Sviluppa rapidamente strumenti di prova personalizzati HP utilizzando schede di serie e software open-source

Spesso è necessario sviluppare strumenti personalizzati per esperimenti o i test di produzione. Gli strumenti collegati da GPIB/IEEE-488 e controllati da un computer desktop o una workstation erano l'approccio usato tradizionalmente. Oggi invece sono più comuni approcci modulari come i sistemi a rack PXI e PXI Express. Tuttavia, queste configurazioni possono risultare costose, specie per test sporadici o stack da utilizzare una sola volta.

Per accelerare i tempi di sviluppo e ridurre il costo della strumentazione personalizzata, i progettisti dovrebbero prendere in considerazione piattaforme per strumentazione a scheda singola con un numero sufficiente di convertitori analogico/digitale (ADC) o digitale/analogico (DAC) integrati, controllati da un processore embedded e da un FPGA abbinato.

Questo articolo illustra come sviluppare una strumentazione personalizzata utilizzando un processore/SoM (System-on-Module) basato su FPGA oltre agli strumenti di sviluppo in dotazione. Attingendo a un mercato aperto di progetti di strumenti, supportato dalla comunità, questo approccio allo sviluppo evita di dover progettare hardware. Il risultato è uno strumento compatto ed economico idoneo per sviluppare molti tipi di strumentazione.

Una breve storia dei sistemi di strumentazione

Prima degli anni Cinquanta, tutta la strumentazione di test era di tipo analogico, compresi voltmetri e oscilloscopi. La situazione ha iniziato a cambiare quando nel 1952 la società Non-Linear Systems (NLS) di Del Mar, California, ha sviluppato il primo voltmetro digitale (DVM) utilizzando relè passo-passo e resistori di precisione. Hewlett-Packard Company (HP) è entrata nel settore della strumentazione digitale con un timer/contatore, presto diventato un DVM con l'aggiunta di una circuiteria di integrazione a doppia pendenza.

I DVM di NLS e l'apparecchiatura digitale di test di HP pilotavano display digitali interni, per cui le loro letture erano disponibili internamente in una rappresentazione decimale con codifica in binario (BCD). Spostare questi segnali BCD fuori dagli strumenti e portarli sui connettori del pannello posteriore è stato semplice. Inizialmente, questi segnali BCD comandavano le stampanti per registrare le letture degli strumenti.

Inoltre, molti degli strumenti digitali che hanno fatto la loro comparsa negli anni Cinquanta potevano essere programmati esternamente con diverse impostazioni di misurazione, fra cui l'intervallo. La programmazione avveniva tramite connessioni sul pannello posteriore a interruttori a distanza o a relè o anche a una circuiteria logica esterna. Ogni strumento aveva formati di lettura e requisiti di programmazione diversi, per cui l'automazione della strumentazione assomigliava a una torre di Babele. Il problema si è fatto più complesso negli anni Sessanta con l'introduzione dei computer come controller degli strumenti, fondamentalmente perché ogni strumento richiedeva un proprio schema di cablaggio.

Vista la situazione alquanto intricata, a metà degli anni Sessanta HP iniziò a pensare a un'interfaccia digitale standard dedicata agli strumenti. Dopo otto anni passati a sviscerare il problema e a sviluppare una soluzione, nel numero di ottobre 1972 dell'HP Journal, gli ingegneri HP presentarono al mondo HP Interface Bus (HPIB). HPIB diede il via allo sviluppo dei sistemi di strumentazione "rack e stack" che permettevano di interconnettere tra loro e a un controller tipi diversi di strumenti di molti fornitori. Alla fine, HPIB si è evoluto in IEEE-488, usato ancora oggi.

Il settore deve molte delle sue conoscenze sulla strumentazione automatizzata ai sistemi HPIB, ma i requisiti per test e analisi hanno superato le prestazioni che questi erano in grado di dare. I sistemi rack e stack erano realizzati fondamentalmente servendosi delle apparecchiature di test esistenti con controlli sul pannello anteriore. Questi strumenti erano destinati principalmente a un uso manuale come strumenti autonomi. I controlli e i display sul pannello anteriore ne facevano lievitare i costi e le velocità di misurazione richieste alle apparecchiature di test a controllo manuale determinarono l'inadeguatezza di questi strumenti autonomi rispetto alle esigenze di molti sistemi di test automatici.

