conectividad en instrumentos de mediciÓn …

CONECTIVIDAD EN INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN

PROGRAMABLES

Evolución de las normativas, interconexión de Instrumentos Programables

• 1972: Comisión Electrónica Internacional (IEC) propone la normalización.

• 1975: IEEE publica la norma 488/75 para la conexión digital de instrumentos programables.

• 1976: The American National Standard Institute la adopta = ANSI MC1.1.

• 1978: IEEE publica una versión revisada para facilitar la lectura.

• La IEC adopta la norma IEEE con el número 625-1 en su totalidad, salvo el conector que es de• La IEC adopta la norma IEEE con el número 625-1 en su totalidad, salvo el conector que es de

tipo europeo (sin considerar este detalle son equivalentes). Las designaciones GPIB (General

Purpose Interface Bus), HP-IB (Hewlett Packard Interface Bus) e IEEE-488 son sinónimos.

• 1987: VXIbus (VMEbus Extensions for Instrumentation) (IEEE-STD-1155)

• 1990: Standard Commands for Programmable Instruments, modelo único de sintaxis, comandos y

formato de datos dentro de la norma IEEE-488.

• 1993-1999: se propone el estándar HS488 (National Instruments) para incrementar la velocidad de

comunicación del BUS GPIB.

Interconexión de Instrumentos Programables

Instrumentos independientes

En forma autónoma o mediante un Controlador

Comunicación a través de puertos: GPIB, RS232, RS485, USB, LAN.

Sistemas Modulares de Instrumentos

Comunicación a través de un bus local de altas prestaciones (VXI, PXI).

Interconexión de Instrumentos independientes

GPIB/HP-IB

Buses deComunicación

LAN

RS-232 RS-422/485

LANUSB

IEEE-488 – BUS GPIB: Aspecto funcional

• Uso de líneas específicas (enviar/recibir mensajes y protocolo de comunicación),temporización y 10 funciones de interconexión.

CO

NT

RO

LL

ER

Mensajes bit-paralelo, byte-serie.

3 ti

pos

de d

ispo

siti

vos:

TA

LK

ER

, LIS

TE

NE

R, C

ON

TR

OL

LE

R

Control de transferencia

Administración

IEEE-488 – BUS GPIB: Características

• Conexión en paralelo : Como máximo 15 elementos conectados simultáneamente al bus(incluyendo a la PC). Pueden utilizarse 31 direcciones secundarias (instrumentos configurables). Total961 direcciones.

• Cómo se logra que la información llegue sólo al dispositivo que deseado?

-DIO1-DIO5:Cada instrumento tiene una dirección propia (programable) de 0 a 30. La dirección 31 está reservada.

- DIO6-DIO7 determinan si actúa como Talker (01 C +64) ó como Listener (10 C +32).

-El octavo bit no se utiliza.


• 3 líneas de protocolo (la impresora usa sólo 2) => Los instrumentos tienen distintavelocidad de respuesta. La transmisión debe ser asincrónica y ajustarse al más lento de losconectados (para no perder información).

• Velocidad de transferencia = 1 MB/s. En general no es > 200 KB/s. La distancia decableado está limitada a 2 m entre elementos , no debiendo superar los 20 m en total.

Con el estándar HS-488 se logran velocidades de hasta 8MB/s.


Encuestas para atención de las demandas:

Encuesta Serie: el controlador debe interrogar a cada uno de los dispositivosconectados. El Controlador envía el comando SPE (Serial Poll Enable) ydirecciona a cada dispositivo secuencialmente como Talker. Este debe volcar albus de datos su STATUS BYTE, indicando en DIO7 si solicitó servicio, y tratarde liberar la línea SRQ. La encuesta finaliza con un comando SPD (Serial Pollde liberar la línea SRQ. La encuesta finaliza con un comando SPD (Serial PollDisable).

Encuesta Paralelo: no soportado por todos los instrumentos. El Controladorpuede verificar 8 dispositivos simultáneamente. El usuario puede asignar a cadauno en que línea (DIO1-DIO8) del STATUS BYTE indica si solicita servicio.Requiere de una programación inicial antes de ser generada.

RS-232

Estándar de comunicación serie diseñado para intercambiar datos o comandos entre dos equipos.Dispone de líneas de datos y líneas de control.

Enlace de tipo full dúplex y punto a punto.

Distancia máxima sin circuito de amplificación: 15mts. Se puede aumentar la distancia a costade reducir la velocidad de comunicación.

