人們經(jīng)常需要開發(fā)定制的儀器用于實驗或生產(chǎn)測試。早期的方法是通過 GPIB/IEEE-488 接口來連接儀器，并通過臺式電腦或工作站進(jìn)行控制。如今流行的則是 PXI 和 PXI Express 機(jī)架系統(tǒng)等更加模塊化的方法。然而，此類安裝可能很昂貴，尤其對于一次性測試或一次性堆疊更是如此。

為加快開發(fā)速度并降低定制儀器的成本，設(shè)計人員應(yīng)考慮具有充足板載模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 或數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 資源的單板儀器平臺，所有資源均由嵌入式處理器和配套的 FPGA 進(jìn)行控制。

本文將展示如何使用基于處理器/FPGA 的系統(tǒng)級模塊 (SoM) 以及附帶的開發(fā)工具來開發(fā)定制儀器。依托一個由社區(qū)支持的儀器設(shè)計開放市場，這種儀器開發(fā)方式可以避免開發(fā)硬件的需要，并可以開發(fā)出緊湊的低成本工具，用于開發(fā)多種類型的儀器。

儀器系統(tǒng)歷史簡述

在上世紀(jì) 50 年代之前，包括電壓計和示波器在內(nèi)的所有測試儀器都是模擬儀器。在加州德爾馬的 Non-Linear Systems (NLS) 于 1952 年使用步進(jìn)繼電器和精密電阻器開發(fā)出首個數(shù)字電壓計 (DVM) 后，這一情況開始發(fā)生變化。惠普公司 (HP) 攜一款定時器/計數(shù)器產(chǎn)品進(jìn)入數(shù)字儀器市場，該產(chǎn)品很快增加了一些雙斜率積分電路，演變?yōu)橐豢?DVM。

由于 NLS DVM 和 HP 數(shù)字測試設(shè)備驅(qū)動的是內(nèi)部數(shù)字顯示器，因此它們的讀數(shù)均采用二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制 (BCD) 表示法在內(nèi)部提供。這些 BCD 信號可以輕松輸出到儀器后面板上的連接器。最初，這些 BCD 信號驅(qū)動打印機(jī)來記錄儀器讀數(shù)。

此外，上世紀(jì) 50 年代陸續(xù)出現(xiàn)的許多數(shù)字儀器可以在外部編程，使用不同的測量設(shè)置，例如測量范圍等。編程是通過連接到遠(yuǎn)程開關(guān)或繼電器，并最終連接到外部邏輯電路的后面板連接進(jìn)行的。每個儀器具有不同的讀數(shù)格式和編程要求，導(dǎo)致儀器自動化方面陷入無序競爭的“巴別塔”情形。上世紀(jì) 60 年代，在將計算機(jī)作為儀器控制器引入該局面后，問題變得愈加復(fù)雜，主要的原因在于，每個儀器都需要不同的獨特連線方案。

這一形勢促使 HP 在 60 年代中期開始考慮標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字儀器接口。經(jīng)過八年的深思熟慮和解決方案開發(fā)，HP 工程師在 1972 年 10 月刊“HP 雜志”中，面向全世界推出了 HP 接口總線 (HPIB)。HPIB 激發(fā)了“機(jī)架堆疊式”儀器系統(tǒng)的開發(fā)，在此類系統(tǒng)中，可將來自眾多不同供應(yīng)商的不同儀器類型彼此進(jìn)行互連并連接到儀器控制器。最終，HPIB 演化為 IEEE-488，至今仍在廣泛使用。

業(yè)界從 HPIB 系統(tǒng)汲取了很多自動化儀器知識，但測試要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了這類系統(tǒng)所能提供的性能。機(jī)架堆疊式系統(tǒng)主要通過將現(xiàn)有的測試設(shè)備與前面板控制裝置搭配使用構(gòu)建而成。這些儀器的主要目的是手動用作獨立儀器。前面板控制裝置和顯示器增加了這些儀器的成本，而關(guān)于手動控制的測試設(shè)備所需的測量速度的假設(shè)，導(dǎo)致獨立儀器無法滿足許多自動化測試系統(tǒng)的需求。

