Redes vs Buses: Guía Clara del Cableado en Sistemas Digitales

Los cables entre el tanque y la ubicación de monitoreo se llaman bus o red. La distinción entre estos dos términos es más semántica que técnica, y pueden usarse indistintamente para todos los propósitos prácticos. En mi experiencia, el término "bus" se usa usualmente referido a un conjunto de cables que conectan componentes digitales dentro del gabinete de un dispositivo computacional, y "red" para algo físicamente más extendido.

En años recientes, sin embargo, la palabra "bus" ha ganado popularidad describiendo redes que se especializan en interconectar sensores de instrumentación discretos sobre largas distancias ("Fieldbus" y "Profibus" son dos ejemplos). En cualquier caso, nos referimos al medio mediante el cual dos o más dispositivos digitales se conectan para que los datos puedan comunicarse entre ellos.

Nombres como "Fieldbus" o "Profibus" abarcan no solo el cableado físico del bus o red, sino también los niveles de voltaje especificados para comunicación, sus secuencias de temporización (especialmente para transmisión serial), especificaciones de pinout de conectores, y todas las demás características técnicas distintivas de la red.

En otras palabras, cuando hablamos de un cierto tipo de bus o red por nombre, en realidad hablamos de un estándar de comunicaciones, aproximadamente análogo a las reglas y vocabulario de un lenguaje escrito. Por ejemplo, antes de que dos o más personas puedan convertirse en corresponsales, deben poder escribirse en un formato común.

Tener simplemente un sistema de correo que entregue sus cartas no es suficiente. Si acuerdan escribirse en francés, acuerdan adherirse a las convenciones de conjunto de caracteres, vocabulario, ortografía y gramática especificadas por el estándar del idioma francés.

Del mismo modo, si conectamos dos dispositivos Profibus, podrán comunicarse solo porque el estándar Profibus ha especificado detalles importantes como niveles de voltaje, secuencias de temporización, etc. Simplemente tener cables entre múltiples dispositivos no basta para construir un sistema funcional (¡especialmente si los dispositivos fueron fabricados por diferentes fabricantes!).

Para ilustrar en detalle, diseñemos nuestro propio estándar de bus. Tomando el sistema crudo de medición de tanque de agua con cinco interruptores para detectar niveles variables de agua, y usando (al menos) cinco cables para conducir las señales a su destino, podemos sentar las bases del poderoso BogusBus:

 

 

El cableado físico del BogusBus consiste en siete cables entre el dispositivo transmisor (interruptores) y el dispositivo receptor (lámparas). El transmisor consiste en todos los componentes y conexiones de cableado a la izquierda de los conectores más a la izquierda (los símbolos "—>>—"). Cada símbolo de conector representa un elemento macho y hembra complementario. El cableado del bus consiste en los siete cables entre los pares de conectores.

Finalmente, el receptor y todo su cableado constituyente yace a la derecha de los conectores más a la derecha. Cinco de los cables de red (etiquetados 1 a 5) transportan los datos mientras que dos de esos cables (etiquetados +V y -V) proporcionan conexiones para fuentes de alimentación DC. Existe un estándar para los enchufes de conector de 7 pines, también. La disposición de pines es asimétrica para prevenir conexión "hacia atrás".

Para que los fabricantes reciban la impresionante certificación "BogusBus-compliant" en sus productos, deben cumplir las especificaciones establecidas por los diseñadores de BogusBus (probablemente otra empresa, que diseñó el bus para una tarea específica y terminó comercializándolo para una amplia variedad de propósitos). Por ejemplo, todos los dispositivos deben poder usar la alimentación DC de 24 Voltios de BogusBus: los contactos del interruptor en el transmisor deben estar calificados para conmutar ese voltaje DC, las lámparas definitivamente deben estar calificadas para ser alimentadas por ese voltaje, y los conectores deben poder manejarlo todo.

El cableado, por supuesto, debe cumplir ese mismo estándar: lámparas 1 a 5, por ejemplo, deben cablearse a los pines apropiados para que cuando LS4 del transmisor del Fabricante XYZ cierre, la lámpara 4 del receptor del Fabricante ABC se encienda, y así sucesivamente. Dado que tanto transmisor como receptor contienen fuentes de alimentación DC calificadas a 24 Voltios de salida, todas las combinaciones transmisor/receptor (de todos los fabricantes certificados) deben tener fuentes de alimentación que puedan cablearse en paralelo de forma segura.