Máxima velocidad de comunicación 115.200 baudios.

Señal DB-25 DB-9

Common Ground G 7 5

Transmitted Data TD 2 3Received Data RD 3 2

Data Terminal Ready DTR 20 4Data Set Ready DSR 6 6

Request To Send RTS 4 7Clear To Send CTS 5 8

Carrier Detect DCD 8 1

Ring Indicator RI 22 9

RS-422 / RS-485

Estándar de comunicación serie diseñado para intercambiar datos o comandos entre un maestrocon varias terminales. Sistema basado en señales diferenciales para lograr inmunidad al ruidoelectromagnético (de modo común).

RS-422:

Utiliza 2 pares de cables trenzados para cada línea de señal (4 hilos).

Las distancias y frecuencias que se utilizan en este bus son de 1200 a 1500m a 100Kbit/s o 50m a 10 Mbit/s.Kbit/s o 50m a 10 Mbit/s.

Las líneas deben cargarse en los extremos con una resistencia de terminación de línea(120 Ω generalmente) para prevenir la reflexión de los datos en el fin de línea.

RS-422 / RS-485

RS-485:

Utiliza 1 par de cables trenzados (2 hilos).

Permite usar una topología de bus, conectando los dispositivos en paralelo a los dos conductores, aunque desde un punto de vista lógico puede después organizarse como un anillo, estrella u otro tipo.

El número de nodos está limitado a 32 por razones de carga, pero puede ampliarse a más si se utilizan repetidores.

Comparativa RS-232 vs RS-422 vs RS-485

RS-232 RS-422 RS-485

Tipo de línea Desbalanceada Balanceada Balanceada

N° máximo de dispositivos

1 1 32

N° máximo de receptores

1 32 32

Long. máxima 15 1200 1200

Velocidad máxima 20Kb /s 20Mb /s 20Mb /s

BUS USB

El diseño del USB tenía como objetivo eliminar la necesidad de adquirir placasseparadas para poner en los puertos PCI, y mejorar las capacidades plug&playpermitiendo a esos dispositivos ser conectados o desconectados al sistema sinnecesidad de reiniciar.

Direccionamiento: Ante un nuevo dispositivo, el servidor lo enumera y agrega elsoftware necesario para que pueda funcionar.software necesario para que pueda funcionar.

Conexión física: Las señales se transmiten en un cable de par trenzado conimpedancia característica de 90 Ω ± 15%, cuyos hilos se denominan D+ y D-. Utilizaseñalización diferencial en full dúplex (versión 3.0) para combatir los efectos delruido electromagnético en enlaces largos.

BUS USB

Velocidades:

Baja velocidad (1.0): tasa de transferencia de hasta 1,5Mb/s.

Alta velocidad (2.0): tasa de transferencia de hasta 480Mb/s (60MB/s), elcable USB 2.0 dispone de cuatro líneas, dos para datos, dos para alimetación.

Súper alta velocidad (3.0): tiene una tasa de transferencia de hasta 600MB/s.

Distancias: máxima 5 mts (sin amplificación) con la versión 2.0, 3 mts (sin Distancias: máxima 5 mts (sin amplificación) con la versión 2.0, 3 mts (sinamplificación) con la versión 3.0

Industrialmente es menos robusto que otros sistemas.

LAN (Local Area Network)

Estándar de redes de área local para computadoras con acceso a un medio, por detección de la onda portadora y con detección de colisiones (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection).

Características:

Distancias desde pocos metros hasta 2000 m.

Velocidad teórica de hasta 1Gb/s, velocidad real depende de factores como Velocidad teórica de hasta 1Gb/s, velocidad real depende de factores como tráfico en la red, retrasos e ineficiencia en la transferencia de datos.

Control local o remoto.

Facilidad para compartir los instrumentos entre usuarios.

Fácil publicación de los datos obtenidos.

