O Google, a Wikipedia e o Youtube são ferramentas que mudaram a internet de um modelo produtor-consumidor, em que um pequeno número de pessoas produz o conteúdo da web, para um modelo peer-to-peer, onde cada usuário recebe conteúdo altamente customizado. Este novo paradigma foi batizado de Web 2.0. Nesse artigo, originalmente produzido pela National Instruments (www.ni.com), mostramos de forma adaptada, por Newton C. Braga, como isso pode afetar o setor de instrumentação.
Com as mudanças que estão ocorrendo, o mundo está se tornando cada vez baseado em softwares. As características de muitos dispositivos que usamos todos os dias tais como telefones inteligentes, set-top boxes (ou IRD, Receptores/Decodificadores Integrados) e até mesmo automóveis estão sendo definidas cada vez mais pelos programas contidos nestes dispositivos.
Isso também está ocorrendo no setor da instrumentação que pode tomar proveito destas duas macro-tendências - customização definida pelo usuário e um aumento no foco do software - o usuário pode personalizar completamente sua aplicação.
De fato, o conceito de instrumentação definida pelo usuário não é novo, já existindo há mais de duas décadas na forma de instrumentação virtual. No entanto, a tecnologia que leva a essas tendências amadureceu o suficiente para se criar uma nova geração de produtos baseados no que se denomina Instrumentação 2.0.
Essa mudança está sendo basicamente conduzida por duas tecnologias - barramento de alta velocidade PCI Express e a tecnologia de processamento multicore (múltiplos núcleos de processamento).
PCI Express aumenta a largura de banda
A base da nova instrumentação é o PC. Como o usuário envia sinais adquiridos com hardware de E/S (I/O) para o PC através de um barramento de dados, é crucial que a tecnologia de barramento acompanhe o aumento de resolução e velocidade das E/S. O PCI Express atende o requisito de transferências de dados mais rápidas, pois possui a maior taxa de transferência de todos os barramentos disponíveis no mercado.
O PCI Express, disponível em links x1, x4, x8, e x16 links, proporciona 250MB/s de taxa de transferência por direção com latência muito baixa. As opções x1 e x4, normalmente são utilizadas para hardware da classe de instrumentos, proporcionando 250 MB/s e 1GB/s (quatro linhas de 250 MB/s) respectivamente de taxa de transferência dedicada. O link x16 que proporciona 4 GB/s de taxa de transferência é normalmente utilizado em PC's novos para placas de vídeo.
Tecnologia Multicore melhora o desempenho do processador
Com o PCI Express consegue-se uma taxa de transferência de dados para o PC de elevada velocidade. No entanto para aceitar essa velocidade de transferência, o PC precisa ter capacidade de processamento suficiente para processar todos os dados transferidos no barramento. Para essa finalidade, o avanço mais recente em tecnologia de processadores consiste em colocar núcleos múltiplos de processamento em um único processador. Tanto a Intel quanto a AMD lançaram processadores dual-core (dois núcleos de processamento), e os futuros processadores irão expandir ainda mais o número de núcleos chegando a quatro ou mais. Na verdade, a Intel tem a meta de disponibilizar um processador com 80 núcleos em aproximadamente cinco anos.
Sistemas operacionais multitasking (que executam duas ou mais tarefas simultaneamente), tais como Windows XP e Windows Vista, e aplicações multithreaded (programas que executam diversas tarefas simultaneamente), tais como o LabVIEW da National Instruments aproveitam totalmente a nova capacidade de processamento paralelo introduzida pela tecnologia multicore.
Escrever aplicações multithreaded em linguagens de programação baseadas em texto, tais como C, não é trivial e requer experiência na esquemática de criação e gerenciamento de tarefas assim como transferir de maneira segura os dados entre as tarefas. Por outro lado, com o NI LabVIEW, o usuário pode utilizar todo o potencial adicional fornecido pela tecnologia multicore, pois o ambiente gráfico LabVIEW é utilizado naturalmente para programação paralela.
PCI Express e Multicore combinados na plataforma PXI
O padrão industrial PXI, com mais de 10 anos de existência está sendo usado por engenheiros em uma infinidade de aplicações. Além disso, a Organização PXI (PXISA, PXI System Alliance), que regulamenta o padrão PXI e possui mais de 70 membros, continua introduzindo centenas de produtos novos e inovadores para PXI. Com a introdução do PCIExpress, o PXISA rapidamente adotou este barramento de dados de alta velocidade nas especificações do PXI Express, e os novos produtos PXI Express começaram a ser disponibilizados no mercado.
Por exemplo, a National Instruments já lançou chassi, controladoras e módulos para o PXI Express. O novo chassi NI PXIe-1065 de 18 slots possui sete slots híbridos que funcionam tanto com módulos PXI Express ou PXI. A nova controladora NI PXIe-8106 tem um processador dual-core de 2.16 GHz Intel Core 2 Duo T7400.
