Nyílt forrásúvá válik az automatikus mérés és vizsgálat

Nyílt forráskód és alkalmazásbolt – nemrég ezeket a fogalmakat még kizárólag csak az informatikában használtuk. A mögöttük rejlő gondolkodásmód átvétele azonban egyre inkább termékenynek bizonyul a vizsgáló- és mérőberendezések területén is, ahol a mérnöki közösségek együttműködésével kiegészítve hatékony, rugalmasan és sokoldalúan felhasználható megoldásokkal gazdagodhat a fejlesztő- és oktatólaboratóriumok és a terepen dolgozó szakemberek rendelkezésére álló eszközpark.

Bevezetés

Legalább háromféle vizsgálóműszer van, ami nem hiányozhat egyetlen mérnök laborasztaláról sem. Legyen szó bár a szakma bármely területéről, ezek között mindig megtalálható egy oszcilloszkóp, egy jelgenerátor és egy digitális multiméter (DMM). Ezek rendszerint központi helyet foglalnak el az asztal feletti polcon a mérnököknek az elektronika világába tekintő szemeiként akár az analóg, akár a digitális elektronika területén. Közülük rendszerint az oszcilloszkóp az, ami a legutóbbi évek fejlesztése, és ez a leggyakrabban használt és a legértékesebb eredményeket szolgáltató mérőeszköz. Mérnökgenerációk tanulták, hogyan kell eljátszani az oszcilloszkóp gombjaival, hogy tökéletes képet kapjanak egy jelről egy időzítőjel-forráshoz szinkronizálva. A többi mérőműszerhez hasonlóan az oszcilloszkóp fejlődésének is tartania kellett a lépést a vizsgált elektronikus rendszerek igényeivel, vagy meg kellett előznie azokat. Az évek során a műszerek felhasználói interfésze is fejlődött, a kezelőgombok csoportosítása és funkciói egyre intuitívebb rendszer szerint helyezkedtek el a képernyő körül, és az érintőképernyők elterjedésével egyre több és több funkciót lehetett szoftveres menük irányítása alá helyezni az oszcilloszkóp LCD-képernyőjét kezelőfelületként hasznosítva. Ez nem sokkal előzte meg azt, hogy egyes csúcskategóriájú oszcilloszkópokban kezdtek megjelenni a jelgenerátorok, logikai analizátorok és digitális multiméterek funkciói, miközben a processzorok és a számítási technológiák teljesítőképességének növekedtével egyre kisebbek lettek a műszer fizikai méretei. És valóban, sokféle vizsgálóműszer – ideértve a nagy sávszélességű, kevert jelű oszcilloszkópokat és az RF spektrumanalizátorokat – ma már olyan számítástechnikai jellegű operációs rendszerek irányítása alatt áll, mint a Microsoft Windows. Szó, ami szó, hosszú út vezet a szakmai pályafutásunk korai éveinek méretes katódsugárcsöves oszcilloszkópjaitól napjaink korszerű oszcilloszkópjaiig.
Az oszilloszkóp-innováció „átbillenési pontja” akkor érkezett el, amikor az analóg és digitális frontendek fizikailag különváltak a vezérlő és megjelenítő funkcióktól. Az USB-alapú oszcilloszkópokat – amelyekben egy pehelykönnyű, kompakt egység tartalmazza az összes jeldetektálási, trigger, szinkronizációs és jelfeldolgozó elektronikát – egy asztali, laptop vagy táblaszámítógéphez illesztve egy szoftveralkalmazás valósítja meg az oszcilloszkóp megjelenítő funkcióját, miközben az érintőképernyő és/vagy az egér felől érkező felhasználói beavatkozások helyettesítik a fizikailag realizált kezelőszerveket.