LAN (Local Area Network)

Características y evolución:

TecnologíaVelocidad de transmisión

Tipo de cableDistancia máxima

Topología

10BaseT 10 Mbit/s Par Trenzado 100 mEstrella (Hub o Switch)

Estrella (Hub o 10BaseF 10 Mbit/s Fibra óptica 2000 m

Estrella (Hub o Switch)

100BaseT4 100 Mbit/sPar Trenzado (categoría 3UTP)

100 mEstrella. Half Duplex (hub) y Full Duplex (switch)

100BaseTX 100 Mbit/sPar Trenzado (categoría 5UTP)

100 mEstrella. Half Duplex (hub) y Full Duplex (switch)

100BaseFX 100 Mbit/s Fibra óptica 2000 mNo permite el uso de hubs

Tabla comparativa de puertos de conexión

GPIB RS232 RS422/485 USB LAN

Tipo paralelo serie serie serie Serie

Velocidad Max. [b/s] 8M 100K 20M 480 < 1G

# dispositivos 15 1 32 127 (con Hub) *

Distancia Max. [m] 20 extensible 15 1200 5 sin repetidor30 con repetidores

< 2000Tip. 100

Interconexión de Sistemas Modulares de Instrumentos

Arquitectura VXI (VME eXtension for Instrumentation).

Arquitectura PXI, PXI express Arquitectura PXI, PXI express (PCI eXtensions for Instrumentation)

Arquitectura VXI

Basada en el bus VME (análogo del GPIB): VXI pretende ser una plataforma de altadensidad a través de recursos compartidos, con una coordinación precisa de lostiempos entre los instrumentos y la capacidad para satisfacer requisitos de altorendimiento.

Consiste en instrumentos contenidos en módulos que se insertan en un chasis. Pensada para la adquisición de un gran número de canales (entre 10 y 100).

Sistema abierto (IEEE-1014), flexible y modular. Arquitectura soportada por Sistema abierto (IEEE-1014), flexible y modular. Arquitectura soportada por numerosos fabricantes.

Comunicación de 32 bits de altas prestaciones, con una tasa de 10MB/s. Bus local

con velocidad de 100MB/s.

Ref: http://www.vxibus.org

Arquitectura VXI

La arquitectura VXI tiene la capacidad de adaptarse a las nuevas arquitecturas debuses de comunicación para control remoto sin afectar la compatibilidad haciaatrás.

Arquitectura PXI, PXI express

Basada en el bus PCI (ó PCI express).

Versátil y abierto a recibir módulos de múltiples fabricantes en las carcasas asociadas, en factor de forma de 3U (100mm x 160mm) o 6U (233.35mm x 160mm) (U: Unidad de rack)

Bus local con velocidad de hasta 6Gb/s

Dos tipos de controladores, externo (PC) o embebidos.

El controlador puede utilizar interfaces de programación de aplicaciones El controlador puede utilizar interfaces de programación de aplicaciones estándares en la industria, tales como NI LabVIEW, LabWindows™/CVI y Measurement Studio; Visual Basic y Visual C/C++.

Ref: National Instruments, ¿Qué es PXI?

Como programo estos instrumentos de distintos Como programo estos instrumentos de distintos fabricantes y / o formato de conexión?

Comandos SCPI

Objetivo: Independientemente del fabricante, los equipos que tienen la mismafuncionalidad respondan de igual forma a un conjunto estándar de comandos.

SCPI

IEEE-488.2

Consisten en cadenas de caracteres ASCII finalizadas con un carácter especial,conocido como nueva línea (\n o LF).

En el caso de GPIB, el mensaje EOI (EndOrIdentify), es interpretado comonueva línea y puede ser usado en su lugar. También es posible utilizar retornode carro, seguido de nueva línea (CR LF).

IEEE-488.2

IEEE-488.1/VXI/ RS-232/ etc...

Comandos SCPI

La norma establece tres tipos de compatibilidad entre instrumentos:

1. Vertical: equipos de un mismo tipo tienen los mismos controles.

Ejemplo: en dos multímetros distintos la selección de escala se realizará de la mismaforma.

2. Horizontal: equipos que realizan la misma medida, aunque sea de formas2. Horizontal: equipos que realizan la misma medida, aunque sea de formasdistintas, utilizarán los mismos comandos.

Ejemplo: un osciloscopio que pueda medir períodos y un frecuencímetro-contadorutilizarán los mismos comandos para medir el período de una señal.

3. Funcional: dos equipos distintos que puedan realizar la misma función lo haráncon los mismos comandos.

Ejemplo: un analizador de espectros que pueda realizar barridos de frecuencia y ungenerador de señal serán funcionalmente compatibles si el barrido de frecuencia seprograma con los mismos comandos.

Comandos SCPI: Instrumento Universal

Para conseguir un conjunto de comandos que puedan ser utilizados en cualquier instrumento,optimizando la compatibilidad, la norma define un modelo de instrumento universal.

