Fordelene med SoC-baserte testsystemer

Banebrytende 64 gigasampler per sekund (GS/s) ADC-er lar DSO-er nå samplingshastigheter på opptil 256 GS/s, med en sanntidsbåndbredde på 110 GHz. 16-bits ADC-er med høyere oppløsning gir enda mer finjustert visning av forskjeller i signaler med store amplitude ved å fange opp 0,0015 % amplitudesignalforvrengning.

Oscilloskoper har tatt store teknologiske sprang i front-end- og datainnsamlingsarkitekturen (DAQ), bruk av toppmoderne InP-, SiGe- og grunnleggende CMOS-behandlingsteknologier, og stadig mer komplekse DSP-teknikker. Sanntidsoscilloskopet med ekstremt høy båndbredde og avanserte tidsinterleaving-teknikker gjør at enkelte frittstående oscilloskop går godt inn i millionklassen.

Til tross for disse fremskrittene, er lav- til høy-ende frittstående testutstyr fortsatt i stor grad definert av deres lukkede operativsystem (OS) og et brukergrensesnitt (UI) administrert gjennom knapper og skiver. Naturen til denne arkitekturen gjør den optimalisert for en enkeltstående funksjon. Og selv om tilleggutstyr og -funksjoner er mulige, er de kostbare og involverer vanligvis ekstra proprietær maskinvare og programvare.

SoC-baserte testsystemer inkluderer SoC-maskinvare som ofte kjører et eget operativsystem uten behov for en ekstern PC, og gir en lignende type funksjonalitet og brukerkonfigurasjon som frittstående utstyr. Dette avviker litt fra det velkjente USB-baserte testutstyret som oftere enn ikke er bygget på en FPGA og utnytter PC OS som støtter og kontrollerer tilpasningen av utstyret. Denne artikkelen avdekker fordelene ved å bruke et SoC-basert testsystem fremfor det tradisjonelle frittstående utstyret, samtidig som det dykker dypere inn i hvordan ett utviklingsfirma bruker disse SoC-baserte systemene som en levedyktig test- og måleløsning (T&M).

En titt på USB-baserte testsystemer

De fleste brukere er kjent med USB-baserte testsystemer som et alternativ til frittstående testutstyr. Digilent Analog Discovery 2 (AD2), for eksempel, kobles til en PC via en USB (Figur 1). PC-en kjører programvare som styrer AD2 for kontroll og tilpasning med testautomatisering, databehandling, grafisk visning og ekstern datakommunikasjon. Dette støtter mer brukerkonfigurasjon enn tradisjonelt testutstyr fordi det er FPGA-basert. FPGA-en behandler alle dataene som kommer inn fra ADC-ene og lagrer dem i minnet. Dette er en mye mer kostnadseffektiv løsning enn de tilpassede DSP-brikkesettene som brukes i de fleste frittstående oscilloskoper som av natur har begrenset rekonfigurerbarhet. En kraftig nok FPGA kan også utnytte den grunnleggende maskinvaren til oscilloskopet for å gi funksjonaliteten til flere instrumenter. WaveForms™ virtuelle instrumentsuite bruker det opprinnelige PC-operativsystemet (dvs. Windows, MAC OS X, Linux) for å kommunisere og kontrollere oscilloskopet via USB for å bruke en bølgeformgenerator, strømforsyning, voltmeter, datalogger, logikkanalysator, statisk I/ O, spektrumanalysator, nettverksanalysator og mer.

Spekteret av Digilent SoC-baserte testsystemer

Nyere, SoC-baserte systemer er mindre kjent i test- og måleområdet. Disse enhetene krever ikke en PC, men skiller seg fra tradisjonelt frittstående testutstyr fordi de vanligvis kjører et åpent OS med omfattende støtte i programvareressurser. Å åpne opp maskinvare og programvare i denne typen systemer har historisk sett ført til betydelig teknologisk innovasjon. Operativsystemer basert på åpen kilde tilbyr plattformer for å navigere og tilpasse testrutiner, automatisering, databehandling, svardefinisjoner og ekstern tilgang uten behov for ekstra proprietær programvare. Digilent tilbyr tre SoC-baserte testsystemer med økende kompleksitet:

