suficiente ancho de banda.

Dependiendo del bus que escoja, el ancho de banda total puede ser compartido entre varios dispositivos o dedicado a ciertos dispositivos. El bus PCI, por ejemplo, tiene un ancho de banda teóricode 132 MB/s que es compartido entre todas las tarjetas PCI en la PC. Ethernet en Gigabits ofrece 125 MB/s compartidos entre los dispositivos en una red o subred. Los buses que ofrecen ancho debanda dedicado, como PCI Express y PXI Express, ofrecen el máximo rendimiento de datos por dispositivo.

Cuando se realizan medidas de forma de onda, usted tiene cierta razón de muestreo y resolución que necesitan ser alcanzadas dependiendo que tan rápido esté cambiando su señal. Puedecalcular el mínimo ancho de banda requerido al realizar el número de bytes por muestreo (redondeado al siguiente byte), multiplicado por la velocidad de muestreo y después multiplicado por elnúmero de canales.

Por ejemplo, un dispositivo de 16 bits (2 bytes) que muestrea a 4 MS/s en cuatro canales, debe ser

El ancho de banda de su bus necesita soportar la velocidad a la cual los datos son adquiridos y es importante notar que el ancho de banda actual del sistema será menor que los límites del busteórico. El ancho de banda actual observado depende del número de dispositivos en un sistema y cualquier tráfico del bus adicional por sobrecarga. Si necesita escribir muchos datos en un grannúmero de canales, el ancho de banda debe ser la consideración más importante al escoger su bus DAQ.

2. ¿Cuáles son mis requerimientos de E/S de un solo punto?Las aplicaciones que requieren lecturas y escrituras de un solo punto, generalmente dependen de que los valores de E/S sean actualizados inmediatamente y consistentemente. De acuerdo encómo son implementadas las arquitecturas del bus en hardware y software, los requerimientos de E/S de un solo punto pueden ser el factor determinante para el bus que escoja.

La latencia del bus el tiempo de demora entre que la función del software controlador es llamada y el valor actual de hardware de la E/S es actualizado. Dependiendo del bus que escoja, estademora podría oscilar entre menos de un microsegundo y algunos milisegundos.

En un sistema de control proporcional integral derivativo (PID), por ejemplo, la latencia del bus puede impactar directamente la velocidad máxima del ciclo de control.

Otro factor importante en aplicaciones de E/S de un solo punto es el determinismo, que mide qué tan regularmente la E/S puede ejecutarse a tiempo. Los buses que siempre tienen la mismalatencia al comunicarse con E/S son más determinísticos que los buses que pueden variar su grado de reacción. El determinismo es importante para controlar aplicaciones ya que tiene impactodirectamente en la fiabilidad del ciclo de control y varios algoritmos de control son diseñados con la expectativa de que el ciclo de control siempre se ejecute a una razón constante. Cualquierdesviación de la razón esperada hace al sistema de control menos efectivo y menos confiable. Por consiguiente, al implementar aplicaciones de control de ciclo cerrado, debe evitar buses comoinalámbricos, Ethernet o USB que son altos en latencia con escaso determinismo.

La parte del software que determina cómo un bus de comunicación es implementado juega una parte importante en la latencia y el determinismo del bus. Los buses y los controladores de softwareque tienen soporte para SOs en tiempo real proporcionan el mejor determinismo y por lo tanto le brindan el rendimiento más alto. En general, los buses internos como PCI Express y PXI Expressson mejores para aplicaciones de E/S de un solo punto de baja latencia que los buses externos como USB e inalámbricos.