Considere lo que podría pasar si el Fabricante XYZ hiciera un transmisor con el lado negativo (-) de su fuente 24VDC conectado a tierra y el Fabricante ABC hiciera un receptor con el lado positivo (+) de su fuente 24VDC conectado a tierra. Si ambas tierras son relativamente "sólidas" (baja resistencia entre ellas, como podría ser si las dos tierras se hicieran en la estructura metálica de un edificio industrial), ¡las dos fuentes se cortocircuitarían!

BogusBus, por supuesto, es un ejemplo completamente hipotético y muy impracticable de una red digital. Tiene resolución de datos increíblemente pobre, requiere cableado sustancial para conectar dispositivos, y comunica solo en una dirección (de transmisor a receptor). Sin embargo, sirve como ejemplo tutorial de qué es una red y algunas consideraciones asociadas con selección y operación de redes.

Hay muchos tipos de buses y redes con los que podría encontrarse en su profesión. Cada uno tiene sus propias aplicaciones, ventajas y desventajas. Vale la pena familiarizarse con parte de la "sopa de letras" que se usa para etiquetar los diversos diseños:

Buses de corta distancia

PC/AT
Bus usado en computadoras IBM-compatibles tempranas para conectar dispositivos periféricos como unidades de disco y tarjetas de sonido a la placa base.

PCI
Otro bus usado en computadoras personales, no limitado a IBM-compatibles. Mucho más rápido que PC/AT. Tasa típica de transferencia de 100 Mbytes/segundo (32 bit) y 200 Mbytes/segundo (64 bit).

PCMCIA
Bus diseñado para conectar periféricos a computadoras portátiles y notebooks. Tiene "huella" física muy pequeña, pero es considerablemente más lento que otros buses PC populares.

VME
Bus de alto rendimiento (co-diseñado por Motorola, basado en el estándar Versa-Bus anterior de Motorola) para construir computadoras industriales y militares versátiles, donde múltiples tarjetas de memoria, periféricas e incluso microprocesadores podían enchufarse en un "rack" o "jaula de tarjetas" pasivo para facilitar diseños de sistemas personalizados. Tasa típica de transferencia de 50 Mbytes/segundo (64 bits de ancho).

VXI
Realmente una expansión del bus VME, VXI (VME eXtension for Instrumentation) incluye el bus VME estándar junto con conectores para señales analógicas entre tarjetas en el rack.

S-100
A veces llamado bus Altair, este estándar fue producto de una conferencia en 1976, destinado a servir como interfaz al chip microprocesador Intel 8080. Similar en filosofía al VME, donde múltiples tarjetas de función podían enchufarse en un "rack" pasivo, facilitando la construcción de sistemas personalizados.

MC6800
El equivalente de Motorola al bus S-100 centrado en Intel, diseñado para interconectar dispositivos periféricos al popular chip microprocesador Motorola 6800.

STD
Significa Simple-To-Design, y es otro "rack" pasivo similar al bus PC/AT, y se presta bien a diseños basados en hardware IBM-compatible. Diseñado por Pro-Log, es de 8 bits de ancho (paralelo), acomodando tarjetas de circuito relativamente pequeñas (4.5 pulgadas por 6.5 pulgadas).

Multibus I y II
Otro bus para diseño flexible de sistemas computacionales personalizados, diseñado por Intel. 16 bits de ancho (paralelo).

CompactPCI 

Adaptación industrial del estándar PCI de computadora personal, diseñado como alternativa de mayor rendimiento al bus VME antiguo. A velocidad de reloj de bus de 66 MHz, tasas de transferencia son 200 Mbytes/segundo (32 bit) o 400 Mbytes/seg (64 bit).

Microchannel
Otro bus, este diseñado por IBM para su desafortunada serie PS/2 de computadoras, destinado a interconectar placas base PC a dispositivos periféricos.

IDE
Bus usado principalmente para conectar discos duros de computadora personal con tarjetas periféricas apropiadas. Ampliamente usado en PCs actuales para interfaz de disco duro y unidad CD-ROM.

SCSI
Alternativa (técnicamente superior a IDE) bus para discos de computadora personal. SCSI significa Small Computer System Interface. Usado en algunos PCs IBM-compatibles, así como Macintosh (Apple), y muchas mini y mainframes empresariales. Interfaza discos duros, unidades CD-ROM, disquetes, impresoras, escáneres, módems y multitud de otros periféricos. Velocidades hasta 1.5 Mbytes por segundo para el estándar original.

