Introducción a la comunicación digital

En el diseño de sistemas digitales grandes y complejos, a menudo es necesario que un dispositivo comunique información digital desde y hacia otros dispositivos. Una ventaja de la información digital es que tiende a ser mucho más resistente a los errores transmitidos e interpretados que la información simbolizada en un medio analógico.

Esto explica la claridad de las conexiones telefónicas codificadas digitalmente, los discos de audio compactos y gran parte del entusiasmo de la comunidad de ingenieros por la tecnología de comunicaciones digitales. Sin embargo, la comunicación digital tiene sus propias trampas únicas, y existen multitud de formas diferentes e incompatibles en las que se puede enviar.

Con suerte, este capítulo lo iluminará sobre los conceptos básicos de la comunicación digital, sus ventajas, desventajas y consideraciones prácticas.

Supongamos que se nos encomienda la tarea de controlar de forma remota el nivel de un tanque de almacenamiento de agua. Nuestro trabajo es diseñar un sistema para medir el nivel de agua en el tanque y enviar esta información a un lugar distante para que otras personas puedan monitorearlo.

Medir el nivel del tanque es bastante fácil y se puede lograr con varios tipos diferentes de instrumentos, como interruptores de flotador, transmisores de presión, detectores de nivel ultrasónicos, sondas de capacitancia, galgas extensométricas o detectores de nivel por radar.

Ejemplo de comunicación analógica

Por el bien de esta ilustración, usaremos un dispositivo de medición de nivel analógico con una señal de salida de 4-20 mA. 4 mA representa un nivel de tanque de 0%, 20 mA representa un nivel de tanque de 100% y cualquier valor entre 4 y 20 mA representa un nivel de tanque proporcionalmente entre 0% y 100%.

Si quisiéramos, simplemente podríamos enviar esta señal de corriente analógica de 4-20 miliamperios a la ubicación de monitoreo remoto por medio de un par de cables de cobre, donde conduciría un medidor de panel de algún tipo, cuya escala fue calibrada para reflejar la profundidad del agua en el tanque, en las unidades de medida preferidas.

Este sistema de comunicación analógica sería simple y robusto. Para muchas aplicaciones, sería suficiente para nuestras necesidades a la perfección. Pero, no es el único forma de hacer el trabajo.

Con el fin de explorar las técnicas digitales, exploraremos otros métodos para monitorear este tanque hipotético, aunque el método analógico que acabamos de describir podría ser el más práctico.

El sistema analógico, por simple que sea, tiene sus limitaciones. Uno de ellos es el problema de la interferencia de señales analógicas. Dado que el nivel del agua del tanque está simbolizado por la magnitud de la corriente continua en el circuito, cualquier "ruido" en esta señal se interpretará como un cambio en el nivel del agua.

Sin ruido, un gráfico de la señal actual a lo largo del tiempo para un nivel de tanque constante del 50% se vería así:

Si los cables de este circuito están dispuestos demasiado cerca de los cables que transportan energía de CA de 60 Hz, por ejemplo, el acoplamiento inductivo y capacitivo puede crear una señal de "ruido" falsa que se introducirá en este circuito de CC de otro modo.

Aunque la baja impedancia de un bucle de 4-20 mA (250 Ω, típicamente) significa que los voltajes de ruido pequeños se cargan significativamente (y por lo tanto se atenúan por la ineficiencia del acoplamiento capacitivo / inductivo formado por los cables de alimentación), dicho ruido puede ser significativo suficiente para causar problemas de medición:

El ejemplo anterior es un poco exagerado, pero el concepto debe ser claro: cualquiera El ruido eléctrico introducido en un sistema de medición analógico se interpretará como cambios en la cantidad medida.

Una forma de combatir este problema es simbolizar el nivel del agua del tanque mediante una señal digital en lugar de una señal analógica. Podemos hacer esto de manera muy cruda reemplazando el dispositivo transmisor analógico con un conjunto de interruptores de nivel de agua montados a diferentes alturas en el tanque:

Cada uno de estos interruptores está cableado para cerrar un circuito, enviando corriente a las lámparas individuales montadas en un panel en la ubicación de monitoreo. A medida que se cerraba cada interruptor, se iluminaba su respectiva lámpara y quien miraba el panel veía una representación de 5 lámparas del nivel del tanque.