Non appena gli strumenti furono completamente digitali, come postulato dalla legge di Moore le apparecchiature di laboratorio divennero più veloci e meno costose. Questi due passi in avanti sono stati provvidenziali per i test automatici e alla fine i costosi pannelli anteriori sono risultati superflui. Perché avere un pannello per uno strumento che dovrebbe essere sempre sotto il controllo di un computer?

La risposta a questa domanda si è tradotta nel passo successivo dell'evoluzione degli strumenti: il bus PXI (PCI eXtensions for Instrumentation). Questo bus, introdotto nel 1997, si basa sullo standard di interfacciamento PCI, diffusosi a macchia d'olio grazie ai PC. Nel 2005 si è evoluto nel PXI Express, basato sullo standard di interfacciamento PCIe. Sia PXI che PXI Express supportano velocità di dati molto superiori e una latenza molto più bassa rispetto a HPIB, il che ha permesso lo sviluppo di sistemi di test ancora più veloci.

Uno chassis PXI o PXI Express fornisce alimentazione, raffreddamento e un bus di comunicazione per strumenti modulari o moduli I/O plug-in, tutti controllati da un controller plug-in o da un computer esterno. I moduli di strumentazione PXI e PXI Express si inseriscono in questi chassis e sui loro ridotti pannelli anteriori vi sono solo i connettori per gli ingressi e le uscite dei segnali. I sistemi PXI e PXI Express sono molto più veloci e in genere meno costosi di quelli a rack e stack interconnessi tramite HPIB. Ma restano comunque relativamente costosi perché hanno una buona modularità e la modularità non è mai gratis.

La legge di Moore continua a governare la strumentazione

La marcia inarrestabile della legge di Moore ha determinato l'evoluzione continua della strumentazione. Così come interi sistemi a livello di scheda si sono ridotti in un SoC e in una manciata di chip di memoria e di supporto, ora è possibile sviluppare interi sistemi di strumentazione che possono essere accolti su una scheda di dimensioni molto contenute. Tipico esempio, la piattaforma per strumentazione open-source Red Pitaya, parte integrante dello starter kit Red Pitaya STEMlab 125-14 di Trenz Electronic (Figura 1).

Figura 1: La piattaforma per strumentazione open-source 27761 Red Pitaya comprende diversi ingressi e uscite analogiche e digitali che possono essere utilizzati per sviluppare strumentazione personalizzata. (Immagine per gentile concessione di Red Pitaya)

La scheda Red Pitaya si basa su un SoC Zynq Z-7010 di Xilinx e presenta i seguenti ingressi e uscite di strumentazione:

• Due ingressi analogici veloci a 125 Ms/sec e 14 bit
• Due uscite analogiche veloci a 125 Ms/sec e 14 bit
• Quattro ingressi analogici a bassa velocità a 100 Ks/sec e 12 bit
• Quattro uscite analogiche a bassa velocità a 100 Ks/sec e 12 bit
• 16 pin I/O digitali

La scheda Red Pitaya è dotata anche di una porta Ethernet a 1 Gbit e di una porta USB 2.0. La porta USB può accettare anche un dongle Wi-Fi per il funzionamento wireless.

Il SoC Zynq Z-7010 incorpora due processori Arm^® Cortex^®-A9 e una parte della struttura interna dell'FPGA su chip. Il processore esegue attività software, fra cui il sistema operativo Linux embedded di Red Pitaya; l'FPGA assicura il controllo in tempo reale e l'interfacciamento delle periferiche alla scheda Red Pitaya. Grazie alla presenza sia dell'FPGA che della CPU, gli sviluppatori possono allocare individualmente le attività di elaborazione dei segnali più appropriate al fine di ottimizzare le prestazioni. L'FPGA è in grado di gestire attività critiche ultraveloci e in tempo reale, mentre le CPU, anche se sono più lente, eccellono nell'esecuzione di procedure più o meno complesse. Le CPU risultano molto valide anche per eseguire sistemi operativi standard come Linux, interfacce utente interattive e server Web.

Il kit 27761 include una scheda SD per il software Red Pitaya di ultima generazione, un alimentatore e un cavo Ethernet. Il software può essere scaricato dal sito Red Pitaya. Fornisce alla scheda Red Pitaya un sistema operativo Linux embedded e un'interfaccia Web, oltre alle configurazioni iniziali di quattro strumenti: un oscilloscopio, un generatore di segnali, un analizzatore di spettro e un analizzatore vettoriale Bode.

