Red Pitaya - otwarte narzędzie sterująco-pomiarowe

Red Pitaya - otwarte narzędzie sterująco-pomiarowe
Pobierz PDF Download icon
W elektronice najwyraźniej zapanowała moda na owoce. Mamy już osiągający szczyty popularności malinowy komputerek, teraz przyszła kolej na egzotyczną pitaję. Owoc ten od dzisiaj równie dobrze będzie kojarzył się z niewielką, mieszczącą się na dłoni płytką, którą podobnie jak Raspberry Pi można zakwalifikować do uniwersalnych urządzeń o budowie open source. Czy osiągnie podobne uznanie użytkowników?

Fotografia 1. Zasoby płytki Red Pitaya

Red Pitaya - uniwersalne urządzenie pomiarowe i sterujące. Z domyślną aplikacją pełni funkcję oscyloskopu bez obudowy. Na płytce o wymiarach 95 mm×60 mm (107 mm×60 mm×21 mm z uwzględnieniem wszystkich elementów) mieści się cała elektronika tego niezwykłego urządzenia (fotografia 1).

Red Pitaya to nie tylko fizyczne urządzenie, które można położyć na biurku, to przede wszystkim złożony projekt, przy którym pracują setki inżynierów z całego świata. Bo choć płytkę Red Pitaya z niezbędnymi do pracy akcesoriami nabywa się drogą kupna, to rola nabywcy może być rozszerzana ze zwykłego użytkownika do współtwórcy wyrobu.

Przyjęcie koncepcji Open Source dla projektu drastycznie obniża koszt samego urządzenia, zbliża go do potrzeb użytkownika, choć odbija się też pewnymi niedoskonałościami wyrobu.

Co można zmieścić na małej płytce?

Tabela 1. Najważniejsze parametry techniczne oscyloskopu Red Pitaya

Pewnie niewielu Czytelników pamięta jeszcze stare oscyloskopy cyfrowe, które zajmowały pół biurka, z powodzeniem zastępowały kaloryfery ogrzewające pomieszczenie, miały mnóstwo trudnych do ogarnięcia przełączników. Dzisiaj na niewielkiej płytce Red Pitaya mieści się 2-kanałowy oscyloskop, 2-kanałowy generator funkcyjny/arbitralny, interfejsy: Ethernet USB, SPI, UART, I2C.

Całością zarządza układ FPGA z 2-rdzeniowym procesorem ARM Cortex A9 wspomaganym procesorem DSP. Procesor korzysta z 512-megabajtowej pamięci DDR3 SDRAM. Oprogramowanie urządzenia jest zapisywane na karcie microSD o maksymalnej pojemności 32 GB. Na płytce zamontowano dwa 26-pinowe złącza IDC z wyprowadzonymi portami procesora, liniami interfejsów komunikacyjnych i przetworników A/C i C/A.

Są też dwa złącza daisy chain. Dołączenie typowych oscyloskopowych sond pomiarowych z końcówkami BNC wymaga stosowania specjalnych przejściówek, na płytce zamontowano bowiem złącza SMA. Przejściówki takie znajdują się w zestawie wraz z sondami.

Układ jest zasilany zewnętrznym wtyczkowym zasilaczem sieciowym znajdującym się w komplecie. Warto też zastanowić się nad zakupem małego wentylatorka chłodzącego procesor, gdyż jego temperatura mimo zastosowanego radiatora jest w czasie pracy dość znaczna.

Komponenty nabywane na bazarze

Rysunek 2. Okno z domyślnymi aplikacjami obsługującymi płytkę Red Pitaya

Oprogramowanie urządzenia Red Pitaya może być rozszerzane o nowe, pojawiające się co pewien czas aplikacje użytkowe. Są one dostępne na specjalnie wydzielonej stronie http://bazaar.redpitaya.com. Aby aplikacje takie pobrać, trzeba jednak mieć status współpracownika (współtwórcy projektu). Nazwa bazar jest więc nieco myląca, nikt tu nie wykłada pieniędzy na straganach, nikt nie targuje się o cenę, a jedynym kosztem jest odrobina własnego wkładu pracy w rozwój wyrobu.

Należy jednak uspokoić użytkowników, którzy nie mają chęci lub możliwości dołączenia do projektu, a decydują się na zakup np. ze względu na 3 domyślne aplikacje: oscyloskop, analizator widma, oscyloskop + generator funkcyjny/ arbitralny. W chwili pisania artykułu na bazarowych straganach były też dostępne:

  • oscyloskop z procedurą kalibracji offsetu DC i funkcją śledzenia,
  • kalibrowany, 2-kanałowy oscyloskop/ generator z 2-kanałową wizualizacją sygnału w dziedzinie czasu,
  • wersja testowa 2-kanałowego analizatora widma,
  • narzędzia do projektów LTI DSP, czyli Red Pitaya jako symulator urządzeń cyfrowych,
  • analizator charakterystyk przejściowych (Uwy/Uwe=f(f)),
  • sterownik PID + oscyloskop.

