基于開(kāi)源硬件的口袋實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì)及應(yīng)用

馮超 高鳳連

摘要：測(cè)試測(cè)量?jī)x器是電工電子類實(shí)驗(yàn)課中不可缺少且經(jīng)常被學(xué)生使用的設(shè)備，但目前使用的測(cè)試測(cè)量設(shè)備大多價(jià)格昂貴，且不易攜帶，這大大限制了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的空間和時(shí)間，開(kāi)源硬件的可定制化口袋實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x器，只有信用卡大小，方便學(xué)生使用，真正做到了“口袋實(shí)驗(yàn)室”。

關(guān)鍵詞：Zynq；開(kāi)源硬件；測(cè)量?jī)x器

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）32-0274-02

一、引言

Red Pitaya是一個(gè)信用卡大小的開(kāi)源硬件板，包括FPGA、DSP、雙核ARM Cortex處理器、信號(hào)采集和生成電路、MicroSD卡、RJ-45以太網(wǎng)和USB等接口。通過(guò)軟件定制，該板可以作為基于Web的示波器、頻譜分析儀、信號(hào)發(fā)生器等多種測(cè)量?jī)x器來(lái)使用，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)測(cè)量?jī)x器設(shè)備的一個(gè)低成本替代方案。該開(kāi)源硬件支持Matlab、LabVIEW、Python和可視化編程語(yǔ)言。通過(guò)其他擴(kuò)展模塊，它可以作為性能強(qiáng)勁的微控制器，在復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景，如機(jī)器人中使用。本文介紹了基于Red Pitaya的測(cè)試測(cè)量?jī)x器的開(kāi)發(fā)和使用，并進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)來(lái)教授電子學(xué)的原理和應(yīng)用。結(jié)合可視化編程，提高了學(xué)生開(kāi)發(fā)的興趣，增強(qiáng)了設(shè)計(jì)成品的實(shí)用性。

二、設(shè)備介紹

電工和電子專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程中使用的測(cè)試和測(cè)量?jī)x器有多種。常用的儀器如表1所示：數(shù)字萬(wàn)用表（DMM）、示波器、信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析儀、邏輯分析儀、頻率分析儀、頻率計(jì)數(shù)器等。

可以看出，各種儀器設(shè)備的價(jià)格區(qū)間通常從入門級(jí)到專業(yè)級(jí)，隨著測(cè)量范圍、精度和性能等因素不同而有所不同。而所有的測(cè)試測(cè)量?jī)x器都具有相同點(diǎn)，例如，按鈕、開(kāi)關(guān)、旋鈕、顯示器等，并且通常都是獨(dú)立的儀器，價(jià)格較高?；赗ed Pitaya的開(kāi)源硬件是一個(gè)低成本替代方案，它可以軟件定義和實(shí)現(xiàn)多種測(cè)試測(cè)量工具。其開(kāi)發(fā)流程大致包括以下三個(gè)步驟：（1）將其連接到網(wǎng)絡(luò)并通過(guò)Web瀏覽器訪問(wèn)；（2）在Web瀏覽器中選擇所需的儀器作為虛擬儀器；（3）通過(guò)Web提供的圖形用戶界面類型虛擬按鈕、旋鈕和顯示器來(lái)控制所選擇的儀器。

三、硬件結(jié)構(gòu)

1.性能結(jié)構(gòu)。板上的核心包括ARM Cortex A9處理器和一個(gè)FPGA；512 MB的RAM存儲(chǔ)器；板載兩個(gè)高速模擬輸入接口，用于連接外部的待測(cè)量模擬信號(hào)。兩個(gè)模擬輸出端口，可以被配置成產(chǎn)生信號(hào)。此外，還支持I2C、RS-232、通用I/O等多種通信協(xié)議?？蛇\(yùn)行Linux操作系統(tǒng)。通常操作系統(tǒng)裝載在MicroSD卡上。同時(shí)該板配有以太網(wǎng)接口及USB 2.0端口。如表2所示。

2.開(kāi)發(fā)流程。Red Pitaya提供了高速的模擬輸入輸出，這是快速數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用所必需的，如數(shù)字濾波、頻譜分析等。兩個(gè)模擬輸入接口，信號(hào)帶寬為50MHz，采樣率為125MS/s，可實(shí)現(xiàn)中高頻信號(hào)的采集和處理。ADC的分辨率為14位，可實(shí)現(xiàn)微伏范圍的模擬信號(hào)的檢測(cè)和處理。在輸入電壓范圍為±20V時(shí)，電子實(shí)驗(yàn)室所用的大部分信號(hào)都能被捕獲。標(biāo)準(zhǔn)的SMA型連接器用于接口外部信號(hào)。它同時(shí)提供了可連接各種外部設(shè)備、傳感器的擴(kuò)展連接器，可以用于溫度測(cè)量、音頻信號(hào)處理和各種數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用等慢速數(shù)據(jù)處理場(chǎng)景。（1）Red Pitaya是一個(gè)基于Web的工具，并作為一個(gè)Web服務(wù)器，它可以通過(guò)以太網(wǎng)或者無(wú)線網(wǎng)絡(luò)適配器連接到Internet。使用者只需在Web瀏覽器中鍵入IP地址，就可以連接到Red Pitaya上。搭建Red Pitaya開(kāi)發(fā)環(huán)境包括以下三個(gè)主要步驟：下載Red Pitaya映像文件，選擇穩(wěn)定的操作系統(tǒng)版本，如red _piaya_os-stable.img.zip；解壓縮下載的文件，解壓后的鏡像文件名，如下：red _piaya_OS_V0.94-RC22_21-Dec-2015.img；SD卡插入PC，使用win32 Disk Imager工具，將鏡像文件制作成啟動(dòng)SD卡。（2）測(cè)試測(cè)量。啟動(dòng)PC或者其他智能終端等的Web瀏覽器并輸入地址：192.168.128.1，以連接到Red Pitaya。在Web終端選擇某一個(gè)測(cè)試測(cè)量?jī)x器設(shè)備搭建實(shí)驗(yàn)。此次實(shí)驗(yàn)中以數(shù)字示波器設(shè)備為例，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號(hào)，同時(shí)跟標(biāo)準(zhǔn)示波器進(jìn)行比較，如圖1所示。

四、課程內(nèi)容及使用情況

可視化編程為編寫應(yīng)用程序提供了一種簡(jiǎn)化的方法。Red Pitaya可視化編程不需要有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，即使是剛接觸編程的大一新生也可以開(kāi)發(fā)應(yīng)用，像樂(lè)高積木或拼圖游戲中的塊來(lái)創(chuàng)建應(yīng)用程序。

我們基于該開(kāi)源硬件，設(shè)計(jì)了若干擴(kuò)展模塊，如下表3所示，開(kāi)發(fā)了基于Red Pitaya可視化編程實(shí)驗(yàn)案例。

五、結(jié)語(yǔ)

本文介紹了基于開(kāi)源硬件的測(cè)量測(cè)試儀器的開(kāi)發(fā)及使用。Red Pitaya是一個(gè)功能強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)板，通過(guò)軟件定義儀器設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)多種電氣工程和電子實(shí)驗(yàn)室使用的測(cè)試和測(cè)量?jī)x器。與傳統(tǒng)的儀器不同，開(kāi)源硬件沒(méi)有旋鈕、開(kāi)關(guān)、按鈕或顯示器。它用作一種基于網(wǎng)絡(luò)的儀器，使用平板終端或筆記本進(jìn)行訪問(wèn)?；诖碎_(kāi)源硬件，結(jié)合可視化編程，可以方便學(xué)生隨時(shí)隨地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。