Il sito Red Pitaya funge da interfaccia master per l'azionamento della piattaforma per strumentazione open-source Red Pitaya. Dalla pagina Web è possibile scaricare strumenti preconfigurati ed eseguirli. Si può inoltre avviare una delle modalità di programmazione di Red Pitaya, inclusa quella estremamente semplice di programmazione visuale che usa simboli drag-and-drop per assemblare graficamente un programma partendo da icone che vengono poi convertite automaticamente in Python. È poi possibile richiamare il codice Python derivato dallo schema di programmazione.

Fra le alternative per la programmazione della piattaforma per strumenti open-source Red Pitaya vi sono i notebook Jupyter (basati anch'essi su Python) e C. Gli sviluppatori che desiderano realizzare proprie configurazioni FPGA per Red Pitaya possono usare il set di strumenti Vivado di Xilinx.

Il software standard di Red Pitaya supporta anche SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments, pronunciato "skippy"), un protocollo di controllo della strumentazione originariamente definito come layer supplementare sovrapposto a IEEE-488 e usato da numerosi fornitori del settore come protocollo di controllo per diversi strumenti. SCPI è indipendente dall'interfaccia hardware ed è costituito semplicemente da stringhe ASCII. Molte applicazioni di programmazione di strumenti di laboratorio possono controllare Red Pitaya avvalendosi di comandi SCPI, comprese MATLAB di MathWorks, LabVIEW di National Instruments, Scilab e Python.

La piattaforma hardware Red Pitaya e gli strumenti di sviluppo software abbinati fungono da base per lo sviluppo di sistemi di strumentazione a basso costo e ad alte prestazioni. Red Pitaya Marketplace, invece, è un punto di incontro per chi sviluppa applicazioni per strumenti per la piattaforma Red Pitaya. Attualmente sono nove le applicazioni per strumenti presenti in Marketplace:

• Controller PID (proporzionale, integrale, derivativo)
• Analizzatore di rete vettoriale
• Radio definite dal software
• RadioBox, un ricetrasmettitore RF integrato
• Workbench DSP per modellare sistemi fisici
• Analizzatore della risposta in frequenza
• Teslametro per misurare i campi magnetici
• Analizzatore di impedenza
• Analizzatore dell'altezza degli impulsi multicanale

In Red Pitaya Bazaar sono disponibili altre applicazioni per strumenti scritte dalla comunità di utenti Red Pitaya, fra cui diversi oscilloscopi e generatori di segnali, un analizzatore di potenza e un analizzatore di impedenza (Figura 2).

Figura 2: L'involucro in alluminio per Red Pitaya assicura la protezione fisica della scheda e la dissipazione di calore per il SoC Zynq Z-7010 integrato. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Fra gli accessori per Red Pitaya vi sono:

• L'involucro in alluminio per Red Pitaya di Trenz Electronic
• Il kit diagnostico elettronico calibrato di Trenz Electronic

L'involucro in alluminio per Red Pitaya assicura la protezione fisica della scheda e la dissipazione di calore per il SoC Zynq Z-7010 integrato.

Il kit diagnostico elettronico calibrato di Trenz Electronic include l'involucro in alluminio, il dongle Wi-Fi, un involucro di espansione per le linee I/O digitali di Red Pitaya, sonde per la strumentazione, cavi, connettori e adattatori per le varie porte della scheda (Figura 3).

Figura 3: Il kit diagnostico elettronico calibrato comprende diversi accessori per Red Pitaya, inclusi involucri, cavi e un dongle Wi-Fi. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Conclusione

I sistemi di strumentazione hanno visto ridursi progressivamente dimensioni e costi, ma sono diventati più potenti. L'aggiunta di microprocessori e, da ultimo, di FPGA, permette lo sviluppo di strumentazioni e sistemi di test personalizzati piuttosto complessi a un costo relativamente basso.

La piattaforma per strumentazione open-source Red Pitaya di Trenz Electronic è un esempio dell'attuale stato di evoluzione dei sistemi di test. Offre ingressi e uscite analogiche ad alta velocità, oltre a linee I/O digitali, il tutto controllato da due processori a 32 bit e un FPGA. Per la loro programmazione si hanno a disposizione moltissimi strumenti di sviluppo, da un semplice linguaggio di programmazione visuale a linguaggi di programmazione più convenzionali come C e Python, fino al set di strumenti Vivado di Xilinx e all'ambiente di programmazione FPGA.