3. ¿Tengo que sincronizar múltiples dispositivos?Varios sistemas de medidas tienen necesidades complejas de sincronización si están sincronizando cientos de canales de entrada o múltiples tipos de instrumentos. Un sistema deestímulo-respuesta, por ejemplo, puede requerir que los canales de salida compartan los mismos relojes de muestreo y disparos en estrella que los canales de entrada para correlacionar la E/S yanalizar mejor los resultados. Los dispositivos DAQ en diferentes buses ofrecen diferentes maneras de lograr esto. La manera más simple para sincronizar medidas en múltiples dispositivos escompartir un reloj y un disparo. Varios dispositivos DAQ ofrecen líneas digitales programables para importar y exportar los relojes y los disparos. Algunos dispositivos ofrecen líneas de disparoespecializadas con conectores BNC. Estas líneas de disparo externas son comunes en los dispositivos USB y Ethernet, cuando el hardware DAQ es ubicado dentro de la cubierta de la PC. Sinembargo, ciertos buses tienen líneas integradas de temporización y disparo adicionales para hacer la sincronización de múltiples dispositivos lo más fácil posible. Las tarjetas PCI y PCI Expressofrecen el bus de Integración de Sistema en Tiempo Real (RTSI), en el cual varias tarjetas en un sistema de PC de escritorio pueden ser cableadas directamente dentro de la caja. Esto elimina lanecesidad de cableado adicional a través del conector frontal y simplifica la conectividad de E/S.

La mejor opción de bus para sincronizar múltiples dispositivos es la plataforma PXI, incluyendo PXI y PXI Express. Este estándar fue diseñado específicamente para sincronización y disparo de altorendimiento, con diferentes opciones para sincronizar módulos de E/S en el mismo chasis, así como sincronizar varios chasis.

4. ¿Qué tan portátil debe ser este sistema?La dramática adopción del cómputo portátil es innegable y ha ofrecido nuevas maneras de innovar con adquisición de datos basada en PC. La portabilidad es un factor importante para variasaplicaciones y podría ser la razón principal para escoger un bus u otro. Las aplicaciones DAQ portátiles, por ejemplo, se benefician del hardware que es compacto y transportable. Los busesexternos como USB y Ethernet son particularmente buenos para sistemas DAQ portátiles por la rápida instalación del hardware y la compatibilidad con PCs portátiles. Los dispositivos USBenergizados por Bus ofrecen comodidades adicionales ya que no requieren de una fuente de alimentación separada y son apagados por el puerto USB. Usar buses de transferencia de datosinalámbrica es otra buena opción de portabilidad ya que el hardware de medida se vuelve portátil mientras que la PC se mantiene fija.

5. ¿Qué tan alejadas estarán mis medidas de mi PC?

La distancia entre las medidas que usted necesita y dónde es ubicada la PC puede variar fuertemente de una aplicación a otra. Para lograr la mejor integridad de la señal y precisión de la medida,

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La distancia entre las medidas que usted necesita y dónde es ubicada la PC puede variar fuertemente de una aplicación a otra. Para lograr la mejor integridad de la señal y precisión de la medida,debe colocar su hardware DAQ lo más cerca posible de la fuente de señal. Esto puede representar un reto para medidas distribuidas como aquellas usadas para monitoreo de estado estructural ymonitoreo del medio ambiente. Llevar cables largos a lo largo de una fuente o planta de producción es costoso y puede dar como resultado señales con interferencias. Una solución a este problemaes usar una plataforma de cómputo portátil para mover todo el sistema más cerca de la fuente de señal. Con tecnología inalámbrica, se elimina la conexión física entre la PC y el hardware demedidas y usted puede realizar medidas distribuidas y enviar los datos de regreso a una ubicación central.

Guía para Selección de los Buses Más ComunesBased on the five questions previously outlined, Table 1 shows a selection guide for the most common data acquisition buses available.

Bus Escriturade formade onda1

E/S deun SoloPunto

Múltiplesdispositivos

Portabilidad MedidasDistribuidas

Ejemplo

PCI 132 MB/s(shared)

Excelente Mejor Bueno Bueno Serie M

PCIExpress

250 MB/s(per lane)

Excelente Mejor Bueno Bueno Serie X

PXI 132 MB/s(shared)

Excelente Best Mejor Mejor Serie M

PXIExpress

250 MB/s(per lane)

Excelente Excelente Mejor Mejor Serie X

USB 60 MB/s Mejor Bueno Excelente Mejor NICompactDAQ

Ethernet 125 MB/s(shared)

Good Bueno Excelente Excelente NICompactDAQ

Wireless 6.75MB/s(per

802.11gchannel)

Good Bueno Excelente Excelente NI CompactDAQ

Inalambrico

Tabla 1. Esta tabla muestra una guía de selección de bus de acuerdo a los requerimientos de aplicación con ejemplos de productos.

