Programirljivi osciloskopi

Red Pitaya je slovenski večnamenski izdelek, namenjen zlasti merjenju signalov. Priložene aplikacije mu omogočajo, da deluje kot spektralni analizator, osciloskop, signalni generator …. Zanimalo nas je, kako se odreže proti Voltcraftovemu namenskemu osciloskopu, DSO-2202.

Projekt Red Pitaya, slovenskega podjetja z angleškim imenom, Instrumentation Technologies iz Solkana, je požel velik uspeh na Kickstarterju in je ob nastajanju tega članka že za več kot petkrat presegel najmanjšo skupno vrednost naročil za svojo dobičkonosnost. Srce Red Pitaye je majhen, a zmogljiv mikroračunalnik z operacijskim sistemom Linux, ki sta mu dodani strojna in programska oprema za zajem in dvokanalno vzorčenje signalov s hitrostjo do 125 milijonov vzorcev na sekundo. Osciloskop omogoča prikaz signalov s frekvenco okoli 60 MHz, kar je tudi doseg priloženih merilnih sond.

Programsko opremo za Red Pitayo moramo najprej prenesti s spletne strani redpitaya.com na kartico mikro SD (priložen je tudi vmesnik za mini SD). Nato kartico vstavimo v Red Pitayo in jo zaženemo. Posodobitve programske opreme so poslej mogoče tudi prek ethernetne povzezave.

Red Pitayaja ima sicer 1 Gb/s ethernetni priključek, ki je več kot dovolj hiter za sprotni prenos zajetih vzorcev. Ima tudi priključek USB 2.0, prek katerega lahko vzpostavimo terminalsko povezavo, kot če bi imeli priključek RS-232 s hitrostjo 115200 bitov na sekundo. A to niti ni potrebno, saj lahko hitrejšo terminalsko povezavo vzpostavimo tudi prek etherneta.

Vsestranska Red Pitaya

Red Pitayo lahko uporabljamo tudi kot splošnonamenski računalnik z operacijskim sistemom Linux, a tu nima posebnih prednosti v primerjavi z izdelki, kot je Raspberry Pi. Mikroračunalnik, ki je le malo večji od kreditne kartice, bi se bolj splačalo uporabiti še kot analizator protokolov. Za zaporedne komunikacijske protokole, kot so: I2C, SPI, USB …, ki prenašajo podatke po enem ali dveh komunikacijskih vodih, bi bil dvokanalni analizator signala povsem dovolj. Žal v spletu med nastajanjem tega članka še ni bilo ustrezne programske opreme. A to ni ovira, da se kak računalniški znalec ne bi lotil izdelave, saj je Red Pitaya povsem odprtokodna.

Red Pitaya

Specializirani računalnik na podlagi ARM.

Kje: www.redpitaya.com.

Cena: Od 299 dolarjev naprej.

✓    Odprtokodni splošnonamenski računalnik z možnostjo razširitve, delo prek spletnega brskalnika, splošnonamenski generator signalov, ethernet.

✗    Delo prek spletnega brskalnika (počasnost izrisa), neposredni zajem signala je z že izdelano programsko opremo mogoč le prek ukazne vrstice v Linuxu.

Voltcraftovi osciloskopi DSO z SDK

Konkurenčni Voltcraft DSO-2202 ne potrebuje lastnega napajanja, vso energijo za delovanje črpa iz dveh priključkov USB. Hitrost vzorčenja je do 250 milijonov vzorcev na sekundo, to je dvakrat hitreje od Red Pitaye. Zmogljivi vhodni del omogoča merjenje signalov s frekvencami do 200 MHz.

Vhodna kanala sta dva (CH1 in CH2), tako kot pri Red Pitayi. Poleg njiju imamo še priključek za zunanjo sinhronizacijo (Ext). Vsi so skupni tudi klasičnim osciloskopom z zaslonom. Za umerjanje sond je na voljo še 1 kHz generator referenčnega pravokotnega signala z napetostjo 2 Vpp.

Med menjavo merilnih območij v ohišju osciloskopa slišimo preklapljanje relejev, ki verjetno neposredno spojijo ali odklopijo napetostne delilnike. Red Pitaya, nasprotno, deluje povsem elektronsko. Vendar manj elektronike nemalokrat pomeni tudi manj popačenj analognih signalov …  Sinhronizacija pri DSO-2202 deluje bolje kot pri Red Pitayi, zato bomo lažje »ujeli« signal na zaslonu.

Paket za razvoj programske opreme (SDK, angl. software development kit) omogoča, da za Voltcraftov osciloskop izdelamo lastno aplikacijo. Čeprav programske knjižnice niso odprtokodne, imamo še vedno dovolj možnosti, da nastavimo način delovanja in zajamemo vzorce ali pa signal prikažemo na zaslonu. Priložena sta tudi zgleda v Visual Basicu in Visual C++.

Voltcraft DSO-2202

Programirljivi osciloskop.

Kje: www.conrad.si.

Cena: 577 EUR. Cenejši model, DSO-1052, za merjenje signalov do 50 MHz, s frekvenco vzorčenja do 150 MHz, 295 EUR.

