Por Stuart Cording (para Mouser Electronics)
Con la llegada del Internet de las Cosas (IdC) y la Industria 4.0, los sistemas integrados tradicionales se han visto reforzados por la tecnología en la nube. La informática en tiempo real —como la que se emplea para controlar el brazo de un robot o una cinta transportadora— está conectada a servidores que recopilan y evalúan los datos de uso. La capacidad de almacenamiento prácticamente ilimitada y la enorme potencia de procesamiento permiten realizar tareas de mantenimiento predictivo, analizar el uso de la energía y otras evaluaciones de carácter general, cosa que antes era difícil de realizar a gran escala. Con frecuencia, estos sistemas utilizan tecnología de aprendizaje automático para analizar los datos y predecir las tendencias. Aunque gran parte de todo esto pueda parecer ciencia ficción, hay numerosos proyectos en curso dedicados a analizar los problemas técnicos. Un ejemplo es Audi que, junto con Ericsson, hizo una demostración del control de brazos robóticos en tiempo real, utilizando las prestaciones de la comunicación de máxima fiabilidad y de baja latencia (URLLC) del 5G para la automatización de fábricas.
El estudio de los emplazamientos para la conectividad inalámbrica
El tendido de cables de conectividad resulta caro y complicado, además de suponer que el punto de instalación de los equipos quede fijo. Esto contradice la tendencia actual de que la fabricación sea flexible, que contempla que la configuración de las fábricas se adapte a nuevos casos de uso y hace necesaria la conectividad inalámbrica. En otras aplicaciones, como los vehículos autónomos (AGV), la tecnología inalámbrica es la única opción. Antes de implantar estos sistemas, es recomendable estudiar el emplazamiento para poder entender debidamente el entorno de las telecomunicaciones. Aunque los operadores de telecomunicaciones proporcionan mapas de cobertura, la realidad sobre el terreno puede ser muy diferente, especialmente en el interior de un edificio.
Los equipos de pruebas como el Siretta SNYPER-LTE Spectrum (EU) ofrecen a los usuarios un analizador de espectros portátil de alto rendimiento que simplifica los estudios sobre el terreno (imagen 1). Dirigido a las redes móviles de la UE, el dispositivo viene en un práctico estuche para transportarlo y está perfectamente organizado mediante compartimentos de espuma. Además del analizador de espectros, el kit viene con un cargador de red y de coche para múltiples zonas y cables USB y RF. Incluye dos antenas cortas, una para uso general 4/3/2G y otra específica para 2600 MHz LTE. Una tercera antena direccional permite efectuar mediciones liveSCAN direccionales. Los usuarios tienen que disponer de una SIM activa con capacidad 4G para realizar las mediciones.
El SNYPER-LTE Spectrum puede efectuar estudios puntuales de una ubicación para obtener las características de la red, incluyendo la propiedad de la red y la intensidad de la señal. La batería incorporada permite hacer estudios individuales de 48 horas (en el caso de 20 estudios al día) o hasta 15 horas de funcionamiento continuo para un estudio liveSCAN. Además, el dispositivo tiene espacio para almacenar los resultados de 50 estudios.
Las mediciones liveSCAN se realizan a partir de estudios puntuales para generar análisis más detallados. El analizador de espectros puede llevarse por todo el edificio y se puede utilizar la antena estándar para determinar cuáles son las zonas con cobertura inalámbrica cuya intensidad es óptima. Al cambiar a la antena direccional, el usuario puede determinar la dirección con mayor intensidad de señal. A partir de estos datos, se establece la elección óptima de la antena y la ubicación de los equipos móviles inalámbricos. Los resultados aparecen en una pantalla o pueden descargarse en formatos delimitados por comas (CSV) y HTML para generar informes y documentación.
Imagen 1: el SNYPER-LTE Spectrum proporciona una amplia variedad de datos que facilitan la selección de la antena y la optimización de la ubicación de los equipos inalámbricos móviles.
