iDDS - Antecedentes y descripción general

El servicio de distribución de datos, o DDS, proporciona la columna vertebral del modelo iDDS. DDS es un estándar de Object Management Group (OMG) que define un sistema, una interfaz de programación de aplicaciones y un protocolo de cable para comunicaciones de red. DDS fue diseñado específicamente para cumplir con los requisitos de rendimiento y calidad de servicio de sistemas embebidos y en tiempo real. Se ha adoptado en el internet de las cosas (IoT), aplicaciones de tiempo crítico y arquitecturas críticas en múltiples industrias. La estampa de tiempo de la fuente iDDS reduce los efectos negativos de latencia debido a un diseño de red no óptimo, ya que los datos pueden alinearse en el tiempo al momento del procesamiento.

^{Figura 1: Arquitectura iDDS}

La red DDS está gestionada por un servicio de middleware. El software middleware está disponible en RTI, Twin Oaks u OpenDDS. Middleware pre-asigna recursos en la red DDS para minimizar la asignación dinámica de recursos y reducir la necesidad de realizar múltiples copias de datos.

iDDS agrega definiciones de datos a DDS, específicas para la instrumentación, incluyendo los siguientes elementos:

• Metadatos del canal—Esto permite que los instrumentos anuncien el tipo de datos, las unidades de ingeniería y otra información para que los servicios del suscriptor puedan procesar los datos sin un conocimiento específico del dispositivo de publicación.
• Estampa de tiempo del protocolo de temporización de precisión IEEE 1588—IEEE 1588 proporciona sincronización de tiempo a los relojes de los dispositivos a través de la misma conexión física que la red Ethernet. Los instrumentos compatibles con iDDS incluyen la estampa de tiempo con los datos que proporcionan "estampa de tiempo en la fuente". Se requiere un generador de temporización para actuar como el reloj maestro del sistema.
• Sistema de configuración—Los ingenieros de medidas utilizan el sistema de configuración para planificar las medidas que se realizarán y para definir rangos de medidas, velocidades, calibración y otra información importante de las pruebas. 
• Monitoreo del estado del sistema—Este monitoreo ayuda a los ingenieros a rastrear los datos de uso en el sistema, parámetros o fallas de hardware; y proporciona una manera de continuar ejecutándose sin parámetros.

La red iDDS se compone por nodos. Los editores son nodos de la red que generan datos en la red. Los suscriptores consumen esos datos. Los nodos pueden conectarse a través de la red con cualquier otro nodo de la red, y cualquier nodo puede suscribirse a cualquier parámetro. 

Los dominios de DDS se asignan a direcciones de multidifusión. La segregación de la red se puede manejar con una infraestructura de red estándar. Esto hace que el sistema sea escalable a una variedad de tipos de instalaciones, desde experimentos sencillos de laboratorio hasta grandes celdas de pruebas. Las pruebas han demostrado que se pueden publicar más de 10,000 parámetros en la misma red.

^{Figura 2: Arquitectura multi-dominio}

En este ejemplo, la red en tiempo real no tiene división física, por lo que cualquier nodo puede conectarse a cualquier enrutador. Cualquier problema en la red del sistema se aislaría para que no interfiera con la red en tiempo real. Los dominios pueden estar asociados por tipo de datos, por ejemplo, baja velocidad, alta velocidad y control.

El servidor de configuración administra la red en general. Publica los datos de configuración específicos de la red principal requeridos por los nodos. El servidor de configuración envía un archivo de configuración al nodo y el nodo almacena el archivo para mantener la configuración.

iDDS se desarrolló en respuesta a los sistemas monolíticos de un solo proveedor desarrollados a principios del 2000. Estos sistemas minimizan el riesgo de problemas con la interoperabilidad entre los distintos proveedores, pero los clientes se dieron cuenta de que estos sistemas eran difíciles de modificar o mantener con el tiempo, especialmente a medida que el hardware se volvía obsoleto. 

iDDS pone los datos en primer lugar utilizando un modelo centrado en datos. Esto abstrae los datos de cualquier característica específica del instrumento, proporcionando el beneficio de interoperabilidad delos diferentes proveedores. Esto simplifica el intercambio de dispositivos de hardware para garantizar que ningún sistema se vuelva dependiente de un solo proveedor o dispositivo. 