1. ábra Egy STEMlab125-10 eszköz alkalmazásmenüje

A Red Pitaya STEMlab mérőplatform

Nem túl régi az a sokfelől érkező kezdeményezés sem, amelynek nyomán a vizsgáló- és mérőműszerek területén a Red Pitaya STEMlab125 vizsgáló- és mérőplatform megjelenésével egy nyílt forrású megközelítés is létrejött. Ez ma két műszertípusban, a STEMlab125-10 és a STEMlab125-14 modellekben testesül meg. Ezekben az eszközökben kétmagos ARM Cortex-A9 processzor és Xilinx Zynq 7010 FPGA rendszercsip (System on Chip – SoC) foglal helyet. Mindkét műszer 125 Mminta/s mintasebességgel működik mindkét analóg bemenetén. Az egyetlen különbség a két modell között, hogy a -10-es változat 40 MHz-es sávszélességgel és 10 bites felbontású AD-konverterrel van felszerelve, míg a -14-es változat sávszélessége 50 MHz, AD-átalakítójának felbontása pedig 14 bit, annak érdekében, hogy ez a nagyobb felbontás jobban kielégíthesse a professzionális mérnöki felhasználás igényeit. A bemeneti analóg feszültségtartomány ±1 V. A szoftver GNU/Linux operációs rendszer felett fut, és a felhasználó rendszergazdai (root) jogot szerezhet, hogy a tárolt adatokhoz hozzáférhessen, jelet generálhasson vagy újabb bemeneti adatok rögzítését kezdeményezhesse.
A Red Pitaya STEMlab egy, a teljes hardvert tartalmazó egységben foglal helyet, és egy webböngésző-alapú alkalmazás futtatható rajta, amely egyben kommunikációs lehetőséget is teremt egy Ethernet-porton vagy az USB-csatlakozóba illesztett WiFi-adapteren keresztül.
A STEMlab (1. ábra) az azonnal felhasználható alkalmazások egy bőséges jegyzékét is kínálja, amely az integrált oszcilloszkóp, jelgenerátor, spektrumanalizátor és egy alapfunkciós logikai analizátor képességein alapul. Ezenkívül létezik egy nyílt forrású alkalmazásbolt is, ahol a gyártótól független partnercégek ajánlhatják a STEMlab-platformra tervezett alkalmazásaik széles választékát. A fejlesztőknek szóló webhelyen egy alapos felhasználói kézikönyv is elérhető, amely körvonalazza azt a hardver- és szoftverkörnyezetet, amelyben a STEMlab működni képes, így a felhasználó saját fejlesztésű vizsgáló- és mérőalkalmazásokat is létrehozhat.

2. ábra A STEMlab oszcilloszkóp képernyője

Ha az oszcilloszkópfunkciót használjuk, a képernyő több eltérő rendeltetésű szekcióra oszlik. A 2. ábrán (1) jelöli az X tengely automatikus skálabeállító funkcióját, (2) a bemeneti és triggerfunkciók menüjét, (3) az X/Y vezérlőpanelt és (4) az Y tengely menti méréshatárt.
A 3. ábrán bemutatott jelgenerátor-funkció éppen egy 1 kHz-es, 0,9 V amplitúdójú szinuszhullámot állít elő, amely az OUTPUT1-en jelenik meg, és egyben (bíbor színnel) az oszcilloszkóp-képernyőn is látszik. A két független csatorna 0…50 MHz-es kimenőjel-tartomány előállítására alkalmas.

3. ábra Jelgenerátor és oszcilloszkóp

A spektrumanalizátor-funkció révén a STEMlab egy kétcsatornás DFT (Digital Fouirer Transform) alapú spektrumanalizátorrá válik, amelynek frekvenciatartománya a -10 modellnél 0…50 MHz, a -14 modellnél pedig 62 MHz (4. ábra). A hagyományos frekvenciaamplitúdó alapú, és a „vízesés”-diagramok^[1] egyaránt megjeleníthetők.
Egyes alkalmazások – mint például az induktivitás-, kapacitás- és ellenállásmérő – további hardverkiegészítőket igényelnek a működésükhöz. Ezenkívül vannak olyan további alkalmazáskészletek is, mint a Logic Analyzer Basic, amely egyszerre ad szoftver- és 8 csatornás bemenő hardverkiegészítést is a STEMlab alapkészülékhez. Ezek a kiegészítők ugyancsak megvásárolhatók a STEMlab-forgalmazóknál, és további funkciókkal ruházzák fel az önmagában is sokoldaló vizsgálókészüléket.

4. ábra A STEMlab125 spektrumanalizátor-üzemmódban

A logikai analizátor Basic és PRO változatai egyaránt a STEMlab rendkívül hasznos kiegészítései, bár ezek közül a PRO változat az, amely a legjobb tulajdonságokkal rendelkezik a beágyazott elektronikai alkalmazások professzionális vizsgálatához. Ezek legfeljebb 50 MHz-es sávszélességű bemeneti jelet képesek mintavételezni 125 Mminta/s mintasebességgel, alkalmazkodnak a 2,5…5,5 V-os logikaiszint-tartományhoz, és akár 10 ns-os impulzusszélességű jeleket is képesek detektálni. A PRO-változat szoftvere támogatja az I2C-, az SPI- és az UART-buszok dekódolását, amint azt az 5. ábra is mutatja.