1. MCC DAQ HAT Series - monteres på en Raspberry Pi SoC (Raspberry PI OS)
2. Analog Discovery Pro (ADP3450/ADP3250) (Linux OS)
3. Eclipse Z7 (Linux OS)

MCC DAQ HAT-serien

Maskinvareserien «Data Acquisition (DAQ) Hardware Attached on Top (HAT)» for datafangst (DAQ) fra Measurement Computing Corporation (MCC), er designet for direkte fysisk tilkobling til et Raspberry Pi SoC-kort gjennom en 40-pinners GPIO-header. Selve Raspberry Pi-kortet kjører Raspberry Pi OS. Et åpen kildekodebibliotek med kommandoer i C/C++ og Python lar brukere utvikle applikasjoner på Raspberry Pi. Disse HAT-ene kan stables oppå hverandre for å gi brukeren ulike DAQ-funksjoner, inkludert:

• Spennings måling
• Spenningsutgang og digital I/O (DIO)
• Termoelementmåling
• Integrert elektronikk piezo-elektrisk (IEPE) måling

For eksempel har spenningsmåling DAQ HAT en analog inngang på 8 single-ended eller 4 differensialkanaler. Hver enhet har en maksimal samplingsfrekvens på 100 ksamples per sekund for å ta spenningsmålinger på enkeltpunkt- eller bølgeform. Med muligheten til å stable opptil åtte MCC-HAT-er på en enkelt Raspberry Pi, kan opptil 64 kanaler med data måles med en maksimal gjennomstrømning på 320 ksamples per sekund. Målingene kan tas fra skruklemmene som er montert på kortet, hvor de analoge dataene er behandlet for å gi den beste oppløsningen og konvertert via den innebygde 16-bit ADC (Figur 3).

Spenningsutgangen og DIO HAT tilbyr to analoge utganger fra en intern dobbel, 12-bit DAC med 8 toveis digitale bit. De analoge utgangene og DIO kan konfigureres og oppdateres samtidig via programvare. Disse HAT-ene tar analoge og digitale signalinnganger og gir brukeren den grunnleggende muligheten til å lese, lagre, vise og tolke disse signalene. IEPE-måle-HAT kan også ta lyd- og vibrasjonsmålinger fra IEPE-sensorer som akselerometre og mikrofoner, mens termoelement-HAT-ene kan måle nøyaktig temperatur. Siden de fleste mekaniske feil i roterende maskiner fører til en detekterbar økning i vibrasjonsnivåer, kan IEPE HAT, for eksempel, måle og tolke vibrasjonsdata fra motordrevne systemer (CNC-maskiner, transportbånd, etc.) for å skjelne små avvik fra nominelle atferd og feilhendelser. Den største fordelen med å utnytte disse HAT-ene kommer fra åpen kildekode-eksempler i vanlige programmeringsspråk (C/C++ og Python) så vel som den omfattende API- og maskinvaredokumentasjonen. På denne måten har brukere som er nye innen datainnsamling en kortere læringskurve med tilgang til litteratur for alt fra å velge riktig programvaremiljø og biblioteker for å lette utviklingen, til feilsøking, fastvareoppdateringer og til spesifikke applikasjonseksempler som bidrar til å strømlinjeforme en brukers prosjekt.

Analog Discovery Pro

Selv om det er nødvendig, er datainnsamling (DAQ) bare ett aspekt ved testing og måling. Mer komplekse systemer og funksjoner er nødvendige for å bedre analysere moderne høyhastighetssignaler rett fra kortet. Analog Discovery Pro (ADP)-modulene tilbyr USB-drevet og frittstående funksjonalitet for laboratorie- og bærbar test. Den avanserte ADP3450 har opptil fire analoge kanaler og 16 dedikerte digitale kanaler for et ekte blandet signaloscilloskop og tilbyr en 14-bits oppløsning og en samplingsrate på opptil 500 MS/s. Med Zynq-7000 ARM/FPGA SoC kan ADP3450 fungere som et solid melllomklasse-oscilloskop og tretten forskjellige instrumenter.

