규격품 기판 및 오픈 소스 소프트웨어를 사용하여 맞춤형 HP 테스트 계기를 신속하게 개발

실험이나 생산 테스트를 위해 맞춤형 계기를 개발해야 하는 경우가 종종 있습니다. 초기에는 GPIB/IEEE 488에 의해 연결되고 데스크톱 컴퓨터나 작업 공간을 통해 제어되는 계기를 이용했습니다. 현재는 PXI 및 PXI Express 랙 시스템과 같은 모듈식 접근 방법이 널리 사용되고 있습니다. 그러나 이러한 장치도 특히 한 번의 테스트 또는 일회용 스택의 경우 많은 비용이 들 수 있습니다.

개발 시간을 단축하고 맞춤형 계기 비용을 줄이려면 설계자가 내장형 프로세서 및 컴패니언 FPGA에서 모두 제어되는 충분한 온보드 ADC(아날로그 디지털 컨버터) 또는 DAC(디지털 아날로그 컨버터) 리소스가 있는 단일 기판 계측 플랫폼을 고려해야 합니다.

이 기사에서는 제공된 개발 도구와 함께 프로세서/FPGA 기반 SoM(시스템 온 모듈)을 사용하여 맞춤형 계기를 개발하는 방법을 보여줍니다. 커뮤니티에서 지원하는 개방된 계기 설계 시장을 기반으로 하는, 계기 개발에 대한 이러한 접근 방법은 하드웨어를 개발할 필요가 없으며 콤팩트하고 저렴한 도구로 다양한 유형의 계기를 개발할 수 있습니다.

계측 시스템의 간략한 역사

1950년대 이전에는 전압계와 오실로스코프를 포함하여 모든 테스트 계기가 아날로그 방식으로 이루어졌습니다. 1952년 캘리포니아, 델 마의 비선형 시스템(NLS)에서 스테핑 계전기 및 정밀 저항기를 사용하여 디지털 전압계(DVM)를 개발하면서 이러한 상황이 바뀌기 시작했습니다. HP(Hewlett-Packard Company)는 타이머/카운터의 디지털 계기화를 시작했으며, 이 타이머/카운터에 몇 개의 이중 경사 통합 회로망을 추가하여 DVM을 완성했습니다.

NLS DVM 및 HP 디지털 테스트 장비가 내부 디지털 디스플레이를 구동하므로 해당 판독은 내부적으로 이진 코드형 십진수(BCD) 표현으로 사용할 수 있었습니다. 이러한 BCD 신호를 후면 패널 커넥터의 계기에서 가져오는 것은 간단했습니다. 기본적으로, 이러한 BCD 신호를 통해 프린터에서 계기 판독을 기록할 수 있었습니다.

또한 1950년대에 나타나기 시작한 디지털 계기의 대다수는 다른 측정 설정(예: 측정 범위)을 통해 외부에서 프로그래밍할 수 있었습니다. 프로그래밍은 원격 스위치나 계전기 및 최종적으로 외부 논리 회로망에 연결된 후면 패널 연결을 통해 이루어졌습니다. 계기마다 판독 형식 및 프로그래밍 요구 사항이 달랐으며 이는 계기 자동화에서의 바벨탑 상황으로 이어졌습니다. 이 문제는 1960년대에 컴퓨터가 계기 컨트롤러로 도입되면서 더욱 복잡해졌습니다. 계기마다 서로 다른 고유한 배선 방식을 요구했기 때문입니다.

이러한 상황으로 인해 HP는 1960년대 중반, 계기에 대한 표준 디지털 인터페이스를 고려하기 시작했습니다. HP 엔지니어는 8년간 이 문제를 연구하고 솔루션을 개발한 끝에 1972년, 10월호 "HP Journal”을 통해 세계에 HPIB(HP 인터페이스 버스)를 소개했습니다. HPIB는 여러 다른 벤더들이 제공하는 다양한 계기 유형을 서로 그리고 계기 컨트롤러에 상호 연결할 수 있는 "랙 및 스택" 계기 시스템의 개발을 유도했습니다. 최종적으로, HPIB는 IEEE 488로 발전했으며 지금도 여전히 사용되고 있습니다.

업계는 HPIB 시스템을 통해 자동화 계기에 대해 꽤 많이 알게 되었지만, 테스트 요구 사항은 그러한 시스템에서 제공하는 성능을 능가했습니다. 랙 및 스택 시스템은 주로 전면 패널 제어에 기존 테스트 장비를 사용하여 빌드되었습니다. 이러한 계기는 독립형 계측 장치로써 주로 수동으로 사용됩니다. 전면 패널 제어 및 디스플레이로 인해 이러한 계기에 추가 비용이 발생했으며, 수동으로 제어되는 테스트 장비에 필요한 측정 속도에 대한 추측으로 인해 독립형 계기가 여러 자동화 테스트 시스템의 요구를 충족하지 못했습니다.