Dado que cada circuito de lámpara es de naturaleza digital, ya sea 100% encendido o 100% de descuento —La interferencia eléctrica de otros cables a lo largo del recorrido tiene un efecto mucho menor en la precisión de la medición en el extremo de monitoreo que en el caso de la señal analógica.

Un enorme Se necesitaría una gran cantidad de interferencia para que una señal de "apagado" se interprete como una señal de "encendido" o viceversa. La resistencia relativa a la interferencia eléctrica es una ventaja de la que disfrutan todas las formas de comunicación digital sobre la analógica.

Ahora que sabemos que las señales digitales son mucho más resistentes a los errores inducidos por el "ruido", mejoremos este sistema de medición del nivel del tanque. Por ejemplo, podríamos aumentar la resolución de este sistema de medición de tanques agregando más interruptores, para una determinación más precisa del nivel del agua.

Supongamos que instalamos 16 interruptores a lo largo de la altura del tanque en lugar de cinco. Esto mejoraría significativamente la resolución de nuestra medición, pero a costa de aumentar en gran medida la cantidad de cables que se deben tender entre el tanque y la ubicación de monitoreo.

Una forma de reducir este gasto de cableado sería usar un codificador de prioridad para tomar los 16 interruptores y generar un número binario que representa la misma información:

Ahora, solo se necesitan 4 cables (más los cables de tierra y de alimentación necesarios) para comunicar la información, a diferencia de los 16 cables (más los cables de tierra y de alimentación). En la ubicación de monitoreo, necesitaríamos algún tipo de dispositivo de visualización que pudiera aceptar los datos binarios de 4 bits y generar una pantalla fácil de leer para que la vea una persona.

Un decodificador, cableado para aceptar los datos de 4 bits como su entrada y encender lámparas de salida de 1 de 16, podría usarse para esta tarea, o podríamos usar un circuito de decodificador / controlador de 4 bits para manejar algún tipo de dígito numérico mostrar.

Aún así, una resolución de 1/16 de altura del tanque puede no ser lo suficientemente buena para nuestra aplicación. Para resolver mejor el nivel del agua, necesitamos más bits en nuestra salida binaria. Podríamos agregar aún más conmutadores, pero esto se vuelve poco práctico con bastante rapidez.

Una mejor opción sería volver a conectar nuestro transmisor analógico original al tanque y convertir electrónicamente su salida analógica de 4-20 miliamperios en un número binario con muchos más bits de los que sería práctico usando un conjunto de interruptores de nivel discretos.

Dado que el ruido eléctrico que estamos tratando de evitar se encuentra a lo largo del largo recorrido del cable desde el tanque hasta la ubicación de monitoreo, esta conversión A / D puede tener lugar en el tanque (donde tenemos una señal "limpia" de 4-20 mA ). Existe una variedad de métodos para convertir una señal analógica en digital, pero nos saltaremos una discusión en profundidad de esas técnicas y nos concentraremos en la comunicación de la señal digital en sí.

El tipo de información digital que se envía desde la instrumentación de nuestro tanque a la instrumentación de monitoreo se denomina paralelo Información digital. Es decir, cada bit binario se envía a lo largo de su propio cable dedicado, de modo que todos los bits llegan a su destino simultáneamente.

Obviamente, esto requiere el uso de al menos un cable por bit para comunicarse con la ubicación de monitoreo. Podríamos reducir aún más nuestras necesidades de cableado enviando los datos binarios a lo largo de un solo canal (un cable + tierra), de modo que cada bit se comunique uno a la vez. Este tipo de información se denomina serial datos digitales.

Podríamos usar un multiplexor o un registro de desplazamiento para tomar los datos en paralelo del convertidor A / D (en el transmisor del tanque) y convertirlos en datos en serie. En el extremo receptor (la ubicación de monitoreo) podríamos usar un demultiplexor u otro registro de desplazamiento para convertir los datos seriales en paralelo nuevamente para usarlos en los circuitos de visualización.

Los detalles exactos de cómo se mantienen sincronizados los pares de registro de desplazamiento o mux / demux es, como la conversión A / D, un tema para otra lección. Afortunadamente, existen chips IC digitales llamados UART (receptores-transmisores asíncronos universales) que manejan todos estos detalles por sí mismos y simplifican la vida del diseñador.

Por ahora, debemos seguir centrando nuestra atención en el asunto que nos ocupa:cómo comunicar la información digital desde el tanque a la ubicación de monitoreo.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de comunicación digital