MEASurementFunction

FORMat

TRIGger

DataBus

Multímetro

Signal Generation

FORMat DataBus

Generador de funciones

Comandos SCPI: Bloques del modelo de instrumento

Signal ROUTing: Representa la posibilidad que tienen ciertos instrumentos para direccionar las señales de sus conectores de entrada a distintos circuitos internos.

MEASurement Function: Este bloque es el que realiza la medida, entendida en su sentido más amplio, como la transformación de una señal en un código que luego podrá ser procesado. Este bloque se subdivide a su vez en los siguientes: (INPut, SENSe y CALCulate. La subdivisión del bloque de medida en estas tres partes no se ha incluido en el modelo de instrumento porque hay instrumentos que no serían horizontalmente compatibles modelo de instrumento porque hay instrumentos que no serían horizontalmente compatibles a este nivel pero sí lo son a nivel del bloque funcional de medida. Por ejemplo, la medida del valor eficaz de una senoide con un voltímetro y con un osciloscopio digital podrían ser horizontalmente compatibles utilizando instrucciones al nivel del bloque MEASurement(utilizarían los mismos comandos), pero los comandos para programar la medida a un nivel más bajo serían distintos. En el voltímetro, la medida se realiza con un comando del bloque SENSe, mientras que en el osciloscopio habría que calcular (utilizando comandos del bloque CALCulate) el valor eficaz a partir de las muestras adquiridas.

INPut: Representa la etapa de adaptación de la señal de entrada, por ejemplo el acoplamiento AC, DC, GND de osciloscopios.

SENSe: Es propiamente el bloque de medida, que pasa de una señal eléctrica a un código que luego puede ser procesado digitalmente.

CALCulate: Su función es pasar los datos adquiridos por el bloque de medida a valores que sean más apropiados para una aplicación concreta. Por ejemplo, calcular períodos, frecuencias, tiempos de subida, etc. en un osciloscopio digital.

Comandos SCPI: Bloques del modelo de instrumento

Signal Generation: Este bloque también esta subdividido al igual que el de medida. Su función es la de pasar datos a una señal eléctrica. Para ello se pueden distinguir los siguientes sub-bloques:

Output: Es la parte que determina cómo se aplica la señal generada. Incluye las funciones de atenuación, filtrado, suma de tensiones continuas, etc.

SOURce: La función de este bloque es determinar las características de la señal generada a partir del flujo de datos suministrado.

CALCulate: Su función es pasar los datos adquiridos por el bloque de medida a valores que sean más apropiados para una aplicación concreta. Por ejemplo, calcular períodos, frecuencias, tiempos de subida, apropiados para una aplicación concreta. Por ejemplo, calcular períodos, frecuencias, tiempos de subida, etc. en un osciloscopio digital.

TRIGger: Su función es proveer al instrumento de medios para sincronizarse con eventos de las señales, tanto internas como externas.

MEMory: Es el almacén de datos interno al instrumento. Según sea el caso pueden realizarse lecturas de datos, escrituras o guardarse parámetros de calibración internos.

FORMat: Es el encargado de transformar el formato de los datos digitales internos al instrumento a otros que sean transferibles a través del bus de control.

Comandos SCPI: Sintaxis y estilo

Los comandos en la norma SCPI se agrupan jerárquicamente en forma de árbol. En la raíz del árbolse encuentran los comandos que hacen referencia a los bloques que aparecen en el modelo deinstrumento. Cada uno de estos comandos se divide en un conjunto de ramas identificadas porpalabras clave que a su vez identifican a funciones subordinadas al bloque raíz y así sucesivamente.

Notación:

: indican el paso a un nivel jerárquico inferior. Para clarificar la notación también se ha utilizado identificación de los niveles inferiores

[ ] Palabras clave opcionales

< > Encierran el tipo de parámetro

| separa parámetros opcionales (solo se puede poner uno de ellos)

; separa comandos que están en la misma línea (no cambia el nivel del último comando)

, se usa para separar distintos parámetros dentro de un mismo nivel

? Indica que es un comando de consulta y que se espera una respuesta del equipo al que se envía. Es muy importante leer el dato solicitado; de no ser así al enviar otro comando se crea una situación de error en el instrumento

Comandos SCPI: Tipo de comandos

Comandos Comunes:

Los comandos comunes son los mismos comandos que se definen como obligatorios en la norma IEEE 488.2. Éstos sirven para funciones tales como: reinicialización, autocomprobación y operaciones de estado.

