Red Pitaya - platforma pomiarowa open source

Przedsiębiorstwo Red Pitaya powstało jako odgałęzienie uznanej firmy Instrumentation Technologies, która projektuje oraz wytwarza przyrządy kontrolne i pomiarowe wysokiej klasy przeznaczone na przykład do śledzenia procesów akceleracji cząsteczek w Wielkim Zderzaczu Hadronów w położonym w Szwajcarii ośrodku CERN oraz w ośrodku Diamond Light Source w brytyjskim hrabstwie Oxfordshire.

Początkowo projekt platformy Red Pitaya był finansowany przez internetową społeczność Kickstarter. Celem pomysłodawców było zebranie 50 tys. USD z przeznaczeniem na skonstruowanie i założenie firmy produkującej rodzaj uniwersalnego przyrządu pomiarowego. Ostatecznie zebrano aż 256 tys. USD, co potwierdziło duże zainteresowanie, potencjał i innowacyjność koncepcji.

Fotografia 1. Wygląd platformy Red Pitaya

Platforma Red Pitaya jest bazą dla urządzeń kontrolno - pomiarowych, charakteryzującą się zwartą, ekonomiczną konstrukcją, dzięki czemu może być oferowana w atrakcyjnej cenie. Nie bez znaczenia jest również otaczający ją ekosystem zawierający oprogramowanie open source, wśród którego można znaleźć takie aplikacje, jak generator, sterownik PID, miernik charakterystyki częstotliwościowej, oscyloskop czy analizator widma a przy tym oferujący wsparcie licznych użytkowników oraz dodatkowe akcesoria.

Platforma RedPitaya jest zbudowana w oparciu o SoC Xilinx 7010 Zynq zawierający blok FPGA i dwurdzeniowy procesor Cortex A9. Pracuje pod kontrolą systemu operacyjnego GNU/Linux, dzięki czemu oprogramowanie dla niej można wykonywać z użyciem różnych języków, między innymi HDL, C/C++, Java oraz skryptów Linux.

Oparte na protokole HTML interfejsy internetowe zapewniają dostęp do funkcji platformy Red Pitaya z poziomu większości przeglądarek internetowych, w które są wyposażone smartfony, tablety i komputery osobiste. Urządzenie jest niewiele większe od karty kredytowej, dzięki czemu doskonale nadaje się do zabrania ze sobą i może służyć jako przenośny, wielofunkcyjny przyrząd pomiarowy.

Tabela 1. Podstawowe parametry Xilinx Zynq 7010 SoC zastosowanego w platformie Red Pitaya

Standardowe aplikacje open source są dostępne za pośrednictwem strony internetowej Bazaar (http://bazaar.redpitaya.com). Dodatkowo, w repozytorium Backyard umieszczono właśnie opracowywane, nowe oprogramowanie open source i narzędzia umożliwiające jego tworzenie oraz inspirujące do współpracy w ramach społeczności inżynierów, która dynamicznie rozwija się, czego wynikiem jest rosnąca liczba udostępnionych aplikacji, których przykładami są wersje niestandardowe aplikacji oficjalnych, a także aplikacje do konkretnych zastosowań, takie jak przepływomierz.

Tabela 2. Połączenia diod LED

Rodzina SoC Zynq 7000 została opracowana z myślą o połączeniu najlepszych rozwiązań z dziedzin programowania sprzętu oraz mikrokontrolerów. Dzięki temu powstała niedroga, energooszczędna platforma łącząca w sobie szybkość reakcji układów programowalnych z elastycznością rdzenia ARM.

Dzięki temu tworząc na przykład aplikację do rejestrowania i akwizycji danych mamy możliwość użycia szybkiej platformy FPGA, natomiast tworząc prezentując zgromadzone przez nią dane, transmitując je do innych urządzeń oraz komunikując się z użytkownikiem ułatwimy sobie zadanie korzystając z możliwości systemu operacyjnego Linux (pod kontrolą, którego pracuje "część mikrokontrolerowa") i dostępnych dla niego narzędzi. Podstawowe parametry SoC Xilinx Zynq 7010 umieszczono w tabeli 1.

Płytka drukowana Red Pitaya ma wielkość zbliżoną do karty kredytowej (fotografia 1). Charakterystyczną cechą jej wyglądu jest umieszczony centralnie radiator układu SoC. Dzięki złączom rozmieszczonym wzdłuż krawędzi płytki, może ona współpracować z licznymi urządzeniami peryferyjnymi.

Na krótszej krawędzi płytki umieszczono złącze zasilające micro USB (+5 V/2 A DC, typowy pobór prądu <0,9 A) oraz złącza związane z funkcjami komunikacyjnymi (interfejsami) obsługiwanymi przez rdzeń ARM. Są to:

• Gniazdo micro USB umożliwiające dostęp do konsoli systemu Linux.
• Gniazdo USB 2.0 przeznaczone do przyłączenia urządzeń zewnętrznych, takich jak pendrive, karta Wi-Fi itp.
• Gniazdo karty pamięci micro SD o pojemności do 32 GB.
• Gniazdo RJ45 interfejsu Gigabit Ethernet.

