Desarrolle rápidamente instrumentación de prueba de HP personalizada utilizando los tableros listos para usar y software de código abierto

A menudo, es necesario desarrollar instrumentación personalizada para experimentos o para pruebas de producción. Los instrumentos vinculados por GPIB/IEEE-488 y controlados por una computadora de escritorio o estación de trabajo fueron un enfoque temprano. Ahora son populares los enfoques más modulares, como los sistemas de rack PXI y PXI Express. Aun así, tales configuraciones pueden ser costosas, especialmente para pruebas únicas o pilas de un solo uso.

Para acelerar el tiempo de desarrollo y reducir el costo de la instrumentación personalizada, los diseñadores deberían considerar plataformas de instrumentación de placa única con suficientes recursos de conversión de analógico a digital (ADC) o digital a analógico (DAC) incluidos, todo controlado por un procesador incorporado y un arreglo programable de puertas en campo (FPGA) complementario.

Este artículo le mostrará cómo desarrollar una instrumentación personalizada utilizando un procesador/sistema en módulo (SoM) basado en un FPGA junto con las herramientas de desarrollo provistas. Al utilizar un mercado abierto de diseños de instrumentos respaldado por la comunidad, este enfoque para el desarrollo de instrumentos evita la necesidad de desarrollar hardware y da como resultado una herramienta compacta y económica para desarrollar muchos tipos de instrumentación.

Breve historia de los sistemas de instrumentación

Antes de la década de 1950, todos los instrumentos de prueba eran analógicos, incluidos voltímetros y osciloscopios. Esta situación comenzó a cambiar cuando los sistemas no lineales (NLS) de Del Mar, California, desarrollaron el primer voltímetro digital (DVM) en 1952, utilizando relés de progresión y resistores de precisión. La entrada de Hewlett-Packard Company (HP) en la instrumentación digital fue con un contador/temporizador, que rápidamente se convirtió en un DVM con la adición de algunos circuitos de integración de doble pendiente.

Debido a que los DVM de NLS y el equipo de prueba digital de HP manejaban pantallas digitales internas, sus lecturas estaban disponibles internamente en representación decimal codificada en binario (BCD). Era una cuestión simple sacar estas señales BCD de los instrumentos en los conectores del panel posterior. Inicialmente, estas señales BCD llevaron a las impresoras a registrar las lecturas del instrumento.

Además, muchos de los instrumentos digitales que comenzaron a aparecer durante la década de 1950 podían programarse externamente con diferentes configuraciones de medición, como un rango de medición. La programación se realizó a través de conexiones de panel posterior conectadas a interruptores o relés remotos, y luego, a circuitos lógicos externos. Cada instrumento tenía diferentes formatos de lectura y requisitos de programación, lo que llevó a una situación de Torre de Babel con respecto a la automatización de la instrumentación. El problema se hizo más complejo cuando se agregaron las computadoras como controladores de instrumentos durante la década de 1960, principalmente porque cada instrumento requería un esquema de cableado diferente y único.

Esta situación llevó a HP a comenzar a pensar en una interfaz digital estándar para instrumentos a mediados de los años sesenta. Después de ocho años de pensar en el problema y desarrollar una solución, los ingenieros de HP introdujeron el HP Interface Bus (HPIB) en la edición de octubre de 1972 de "HP Journal". El HPIB desencadenó el desarrollo de sistemas de instrumentación de "Rack y stack" donde diferentes tipos de instrumentos de muchos proveedores diferentes podrían interconectarse entre sí y con un controlador de instrumento. Eventualmente, HPIB evolucionó a IEEE-488 y aún sigue vigente hoy en día.

La industria aprendió bastante acerca de la instrumentación automatizada de los sistemas HPIB, pero los requisitos de prueba superaron el rendimiento disponible de tales sistemas. Los sistemas de rack y stack se construyeron principalmente utilizando equipos de prueba existentes con controles en el panel frontal. Estos instrumentos fueron destinados principalmente a ser utilizados de forma manual como instrumentos independientes. El panel frontal controla y muestra el costo adicional de estos instrumentos, y la suposición sobre las velocidades de medición necesaria para el equipo de prueba controlado de forma manual dio como resultado instrumentos independientes que no satisfacían las necesidades de muchos sistemas de prueba automatizados.