El desarrollo de sistemas de prueba en banda L
Los frontales de RF de alta calidad combinados con un hardware configurable, como las FPGA, hacen que los complejos sistemas de pruebas de RF sean cada vez más sencillos de desarrollar utilizando sistemas de radio definida por software (SDR). La BittWare RFX-8440 es una tarjeta de captura de datos de sistema en chip de radiofrecuencia (RFSoC) para aplicaciones de banda L (1-2 Ghz) que se emplea en aplicaciones tan dispares como puedan ser el GPS, las telecomunicaciones, la aeronáutica o la astronomía.
La tarjeta de captura (imagen 2) combina un RFSoC Xilinx Zynq UltraScale+ ZU43 con un frontal analógico que cuenta con un acondicionamiento de señales de bajo nivel de ruido y ganancia variable (de -40 a 0 dBm) antes de las digitalizadoras. También hay configuraciones de frontales alternativas que amplían el rango de entrada hasta los 4 GHz. En total, hay cuatro CAD de 14 bits a 5 GSPS y cuatro CAD de 14 bits a 10 GSPS, a los que se suman señales de reloj, referencia y activación. Además de su lógica programable, el RFSoC cuenta con un Arm® Cortex®-A53 de cuatro núcleos y un Arm Cortex-R5 de dos núcleos. Aunque la tarjeta de captura incorpora PCIe, también puede utilizarse independientemente gracias a las interfaces Ethernet, USB y Display Link. Además, puede ampliarse a través del puerto OCulink de ocho canales con PCIe Gen4 x8, una conexión de almacenamiento NVMe o una red dual de 100 Gbit.
Imagen 2: la RFX-8440 es una tarjeta de captura de banda L extremadamente configurable y apta para realizar pruebas y mediciones de RF o aplicaciones de uso generalizado.
Generalmente, los sistemas de pruebas precisan conmutadores programables que permitan dirigir las señales de RF a los puertos correctos. El multiplexor de RF programable T3SP-D4MX-BUNDLE de Teledyne es un complemento de la tarjeta de captura BittWare con un ancho de banda de CC a 10 GHz y coincidencia de fase. El dispositivo se suministra con un par de cables de coincidencia de fase (±2 ps) de 20 cm (8 pulgadas) para las entradas y cuatro pares de cables de coincidencia de fase de 60 cm (24 pulgadas) codificados por colores para las salidas. Los dos canales disponen de conmutadores 1:4 y de una opción sin conexión que actúa como selección predeterminada cuando se enciende. El multiplexor puede controlarse a través de una interfaz USB 2.0 usando una DLL en C/C++, C# y Python, o integrarse en entornos de desarrollo como LabVIEW y MatLab. También hay una sencilla herramienta de software para el control manual (imagen 3). Cada canal proporciona 1000 millones de ciclos de conmutación gracias a los conmutadores de RF de sistemas microelectromecánicos (MEMS).
Imagen 3: el Teledyne T3SP-D4MX proporciona un multiplexor de dos canales, CC a 10 GHz 1:4, que puede controlarse a través de una DLL o la GUI WinD4MX.exe.
Preparándose para la nube
Por un lado, está claro que todavía siguen utilizándose muchas máquinas sin conexión que no están integradas en la nube. Sin embargo, dado que el análisis de datos permite optimizar la toma de decisiones, son muchos los fabricantes que pretenden adaptar las soluciones para la captura de datos «a posteriori». Con ocho canales de entradas analógicas, el DFRobot DAM-3918 puede utilizarse para compartir datos de sensores analógicos a través de su interfaz RS485 con aislamiento óptico mediante el protocolo Modbus RTU (imagen 4). Con una precisión de ±1 %, puede emplearse con transmisores y transductores de 2, 3 y 4 hilos (por ejemplo, 0-5 V, 4-20 mA). Cada canal de entrada de 12 bits puede configurarse independientemente, lo que permite 50 SPS para un solo canal, con una disponibilidad total de 400 SPS. La energía debe suministrarla una fuente de 18-30 VCC.
Imagen 4: el DFRobot DAM-3918 hace posible la adquisición de datos para equipos antiguos, lo que permite analizar los datos en la nube.