O novo digitalizador NI PXIe-5122 e os módulos de E/S digital NI PXIe-6537/36 proporcionam soluções para aplicações de gravação/reprodução de dados e sinais mistos em alta velocidade. O usuário pode enviar sinais com taxa de transferência total (400 MB/s para o NI PXIe-5122 e 200MB/s para o NI PXIe-6537) para o processador através do barramento PCI Expresss que se encontra no painel traseiro do chassi PXI.
Transferência de Dados IF - Gravação/Reprodução em Alta Velocidade
Aplicações que possuem inteligência de sinal muitas vezes requerem a capacidade de envio através de freqüências intermediárias (IF ou FI) para o disco.
Utilizando o novo digitalizador NI PXIe-5122 com dois canais, 100MS/s, 100MHz, 14-bit com a nova solução Conduant PXIe-416 StreamStor, é possível adquirir e enviar o sinal IF diretamente ao disco rígido, desviando a memória e o processador do digitalizador. Com a solução StreamStor da Conduant, é possível conectar até quatro módulos NI PXIe-5122, cada um com 400MB/s de taxa de transferência dedicada e enviar os dados para quatro discos rígidos, cada um com 8TB de capacidade de armazenamento. Com esta estrutura, é possível enviar um total de 1.2 GB/s continuamente por 5,8 horas.
Se sua aplicação não requer transferência para um disco rígido, é possível enviar os dados do digitalizador através do barramento PCI Express a 400MB/s para o processador. Se for utilizado um processador multicore como o NI PXIe-8196, é possível utilizar o novo poder de processamento implementando um downconverter digital (conversor para freqüências menores). Devido ao paralelismo inerente e ao ambiente multithreaded do LabVIEW, a aplicação utiliza as potencialidades computacionais disponíveis nos dois núcleos. Na figura 1 damos uma idéia do ocorre.
Envio de seqüências digitais da memória do PC para o disco rígido
Muitas aplicações de alta velocidade, como interfaces de memórias, emulação de protocolos personalizados, teste de sensores e displays de imagem, requerem um envio de sinal personalizado da memória ou disco rígido do PC para o dispositivo que está sendo testado (DUT - Device Under Test).
Até a introdução do NI PCIe-6537/36, a memória contida do módulo de E/S digital era utilizada para armazenar formas/seqüências de ondas digitais e reproduzir o sinal da memória interna do módulo. A memória interna eleva o custo do sistema e também limita o tamanho da seqüência de teste.
Os dispositivos de E/S digital NI PXIe-6537/36 e NI PCIe-6537/36 solucionam estes dois problemas (custo e limitações do teste) para que seja possível enviar seqüências/formas de onda direto da memória ou do disco rígido do PC através do barramento PCI Express.
Estes módulos usam o link x1 do PCI Express, permitindo uma taxa de transferência de dados sustentável de 200 MB/s, que é a taxa máxima do módulo. No exemplo da figura 2, o módulo NI PXIe-6537 envia a seqüência digital de vídeo da memória do PC na taxa máxima de 200 MB/s através do barramento PCI Express para a unidade de display, um LCD é testado, a fim de garantir a qualidade de exibição do vídeo neste LCD.
Aplicações personalizadas com a Instrumentação 2.0
O PCI Express e os processadores multicore são duas das tecnologias mais novas que viabilizam a instrumentação 2.0, estes fornecem a capacidade de personalizar completamente as aplicações por software. O PXI e LabVIEW, que naturalmente aproveitam a tecnologia multicore, proporcionam uma plataforma única para melhorar sistemas de teste com as mais novas tecnologias para PC. Utilizando o PXI, é possível solucionar problemas de aplicações que antes só eram possíveis utilizando os sistemas de testes tradicionais proprietários e de alto custo.
Analisando a Instrumentação 2.0
Podemos comparar as instrumentações 1.0 e 2.0, de modo a percebermos melhor os avanços que obtemos com a nova tecnologia.
O Método Tradicional - Instrumentação 1.0
Com instrumentos tradicionais autônomos, se a largura de banda do sinal for maior que a do barramento (BWsignal> BWbus), é necessário expandir a memória e/ou processadores internos, que possuem um alto custo. Por esta razão que as medições são implementadas em firmware dentro do instrumento no método tradicional.
Somente as medições finais, conforme definido pelo fabricante, são enviadas para o PC, e geralmente os dados puros não são enviados para executar processamento de sinais ou medições personalizadas. Na figura 3 mostramos o que ocorre.
Arquitetura para Instrumentação Redefinida
A alta taxa de transferência do barramento PCI Express cria uma mudança no paradigma da instrumentação. Para a maioria dos instrumentos, a largura de banda do barramento excede a largura de banda do sinal (BWbus> BWsignal), não sendo possível enviar a forma de onda inteira pelo barramento PCI Express. Obviamente o processador precisa conseguir acompanhar o fluxo de dados enviados.
Os processadores multicore prometem fornecer a capacidade de processamento necessária para um conjunto de aplicações cada vez mais abrangentes. Este método mostra a necessidade óbvia de processamento de sinais e memórias internas na maioria das aplicações. A capacidade real desta arquitetura redefinida está no fato que agora é possível personalizar completamente as aplicações, juntamente com a capacidade de obter os resultados finais, conforme sugere a figura 4.
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