Cuando los instrumentos se volvieron completamente digitales, la Ley de Moore aseguró que los equipos de prueba fueran más rápidos y menos costosos. Ambas tendencias fueron buenas para las pruebas automatizadas y, finalmente, los costosos paneles frontales se volvieron superfluos. ¿Por qué tener un panel frontal para un instrumento que siempre estaría bajo control de computadora?

La respuesta a esta pregunta se convirtió en el siguiente paso en la evolución del instrumento: el bus PXI (PCI eXtensions for Instrumentation). Esto se introdujo en 1997 y se basa en el estándar de interconexión de PCI que la PC torna omnipresente. Lo siguiente fue PXI Express, basado en el estándar de interfaz PCIe, en 2005. Tanto PXI como PXI Express admiten velocidades de datos mucho más altas y una latencia mucho más baja que HPIB, lo cual permite el desarrollo de sistemas de prueba aún más rápidos.

Un chasis PXI o PXI Express proporciona alimentación, refrigeración y un bus de comunicación para instrumentos modulares conectables o módulos de E/S, todo controlado por un controlador conectable o una computadora externa. Los módulos de instrumentación PXI y PXI Express se conectan a estas estructuras, y sus pequeños paneles frontales no incorporan más que conectores para entradas y salidas de señal. Los sistemas PXI y PXI Express son significativamente más rápidos y, en general, son menos costosos que los sistemas de rack y stack interconectados a través de HPIB; pero siguen siendo relativamente costosos porque tienen una buena modularidad, y la modularidad siempre tiene un precio.

La instrumentación aún se rige con la Ley de Moore

La marcha implacable de la Ley de Moore significa que la instrumentación ha seguido cambiando. Al igual que los sistemas de nivel de tablero completo se han colapsado en SoC y un conjunto de chips de memoria y soporte, también es posible desarrollar sistemas de instrumentación completos que se ajusten a un tablero pequeño. Caso en cuestión: la plataforma abierta de instrumentación Red Pitaya que forma parte del kit de inicio STEMlab 125-14 de Red Pitaya de Trenz Electronic (Figura 1).

Figura 1: La plataforma abierta de instrumentación Red Pitaya 27761 incorpora varias entradas y salidas analógicas y digitales que se pueden usar para desarrollar instrumentación personalizada. (Fuente de la imagen: Red Pitaya)

La placa de Red Pitaya se basa en un SoC Xilinx Zynq Z-7010 y tiene las siguientes entradas y salidas de instrumentación:

• Dos entradas analógicas rápidas de 14 bits, 125 Ms/seg
• Dos salidas analógicas rápidas de 14 bits, 125 Ms/seg
• Cuatro entradas analógicas de baja velocidad de 12 bits, 100 Ks/seg
• Cuatro salidas analógicas de baja velocidad de 12 bits, 100 Ks/seg
• 16 clavijas de E/S digital

La placa de Red Pitaya también tiene un puerto Ethernet de 1 Gbit y un puerto USB 2.0. El puerto USB puede aceptar un dongle de Wi-Fi también para la operación inalámbrica.

El SoC Zynq Z-7010 incorpora dos procesadores ARM^® Cortex^®-A9 y un trozo de material en el chip FPGA. Los procesadores ejecutan tareas de software, incluido el sistema operativo Linux integrado de Red Pitaya y el FPGA proporciona control e interfaz en tiempo real para los periféricos integrados de Red Pitaya. Tener tanto FPGA como CPU permite a los desarrolladores asignar las tareas de procesamiento de señal más apropiadas para cada uno para un rendimiento óptimo. El FPGA puede manejar tareas ultrarrápidas y en tiempo real, mientras que las CPU se destacan en la ejecución de procedimientos arbitrariamente complejos, aunque de forma más lenta. Las CPU también son buenas para ejecutar sistemas operativos estándar como Linux, interfaces de usuario interactivas y servidores web.

El kit 27761 incluye una tarjeta SD para el último software de Red Pitaya, una fuente de alimentación y un cable Ethernet. El software se puede descargar desde el sitio de Red Pitaya. Proporciona a la placa de Red Pitaya un sistema operativo Linux y una interfaz web integradas, y cuatro configuraciones de instrumentos iniciales: un osciloscopio, un generador de señales, un analizador de espectro y un analizador Bode.

