基于开源硬件的口袋实验测量仪器设计及应用

冯超 高凤连

摘要：测试测量仪器是电工电子类实验课中不可缺少且经常被学生使用的设备，但目前使用的测试测量设备大多价格昂贵，且不易携带，这大大限制了学生实验的空间和时间，开源硬件的可定制化口袋实验测量仪器，只有信用卡大小，方便学生使用，真正做到了“口袋实验室”。

关键词：Zynq；开源硬件；测量仪器

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）32-0274-02

一、引言

Red Pitaya是一个信用卡大小的开源硬件板，包括FPGA、DSP、双核ARM Cortex处理器、信号采集和生成电路、MicroSD卡、RJ-45以太网和USB等接口。通过软件定制，该板可以作为基于Web的示波器、频谱分析仪、信号发生器等多种测量仪器来使用，是实验教学测量仪器设备的一个低成本替代方案。该开源硬件支持Matlab、LabVIEW、Python和可视化编程语言。通过其他扩展模块，它可以作为性能强劲的微控制器，在复杂的应用场景，如机器人中使用。本文介绍了基于Red Pitaya的测试测量仪器的开发和使用，并进行实际实验来教授电子学的原理和应用。结合可视化编程，提高了学生开发的兴趣，增强了设计成品的实用性。

二、設备介绍

电工和电子专业实验课程中使用的测试和测量仪器有多种。常用的仪器如表1所示：数字万用表（DMM）、示波器、信号发生器、频谱分析仪、逻辑分析仪、频率分析仪、频率计数器等。

可以看出，各种仪器设备的价格区间通常从入门级到专业级，随着测量范围、精度和性能等因素不同而有所不同。而所有的测试测量仪器都具有相同点，例如，按钮、开关、旋钮、显示器等，并且通常都是独立的仪器，价格较高。基于Red Pitaya的开源硬件是一个低成本替代方案，它可以软件定义和实现多种测试测量工具。其开发流程大致包括以下三个步骤：（1）将其连接到网络并通过Web浏览器访问；（2）在Web浏览器中选择所需的仪器作为虚拟仪器；（3）通过Web提供的图形用户界面类型虚拟按钮、旋钮和显示器来控制所选择的仪器。

三、硬件结构

1.性能结构。板上的核心包括ARM Cortex A9处理器和一个FPGA；512 MB的RAM存储器；板载两个高速模拟输入接口，用于连接外部的待测量模拟信号。两个模拟输出端口，可以被配置成产生信号。此外，还支持I2C、RS-232、通用I/O等多种通信协议。可运行Linux操作系统。通常操作系统装载在MicroSD卡上。同时该板配有以太网接口及USB 2.0端口。如表2所示。

2.开发流程。Red Pitaya提供了高速的模拟输入输出，这是快速数字信号处理应用所必需的，如数字滤波、频谱分析等。两个模拟输入接口，信号带宽为50MHz，采样率为125MS/s，可实现中高频信号的采集和处理。ADC的分辨率为14位，可实现微伏范围的模拟信号的检测和处理。在输入电压范围为±20V时，电子实验室所用的大部分信号都能被捕获。标准的SMA型连接器用于接口外部信号。它同时提供了可连接各种外部设备、传感器的扩展连接器，可以用于温度测量、音频信号处理和各种数据记录应用等慢速数据处理场景。（1）Red Pitaya是一个基于Web的工具，并作为一个Web服务器，它可以通过以太网或者无线网络适配器连接到Internet。使用者只需在Web浏览器中键入IP地址，就可以连接到Red Pitaya上。搭建Red Pitaya开发环境包括以下三个主要步骤：下载Red Pitaya映像文件，选择稳定的操作系统版本，如red _piaya_os-stable.img.zip；解压缩下载的文件，解压后的镜像文件名，如下：red _piaya_OS_V0.94-RC22_21-Dec-2015.img；SD卡插入PC，使用win32 Disk Imager工具，将镜像文件制作成启动SD卡。（2）测试测量。启动PC或者其他智能终端等的Web浏览器并输入地址：192.168.128.1，以连接到Red Pitaya。在Web终端选择某一个测试测量仪器设备搭建实验。此次实验中以数字示波器设备为例，测量标准信号发生器产生的正弦信号，同时跟标准示波器进行比较，如图1所示。

四、课程内容及使用情况

可视化编程为编写应用程序提供了一种简化的方法。Red Pitaya可视化编程不需要有相关经验，即使是刚接触编程的大一新生也可以开发应用，像乐高积木或拼图游戏中的块来创建应用程序。

我们基于该开源硬件，设计了若干扩展模块，如下表3所示，开发了基于Red Pitaya可视化编程实验案例。

五、结语

本文介绍了基于开源硬件的测量测试仪器的开发及使用。Red Pitaya是一个功能强大的开发板，通过软件定义仪器设备，可以实现多种电气工程和电子实验室使用的测试和测量仪器。与传统的仪器不同，开源硬件没有旋钮、开关、按钮或显示器。它用作一种基于网络的仪器，使用平板终端或笔记本进行访问。基于此开源硬件，结合可视化编程，可以方便学生随时随地开展实验学习，具有推广应用价值。