Développer rapidement une instrumentation de test HP personnalisée à l'aide de cartes prêtes à l'emploi et de logiciels open-source

Il est souvent nécessaire de développer une instrumentation personnalisée, que ce soit pour des expériences ou des tests de production. Auparavant, on utilisait des instruments reliés par GPIB/IEEE-488 et contrôlés par un ordinateur de bureau ou un poste de travail. Désormais, les approches plus modulaires comme les systèmes de rack PXI et PXI Express sont populaires. Néanmoins, de telles configurations peuvent coûter cher, en particulier pour des tests uniques ou des piles à usage unique.

Pour accélérer les délais de développement et réduire le coût de l'instrumentation personnalisée, les concepteurs doivent plutôt envisager des plateformes d'instrumentation monocarte avec suffisamment de ressources de convertisseurs analogique-numérique (CAN) ou numérique-analogique (CNA) intégrées, toutes contrôlées par un processeur embarqué et un FPGA auxiliaire.

Cet article explique comment développer une instrumentation personnalisée à l'aide d'un système sur module (SoM) basé sur un processeur/FPGA et des outils de développement fournis. S'appuyant sur un marché ouvert de conceptions d'instruments soutenu par la communauté, cette approche du développement d'instruments évite la nécessité de développer du matériel et résulte en un outil compact et peu coûteux permettant de développer de nombreux types d'instruments.

Petit historique des systèmes d'instrumentation

Avant les années 50, tous les instruments de test étaient analogiques, y compris les voltmètres et les oscilloscopes. Cette situation a commencé à changer lorsque Non-Linear Systems (NLS) de Del Mar, en Californie, a développé le premier voltmètre numérique (DVM) en 1952, utilisant des relais pas-à-pas et des résistances de précision. Hewlett-Packard Company (HP) a ensuite fait son entrée dans l'instrumentation numérique avec un minuteur/compteur qui est rapidement devenu un DVM avec l'ajout de quelques circuits d'intégration à double rampe.

Étant donné que les DVM de NLS et les équipements de test numérique de HP commandaient des écrans numériques internes, leurs mesures étaient disponibles en interne sous forme de représentation décimale codée binaire (BCD). Il était simple d'extraire ces signaux BCD des instruments grâce à des connecteurs situés sur le panneau arrière. Initialement, ces signaux BCD commandaient des imprimantes qui enregistraient les mesures de l'instrument.

En outre, de nombreux instruments numériques apparus dans les années 50 pouvaient être programmés en externe avec différents paramètres de mesure, comme une plage de mesures. La programmation se faisait via des connexions au niveau du panneau arrière, câblées à des commutateurs ou des relais distants et à des circuits logiques externes. Chaque instrument avait des exigences de programmation et des formats de lecture différents, ce qui a conduit à une automatisation de l'instrumentation digne de la tour de Babel. Le problème est devenu plus complexe lorsque les ordinateurs ont été introduits dans la combinaison en tant que contrôleurs d'instruments dans les années 60, principalement du fait que chaque instrument nécessitait un schéma de câblage différent et unique.

Cette situation a poussé HP à réfléchir à une interface numérique standard pour les instruments au milieu des années 60. Après huit années de réflexion sur le problème et de développement d'une solution, les ingénieurs HP ont présenté le HPIB (HP Interface Bus) au monde entier dans le numéro d'octobre 1972 du « HP Journal ». HPIB a déclenché le développement de systèmes d'instrumentation « rack et pile » où différents types d'instruments provenant de nombreux fournisseurs pouvaient être interconnectés les uns aux autres et à un contrôleur d'instruments. En fin de compte, HPIB a évolué pour devenir la norme IEEE-488 qui existe toujours aujourd'hui.

L'industrie a beaucoup appris quant à l'instrumentation automatisée grâce aux systèmes HPIB, mais les exigences en matière de tests ont dépassé les performances disponibles de ces systèmes. Les systèmes de type rack et pile étaient principalement construits à l'aide d'équipements de test existants dotés de commandes au niveau du panneau avant. Ces instruments étaient essentiellement destinés à être utilisés manuellement en tant qu'instruments autonomes. Les commandes et les affichages au niveau du panneau avant augmentaient le coût de ces instruments, et l'hypothèse relative aux vitesses de mesure requises par un équipement de test manuel a donné lieu à des instruments autonomes qui ne répondaient pas aux besoins de nombreux systèmes de test automatisés.