*CLS Clear Status Command

*ESE Standard Event Status Enable Command

*ESE? Standard Event Status Enable Query *ESE? Standard Event Status Enable Query

*ESR? Standard Event Status Register Query

*IDN? Identification Query

*OPC Operation Complete Command

*OPC? Operation Complete Query

*RST Reset Command

*SRE Service Request Enable Command

*SRE? Service Request Enable Query

*STB? Read Status Byte Query

*TST? Self Test Query

*WAI Wait-to-Continue Command

Comandos SCPI: Tipo de comandos

Comandos Específicos:

Los comandos específicos son los propios que define la norma SCPI. Los comandos específicos definidos en la norma SCPI se dividen a su vez en dos grupos, los obligatorios y los opcionales. Los únicos bloques que son obligatorios son el de SYSTem y el de STATus.

MEASure INPut ROUTe TRACe|DATA

CALCulate INSTrument SENSe TRIGger

CALibration MEMory SOURce UNITCALibration MEMory SOURce UNIT

DIAGnostic MMEMory STATus VXI

DISPlay OUPut SYSTem FORMat

PROGram TEST

Comandos SCPI: Ejemplos

Comandos SCPI para generador HP33120A:

Ejemplo 1: Configurar el generador para que realice un barrido en frecuencia con una señal senoidal desde 100 Hz hasta 1000 Hz.

“FUNC:SHAP SIN\n”

“FREQ:START 100; STOP 1000; MODE SWEEP\n”

Ejemplo 2: Configurar el generador para que produzca una onda cuadrada de 1 KHz, 1 Vpp de amplitud y nivel de continua de -2 V.

“APPL:SQR 1 KHZ, 1.0 VPP, -2.0 V\n”


Ejemplo de comandos SCPI para osciloscopio Tektronix TDS 210

Ejemplo 1: Configurar el atenuador x10 de la punta de prueba del canal 1.

“CH1:PROBE 10\n”

Ejemplo 2: Configurar la ganancia vertical en 500mV/div.Ejemplo 2: Configurar la ganancia vertical en 500mV/div.

“CH1:SCALE 500E-3\n”

Ejemplo 3: Realizar una medición del valor pico a pico de una señal presente en el canal 1.

“MEASU:IMMED:SOURCE CH1\n” /*Se selecciona la fuente de la medición*/

“MEASU:IMMED:TYPE PK2pk\n” /*Se configure el tipo de medición como volts pico a pico*/

“MEASU:IMMED:VALUE?\n” /*El instrumento devuelve el valor solicitado*/


Osciloscopio TDS 210 GPIB

Configuración, debe accederse al menú de la manera siguiente: Utilidades>Opciones>Configurar GPIB

Tendremos la posibilidad de configurar la dirección del dispositivo y el modo de funcionamiento (en este caso Talker/ Listener o desconectado).

Utilizando la interfaz Prologix GPIB-USB: La interfaz posee un set de comandos que simplifican elmanejo del bus GPIB. Todos los mensajes que empiezan con ++ se identifican como un comando delmanejo del bus GPIB. Todos los mensajes que empiezan con ++ se identifican como un comando delcontrolador y no son enviados por GPIB. Los comandos deben estar terminados con \r\n.

“++addr 1\r\n” /*Comando propio de la interfaz. Direcciona el instrumento en la dirección 1*/

“MEASU:IMMED:SOURCE CH1\n” /*Comando SCPI. Se selecciona la fuente de la medición*/

“MEASU:IMMED:TYPE FREQUENCY\n” /*Comando SCPI.Se configura el tipo de medición*/

“MEASU:IMMED:VALUE?\n” /*Comando SCPI. El instrumento devuelve el valor solicitado*/

“++readeoi\r\n” /*Comando propio de la interfaz. Direcciona al instrumento como Talker y lee la respuesta del instrumento hasta recibir EOI o que se produzca un timeout*/

Bibliografía

http://www3.fi.mdp.edu.ar/mediciones/apuntes/IEEE-488_78.pdf

60488-2-2004 - Standard Digital Interface for Programmable Instrumentation - Part 2: Codes, Formats, Protocols and Common Commands (Adoption of (IEEE Std 488.2-1992)

http://www.ivifoundation.org/docs/scpi-99.pdf http://www.ivifoundation.org/docs/scpi-99.pdf

https://la.mathworks.com/products/instrument/supported/scpi.html

http://www.ni.com

http://www.vxibus.org

conectividad en instrumentos de mediciÓn …

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