✓    Kakovosten osciloskop, ki ne potrebuje lastnega napajalnika, hiter in zanesljiv uporabniški vmesnik, SDK z zgledi rabe, zajem signala neposredno iz aplikacije.  

✗    Podprt le Windows, programska oprema ne podpira spektralne analize, ne omogoča hkratnega priklopa več odjemalcev, za napajanje potrebuje dva priključka USB, nima splošnonamenskega generatorja signalov.

Grafični programski vmesnik

Red Pitaya deluje kot spletni strežnik. To pomeni, da za prikaz na PCju navadno ni treba nameščati dodatne programske opreme, razen seveda brskalnika, pri čemer je priporočen Google Chrome. Red Pitaya sicer deluje tudi z drugimi spletnimi brskalniki, a ne vedno zanesljivo. Mi smo preizkusili tudi Internet Explorer, pa se ni obneslo, saj pogosto nismo mogli preklopiti med aplikacijami, niti nastaviti vseh parametrov, kot je območje delovanja.

Grafični programski vmesnik Voltcrafta DSO-2202 je bolj dodelan ob Red Pitayinega. Deluje hitro in skoraj brezhibno, saj je klasična aplikacija za Windows od različice XP naprej. Osciloskop deluje tudi na 64-bitnih (celo na strežniških) različicah Windows, kot je Windows Server 2008 R2 x64, in najnovejšem Windows 8. Podpore drugim operacijskim sistemom, denimo Linuxu, žal ni. Za komunikacijo DSO-2202 s PC skrbi poseben gonilnik, s katerim komunicira uporabniška aplikacija prek statične ali dinamične knjižnice. Priložena sta tudi zgleda uporabe knjižnic v Visual C++ in Visual Basicu. Signal lahko neposredno zajamemo v PC in ga analiziramo. Z lastno aplikacijo lahko nastavljamo tudi vse merilne parametre osciloskopa, kot sta časovna baza in merilno območje. Edino, česar si ne smemo privoščiti, je to, da bi tako ali drugače zagnali dve aplikaciji, ki bi se poskušali hkrati povezati z osciloskopom. Takrat se komunikacija prek USB sesuje in najlaže je, da osciloskop odklopimo in še enkrat priklopimo. Potem spet vse deluje brezhibno.

Referenčni 1 kHz signal z napetostjo 2 Vpp, kot ga zajameta Voltcraft in RedPitaya.

Poziv k sodelovanju

Solkanski Red Pitaya kot odprtokodni platformski izdelek ponuja izziv in priložnost za uveljavitev tudi drugim, saj zamisli za nove funkcionalnosti ne manjka. Med razvijalci z vsega sveta se najdejo tudi slovenski projekti. Poleg študentov fakultete za elektrotehniko z ljubljanske univerze, ki so razvoj dveh novih aplikacij že napovedali na spletni strani Red Pitaye, se udejstvujejo tudi drugi slovenski posamezniki.

Izdelek se očitno razmahuje in prostora za nadaljnji razvoj je dovolj. K razvoju novih funkcionalnosti in rabi pri zanimivih meritvah so zato vabljeni prav vsi, ki jih ta svet zanima. www.redpitaya.com

Kako smo preizkušali?

Z obema osciloskopoma smo izmerili dva signala. Prvi je bil pravokotni referenčni signal z napetostjo 2 Vpp in frekvenco 1 kHz, ki ga proizvaja Voltcraft DSO-2202 za umerjanje sond. Oba osciloskopa sta se na videz odlično odrezala. Red Pitaya je kazal idealen pravokotni signal, DSO-2202 pa je prikazoval tudi nekaj šuma.

Nato smo izmerili še sinusoidni signal, ki ga proizvaja kristalni oscilator Microchipovega mikrokrmilnika PIC18F26J50 s frekvenco 16 MHz. Tu je opaziti velike razlike pri podrobnosti prikaza. Aplikacija DSO-2202 zajame veliko več vzorcev, spletna aplikacija Red Pitaye pa verjetno prikaže manj vzorcev, kot jih zajame. Čeprav jih med sabo poveže s premicami, je sinusoidni signal na zaslonu preveč grobo izrisan (manjkajo vmesne točke). Kljub temu verjamemo, da je mogoče aplikacijo še izboljšati. Morebiti ne bi bilo odveč razmišljati tudi o klasičnih okenskih aplikacijah za Windows in druge priljubljene operacijske sisteme, saj je prikaz signalov z njimi lahko hitrejši in natančnejši.

Koliko staneta?

Red Pitayo lahko kupimo v več različicah. Napravo brez petvoltnega napajalnika, kartice mikro SD, ki deluje kot disk, in merilnih sond na Kikstarterju oglašujejo že za 299 USD, testni model z vso opremo pa stane 399 dolarjev.

Voltcraftu DSO-2202 niso priložene merilne sonde. Zraven dobimo le povezovalni kabel USB, ki se približno na sredini razdeli na dva priključka, ki zasedeta dve vtičniki USB na ohišju PC. Na spletni strani slovenske podružnice nemškega Conrada, www.conrad.si, lahko osciloskop naročimo za 577 evrov. Cenejši model, DSO-1052, za merjenje signalov do 50 MHz, s frekvenco vzorčenja do 150 MHz, pa dobimo že za 295 evrov.