Tabela 3. Wyprowadzenia złącza GPIO - E1 (IDC-26, sygnały cyfrowe)

Na przeciwległej krawędzi płytki zamontowano cztery złącza SMA, w tym dwa wejścia i dwa wyjścia analogowe. Mają one następujące parametry:

• Wejścia analogowe:
  • Szerokość pasma analogowego: DC...50 MHz (przy spadku 3 dB).
  • Częstotliwość próbkowania: 125 MS/s.
  • Rozdzielczość przetwornika A/C: 14 bitów.
  • Poziom szumu wejściowego: poniżej 119 dBm/Hz.
  • Impedancja wejściowa: 1 MΩ, pojemność10 pF.
  • Napięciowe zakresy pomiarowe: 2 Vpp lub 46 Vpp (po ustawieniu zworki w pozycji małego wzmocnienia).
  • Maksymalne napięcie wejściowe: 30 V (zabezpieczenie ESD 1,5 kV). Zabezpieczenie za pomocą diod.
  • Błąd offsetu DC: <5% FS (G).
  • Błąd wzmocnienia: <3% po ustawieniu zworki w pozycji dużego wzmocnienia, <10% po ustawieniu zworki w pozycji małego wzmocnienia.
  • Typowa separacja kanałów wejściowych: 65 dB przy 10 kHz, 50 dB przy 100 kHz, 55 dB przy 1 MHz, 55 dB przy 10 MHz, 52 dB przy 20 MHz, 48 dB przy 30 MHz, 44 dB przy 40 MHz, 40 dB przy 50 MHz.
  • Harmoniczne: przy 3 dB_FS < 45 dBc, przy 20 dB_FS < 60 dBc.
  • Składowe częstotliwości pasożytnicze: typowo <90 dB_FS.
  • Typ złącza: SMA.
  • Regulowana charakterystyka częstotliwościowa.
• Wyjścia analogowe:
  • Szerokość pasma: DC...50 MHz (przy spadku 3 dB).
  • Częstotliwość próbkowania: 125 MS/s.
  • Rozdzielczość przetwornika C/A: 14 bitów
  • Impedancja obciążenia: 50 Ω.
  • Prędkość narastania napięcia wyjściowego: 200 V/ms.
  • Typ złącza: SMA.
  • Błąd offsetu DC: <5% FS.
  • Błąd wzmocnienia: <5%.
  • Moc sygnału wyjściowego: >9 dBm.
  • Harmoniczne: typowe wartości (przy 8 dBm): 51 dBc przy 1 MHz, 49 dBc przy 10 MHz, 48 dBc przy 20 MHz, 53 dBc przy 45 MHz.

Tabela 4. Opis wyprowadzeń złącza rozszerzenia - E2 (IDC-26, sygnały mieszane)

Obok złącza Ethernet zamontowano diody LED, z których część jest przeznaczona do sygnalizowania statusu urządzenia, natomiast część może mieć funkcję definiowaną przez użytkownika i być kontrolowana przez aplikację. W tabeli 2 umieszczono wykaz połączeń diod LED z wyprowadzeniami układu SoC.

Wzdłuż dłuższych krawędzi płytki zamontowano dwa złącza daisy chain oraz dwa wtyki IDC-26. Wszystkie wyprowadzenia pracują w zgodnie ze standardem CMOS 3,3 V. W tabelach 3 i 4 umieszczono wykaz wyprowadzeń złącz z odpowiadającymi im portami/sygnałami układu SoC.

Do złącza E2 doprowadzono:

• Sygnały interfejsów do komunikacji szeregowej I²C i SPI.
• 4 wejścia (przetwornika A/C).
• 4 wyjścia analogowe (przetwornika C/A).
• 2 zewnętrzne sygnały zegarowe interfejsu LVDS.
• Napięcie zasilania 3,3 V i 5 V, masę (GND).

Wejścia przetworników analogowo - cyfrowych mają następujące parametry:

• Liczba kanałów: 4.
• Częstotliwość próbkowania: 100 kS/s.
• Rozdzielczość: 12 bitów.
• Złącze: wyznaczone wyprowadzenia złącza IDC-26/E2 (styki: 13...16).
• Zakres napięcia wejściowego: 0...3,5 V.
• Sprzężenie wejścia: DC

Wyjścia przetworników analogowo - cyfrowych mają następujące parametry:

• Liczba kanałów: 4.
• Typ wyjścia: PWM z filtrem dolnoprzepustowym.
• Rozdzielczość PWM: 4 ns (1/250 MHz).
• Złącze: wyznaczone wyprowadzenia złącza IDC-26/E2 (styki: 17...20).
• Zakres napięcia wyjściowego: 0...1,8 V.
• Sprzężenie wyjścia: DC.

Dwa złącza daisy chain zamontowane obok złącza karty SD zapewniają dostęp do czterech par sygnałów cyfrowych, co umożliwia synchronizowanie i przesyłanie danych pomiędzy urządzeniami z prędkością do 500 Mb/s.

Dla platformy takiej, jak Red Pitaya oczywistym wyborem jest uzyskiwanie dostępu do funkcji za pomocą połączenia opartego na przeglądarce internetowej. Możliwe jest też jednak nawiązanie połączenia z platformą Red Pitaya na inne sposoby - za pośrednictwem sieci, terminala zdalnego lub konsoli szeregowej. W trybie pracy w sieci domowej z dostępem do Internetu, oprócz połączenia za pomocą kabla Ethernet, dostępne są następujące możliwości:

• Połączenia z płytką z poziomu urządzeń przenośnych, takich jak smartfon czy tablet.
• Przydzielenie płytce statycznego adresu IP.
• Włączenie płytki do sieci domowej za pomocą Wi-Fi.

Łączenie się z płytką za pośrednictwem przeglądarki urządzenia przenośnego jest bardzo łatwe. Wystarczy włączyć płytkę do sieci, załączyć jej zasilanie, nadać automatycznie lub ręcznie adres IP Produktui uruchomić wybraną aplikację. Gdy jest już znany adres IP platformy Red Pitaya, można wprowadzić go bezpośrednio na pasku adresu URL w przeglądarce.

Platformę Red Pitaya można zamówić za pośrednictwem strony internetowej firmy RS Components dostępnej pod adresem www.rs-online.com/redpitaya.

RS Components