La arquitectura de iDDS proporciona estos beneficios a los sistemas de medidas:

• Interoperabilidad—Los ingenieros pueden crear sistemas con nodos de editores y suscriptores de diferentes proveedores, para maximizar el rendimiento de cada módulo en el sistema de manera independiente.
• Intercambiabilidad—Los ingenieros pueden intercambiar módulos con otro con la misma interfaz con mínimo esfuerzo. Esto permite a los ingenieros actualizar los componentes del sistema sin afectar al resto del sistema, proporcionando un camino hacia sistemas de mayor duración, incluso cuando los componentes no están disponibles.
• Arquitectura flexible—Los ingenieros pueden organizar los módulos para cumplir con las necesidades exactas de cada prueba sin hacer cambios importantes en otros módulos o en la arquitectura.
• Escalabilidad. Esta arquitectura puede acomodar arquitecturas desde docenas de parámetros hasta más de 10,000 parámetros, utilizando los mismos bloques de construcción.
• Acoplamiento suelto—Los módulos del sistema pueden compartir datos y comunicarse sin un conocimiento específico de otros sistemas. Esto minimiza el esfuerzo de rediseño y configuración en el sistema en general. 
• Soporte para todos los sistemas de capacidad (es decir, CPU de alto y bajo rendimiento)—Los ingenieros pueden seleccionar desde CPU de bajo rendimiento en acondicionamiento de señales hasta CPU de alto rendimiento en servidores, dependiendo de las necesidades de la prueba.
• Granularidad a un solo parámetro de medida—Los ingenieros pueden configurar el sistema para transmitir y recibir datos en tiempo real hasta un solo parámetro de datos. Esto permite que las aplicaciones de nodo manejen solo los parámetros que necesitan de una manera centrada en los datos.
• Datos con estampa de tiempo lo más cerca posible de la fuente—Los datos de medidas se etiquetan con una hora correspondiente desde una sola fuente para permitir la correlación de datos de diferentes sistemas hasta la velocidad de muestreo de datos más rápida.
• Resumen de operaciones específicas del subsistema—Los ingenieros pueden emitir comandos para operar (por ejemplo, "cero", "calibrar") en un parámetro de medida en lugar de dirigirse a un canal en particular en un dispositivo en particular.

Juntos, estos beneficios brindan al diseñador del sistema de pruebas la flexibilidad de administrar un sistema que maximiza el rendimiento por medida, aumenta la vida útil del sistema, reduce el costo general del sistema y minimiza el riesgo a largo plazo de obsolescencia del sistema. 

La mayoría de las herramientas iDDS de hoy en día se ejecutan en plataformas Linux. NI los ha probado con éxito en NI Linux Real-Time con dispositivos CompactRIO y PXI. 

En las pruebas de NI, adquirimos datos utilizando llamadas de NI-DAQmx para adquirir los datos. Luego, los datos se empaquetaron según los estándares iDDS y se publicaron en la red iDDS.

^{Figura 3: Implementación de iDDS}

Usando esta arquitectura, los ingenieros de NI demostraron el cumplimiento con los sistemas iDDS que ejecutan miles de parámetros de datos de varios proveedores.

Para obtener más información sobre las implementaciones de iDDS en hardware de NI, comuníquese con soporte de NI.

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Referencias:

Externo: "Sistema de datos y ejecución de pruebas" – estandarización, flexibilidad y escalabilidad de un sistema de adquisición de datos en tiempo real, Neill Forrest (Rolls Royce)