계기가 완전히 디지털화되자 곧 무어의 법칙(Moore’s Law)에 따라 테스트 장비가 훨씬 빠르고 저렴해졌습니다. 두 추세 모두 자동화 테스트에 적합했으며, 마침내 비용이 많이 드는 전면 패널이 불필요하게 되었습니다. 항상 컴퓨터로 제어할 수 있는 계기에 왜 전면 패널이 있어야 하나요?

이 질문에 대한 답변으로 계기 진화 과정의 다음 단계, 즉 PXI(PCI eXtensions for Instrumentation) 버스를 이야기할 수 있습니다. 이 버스는 1997년에 소개되었으며, PC에서 흔히 사용되는 PCI 인터페이스 표준을 기반으로 합니다. 2005년, PCIe 인터페이스 표준을 기반으로 한 PXI Express가 그 뒤를 이었습니다. PXI와 PXI Express 모두 HPIB보다 훨씬 높은 데이터 전송률과 낮은 대기 시간을 지원하므로 테스트 시스템 개발 시간을 훨씬 단축할 수 있습니다.

PXI 또는 PXI Express 섀시는 모두 플러그인 컨트롤러 또는 외부 컴퓨터에서 제어하는 플러그인 모듈식 계기 또는 I/O 모듈에 전력, 냉각, 통신 버스를 제공합니다. PXI 및 PXI Express 계측 모듈은 이러한 섀시에 연결되고 해당하는 소형 전면 패널은 주로 단일 입력 및 출력용 커넥터만 통합합니다. PXI 및 PXI Express 시스템은 HPIB를 통해 상호 연결된 랙 및 스택 시스템보다 훨씬 빠르고 일반적으로 저렴합니다. 그러나 우수한 모듈성을 지원하려면 비용이 들기 때문에 여전히 상대적으로 비쌉니다.

계속적으로 무어의 법칙이 적용되는 계기

무어의 법칙이 계속적으로 유효하다는 것은 계기가 계속해서 변화했음을 의미합니다. 전체 기판 레벨 시스템이 SoC와 몇 개의 메모리 및 지원 칩으로 축소되었듯이 작은 기판에 맞는 전체 계측 시스템을 개발하는 것도 가능합니다. 사례: Trenz Electronic의 Red Pitaya STEMlab 시험용 키트 125-14의 일부인 Red Pitaya 개방형 계측 플랫폼(그림 1).

그림 1: 27761 Red Pitaya 개방형 계측 플랫폼은 맞춤형 계측을 개발하는 데 사용할 수 있는 여러 아날로그 및 디지털 입력 및 출력을 통합합니다. (이미지 출처: Red Pitaya)

Red Pitaya 기판은 Xilinx Zynq Z-7010 SoC를 기반으로 하며, 다음 계측 입력 및 출력을 사용합니다.

• 14비트, 125Ms/초 고속 아날로그 입력 2개
• 14비트, 125Ms/초 고속 아날로그 출력 2개
• 12비트, 100Ks/초 저속 아날로그 입력 4개
• 12비트, 100Ks/초 저속 아날로그 출력 4개
• 디지털 I/O 핀 16개

Red Pitaya 기판에는 1Gbit 이더넷 포트 1개와 USB 2.0 포트 1개가 있습니다. 무선 작동을 위해 USB 포트에서 Wi-Fi 동글을 사용할 수도 있습니다.

Zynq Z-7010 SoC는 칩에 Arm^® Cortex^®-A9 프로세서 2개와 FPGA 패브릭 청크 1개를 통합합니다. 이 프로세서는 Red Pitaya의 내장된 Linux OS를 포함한 소프트웨어 작업을 실행하고, FPGA는 Red Pitaya의 온보드 주변 소자를 위한 실시간 제어 및 인터페이스를 제공합니다. FPGA와 CPU가 모두 있으면 개발자가 최적의 성능을 위해 각각에 가장 적합한 단일 처리 작업을 할당할 수 있습니다. FPGA가 초고속의 까다로운 실시간 작업을 처리할 수 있는 반면, CPU는 더 느리기는 하지만 임의의 복잡한 절차를 실행하는 데 뛰어납니다. CPU는 Linux, 대화형 사용자 인터페이스 및 웹 서버와 같은 표준 운영 체제 실행에도 적합합니다.

27761 키트에는 최신 Red Pitaya 소프트웨어를 위한 SD 카드, 전원 공급 장치, 이더넷 케이블이 포함되어 있습니다. 이 소프트웨어는 Red Pitaya 사이트에서 다운로드할 수 있습니다. 이 소프트웨어는 Red Pitaya 기판에 내장형 Linux OS와 웹 인터페이스 및 4개의 초기 계기 구성(오실로스코프, 신호 발생기, 스펙트럼 분석기 및 보데 분석기)을 제공합니다.