Dès que les instruments sont devenus entièrement numériques, la loi de Moore a permis aux équipements de test de devenir à la fois plus rapides et moins coûteux. Ces deux tendances convenaient bien aux tests automatisés et les coûteux panneaux avant sont finalement devenus superflus. Pourquoi faudrait-il un panneau avant pour un instrument contrôlé en permanence par un ordinateur ?

L'étape suivante de l'évolution des instruments a répondu à cette question : le bus PXI (PCI eXtensions for Instrumentation). Il a été lancé en 1997 et était basé sur la norme d'interfaçage PCI rendue omniprésente par le PC. PXI Express, basé sur la norme d'interfaçage PCIe, a suivi en 2005. PXI et PXI Express prennent en charge des débits de données beaucoup plus élevés et une latence bien inférieure à celle de HPIB, ce qui permet de développer des systèmes de test encore plus rapides.

Un châssis PXI ou PXI Express fournit une alimentation, un refroidissement et un bus de communication pour les instruments modulaires plug-in ou les modules E/S, tous contrôlés par un contrôleur plug-in ou un ordinateur externe. Les modules d'instrumentation PXI et PXI Express se connectent à ces châssis, et leurs panneaux avant compacts ne comportent pour la plupart que des connecteurs pour les entrées et les sorties de signaux. Les systèmes PXI et PXI Express sont nettement plus rapides et généralement moins coûteux que les systèmes rack et pile interconnectés via HPIB, mais ils sont toujours relativement coûteux, car ils présentent une excellente modularité, qui a toujours un prix.

L'instrumentation respecte toujours la loi de Moore

L'avancée inexorable de la loi de Moore signifie que l'instrumentation a continué de changer. À l'instar des systèmes niveau carte complets qui se sont transformés en systèmes sur puce et en une poignée de puces de mémoire et de support, il est possible de développer des systèmes d'instrumentation complets qui tiennent sur une petite carte. Exemple : la plateforme d'instrumentation ouverte Red Pitaya qui fait partie du kit de démarrage Red Pitaya STEMlab 125-14 de Trenz Electronic (Figure 1).

Figure 1 : La plateforme d'instrumentation ouverte Red Pitaya 27761 comprend plusieurs entrées et sorties analogiques et numériques qui peuvent être utilisées pour développer une instrumentation personnalisée. (Source de l'image : Red Pitaya)

La carte Red Pitaya est basée sur un système sur puce Zynq Z-7010 de Xilinx et est équipée des entrées et sorties d'instrumentation suivantes :

• Deux entrées analogiques rapides 14 bits, 125 Méch./s
• Deux sorties analogiques rapides 14 bits, 125 Méch./s
• Quatre entrées analogiques basse vitesse 12 bits, 100 Kéch./s
• Quatre sorties analogiques basse vitesse 12 bits, 100 Kéch./s
• 16 broches E/S numériques

La carte Red Pitaya est également dotée d'un port Ethernet 1 Gbit et d'un port USB 2.0. Le port USB peut également accepter un dongle Wi-Fi pour un fonctionnement sans fil.

Le système sur puce Zynq Z-7010 comprend deux processeurs Arm^® Cortex^®-A9 et un fragment FPGA sur puce. Les processeurs exécutent des tâches logicielles, notamment le système d'exploitation Linux embarqué de Red Pitaya, et le FPGA permet le contrôle et l'interfaçage en temps réel des périphériques intégrés de Red Pitaya. Le fait d'avoir à la fois le FPGA et les processeurs permet aux développeurs d'attribuer à chacun les tâches de traitement de signaux les plus appropriées pour obtenir des performances optimales. Le FPGA peut gérer des tâches en temps réel ultrarapides et difficiles, tandis que les processeurs excellent dans l'exécution de procédures arbitrairement complexes, mais plus lentement. Les processeurs conviennent également aux systèmes d'exploitation standard comme Linux, aux interfaces utilisateurs interactives et aux serveurs Web.

Le kit 27761 comprend une carte SD pour le dernier logiciel Red Pitaya, une alimentation et un câble Ethernet. Le logiciel peut être téléchargé sur le site de Red Pitaya. Il fournit à la carte Red Pitaya un système d'exploitation Linux et une interface Web intégrés, ainsi que quatre configurations initiales d'instrument : un oscilloscope, un générateur de signal, un analyseur de spectre et un analyseur Bode.