Red Pitaya jest więc produktem przeznaczonym dla inżynierów i konstruktorów, którzy z pasją wykonują swój zawód. System ten pozwala realizować własne, nawet skomplikowane projekty. Dlatego chętnie jest wykorzystywany w różnych biurach i pracowniach konstrukcyjnych, umożliwia łączenie funkcji pomiarowych i sterujących. Na uwagę zasługuje niemała już społeczność Red Pitaya, która poprzez forum dyskusyjne może rozwijać sam produkt, a także dyskutować o jego zastosowaniach i możliwościach adaptacji istniejących już rozwiązań do własnych potrzeb.

Red Pitaya jako oscyloskop

Rysunek 3. Okno aplikacji oscyloskopu

Podstawową aplikacją Red Pitaya jest 2-kanałowy oscyloskop cyfrowy, którego najważniejsze parametry techniczne zestawiono w tabeli 1. Pewne zdziwienie może w pierwszej chwili wzbudzać dość nietypowa obsługa aplikacji, dla Red Pitaya przyjęto bowiem koncepcję wykorzystywania do tego celu przeglądarki internetowej. Ma to oczywiście swoje zalety, ale też wady.

Niewątpliwą zaletą jest możliwość uruchamiania aplikacji użytkowej na komputerze, tablecie, a nawet na smartfonie. Wadą są jednak pewne niewygody z tym związane. Pierwszą z nich jest konieczność prawidłowego skonfigurowania połączenia sieciowego, co mimo przyjaznych technologii może przysporzyć kłopotów osobom nie mającym doświadczenia w tej dziedzinie.

Rysunek 4. Okno konfiguracji czułości kanałów pomiarowych oscyloskopu

Po przebrnięciu tego etapu, wystarczy już tylko w zwykłej przeglądarce internetowej wpisać adres (domyślnie http://192.168.1.100), aby na ekranie ukazała się strona, z której uruchamiane są aplikacje użytkowe (rysunek 2). Omówienie rozpoczniemy od oscyloskopu 2-kanałowego. Już na wstępie należy zaznaczyć, że od oprogramowania open source raczej nie należy oczekiwać tego, czego wymaga się od programów komercyjnych.

Potwierdza się to niemal natychmiast po uruchomieniu aplikacji oscyloskopu. Na ekranie widzimy zaledwie kilka przycisków wpływających na pracę przyrządu (rysunek 3). Jednym z bardziej przydatnych jest przycisk AUTO, za pomocą którego automatycznie dobierane są nastawy oscyloskopu. Pozwala on wybrać zarówno podstawę czasu, jak i wzmocnienie kanałów pomiarowych.

Oprócz niego można korzystać również z przycisku Autoscale, którym dobierane jest tylko wzmocnienie kanałów. Niestety, czułości obu kanałów zawsze muszą być jednakowe, co utrudnia jednoczesną obserwację dużych i małych sygnałów.

Przed pierwszymi pomiarami należy odpowiednio do potrzeb (patrz tabela 1) wybrać zakres pracy przetworników A/C, co polega na ustawieniu zworek w pozycji LV lub HV. Ważne jest zgodne z tym ustawieniem wybranie opcji "Gain setting" w menu konfiguracyjnym oscyloskopu (rysunek 4).

Rysunek 5. a), b), c) - powiększanie oscylogramu funkcją Zoom, b) efekt uśredniania przebiegu

Układ akwizycji oscyloskopu pracuje w 3 trybach: Auto, Normal, Single, a wyzwalanie następuje tylko po wystąpieniu napięcia o określonym poziomie na zboczu narastającym lub opadającym. Nie jest to zbyt wiele, można jedynie mówić o podstawowych pomiarach.

Przydatnym narzędziem podczas pracy są lupy - powiększająca i zmniejszająca. Umożliwiają one wybranie dowolnego fragmentu przebiegu i wyświetlenie go w powiększeniu. Na rysunku 5 przedstawiono efekt działania funkcji Zoom, dodatkowo widoczny jest wpływ uśredniania na wygląd oscylogramu ("Average"). Jak widać, jest to operacja, która może być wykorzystywana np. do eliminacji szumów.

Testy płytki Red Pitaya wykazały, że występuje w niej widoczny, różny dla każdego kanału offset (rysunek 6). W dołączanej do płytki wersji programu nie można go skompensować. Nie można też przesuwać indywidualnie każdego przebiegu, co najwyżej oba jednocześnie.