Red Pitaya 사이트는 Red Pitaya 개방형 계측 플랫폼을 작동하기 위한 마스터 인터페이스 역할을 합니다. 웹 페이지에서 사전 구성된 계기를 다운로드하여 실행할 수 있습니다. 또한 드래그 앤 드롭 기호를 사용하여 아이콘에서 프로그램을 그래픽 방식으로 조립한 다음 Python으로 자동 변환하는 아주 간단한 시각적 프로그래밍 모드를 포함하여 Red Pitaya의 프로그래밍 모드 중 하나를 시작할 수 있습니다. 프로그래밍 구성도에서 생성된 Python 코드를 표시할 수 있습니다.

Red Pitaya 개방형 계기 플랫폼을 프로그래밍하는 기타 대안으로 Jupyter Notebook(역시 Python을 기반으로 함) 및 C 등이 있습니다. Red Pitaya를 위한 고유한 FPGA 구성을 개발하려는 개발자는 Xilinx Vivado 도구 세트를 사용할 수 있습니다.

Red Pitaya의 표준 소프트웨어는 IEEE 488 맨 위에 추가 레이어로 정의되고 업계 여러 벤더가 제공하는 다양한 계기에 제어 프로토콜로 사용되는 계측 제어 프로토콜인 SCPI(프로그래밍 가능 계기를 위한 표준 명령, “스키피”로 읽음)를 지원합니다. SCPI는 하드웨어 인터페이스와 독립적이며 ASCII 문자열로 구성되어 있습니다. 다양한 계측 프로그래밍 응용 분야에서 MathWorks의 MATLAB, National Instruments의 LabVIEW, Scilab 및 Python을 비롯한 SCPI 명령을 사용하여 Red Pitaya를 제어할 수 있습니다.

Red Pitaya 하드웨어 플랫폼 및 컴패니언 소프트웨어 개발 도구는 저렴한 고성능 계측 시스템 개발을 위한 기반으로 사용되며 Red Pitaya Marketplace는 Red Pitaya 플랫폼에 대한 계기 응용 제품을 개발하는 사람들을 위한 가교 역할을 합니다. 현재 시장에는 다음을 포함하여 9개의 개발된 계기 응용 제품이 있습니다.

• 비례 적분 미분(PID) 컨트롤러
• 네트워크 벡터 분석기
• 소프트웨어 정의 무선 통신
• RadioBox(통합 RF 수신기 및 송신기)
• 실제 시스템을 모형화하기 위한 DSP 작업대
• 주파수 응답 분석기
• 자기장 측정을 위한 테슬라 계측기
• 임피던스 분석기
• 다중 채널 펄스 높이 분석기

Red Pitaya Bazaar에는 여러 오실로스코프 및 신호 발생기, 전력 분석기 및 임피던스 분석기를 포함하여 Red Pitaya 사용자 커뮤니티에서 작성한 추가 계기 응용 제품이 포함되어 있습니다(그림 2).

그림 2: Red Pitaya 알루미늄 인클로저는 Red Pitaya 기판을 물리적으로 보호하고 온보드 Zynq Z-7010 SoC에 방열 기능을 제공합니다. (이미지 출처: DigiKey)

Red Pitaya 부속품은 다음과 같습니다.

• Trenz Electronic의 Red Pitaya 알루미늄 인클로저
• Trenz Electronic의 전자식으로 보정된 진단 키트

Red Pitaya 알루미늄 인클로저는 Red Pitaya 기판을 물리적으로 보호하고 온보드 Zynq Z-7010 SoC에 방열 기능을 제공합니다.

Trenz의 전자식으로 보정된 진단 키트는 알루미늄 인클로저를 포함하고 있으며 Wi-Fi 동글, Red Pitaya의 디지털 I/O 라인, 계측 프로브, 케이블, 커넥터에 대한 확장 인클로저, Red Pitaya의 여러 포트에 대한 어댑터를 추가합니다(그림 3).

그림 3: 전자식으로 보정된 진단 키트에는 인클로저, 케이블 및 Wi-Fi 동글을 포함하여 Red Pitaya에 대한 여러 가지 부속품이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: DigiKey)

결론

계측 시스템은 점점 더 작고 저렴해 졌지만 기능은 더 많아졌습니다. 마이크로 프로세서와 FPGA를 혼합하여 추가하면 매우 복잡한 맞춤형 계측 및 테스트 시스템을 상대적으로 저렴한 가격으로 개발할 수 있습니다.

Trenz Electronic Red Pitaya 개방형 계측 플랫폼은 테스트 시스템의 현재 진화 상태를 보여주는 예입니다. 이 플랫폼은 32비트 프로세서 두 개와 FPGA 제어를 통해 고속 아날로그 입력 및 출력과 디지털 I/O 라인을 모두 제공합니다. 이러한 작업은 간단한 시각적 프로그래밍 언어부터 C 및 Python과 같은 기존의 프로그래밍 언어 및 Xilinx Vivado Tool Suite와 FPGA 프로그래밍 환경에 이르기까지 다양한 개발 도구를 사용하여 프로그래밍할 수 있습니다.