2. protocolos de instrumentación -...
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Automatización de la medida de característica estática de circuitos analógicos
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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.
COMPARACIÓN ENTRE ETHERNET Y LXI
Características Instrumentos Ethernet Instrumentos LXI
Interfaz LAN Requerido Requerido
Trigger inputs/outputs Opcional Opcional
Panel de configuración Web Opcional Requerido
IVI-compliant Instrument Driver Opcional Requerido
Bussed hardware trigger Opcional Requerido para la clase A
IEEE-1588 Opcional Requerido para las clases A y B
Tabla 1. Comparación entre Ethernet y LXI.
En la tabla anterior se puede comprobar que el estándar LXI requiere, para los equipos que lo
cumplen: un panel de configuración del equipo vía Web, la implementación de driver IVI, un
bus de trigger para los instrumentos LXI clase A (existen tres categoría en las que clasificar los
equipos LXI: A, B y C que se describirá más adelante) y que cumplan el estándar de
sincronización IEEE-1588. Los equipos que implementen Ethernet no tienen por qué contener
obligatoriamente estas funciones pero para dotar de mayores prestaciones a los equipos,
algunos fabricantes implementan algunas de las características de LXI en equipos que se
comunican mediante Ethernet.
Algunas de las características expuestas en la Tabla 1 se describen en los sucesivos apartados.
2.6.2. Origen LXI
El estándar LXI fue desarrollado por el consorcio LXI, organización creada en 2004. Es una
corporación sin ánimo de lucro formada por empresas relacionadas con el ámbito de la
instrumentación, que desarrolla y promueve la adopción de la norma LXI como un estándar
abierto accesible para la industria de medida y adquisición de datos. En septiembre de 2005 el
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consorcio LXI lanzó la versión 1.0 del estándar, fue entonces cuando las empresas Agilent y VTI
Instruments lanzaron los primeros equipos con esta tecnología. En 2006 se elaboró la versión
1.1, que fue una corrección de la versión 1.0. Un año más tarde se aprobó la versión 1.2 en la
que se incorporó el reconocimiento de equipos. Posteriormente, en 2008, ve la luz la versión
1.3 del estándar que incorpora la norma IEEE-1588, que incluye la sincronización entre los
instrumentos.
En 2011 se creó la versión 1.4 de la especificación LXI, que define un conjunto de
características “fundamentales” y funciones extendidas opcionales que pretende sustituir al
modelo de clases de versiones anteriores. Cada función extendida tiene requisitos que se
deben cumplir según la clase base. Actualmente el número de equipos que se encuentran en el
mercado y que cumplen la versión 1.4 del estándar es muy reducido.
La Tabla 2 se resume algunas de las diferentes características y tecnologías disponibles con
diferentes versiones de las especificaciones LXI.
RESUMEN DE CARACTERÍSTICAS DE LAS ESPECIFICACIONES DEL ESTÁNDAR LXI
Características/ tecnología Versión 1.1 Versión 1.2 Versión 1.3 Versión 1.4
Fecha de publicación
2006 2007 2008 2011
Detección de dispositivos
VXI-11 Sí Sí Sí Sí
mDNS No No Sí Sí
XML Identification Document URL
No Sí Sí Sí
Estándar de sincronización
IEEE 1588-2002 Sí Sí No No
IEEE 1588-2008 No No Sí Sí
Equipo de comunicación
VXI-11 Sí Sí Sí Sí
HiSLIP No No No Sí
IPv4 Sí Sí Sí Sí
IPv6 No No Sí Sí
Interfaz Web
Front Panel LEDs No No Sí Sí
LAN Configuration Initialize (LCI)- Factory
default reset Sí Sí Sí Sí
WTB Wired Trigger Bus Sí Sí Sí Sí
Clases Sí Sí Sí No
Dispositivo de grupo
Core Standard with Extensions
No No No Sí
Tabla 2. Resumen de características de las especificaciones del estándar LXI.
2.6.3. Objetivos LXI
El estándar LXI se elaboró a partir de las características de los instrumentos GPIB y de los
módulos VXI, como alternativa a la tecnología PXI. El estándar LXI reemplaza las conexiones de
VXI, PXI y GPIB por conexiones de Ethernet, que es una tecnología muy madura que garantiza
sistemas estables y seguros, además de aportar ciertas ventajas técnicas que se comentan en
apartados posteriores.
El principal objetivo del bus LXI es la creación de pruebas modulares y escalables. Un sistema
modular es aquel que puede ser confeccionado a partir de varios módulos conectados entre sí,
mientras que un sistema escalable es aquel que puede aumentar su funcionalidad o
incrementar su tamaño manteniendo la calidad de operación.