Jest to poważna niedogodność podczas wykonywania pomiarów. Brakuje również pomiarów kursorowych, co można usprawiedliwiać jedynie otwartym charakterem oprogramowania. Pomiary automatyczne są natomiast ograniczone tylko do podstawowych parametrów (rysunek 7), w których brakuje wartości skutecznej. Reasumując - oprogramowanie standardowe oscyloskopu nadaje się praktycznie tylko do obserwacji przebiegów. Bardziej profesjonalnych rozwiązań należy więc szukać w wersjach bazarowych software'u.

Red Pitaya jako generator

W standardowym oprogramowaniu płytki Red Pitaya znajduje się aplikacja łącząca funkcje oscyloskopu i generatora. Część oscyloskopowa jest identyczna z omówioną wcześniej, generator natomiast, od strony funkcjonalnej jest to stosunkowo proste urządzenie wykorzystujące jednak możliwości zasobów płytki (np. 12-bitowe przetwarzanie, generacja 50-megahercowej sinusoidy).

Rysunek 6. Widoczny offset występujący w obu kanałach bez ich kalibracji

Rysunek 7. Okno wyników pomiarów automatycznych

Dostępne są dwa niezależne wyjścia, na których można generować sinusoidę, prostokąt i piłę. Istnieje ponadto opcja generacji przebiegów, których kształty są zapisane w plikach CSV. Można zatem uznać, że mamy do czynienia z generatorem arbitralnym. Przygotowany np. w Excelu przebieg jest wczytywany do pamięci, a następnie generowany na płytce Red Pitaya (rysunek 8).

Red Pitaya jako analizator widma

W aplikacji oscyloskopu płytki Red Pitaya nie ma obliczeń matematycznych, choćby najprostszych, takich jak dodawanie, odejmowanie i mnożenie kanałów. W tej sytuacji nie dziwi też brak analizy FFT. Użytkownicy płytki Red Pitaya nie stoją jednak na straconej pozycji, jedną z domyślnych aplikacji jest bowiem analizator widma.

Wadą takiego rozwiązania jest brak możliwości jednoczesnej obserwacji przebiegów w dziedzinie częstotliwości i czasu. Nie pomaga uruchomienie analizatora i oscyloskopu w dwóch oknach przeglądarki, gdyż uaktywnienie jednego z nich wstrzymuje działanie aplikacji w drugim oknie. Przełączenie okien wymaga restartu aplikacji.

Rysunek 8. Generowanie przebiegów na podstawie danych opracowanych w Excelu

Rysunek 9. Okno analizatora widma

Cennym dodatkiem analizatora widma jest funkcja spektrogramu pozwalająca obserwować zmiany widma w czasie (rysunek 9). Funkcja ta jest dobrze znana z prawdziwych analizatorów częstotliwości.

Dowolny fragment wykresu głównego powiększany jest funkcją Zoom. Przyciskami Freeze Ch1/Freeze Ch2 można natomiast zamrozić na ekranie chwilowy stan widma. Przebiegi są obserwowane w jednym z sześciu zakresów pomiarowych: 953 Hz, 7,6 kHz, 61 kHz, 976 kHz, 7,8 MHz, 62,5 MHz. Zaletą analizatora widma jest duża szybkość obliczeń pozwalająca badać dynamicznie zmieniające się sygnały.

Ograniczenia

Rysunek 10. Błędy często sygnalizowane w przeglądarce Internet Explorer

Aplikacje dołączane do płytki Red Pitaya są dość proste, zawierają tylko podstawowe funkcje pomiarowe, a odczuwalne problemy z ich działaniem w różnych przeglądarkach. Redakcyjny test wykazał na przykład praktyczną nieprzydatność Internet Explorera.

Co prawda po wielu próbach można jakoś uruchomić w nim aplikację, ale pojawiają się błędy zawieszające wykonywanie operacji znacznie utrudnia pracę (rysunek 10). Bez problemu natomiast przebiega obsługa płytki z użyciem przeglądarki Chrome.

Płytka Red Pitaya z domyślnym oprogramowaniem firmowym zawierającym funkcje oscyloskopu, generatora i analizatora widma nie zadowoli użytkowników innych urządzeń tego typu. Jeśli jednak zostanie potraktowana jako baza do tworzenia własnych aplikacji kontrolno-pomiarowych, może okazać się niezastąpionym rozwiązaniem. Świadczą o tym opinie użytkowników i dyskusje na temat zastosowań zamieszczane w Internecie. Silnik takich aplikacji, jakim jest dwu rdzeniowy procesor ARM jest naprawdę bardzo mocny.

Jarosław Doliński, EP

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
sierpień 2014
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Zobacz też
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik lipiec 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio lipiec 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje czerwiec 2020

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna lipiec 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich czerwiec 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów