Nesta seção o profissional terá condições de estudar com maior profundidade os assuntos abordados sobre ETHERNET INDUSTRIAL.

Artigo Técnico 3 - Tipos de Barramento e os Parâmetros Largura de Banda , Latência e Jitter

publicado em 08/07/2010 - 10:19:38hs

 

Tomando como exemplo um “barramento”, deveremos levar em consideração alguns parâmetros como a largura de banda, latência e o jitter. A largura de banda mede a “taxa” que os dados são enviados através de um barramento, tipicamente em MB/s. Um barramento com grande largura de banda pode transmitir mais dados em um determinado período de tempo do que um barramento com uma baixa largura de banda. A maior parte dos usuários reconhece a importância da largura de banda porque esta afeta diretamente se os dados podem ser enviados através do barramento para um processador compartilhado tão rápido quanto os dados são adquiridos ou gerados, e o quanto de memória interna os instrumentos irão necessitar. A largura de banda é importante em aplicações como uma aquisição ou geração de uma forma de onda complexa como RF (Rádio Freqüência) e aplicações de comunicação. Alta taxa de transferência de dados é particularmente importante para arquiteturas de instrumentação virtual e sintética. A funcionalidade e personalidade da instrumentação virtual e sintética são definidas por software na maioria dos casos, isto significa que os dados devem ser transferidos para um PC Host para processamento e devida análise. A latência mede o atraso na transmissão dos dados através de um barramento. Por analogia se compararmos um barramento para instrumentação como uma rodovia, a largura de banda corresponderia ao número de pistas e a velocidade permitida, enquanto a latência corresponderia ao atraso introduzido com os cruzamentos existentes na rodovia. Um barramento com baixa (boa) latência introduziria menos atraso entre o tempo em que os dados são enviados em uma ponta e processados na outra ponta do barramento. A latência ainda que menos notável que a largura de banda, possui um impacto direto em aplicações onde uma sucessão rápida de pequenos comandos é enviada através do barramento, como os sinais de controle entre um multímetro e um switch para configuração do instrumento. Barramentos que utilizam comunicação baseada em mensagem são geralmente mais lentos, porque este modo de comunicação adiciona um atraso na forma de interpretação do comando e interpretação dos dados. Com uma comunicação baseada em registros, a transferência dos dados ocorre com a escrita e leitura direta dos dados binários nos registradores do hardware no dispositivo, resultando numa transferência mais rápida. Protocolos com comunicação baseada em registro são mais comuns em barramentos internos dos PC’s, onde as interconexões são fisicamente menores e são necessárias maiores taxas de transferências. Protocolos de comunicação baseados em mensagem são úteis na transmissão de dados através de longas distâncias onde um maior atraso é aceitável. Deve ser considerado que as métricas de latência, jitter e largura de banda são parcialmente dependentes se o barramento utiliza comunicação baseada em mensagem ou baseada em registros. Para aplicações de monitoramento remoto e para sistemas que envolvam medições através de uma grande área geográfica, à distância torna-se importante. O desempenho é a categoria que pode ser visualizada como justificativa para a latência, a verificação de erros e a interpretação das mensagens para melhorar limitações físicas de envio de dados através de longos cabos podem adicionar atrasos no envio e recebimento dos dados. O JITTER é a freqüência em que se dá o fenômeno de latência, sua variação, “tremor”. É o desvio ou deslocamento de alguns aspectos dos pulsos de alta freqüência do sinal digital. Traduzindo ao pé da letra é um tremor, um pulso instável. O desvio pode ser em termos de amplitude, tempo de fase ou a largura do pulso do sinal. Outra definição é que ele é o deslocamento de freqüência período do sinal de sua localização ideal. Dentre as causas de instabilidade estão à interferência eletromagnética (EMI) e a interferência com outros sinais. Jitter pode causar no monitor uma cintilação, afetar a capacidade do processador de um computador pessoal para funcionar como pretendido, introduzir cliques ou outros efeitos indesejados em sinais de áudio, e principalmente o mais danoso a perda de dados transmitidos entre os dispositivos da rede. A quantidade de jitter admissível depende muito da aplicação. Outras definições indicam que o jitter é a variação do tempo de um periódico do sinal em eletrônica e telecomunicações, muitas vezes em relação a uma referência de fonte clock. Pode ser observado em características como a freqüência de pulsos sucessivos, o sinal de amplitude ou fase dos sinais periódicos. Jitter é um importante, e geralmente indesejável fator na concepção de quase todos os links de comunicação (USB, PCI EXPRESS, SATA, OC-48). Jitter pode ser quantificado nos mesmos termos como de todos os tempos de variados sinais, por exemplo, RMS ou o pico de deslocamento. Também como outros sinais variáveis do tempo, podem ser expressos em termos de densidade espectral, o conteúdo de freqüência. No contexto das redes de computadores, o termo JITTER é usado freqüentemente como uma medida de variabilidade ao longo do tempo de latência do pacote em uma rede.