Le site de Red Pitaya sert d'interface principale pour l'exploitation de la plateforme d'instrumentation ouverte Red Pitaya. La page Web permet de télécharger des instruments préconfigurés et de les exécuter. Elle permet également de lancer l'un des modes de programmation de Red Pitaya, notamment le mode de programmation visuelle extrêmement simple, qui utilise des symboles glisser-déposer pour assembler graphiquement un programme à partir d'icônes qui sont ensuite automatiquement converties en langage Python. Il est possible d'afficher le code Python créé à partir du schéma de programmation.

Parmi les autres alternatives pour la programmation de la plateforme d'instrumentation ouverte Red Pitaya, il existe Jupyter (également basé sur Python) et le langage C. Les développeurs qui souhaitent développer leurs propres configurations FPGA pour Red Pitaya peuvent utiliser la suite d'outils Vivado de Xilinx.

Le logiciel standard de Red Pitaya prend également en charge SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments ou commandes standard pour les instruments programmables, à prononcer « skippy »), un protocole de contrôle d'instrumentation défini à l'origine comme une couche supplémentaire venant compléter la norme IEEE-488, utilisé comme protocole de contrôle pour de nombreux instruments proposés par divers fournisseurs du secteur. SCPI est indépendant de l'interface matérielle et consiste simplement en des chaînes ASCII. Diverses applications de programmation d'instrumentation permettent de contrôler Red Pitaya à l'aide de commandes SCPI, notamment MATLAB de MathWorks, LabVIEW de National Instruments, Scilab et Python.

La plateforme matérielle Red Pitaya et les outils de développement logiciel associés servent de base au développement de systèmes d'instrumentation performants et à faible coût. Le marché Red Pitaya sert de carrefour pour ceux qui développent des applications d'instrumentation pour la plateforme Red Pitaya. Il existe actuellement neuf applications d'instrumentation développées sur le marché :

• Contrôleur PID
• Analyseur de réseau vectoriel
• Radio logicielle
• RadioBox, un récepteur/émetteur RF intégré
• DSP Workbench pour la modélisation de systèmes physiques
• Analyseur de réponse en fréquences
• Teslamètre pour mesurer des champs magnétiques
• Analyseur d'impédance
• Analyseur de hauteur d'impulsion multicanal

La page Red Pitaya Bazaar contient des applications d'instrumentation supplémentaires développées par la communauté des utilisateurs de Red Pitaya, notamment plusieurs oscilloscopes et générateurs de signaux, un analyseur de puissance et un analyseur d'impédance (Figure 2).

Figure 2 : Le boîtier en aluminium Red Pitaya fournit une protection physique pour la carte Red Pitaya et un dissipateur thermique pour le système sur puce Zynq Z-7010 intégré. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Les accessoires pour Red Pitaya incluent :

• Boîtier aluminium Red Pitaya de Trenz Electronic
• Kit de diagnostic électronique étalonné de Trenz Electronic

Le boîtier en aluminium Red Pitaya fournit une protection physique pour la carte Red Pitaya et une dissipation thermique pour le système sur puce Zynq Z-7010 intégré.

Le kit de diagnostic électronique étalonné de Trenz Electronic comprend le boîtier en aluminium et ajoute le dongle Wi-Fi, un boîtier d'extension pour les lignes E/S numériques, les sondes d'instrumentation, les câbles, les connecteurs et les adaptateurs Red Pitaya pour les différents ports (Figure 3).

Figure 3 : Le kit de diagnostic électronique étalonné inclut plusieurs accessoires pour Red Pitaya, notamment des boîtiers, des câbles et un dongle Wi-Fi. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Conclusion

Les systèmes d'instrumentation sont plus compacts et moins coûteux, tout en devenant plus performants. L'ajout de microprocesseurs et, finalement, de FPGA permet de développer des systèmes d'instrumentation et de test personnalisés très complexes à un coût relativement bas.

La plateforme d'instrumentation ouverte Red Pitaya de Trenz Electronic est un exemple de l'évolution actuelle des systèmes de test. Elle fournit des entrées et des sorties analogiques haut débit, et des lignes E/S numériques, toutes contrôlées par deux processeurs 32 bits et un FPGA. Ceux-ci peuvent être programmés à l'aide de divers outils de développement, allant d'un simple langage de programmation visuel à des langages de programmation plus classiques comme C et Python, en passant par la suite d'outils Vivado de Xilinx et l'environnement de programmation FPGA.