1Las razones teóricas de escritura de datos máximas están basadas en las siguientes especificaciones de bus: PCI, PCI Express 1.0, PXI, PXI Express 1.0, USB 2.0, Gigabit Ethernet y Wi-Fi802.11g

Información General de los Buses Adquisición de DatosWhile there are many different buses and form factors to choose from, this section focuses on the seven most common buses, including:

PCI

PCI Express

USB

PXI

PXI Express

Ethernet

Inalámbricos

La Figura 1 muestra estos buses organizados en una jerarquía de bus a PC de los productos de adquisición de datos, desde opciones insertables internas hasta buses externos intercambiables envivo.

Figura 1. Usted puede escoger entre varios buses para cumplir con sus requerimientos de adquisición de datos.

PCI

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Figura 2. PCI DAQ Multifunción de la Serie M

El bus de Interconexión de Componentes Periféricos (PCI) es uno de los buses internos más comunes usados hoy en día. Con ancho de banda compartido de 132 MB/s, PCI ofrece escritura dedatos de alta velocidad y transferencia de datos determinística para aplicaciones de control de un solo punto. Hay diferentes opciones de hardware DAQ para PCI, con tarjetas de E/S multifunciónhasta 10 MS/s y hasta 18 bits de resolución.

Aprenda sobre dispositivos PCI DAQ

PCI Express

Figura 3. PCI Express DAQ Multifunción de la Serie X

PCI Express, una evolución de PCI, ofrece un nuevo nivel de innovación en la industria de la PC. El mayor beneficio de la arquitectura PCI Express es el ancho de banda dedicado de busproporcionado por líneas de transferencia de datos independientes. A diferencia de PCI, en el cual 132 MB/s de ancho de banda son compartidos entre todos los dispositivos, PCI Express utilizalíneas de datos independientes que son capaces de transferir datos hasta 250 MB/s.

El bus PCI Express también es escalable de una sola línea de datos x1 (pronunciado “por uno”) a líneas de datos x16 para un rendimiento máximo de 4 GB/s, suficiente para llenar un disco duro de200 GB en menos de un minuto. Para aplicaciones de medida, esto significa velocidades de muestreo y de transferencia de datos más altas y múltiples dispositivos no tienen que competir por eltiempo en el bus.

Aprenda sobre dispositivos PCI Express DAQ

USB

Figura 4. USB de la Serie X añade adquisición de datos a cualquier PC con un puerto USB

El Bus Serial Universal (USB) fue originalmente diseñado para conectar dispositivos periféricos como teclados y mouse con PCs. Sin embargo, ha demostrado ser útil en varias aplicaciones,incluyendo medidas y automatización. USB ofrece una conexión económica y fácil de usar entre los dispositivos de adquisición de datos y las PCs. USB 2.0 tiene un ancho de banda teórico máximode 60 MB/s, el cual es compartido entre todos los dispositivos conectados a un solo controlador USB. Los dispositivos USB son esencialmente latentes y no-determinísticos. Esto significa que lastransferencias de datos de un solo punto no suceden exactamente cuando se esperan y por lo tanto no se recomienda USB para aplicaciones de control de ciclo cerrado, como PID.

Por otro lado, el bus USB tiene varias características que lo hacen más fácil de usar que algunos buses de PC internos tradicionales. Los dispositivos que se conectan usando USB son insertablesen vivo, así eliminan la necesidad de apagar la PC para añadir o desconectar un dispositivo. El bus también tiene detección automática de dispositivos, lo que significa que los usuarios no tienenque configurar manualmente sus dispositivos después de insertarlos. Una vez que los controladores de software han sido instalados, el sistema operativo debe detectar e instalar el dispositivo porsí solo.

Vea las opciones para adquisición de datos por USB

PXI Platform

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Figura 5. La plataforma PXI está compuesta del chasis, los controladores y los módulos de E/S.