Na rede ethernet em particular IP, o JITTER refere-se à variação, dispersão estatística, no atraso dos pacotes.

 

Iniciando os estudos sobre o barramento Ethernet, ele tem sido por muito tempo uma boa opção de controle de instrumentos. É um barramento consolidado e tem sido utilizado em diversas áreas de aplicação, fora da indústria de testes e medições. O Ethernet 100 Base T possui uma largura de banda de 12,5MB/s. O Gigabit Ethernet, ou 1000 Base T aumenta a largura de banda máxima para 125MB/s. Em todos os casos a largura de banda do Ethernet é compartilhada através da rede. As comunicações pelo barramento são baseadas em mensagens com os pacotes de comunicação adicionando um significante atraso na transmissão dos dados. Por esta razão o Ethernet possui a pior latência das tecnologias existentes em barramento. Mesmo assim o Ethernet continua como uma poderosa opção para criação de rede de sistemas distribuídos. Este pode operar em distâncias de 85 a 100 metros sem repetidores, e com repetidores não tem limite de distâncias. Nenhum outro barramento possui esta escala de separação do PC controlador e a Plataforma. O conector físico dos barramentos implica na maneira que este é apropriado para aplicações industriais e se existe a necessidade de esforços adicionais para reforçar a conexão entre o instrumento e o sistema controlador.

 

No barramento GPIB, desenvolvido parapropósitos gerais é um barramento consolidado e projetado especificamente para aplicações de controle de instrumentos. O GPIB tem sido um barramento robusto e confiável por 30 anos, e ainda é a escolha mais popular para controle de instrumentos devido a sua baixa latência e largura de banda aceitável. Atualmente é o barramento de maior adoção na indústria com uma base instalada de mais de 10.000 modelos de instrumentos com conectividade GPIB. Com uma largura de banda máxima de 1,8MB/s é mais bem utilizado para comunicação e controle de instrumentos autônomos. O mais recente,revisão de alta velocidade, HS488,teve um aumento na largura de banda de 8MB/s. a transferência é baseada em mensagem, freqüentemente na forma de caracteres ASCII. Múltiplos instrumentos GPIB podem ser conectados ao mesmo cabo com uma distância total de 20 metros e a largura de banda é compartilhada entre todos os instrumentos conectados ao barramento. Desconsiderando a relativamente pequena largura de banda, a latência do GPIB é menor (melhor) do que a USB, e do Ethernet, nesta ordem. Os instrumentos GPIB não são auto-detectados ou auto-configuráveis quando conectados ao sistema, mas o software GPIB esta entre os mais bem avaliados a robustez dos cabos e conectores apropriados para a maior parte dos ambientes físicos. O GPIB é ideal para automatizar equipamentos existentes ou sistemas que requerem instrumentos altamente especializados.

 