El sitio de Red Pitaya sirve como una interfaz maestra para operar la plataforma abierta de instrumentación Red Pitaya. La página web puede descargar instrumentos preconfigurados y ejecutarlos. También puede iniciar uno de los modos de programación de Red Pitaya, incluido el modo de programación visual, extremadamente simple, que utiliza los símbolos de arrastrar y soltar para ensamblar gráficamente un programa a partir de íconos que luego se convierten automáticamente en Python. Es posible abrir el código de Python creado a partir del diagrama de programación.

Otras alternativas para programar la plataforma abierta de instrumentos Red Pitaya incluyen los portátiles Jupyter (también basados en Python) y C. Los desarrolladores que deseen desarrollar sus propias configuraciones de FPGA para Red Pitaya pueden usar la suite de herramientas Xilinx Vivado.

El software estándar de Red Pitaya también es compatible con comandos estándar para instrumentos programables (SCPI, pronunciado como "skippy"), un protocolo de control de instrumentación originalmente definido como una capa adicional sobre IEEE-488 y utilizado como protocolo de control para muchos instrumentos de muchos proveedores en la industria. El SCPI es independiente de la interfaz de hardware y simplemente consiste en cadenas ASCII. Existe una variedad de aplicaciones de programación de instrumentación que pueden controlar la Red Pitaya usando comandos SCPI, incluidas MATLAB de MathWorks, LabVIEW de National Instruments, Scilab y Python.

La plataforma de hardware de Red Pitaya y las herramientas de desarrollo de software complementarias sirven como base para el desarrollo de sistemas de instrumentación de bajo costo y alto rendimiento, y el Mercado de Red Pitaya sirve como un punto de encuentro para las personas que desarrollan aplicaciones de instrumentos para la plataforma Red Pitaya. Actualmente hay nueve aplicaciones de instrumentos desarrolladas en el mercado, incluidas las siguientes:

• Controlador PID (proporcional, integral y derivativo)
• Analizador de vectores de red
• Radio definida por software
• RadioBox, un receptor y transmisor de RF integrado.
• DSP Workbench para modelar sistemas físicos
• Analizador de respuesta de frecuencia
• Teslámetro para medir campos magnéticos
• Analizador de impedancia
• Analizador de altura de pulso multicanal

La Red Pitaya Bazaar contiene aplicaciones de instrumentos adicionales escritas por la comunidad de usuarios de Red Pitaya, incluidos varios osciloscopios y generadores de señal, un analizador de potencia y un analizador de impedancia (Figura 2).

Figura 2: La carcasa de aluminio de Red Pitaya proporciona protección física para el tablero de Red Pitaya y el disipador de calor para el SoC Zynq Z-7010 a bordo. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Los accesorios para Red Pitaya incluyen los siguientes:

• Carcasa de aluminio de Red Pitayade Trenz Electronic
• Kit de diagnóstico electrónico calibrado de Trenz Electronic

La carcasa de aluminio de Red Pitaya proporciona protección física para la placa de Red Pitaya y el disipador térmico para el SoC Zynq Z-7010 a bordo.

El kit de diagnóstico electrónico calibrado de Trenz Electronic incluye la carcasa de aluminio y agrega el adaptador de Wi-Fi, un gabinete de expansión para las líneas de E/S digitales de Red Pitaya, sondas de instrumentación, cables, conectores y adaptadores para los diversos puertos de Red Pitaya (Figura 3) .

Figura 3: El kit de diagnóstico electrónico calibrado incluye una serie de accesorios para Red Pitaya, incluidos gabinetes, cables y un dispositivo de seguridad Wi-Fi. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Conclusión

Los sistemas de instrumentación se han vuelto más pequeños y menos costosos, y, al mismo tiempo, más capaces. La adición de microprocesadores y, en última instancia, los FPGA, permite el desarrollo de sistemas de prueba e instrumentación personalizados muy complejos a un costo relativamente bajo.

La plataforma de instrumentación abierta Red Pitaya de Trenz Electronic es un ejemplo del estado actual de evolución de los sistemas de prueba. Proporciona entradas y salidas analógicas de alta velocidad y líneas de E/S digitales bajo el control de dos procesadores de 32 bits y un FPGA. Se pueden programar utilizando una variedad de herramientas de desarrollo que van desde un lenguaje de programación visual simple hasta lenguajes de programación más convencionales, como C y Python, hasta lA Xilinx Vivado Tool Suite y el entorno de programación de FPGA.