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2.6.4. Especificaciones técnicas de LXI
2.6.4.1. Ancho de banda
Para el ancho de banda de LXI, si se utiliza una conexión Fast Ethernet (IEEE 803.2u, 100 Mb/s),
la máxima tasa de datos útil es de aproximadamente 12,5 MBytes/s, mientras que si se hace
uso de Gigabit Ethernet (IEEE 802.3z), recomendado por la especificación LXI, se puede
conseguir un ancho de banda teórico de 125 MBytes/s.
2.6.4.2. Alcance
Una de las grandes ventajas de LXI respecto a los buses VXI, PXI y GPIB es el alcance. LXI puede
alcanzar distancias de 80 a 100 metros sin necesidad de repetidores; haciendo uso de éstos, el
alcance puede aumentar significativamente.
2.6.4.3. Clases del estándar LXI
Pese a que en la versión 1.4 del estándar LXI ya no existe la división de equipos por clases, a
continuación se expone dicha división dado el gran número de equipos que existen en el
mercado que se clasifican según ésta.
El estándar LXI establece que los equipos pueden implementar de forma opcional un control
de tiempo y una serie de disparos (triggering) según la clase del equipo. Se tienen tres clases
de equipos: A, B o C. La clase C no posee opciones de sincronización, mientras que la clase B
cuenta con la sincronización IEEE-1588. La clase A además soporta señales de disparos y
sincronización de alta precisión.
Las clases superiores contienen las características de las inferiores, es decir, la clase B contiene
todas las características de la clase C y la clase A contiene todas las características de la clase B
y C.
Ilustración 11. Estructura de clases del estándar LXI [ 8 ]
Tanto los equipos de clase A como los de clase B se utilizan en aquellos casos en los que se
desee conseguir una sincronización y un ajuste temporal preciso. Si se desea tener una mayor
precisión, se deberá hacer uso de equipos de clase A o B e incorporar un reloj periférico, que
es un conmutador especial que incorpora el protocolo IEEE 1588. La clase A además permite
conseguir una mayor sincronización gracias a un bus de triggering, que se implementa
independientemente de la red de Ethernet. En la Ilustración 12 se recogen los distintos
triggering que implementan los equipos LXI dependiendo de la clase.
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Ilustración 12. Triggering LXI [ 9 ]
2.6.4.4. Latencia
La latencia del bus LXI se encuentra en torno a 200 µs, los datos cuentan con una trazabilidad
muy por encima de dicha latencia. Por esta razón en los casos en los que no se necesite envío
de datos estrictamente en tiempo real se pueden alcanzar precisiones muy por debajo de los
200 µs de latencia, llegando incluso a alcanzar una precisión de sincronización en los relojes de
los distintos equipos (de clase A o B) de unos 20 ns por metro de cable. Por tanto la latencia
del bus, en este caso, no influye en la precisión de las medidas en lo que a instantes de tiempo
se refiere.
2.6.5. Topología red LXI
A continuación se presentan las distintas topologías que puede adoptar una red formada por
LXI. Al ser LXI un bus basado en Ethernet, el estándar de instrumentación puede tomar las
topologías de ésta.
Topología en bus
La topología en bus se caracteriza por conectar en serie y por medio de un cable los
distintos equipos de la red. Las tramas de información emitidas por un nodo (terminal
o servidor) se propagan por todo el bus (en ambas direcciones), alcanzado a todos los
demás nodos. Cada nodo de la red debe reconocer la información que recorre el bus
para determinar cuál le corresponde a él.
Ilustración 13. Topología en bus [ 11 ]
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La gran ventaja de esta topología es que se trata de una instalación sencilla, sin
embargo el fallo de un nodo de la red provoca la caída del sistema, además de la
dificultad de localizar el fallo.
Este tipo de topología se utilizaba en redes Ethernet antiguas.
Topología en estrella
La topología más común para la implementación de LXI es la topología en estrella. En
esta topología, los dispositivos individuales son conectados a un conmutador o hub
central, formando un segmento. Las señales de cada dispositivo conectado son
enviadas al hub y luego difundidas a todos los otros dispositivos conectados. Este
diseño permite a LXI operar lógicamente como un bus, pero físicamente el bus solo
existe en el hub.
Ilustración 14. Topología en estrella [ 11 ]
La topología en estrella simplifica la gestión de la red y la resolución de problemas, ya
que cada tramo de cable conecta únicamente a dos dispositivos, uno a cada extremo
del cable. En el caso de que un dispositivo no pueda comunicarse con la red
correctamente, puede ser ubicado en otro emplazamiento y así comprobar si el fallo
reside en el dispositivo o el cableado. En aquellos casos en los que la red del sistema
de instrumentación sea muy grande, se podrá conformar un sistema con topología
jerárquica o de estrella extendida
Ilustración 15. Topología jerárquica [ 11 ]
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Topología en árbol
Esta topología se da por ejemplo, cuando se tiene un equipo que está conectado tanto
a una Intranet corporativa como a una red LAN en la que se encuentran los distintos
dispositivos LXI, como se muestra en la Ilustración 16.
