基于開源硬件的口袋實驗測量儀器設計及應用

馮超 高鳳連

摘要：測試測量儀器是電工電子類實驗課中不可缺少且經常被學生使用的設備，但目前使用的測試測量設備大多價格昂貴，且不易攜帶，這大大限制了學生實驗的空間和時間，開源硬件的可定制化口袋實驗測量儀器，只有信用卡大小，方便學生使用，真正做到了“口袋實驗室”。

關鍵詞：Zynq；開源硬件；測量儀器

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）32-0274-02

一、引言

Red Pitaya是一個信用卡大小的開源硬件板，包括FPGA、DSP、雙核ARM Cortex處理器、信號采集和生成電路、MicroSD卡、RJ-45以太網和USB等接口。通過軟件定制，該板可以作為基于Web的示波器、頻譜分析儀、信號發生器等多種測量儀器來使用，是實驗教學測量儀器設備的一個低成本替代方案。該開源硬件支持Matlab、LabVIEW、Python和可視化編程語言。通過其他擴展模塊，它可以作為性能強勁的微控制器，在復雜的應用場景，如機器人中使用。本文介紹了基于Red Pitaya的測試測量儀器的開發和使用，并進行實際實驗來教授電子學的原理和應用。結合可視化編程，提高了學生開發的興趣，增強了設計成品的實用性。

二、設備介紹

電工和電子專業實驗課程中使用的測試和測量儀器有多種。常用的儀器如表1所示：數字萬用表（DMM）、示波器、信號發生器、頻譜分析儀、邏輯分析儀、頻率分析儀、頻率計數器等。

可以看出，各種儀器設備的價格區間通常從入門級到專業級，隨著測量范圍、精度和性能等因素不同而有所不同。而所有的測試測量儀器都具有相同點，例如，按鈕、開關、旋鈕、顯示器等，并且通常都是獨立的儀器，價格較高。基于Red Pitaya的開源硬件是一個低成本替代方案，它可以軟件定義和實現多種測試測量工具。其開發流程大致包括以下三個步驟：（1）將其連接到網絡并通過Web瀏覽器訪問；（2）在Web瀏覽器中選擇所需的儀器作為虛擬儀器；（3）通過Web提供的圖形用戶界面類型虛擬按鈕、旋鈕和顯示器來控制所選擇的儀器。

三、硬件結構

1.性能結構。板上的核心包括ARM Cortex A9處理器和一個FPGA；512 MB的RAM存儲器；板載兩個高速模擬輸入接口，用于連接外部的待測量模擬信號。兩個模擬輸出端口，可以被配置成產生信號。此外，還支持I2C、RS-232、通用I/O等多種通信協議。可運行Linux操作系統。通常操作系統裝載在MicroSD卡上。同時該板配有以太網接口及USB 2.0端口。如表2所示。

2.開發流程。Red Pitaya提供了高速的模擬輸入輸出，這是快速數字信號處理應用所必需的，如數字濾波、頻譜分析等。兩個模擬輸入接口，信號帶寬為50MHz，采樣率為125MS/s，可實現中高頻信號的采集和處理。ADC的分辨率為14位，可實現微伏范圍的模擬信號的檢測和處理。在輸入電壓范圍為±20V時，電子實驗室所用的大部分信號都能被捕獲。標準的SMA型連接器用于接口外部信號。它同時提供了可連接各種外部設備、傳感器的擴展連接器，可以用于溫度測量、音頻信號處理和各種數據記錄應用等慢速數據處理場景。（1）Red Pitaya是一個基于Web的工具，并作為一個Web服務器，它可以通過以太網或者無線網絡適配器連接到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開發環境包括以下三個主要步驟：下載Red Pitaya映像文件，選擇穩定的操作系統版本，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SD卡。（2）測試測量。啟動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終端選擇某一個測試測量儀器設備搭建實驗。此次實驗中以數字示波器設備為例，測量標準信號發生器產生的正弦信號，同時跟標準示波器進行比較，如圖1所示。

四、課程內容及使用情況

可視化編程為編寫應用程序提供了一種簡化的方法。Red Pitaya可視化編程不需要有相關經驗，即使是剛接觸編程的大一新生也可以開發應用，像樂高積木或拼圖游戲中的塊來創建應用程序。

我們基于該開源硬件，設計了若干擴展模塊，如下表3所示，開發了基于Red Pitaya可視化編程實驗案例。

五、結語

本文介紹了基于開源硬件的測量測試儀器的開發及使用。Red Pitaya是一個功能強大的開發板，通過軟件定義儀器設備，可以實現多種電氣工程和電子實驗室使用的測試和測量儀器。與傳統的儀器不同，開源硬件沒有旋鈕、開關、按鈕或顯示器。它用作一種基于網絡的儀器，使用平板終端或筆記本進行訪問。基于此開源硬件，結合可視化編程，可以方便學生隨時隨地開展實驗學習，具有推廣應用價值。