儀器演變?yōu)橥耆珨?shù)字化后，摩爾定律確保了測試設(shè)備變得速度更快且成本更低。兩種趨勢均有利于自動化測試，并最終讓昂貴的前面板成為歷史。為什么儀器的前面板總要置于計算機(jī)的控制之下呢？

這一問題的答案即成為儀器演變的下一步：PXI（PCI 儀器擴(kuò)展）總線。此標(biāo)準(zhǔn)于 1997 年推出，并且基于因 PC 而無處不在的 PCI 接口標(biāo)準(zhǔn)。隨后，基于 PCIe 接口標(biāo)準(zhǔn)的 PXI Express 于 2005 年推出。PXI 和 PXI Express 支持的數(shù)據(jù)速率遠(yuǎn)高于 HPIB，延遲也要低得多，因而促使速度快很多的測試系統(tǒng)得以開發(fā)。

PXI 或 PXI Express 機(jī)箱將為插入式模塊化儀器或 I/O 模塊提供電源、冷卻和通信總線，所有這些均由插入式控制器或外部計算機(jī)進(jìn)行控制。PXI 和 PXI Express 儀器模塊會插入這些機(jī)箱，而其小型前面板除了用于信號輸入和輸出的連接器外，基本不含其他任何內(nèi)容。PXI 和 PXI Express 系統(tǒng)與通過 HPIB 互連的機(jī)架堆疊式系統(tǒng)相比，速度快得多而且價格往往更便宜；但相對而言，它們?nèi)员容^昂貴，因為它們具有良好的模塊化功能，而模塊化總需要一定的成本。

儀器依然遵循摩爾定律

摩爾定律的持續(xù)發(fā)展意味著儀器的持續(xù)變化。隨著整個板級系統(tǒng)逐漸濃縮成 SoC 和少量存儲器及支持芯片，開發(fā)出適合小型電路板的完整儀器系統(tǒng)也成為可能。例如：Red Pitaya 開放式儀器平臺就是 Trenz Electronic 的 Red Pitaya STEMlab 入門套件 125-14 的一部分（圖 1）。

圖 1：27761 Red Pitaya 開放式儀器平臺結(jié)合了可用于開發(fā)定制儀器的多種模擬和數(shù)字輸入和輸出。（圖片來源：Red Pitaya）

Red Pitaya 板基于 Xilinx Zynq Z-7010 SoC，并具有以下儀器輸入和輸出：

• 兩路 14 位、125 Ms/s 快速模擬輸入

• 兩路 14 位、125 Ms/s 快速模擬輸出

• 四路 12 位、100 Ks/s 慢速模擬輸入

• 四路 12 位、100 Ks/s 慢速模擬輸出

• 16 個數(shù)字 I/O 引腳

Red Pitaya 板還具有一個 1 Gb 以太網(wǎng)端口和一個 USB 2.0 端口。USB 端口還可以插接一個用于無線操作的 Wi-Fi 適配器。

Zynq Z-7010 SoC 在芯片上集成了兩個 Arm® Cortex®-A9 處理器和大量 FPGA 結(jié)構(gòu)。處理器執(zhí)行包括 Red Pitaya 的嵌入式 Linux OS 在內(nèi)的軟件任務(wù)，F(xiàn)PGA 則為 Red Pitaya 的板載外設(shè)提供實時控制和接口。由于同時擁有 FPGA 和 CPU，開發(fā)人員可以分別為其分配最合適的信號處理任務(wù)，以獲得最佳性能。FPGA 可以處理超快的硬實時任務(wù)，而 CPU 則擅長執(zhí)行任意復(fù)雜度的程序，但速度較慢。CPU 還適合運(yùn)行 Linux 等標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)、交互式用戶界面和 Web 服務(wù)器。