Los osciloscopios y la adquisición remota de datos
Los potentes ordenadores portátiles son muy comunes y los ingenieros de desarrollo los utilizan habitualmente, por lo que los fabricantes de equipos de pruebas y mediciones han lanzado una amplia gama de osciloscopios compactos de sobremesa que muestran las mediciones en la pantalla del ordenador. Esto les ofrece a los desarrolladores frontales analógicos de alto rendimiento a un coste mínimo, a la vez que integra una amplia gama de funciones avanzadas de análisis y decodificación de protocolos. El Analog Discovery Pro 3000 de Digilent es una de estas herramientas de medición y está disponible con 4 canales (ADP3450) y 2 canales (ADP3250) (imagen 5).
Además de las entradas analógicas de 14 bits y 0,5 GSPS, cuenta con 16 E/S digitales y una fuente de alimentación digital programable. Junto con el software WaveForms de Digilent, el Discovery Pro 3000 también dispone de generación de formas de ondas y analizador de espectros, y funciona como un analizador de redes, por citar unas pocas funciones. Cada instrumento puede controlarse utilizando un código escrito en JavaScript o a través del kit de desarrollo de software (SDK) WaveForms en C/C++, C#, Visual Basic o Python.
Una característica exclusiva es su modo Linux, que hace que la unidad funcione de forma autónoma y constituye una potente solución para pruebas de hardware. Combinado con el SDK WaveForms, este modo de uso a través de terminal permite crear y programar pruebas o aplicaciones personalizadas. Los resultados se transmiten a través de su interfaz Ethernet o se guardan en los amortiguadores de captura locales, que disponen de espacio para millones de puntos de datos.
Imagen 5: el Digilent Discovery Pro 3000, junto con el software WaveForms, proporciona la misma funcionalidad que 12 instrumentos de sobremesa.
Un espacio de trabajo más inteligente
Aunque los equipos de pruebas conectados a ordenadores portátiles ofrecen mucho en poco espacio, abarrotan el lugar de trabajo. También complican el acceso al ordenador para usar el correo electrónico, redactar informes y hacer las videollamadas de rigor. Smart Bench Essentials, de Keysight Technologies, es una familia de herramientas de pruebas y mediciones tradicionales y apilables con conectividad industrial, pantallas con un tamaño apropiado de 7 pulgadas (18 cm) y prestaciones para compartir mediciones.
La línea se compone de osciloscopios de dos y cuatro canales, un multímetro de 5½ dígitos, generadores de formas de onda arbitrarias de uno y dos canales y una fuente de alimentación programable con tres salidas (imagen 6). El kit apilable permite reducir al mínimo el espacio necesario en el lugar de trabajo. El software BenchVue permite registrar y analizar los datos. Sin embargo, su principal atractivo es el PathWave Lab Management Software, que permite a los administradores y educadores realizar un seguimiento de los equipos conectados a través de Ethernet por cable o wifi, realizar actualizaciones del firmware o disponer de las herramientas de medición a distancia a través de la nube.
Imagen 6: diseñado para funcionar y trabajar en equipo a distancia, el equipo de pruebas y mediciones Smart Bench Essentials de Keysight combina el funcionamiento tradicional con la conectividad en la nube.
Pruebas y mediciones para usar la nube
La conectividad en la nube sigue aumentando en los mercados dirigidos a los ingenieros, lo que requiere comprender el entorno inalámbrico sobre el terreno, enfoques de pruebas de RF avanzados y susceptibles de configurarse o soluciones que puedan habilitar en la nube equipos antiguos que todavía sean útiles. Gracias a su capacidad de ser programados, los osciloscopios sin pantalla pueden transformarse en herramientas para pruebas y registro de datos a distancia sumamente versátiles. Y también pueden transmitir sus mediciones a plataformas en la nube para analizarlas posteriormente. Por último, hasta los equipos para pruebas tradicionales de un instrumento por unidad disponen de una conectividad avanzada y potente para poder gestionar el laboratorio eficientemente, compartir las mediciones y controlarlo desde la nube. Parece que, se mire donde se mire, hay un método disponible para pruebas y mediciones en la nube.