Den frittstående Linux-modusen gir et terminalbasert operativsystem på enheten som gjør det mulig å tilpasse hele testrutiner uten PC-intervensjon. Først må ADP-modulen kobles til vertsdatamaskinen via USB for å aktivere Linux-modus i WaveForm SDK. En bruker kan programmere en hvilken som helst testsekvens eller utvide ADP3450s muligheter med tilleggsutstyr gjennom Linux-rotfilsystemet. Ethernet-grensesnittet kan aktiveres i standard oppstartsmodus via WaveForms for tilpasning over en internettforbindelse. Dette samme konseptet kan brukes med ekstern tilgang til ADP3450 ved å bruke en USB Wi-Fi-dongle i Linux-oppstartsmodus for for eksempel å sende data til en skybasert plattform (f.eks. ThingSpeak) for videre analyse (Figur 4). Disse tilpassede testprogrammene kan bygges inn på enheten for å strømme data via Ethernet, Wi-Fi eller lagring på enheten for å fange opp buffere med millioner av prøver.

Eclipse Z7

Eclypse Z7 utnytter Xilinx Zynq®-7000 SoC og et programvare-API som lar FPGA-vertskortet samhandle med Digilents Zmod™-familie av perifere moduler. Zynq-7000 SoC utnytter en hybridarkitektur for å kombinere programmerbarheten til en ARM®-basert prosessor med maskinvareprogrammerbarheten til en FPGA, noe som åpner for muligheter for maskinvareakselerasjon over en enkel plattform. Grensesnittkortet Eclypse Z7 har modulære høyhastighets I/O-funksjoner og samsvarer med Opal Kellys åpne SYZYGY-spesifikasjon for høyytelses tilkobling av periferiutstyr. Til syvende og sist kobles Zmod-periferimodulene sammen med disse SYZYGY-grensesnittene. Myke IP-kjerner spesifikke for hver Zmod initialiserer og letter kommunikasjonen med modulene, og Zmod-biblioteket, et C++-programvarebibliotek designet for å kontrollere disse systemene med myk IP, kjører i Zynq Processing System. (Figur 5). Med en programvarearkitektur som inneholder forhåndsbygde Linux-bilder med et høynivå API, trenger ikke utviklere å koble direkte til maskinvaren og kan derfor utføre maskinvareakselerasjon mye raskere. På denne måten kan ingeniører fokusere på å raskt utvikle og teste en funksjonell prototype innledningsvis og enkelt generere maskinvareoptimaliseringer senere i utviklingssyklusen. Selve Zmods kommer med en to-kanals, 14-bit, 100 MS/s ADC eller DAC. Kombinasjonen av den kraftige FPGA-en med 13.300 programmerbare logiske «skiver» og innovativ programvare for å fungere sammen med høyhastighets Zmods, kan produsere høyhastighets instrumentering, programvaredefinert radio (SDR), ultralyd, medisinsk utstyr og mer.

Konklusjon

Det moderne test- og måleøkosystemet har dramatisk forbedret front-ende-arkitekturer, dataytelse og prosesseringsteknikker. En viktig trend er bevegelsen mot USB-baserte testsystemer for avanserte applikasjoner. Dette er på grunn av forbedringene i disse instrumentenes egenskaper som matcher, om ikke går utover, de mange opsjonene for frittstående oscilloskop. Mange applikasjoner som kan bruke USB-baserte instrumenter møter imidlertid flaskehalsen med gjennomstrømming via USB-grensesnittet og begrensningene ved å kreve en ekstern PC for å koble til utstyret. Dette omgås med SoC-baserte testsystemer. Disse systemene kan bruke kraftige dataintensive plattformer for å gjøre tilpasninger med automatisert testing, ekstern tilgang og tillegg av periferiutstyr basert på brukerens behov. Dette gir testanlegget og ingeniørene mulighet til å utnytte intern ekspertise for å generere en svært spesifikk test eller et automatisert testoppsett uten å måtte forholde seg til en ekstern test- og måleleverandørs proprietære program- og maskinvare. Implikasjonene av denne teknologien kan ikke undervurderes. Det er enklere å finne talenter for å lage tilpassede testplaner i C/C++ eller Python med et åpent OS enn å sette ut den kunnskapen helt eller påføre engangskostnader for ingeniørarbeid (NRE) for å produsere utstyr internt. Nå, med SoC-systemer, kan tradisjonelt USB-drevet testutstyr operere på en frittstående måte samtidig som det drar nytte av kostnadseffektivitet og åpen kildekode-støtte.