Las eXtensiones de PCI para Instrumentación (PXI) fueron desarrolladas para llenar la brecha entre sistemas de PC de escritorio y sistemas VXI y GPIB de alto rendimiento. PXI Systems Alliance,con más de 200 miembros, mantiene este estándar abierto y en el 2006 pasó la especificación PXI Express para proporcionar tecnología PCI Express de transferencia de datos a la plataforma PXI.

Basado en CompactPCI, PXI incorpora extensiones de instrumentación y especificaciones más rígidas a nivel de sistema para asegurar una especificación abierta y de alto rendimiento paramedidas y automatización. Los beneficios de los sistemas DAQ basados en PXI incluyen empaquetado robusto que puede resistir las condiciones severas que por lo general existen en aplicacionesindustriales. Los sistemas PXI también ofrecen una arquitectura modular, lo cual significa que usted puede acomodar varios dispositivos en el mismo espacio como un solo instrumento autónomo yusted tiene la habilidad de crecer su sistema más allá de la capacidad de una PC de escritorio con un bus PCI. Uno de los beneficios más importantes que ofrece PXI son características integradasde temporización y disparo. Sin conexiones externas, varios dispositivos pueden ser sincronizados al usar los buses internos en el plano trasero de un chasis PXI.

Compare NI options for data acquisition with PXI

Ethernet

Figura 6. Manteniendo 100 m por segmento y la habilidad de usar la infraestructura de la red existente, la adquisición de datos Ethernet puede ampliar el alcance de su sistema de medidas.

Ethernet es la columna vertebral de casi cualquier red corporativa y por ello es ampliamente disponible. Como un bus para DAQ, Ethernet es ideal para realizar medidas portátiles o distribuidas adistancias más allá de 5 m de un cable USB. Un solo cable Ethernet puede alargar los 100 m antes de necesitar un hub, interruptor o repetidor. Esta distancia en combinación con una gran variedadde redes en laboratorios, oficinas y fábricas, hacen a Ethernet una opción ideal para medidas distribuidas para ubicaciones remotas. Aunque el ancho de banda de la red disponible depende delnúmero de dispositivos en red, Ethernet 100BASE-T (100 Mbit/s) puede alojar varios dispositivos Ethernet DAQ que se ejecutan a toda velocidad. Además, Gigabit Ethernet (1000BASE-T) puedeacumular datos para varias redes 100BASE-T o dispositivos de más alta velocidad para sistemas más grandes.

Vea las opciones para adquisición de datos Ethernet

Inalámbricos

Figura 7. La adquisición de datos Wi-Fi utiliza redes 802.11 estándares para eliminar la necesidad de cables entre el hardware de medidas y la PC principal.

La tecnología inalámbrica amplía la flexibilidad y la portabilidad de la adquisición de datos basada en PC para aplicaciones de medidas dónde los cables con inapropiados o poco prácticos, comoparques eólicos o estructuras civiles. Los inalámbricos pueden reducir drásticamente los costos al eliminar cables y tiempo de instalación. Sin embargo los inalámbricos tienen la latencia más altaque cualquier otro bus DAQ, así que no son recomendadas las aplicaciones que requieren determinismo o control de alta velocidad. Existen diferentes tecnologías inalámbricas. La más popular esIEEE 802.11 (Wi-Fi).

Wi-Fi es una de las tecnologías inalámbricas más fáciles de instalar. Conectar a un “hotspot” Wi-Fi es tan familiar como insertar un cable USB. Después de 10 años de uso en el sector IT, Wi-Fitambién es seguro. IEEE 802.11i (WPA2) es el estándar de seguridad inalámbrica más alta disponible comercialmente hoy en día con codificación AES de 128 bits y autenticación IEEE 802.1x.Para escribir señales de forma de onda dinámica, Wi-Fi ofrece más ancho de banda que otras tecnologías inalámbricas, haciéndolo ideal para monitoreo de condición de máquinas y otrasaplicaciones de alta velocidad.

Aprenda sobre Adquisición de Datos Inalámbrica

Otros RecursosDescargue la guía completa para construir un sistema DAQ

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