GPIB (IEEE 488)
General Purpose Interface Bus, también conocido como HPIB o IEEE 488, destinado a interconectar equipos de prueba electrónicos como osciloscopios y multímetros a computadoras personales. "Camino" de dirección/datos de 8 bits con 8 líneas adicionales para control de comunicaciones.

Centronics parallel
Ampliamente usado en computadoras personales para interconectar impresoras y plotters. A veces usado para interconectar con otros periféricos, como unidades de disco ZIP (disquete 100 Mbyte) externas y unidades de cinta.

USB
Universal Serial Bus, destinado a interconectar muchos dispositivos periféricos externos (teclados, módems, ratones, etc.) a computadoras personales. Largo tiempo usado en Macs, ahora se instala como equipo nuevo en máquinas IBM-compatibles.

FireWire (IEEE 1394)
Red serial de alta velocidad capaz de operar a 100, 200, o 400 Mbps con características versátiles como "hot swapping" (añadir/quitar dispositivos con alimentación encendida) y topología flexible. Diseñado para interconexión de computadoras personales de alto rendimiento.

Bluetooth
Red de comunicaciones basada en radio diseñada para enlace de oficina de dispositivos computacionales. Provisiones para seguridad de datos diseñadas en este estándar de red.

 

Redes de distancia extendida

Bucle de corriente 20 mA
No confundir con el estándar analógico de instrumentación 4-20 mA común, esta es una red de comunicaciones digitales basada en interrumpir un bucle de corriente de 20 mA (o a veces 60 mA) para representar datos binarios. Aunque la baja impedancia da buena inmunidad al ruido, es susceptible a fallos de cableado (como roturas) que fallarían toda la red.

RS-232C
La red serial más común usada en sistemas computacionales, a menudo usada para enlazar dispositivos periféricos como impresoras y ratones a una computadora personal. Limitada en velocidad y distancia (típicamente 45 pies y 20 kbps, aunque velocidades más altas pueden lograrse con distancias más cortas). He podido correr RS-232 confiablemente a velocidades superiores a 100 kbps, ¡pero esto fue usando un cable de solo 6 pies! RS-232C a menudo se refiere simplemente como RS-232 (sin "C").

RS-422A/RS-485
Dos redes seriales diseñadas para superar algunas limitaciones de distancia y versatilidad de RS-232C. Usadas ampliamente en industria para enlazar dispositivos seriales en entornos de planta eléctricamente "ruidosos". Limitaciones de distancia y velocidad mucho mayores que RS-232C, típicamente más de media milla y velocidades acercándose a 10 Mbps.

Ethernet (IEEE 802.3)
Red de alta velocidad que enlaza computadoras y algunos tipos de dispositivos periféricos. Ethernet "Normal" corre a 10 millones bits/segundo, y Ethernet "Rápida" a 100 millones bits/segundo. Ethernet más lenta (10 Mbps) implementada en variedad de medios en cable cobre (coax grueso = "10BASE5", coax delgado = "10BASE2", par trenzado = "10BASE-T"), radio, y fibra óptica ("10BASE-F"). Fast Ethernet también implementado en varios medios (par trenzado, 2 pares = 100BASE-TX; par trenzado, 4 pares = 100BASE-T4; fibra óptica = 100BASE-FX).

Token ring
Otra red de alta velocidad enlazando dispositivos computacionales, usando filosofía de comunicación muy diferente de Ethernet, permitiendo tiempos de respuesta más precisos de dispositivos individuales de red, e inmunidad mayor a daño de cableado de red.

FDDI
Red de muy alta velocidad implementada exclusivamente en cableado de fibra óptica.

Modbus/Modbus Plus
Originalmente implementado por la corporación Modicon, gran fabricante de Controladores Lógicos Programables (PLCs) para enlazar racks remotos de E/S (Entrada/Salida) con un procesador PLC. Aún bastante popular.

Profibus
Originalmente implementado por la corporación Siemens, otro gran fabricante de equipos PLC.

Foundation Fieldbus
Bus de alto rendimiento expresamente diseñado para permitir que múltiples instrumentos de proceso (transmisores, controladores, posicionadores de válvulas) se comuniquen con computadoras anfitrionas y entre sí. Puede desplazar eventualmente la señal analógica 4-20 mA como medio estándar de interconectar instrumentación de control de proceso en el futuro.