27761 套件包括一個用于最新 Red Pitaya 軟件的 SD 卡、一個電源和一根以太網(wǎng)電纜。軟件可以從 Red Pitaya 網(wǎng)站下載。它為 Red Pitaya 板提供了嵌入式 Linux OS 和 Web 界面，以及四種初始儀器配置：示波器、信號發(fā)生器、頻譜分析儀和波特分析儀。

Red Pitaya 站點用作操作 Red Pitaya 開放式儀器平臺的主界面。該網(wǎng)頁可以下載并運(yùn)行預(yù)先配置的儀器。它還能啟動 Red Pitaya 的編程模式之一，包括極簡單的可視化編程模式，該模式使用拖放式符號，通過圖標(biāo)以圖形方式組裝程序，然后將程序自動轉(zhuǎn)換為 Python。可以彈出根據(jù)編程示意圖創(chuàng)建的 Python 代碼。

其他用于 Red Pitaya 開放式儀器平臺編程的替代方案包括 Jupyter 筆記本（同樣基于 Python）和 C。想要為 Red Pitaya 開發(fā)自己的 FPGA 配置的開發(fā)人員，可以使用 Xilinx Vivado 工具套件。

Red Pitaya 的標(biāo)準(zhǔn)軟件還支持 SCPI（可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令，發(fā)音為“skippy”），該儀器控制協(xié)議最初定義為 IEEE-488 之上的額外層，并用作業(yè)內(nèi)許多供應(yīng)商的許多儀器的控制協(xié)議。SCPI 與硬件接口無關(guān)，并且僅包含 ASCII 字符串。各種儀器編程應(yīng)用都能使用 SCPI 命令來控制 Red Pitaya，包括 MathWorks 的 MATLAB、National Instruments 的 LabVIEW、Scilab 和 Python。

Red Pitaya 硬件平臺和配套的軟件開發(fā)工具可作為開發(fā)低成本、高性能儀器系統(tǒng)的基礎(chǔ)，Red Pitaya Marketplace 市場平臺則可作為 Red Pitaya 平臺儀器應(yīng)用開發(fā)人員的交流場所。該市場平臺目前開發(fā)有 9 款儀器應(yīng)用，包括：

• PID（比例積分微分）控制器

• 網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀

• 軟件無線電

• RadioBox，一款集成的射頻接收器和發(fā)射器

• DSP 工作臺，用于為物理系統(tǒng)建模

• 頻率響應(yīng)分析儀

• 用于測量磁場的特拉斯計

• 阻抗分析儀

• 多通道脈沖高度分析儀

Red Pitaya Bazaar 包含更多由 Red Pitaya 用戶社區(qū)編寫的儀器應(yīng)用，其中包括多種示波器和信號發(fā)生器、功率分析儀以及阻抗分析儀（圖 2）。

圖 2：Red Pitaya 鋁外殼為 Red Pitaya 板提供了物理保護(hù)，并為板載的 Zynq Z-7010 SoC 提供了散熱功能。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

Red Pitaya 的配件包括：

• Trenz Electronic Red Pitaya 鋁外殼

• Trenz Electronic 電子校準(zhǔn)診斷套件

Red Pitaya 鋁外殼為 Red Pitaya 板提供了物理保護(hù)，并為板載的 Zynq Z-7010 SoC 提供了散熱功能。

Trenz Electronic 校準(zhǔn)診斷套件包括鋁外殼，并增加了 Wi-Fi 適配器、用于 Red Pitaya 數(shù)字 I/O 線路的擴(kuò)展外殼、儀器探頭、電纜、連接器，以及用于各種 Red Pitaya 端口的適配器（圖 3）。

圖 3：電子校準(zhǔn)診斷套件包括多種 Red Pitaya 配件，其中包括外殼、電纜和一個 Wi-Fi 適配器。（圖片來源：Digi-Key Electronics）