Ilustración 16. Topología en árbol
Por último, se debe comentar la posibilidad de colisiones de datos en una red Ethernet. Para
evitarlas se utiliza el método de acceso CSMA/CD, método que gestiona el acceso al bus por
parte de los terminales y que por medio de un algoritmo resuelve los conflictos causados en
las colisiones de información. Cuando un nodo desea iniciar una transmisión, en primer lugar
“escucha” al medio para saber si está ocupado, debiendo esperar en caso afirmativo hasta que
quede libre. Si se llega a producir una colisión, las estaciones reiniciarán cada una su
transmisión transcurrido un tiempo aleatorio distinto para cada estación.
2.6.6. Ventajas e inconvenientes de LXI
A continuación se muestran las ventajas e inconvenientes del uso de la tecnología LXI.
Entre las ventajas de LXI se encuentran:
LXI está basado en Ethernet que se trata de una tecnología madura y muy utilizada en
diversos ámbitos de las comunicaciones.
Un sistema LXI es modular y escalable.
LXI permite crear un sistema distribuido.
Buen ancho de banda.
Baja latencia.
Gran alcance; se puede cubrir una distancia de unos 100 m sin necesidad de
repetidores.
Coexistencia con las tecnologías GPIB, VXI y PXI entre otras.
Posibilidad de etiquetar con una marca de tiempo los datos adquiridos.
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Permite conseguir medidas de alta precisión, gracias a la sincronización entre equipos.
Muchos de los equipos LXI del mercado poseen la suficiente capacidad de cómputo
como para realizar medidas y cálculos de forma independiente, liberando el
controlador del sistema para otras tareas.
Programación mediante el lenguaje SCPI basada en comandos ASCII o mediante IVI-C o
IVI-COM. Además existen API para software como por ejemplo Matlab.
A continuación se presentan algunas desventajas de LXI:
Al ser un sistema distribuido, la alimentación también deberá ser distribuida. Como
alternativa se podrá transportar la alimentación por un conductor paralelo al bus LXI,
que puede dar origen a interferencias si no se apantallan correctamente.
En el caso de necesitar una alta precisión (solo equipos de clase A) el sistema de
pruebas deberá implementar un bus de disparo, el cual incrementa el coste del
sistema.
Posibilidad de colisiones de datos en la red.
2.6.7. Comparativa entre LXI y otros buses se instrumentación
A continuación se muestra una tabla comparativa entre los buses se instrumentación PXI, VXI,
GPIB y LXI.
COMPARACIÓN ENTRE BUSES DE INSTRUMENTACIÓN
GPIB VME, VXI PCI, PXI PCIe, PXIe LXI
Ancho de banda (MBytes/s)
1.8 (488.1) 8 (HS488)
160 > 100 1000 125
(Gigabit Ethernet)
Robustez del conector
Muy buena Muy buena La mejor La mejor Buena
Latencia (µs) 30 0.8 0.7 0.3 200
Instalación y configuración
Buena Buena Muy buena Muy buena Buena
Alcance (m) 20 Bus interno Bus interno Bus interno 100 Tabla 3. Comparación entre buses de instrumentación
Seguidamente de muestra un gráfica comparativa entre los buses de instrumentación en la
que se pueden observar las diferentes latencias frente a las tasas de datos.
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Gráfica 1. Comparativa de latencia frente a ancho de banda de buses de instrumentación.
En la Gráfica 1 se observa que los buses con mejores características, tanto de latencia como de
tasa de transferencia de datos, son los buses basados en PCI y PCIe, seguidos de los buses
VME y VXI. El gran inconveniente de estos buses es que son buses internos, que a pesar de la
buena latencia y alta tasa de datos tienen un alcance muy limitado. Como consecuencia, estos
buses son ideales para sistemas concentrados. En aquellos casos en los que se desee diseñar
un sistema distribuido a partir de ellos se deberá acudir a unos buses complementarios que
permitan un mayor alcance, como Ethernet, para conseguir una mayor extensión del bus.
Los buses más adecuados para sistemas distribuidos son GPIB y LXI. La latencia del bus GPIB es
mejor que la del bus LXI a primera vista. Sin embargo, gracias a las funciones de sincronización
y marcas de tiempo incluidas por el bus LXI se puede conocer el instante en el cual se realiza la
medida con una presión muy alta. Por el contrario, el bus LXI tiene un ancho de banda muy
inferior a los 8 Mbyte/s que se puede conseguir con el bus GPIB.