A harmadik féltől származó alkalmazások között rendkívül széles körű alkalmazásválasztékot találunk a Bazaar Marketplace (http://bazaar.redpitaya.com) elnevezésű alkalmazásboltban a szoftverrádió (Software Defined Radio – SDR) alkalmazásoktól kezdve az egyfázisú teljesítményfelügyeleti rendszerig.
A STEMlab nagy előrelépést jelent a mindenki által hozzáférhető vizsgálóberendezések iránt érdeklődők számára.
A STEMlab125-14-es változat bizonyára több mint megfelelő számos professzionális mérnöki követelmény kielégítésére, míg a -10-es változat ideális megoldás az oktatási és hobbifelhasználóknak. A STEMlab jó befektetésnek tűnik az oktatási intézmények számára, mivel számos más célra is használható, beleértve a Linux és a magas szintű programnyelvek (pl. Python), valamint az általános célú I/O-műveletek oktatását.

5. ábra A STEMlab logikai analizátor PRO-változata I2C-buszjelek dekódolása közben

Speciális, SDR-orientált mérő- és vizsgálórendszerek

Mindazok számára, akik elektronika és vezetékmentes kommunikáció oktatásával foglalkoznak, ugyancsak hasznosak lehetnek az olyan – STEMlab-hoz hasonló – készülékek, mint az Analog Devices PLUTO SDR tanulómodulja, vagy az Analog Discovery 2 elnevezésű készlet a Diligent cégtől. A kétcsatornás, 14 bites felbontású Analog Discovery 2 egység kiterjedt szolgáltatáslistát kínál a felhasználónak, benne egy 30 MHz-es, 100 Mminta/s mintasebességű oszcilloszkóppal, egy 12 MHz-es hullámforma-generátorral, egy 16 csatornás, 3,3 V-os logikai feszültségszintű CMOS logikai analizátorral és egy ±25 V-os méréstartományú, AC/DC mérésre alkalmas digitális feszültségmérővel. Az információ egy USB-vel csatlakoztatott számítógépen jelenik meg egy ingyenes alkalmazás közreműködésével, amely Microsoft Windows, Mac OSX és Linux operációs rendszereken futtatható változatban is rendelkezésre áll. A PLUTO egy, a STEMlab-nál sokkal specializáltabb modul annak megtanulására, hogyan tervezzünk és dolgozzunk ki prototípusokat a szoftverrádió-alkalmazások területén. Az Analog Devices gyors RF-adóvevőjére, az AD9364-ra és a Xilinx Zynq FPGA-jára alapozott modul 325 MHz-től 3,8 GHz-ig fedi le az RF-spektrumot, és a prototípusfejlesztés felgyorsítására használható már csak azáltal is, hogy számos nyílt forrású SDR-könyvtárat is magában foglal.

Összefoglalás

A nyílt forrású vizsgáló- és mérőeszközök épp most válnak a laborasztalok értékes tartozékaivá és a terepen dolgozó mérnökök eszközkészletének hasznos részévé. Vonzerejük nem csak hordozhatóságukban és teljesítőképességükben rejlik, hanem abban is, hogy több részegységből összeállított vizsgálórendszerek feladatát láthatják el azok árának töredékéért.

Szerző: Mark Patrick – Mouser Electronics Europe

Magyar nyelvű kapcsolat:
Maus Electronics Kft., a Mouser hivatalos partnere
1034 Budapest, Bécsi út 100.
Tel.: +36 1 244 8412
Mobil: +36 20 777 1080
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.mausel.eu

hu.mouser.com

Még több Maus Electronics

^[1]A vízesés-diagram egy háromdimenziós megjelenítési mód, tipikusan spektrumok időfüggésének megjelenítésére. Az egymást követő időpontokban felvett spektrumok „kitakarják” a korábban felvetteknek azt a részét, amelyek a térbeli megjelenítésben eléjük kerülnek. Az eredmény egy „domborzati képhez” hasonlít. – A szerk. megj.