O barramento USB (Universal Serial Bus) tem se tornado popular nos últimos anos para conexão de periféricos de computadores. Esta popularidade tem sido expandida para medições e testes, e há um aumento no número de fabricantes de instrumentos adicionando portas USB aos controladores de seus instrumentos. O Hi-Speed USB (USB de alta velocidade) possui uma transferência máxima de 60MB/s, tornando-o uma alternativa atrativa para conectividade com instrumentos, controle de instrumentos autônomos e virtuais, com taxas de transferências inferiores a 1ms/s. Mesmo que a maioria dos laptops, desktops e servidores possuam diversas portas USB, todas estas portas geralmente são conectadas ao mesmo controlador host, assim a largura de banda do USB é compartilhada entre todas as portas. A latência do USB esta na melhor categoria (entre o ETHERNET no menor nível e o PCI e PCI Express em um maior nível), e o comprimento do cabo é limitado em 5 metros. Os dispositivos USB se beneficiam de auto-detecção, significando que ao contrário de outras tecnologias como LAN e GPIB os dispositivos USB são imediatamente reconhecidos e configurados pelo PC quando o usuário conecta-os. Os conectores USB são os menos robustos e menos seguros dos barramentos examinados. São necessários fixadores externos para os cabos a fim de mantê-los no lugar. Dispositivos USB são mais apropriados para aplicações de medições portáteis, datalogger em laptop ou desktop, e aquisições de dados em veículos. O barramento tem se tornado uma popular escolha de comunicação para instrumentos autônomos, devido a sua ubiqüidade em PC’s e especialmente devido a sua facilidade de uso plug-in-play. A especificação da classe USB Testand and Measurement (USB TMC) especifica os requisitos de comunicação de uma grande escala de dispositivos para teste e medição.

 

Já o dispositivo PCI e PCI Express conseguem o melhor desempenho em relação à largura de banda e latência em comparação aos barramentos estudados anteriormente. A largura de banda do PCI é 132MB/s com esta banda compartilhada entre todos os dispositivos no barramento. O desempenho de latência do PCI é extremamente bom. Atingindo 700 nanosegundos quando testado comparado a 1milisegundo do Ethernet. O PCI utiliza comunicação baseada em registros, ao contrário dos outros barramentos citados anteriormente, o PCI não possui conexão com instrumentos externos. É um barramento interno dos PC’s utilizado para placas plug-in e em sistemas de instrumentação modular como o AXI, assim geralmente não são aplicados para medições a longas distâncias. O barramento PCI pode ser estendido por até 200 metros com uso de interfaces MXI de fibra óptica quando conectados a sistemas PXI. Devido à conexão PCI ser interna ao computador, sua robustez esta limitada a estabilidade e robustez do PC em que este reside. Os sistemas de instrumentação modular PXI melhoram esta conectividade com um painel traseiro de alto desempenho e múltiplos terminais de parafusos para manter a conexão. Uma vez inicializado com os módulos PCI ou PXI conectados, o Windows automaticamente detecta e instala os drives para estes módulos. Uma vantagem que o PCI e PCI Express possui juntamente com o USB e o ETHERNET é que estes são universalmente disponíveis nos PC’s. O PCI é um dos padrões mais adotados na história da indústria dos PC’s. Atualmente todo PC desktop possui slots PCI, PCI Express ou ambos. Em geral instrumentos PCI podem alcançar baixos custos porque estes instrumentos utilizam a fonte de alimentação, processador, display e memória do PC em que residem, ao invés de incorporar estes dispositivos no próprio instrumento. O PCI Express é semelhante ao PCI. Este é a mais recente evolução do padrão PCI, assim como o Hi-Speed USB é para o USB. Conseqüentemente muito das avaliações acima do PCI são aplicadas também ao PCI Express.A maior diferença entre o desempenho do PCI e do PCI Express é que o PCI Express é um barramento de maior largura de banda e fornece banda dedicada para cada dispositivo. Os dados são transmitidos através de conexões ponto-a-ponto chamadas “vias” (também conhecidas como “lanes”) à 250MB/s por direção. Cada link PCI Express pode ser composto de múltiplas vias, assim a largura de banda do barramento depende de como o slot e o dispositivo são implementados. Um link 1X provê 250MB/s, um link 4X provê 1GB/s e um link 16X provê 4GB/s de banda dedicada. É importante verificar que o PCI Express possui compatibilidade de software para versões anteriores, ou seja, os usuários que migram para PCI Express podem preservar seus investimentos de software feitos para PCI. O PCI Express também é extensível por cabos externos. Os barramentos de alta velocidade internos em PC’s foram projetados para comunicações rápidas. Conseqüentemente o PCI e o PCI Express são as escolhas ideais para sistemas de alto desempenho e alta intensidade de dados onde uma grande largura de banda é necessária e para sistemas com integração e sincronização de diversos tipos de instrumentos.