【導(dǎo)讀】本文介紹一套基于Red Pitaya STEMlab平臺(tái)的96通道高速DAQ系統(tǒng)，由ADI與Red Pitaya聯(lián)合開發(fā)，Prevas Test & Measurement與瑞典SKB完成集成落地。系統(tǒng)將ADI高精度轉(zhuǎn)換器與Red Pitaya開源FPGA架構(gòu)融合，在4U機(jī)箱內(nèi)實(shí)現(xiàn)24臺(tái)設(shè)備、96通道同步采集，同步精度優(yōu)于60納秒，總吞吐量達(dá)每秒1.92億事件。從器件選型到系統(tǒng)集成，這一合作展示了如何將先進(jìn)模擬技術(shù)轉(zhuǎn)化為面向核燃料表征、工業(yè)自動(dòng)化等嚴(yán)苛場景的高性能測量平臺(tái)。
引言
高性能數(shù)據(jù)采集(DAQ)系統(tǒng)愈發(fā)依賴半導(dǎo)體制造商與平臺(tái)開發(fā)者之間的緊密合作，以滿足速度、精度和可擴(kuò)展性方面的嚴(yán)苛要求。ADI公司與Red Pitaya的長期合作關(guān)系表明，此類合作能夠?qū)⑾冗M(jìn)的模擬和混合信號技術(shù)轉(zhuǎn)化為靈活的軟件定義儀器儀表平臺(tái)。結(jié)合ADI公司在高分辨率、低噪聲數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器方面的專業(yè)知識(shí)與Red Pitaya基于FPGA的開源STEMlab架構(gòu)，可快速高效地構(gòu)建復(fù)雜的多通道測量系統(tǒng)。本文介紹一種基于Red Pitaya STEMlab平臺(tái)的96通道高速DAQ系統(tǒng)。此系統(tǒng)采用ADI公司的高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，并由Prevas Test & Measurement與瑞典核燃料與廢物管理公司(SKB)合作完成集成落地，展示了雙方的合作如何為極具挑戰(zhàn)性的科研與工業(yè)應(yīng)用提供穩(wěn)健、可同步且可擴(kuò)展的解決方案。
合作的重要性
合作是Red Pitaya公司政策的核心支柱。Red Pitaya的開源軟件就充分體現(xiàn)了公司的合作理念，但Red Pitaya在合作層面的實(shí)踐并不局限于此。設(shè)計(jì)和制造STEMlab單元等簡單、強(qiáng)大且可靠的工具，需要與可靠合作伙伴建立穩(wěn)固持久的關(guān)系，對于將Red Pitaya板卡作為核心構(gòu)建模塊的產(chǎn)品而言尤為如此。
Red Pitaya板卡標(biāo)志性的橢圓形前端設(shè)計(jì)及四個(gè)SMA連接器十分醒目。四個(gè)連接器提供了與集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)子系統(tǒng)的模擬接口。子系統(tǒng)負(fù)責(zé)信號采樣和重構(gòu)，采樣率為125MSPS（標(biāo)準(zhǔn)版）或250MSPS（SIGNALlab系列），可生成任意信號。分辨率選項(xiàng)范圍為12位至16位（視型號而定），可在速度、動(dòng)態(tài)范圍和成本之間進(jìn)行權(quán)衡取舍。隨著對高速高分辨率采樣的需求不斷增加，可靠的高質(zhì)量ADC和DAC芯片顯得愈發(fā)重要。Red Pitaya已將此類核心器件的供應(yīng)委托給ADI，以便在多功能軟件定義儀器中進(jìn)行后續(xù)組裝與集成。
ADI在諸多細(xì)分市場占據(jù)重要地位，成立至今已逾60年，相比Red Pitaya問世以來的12年發(fā)展歷程，可謂歷史悠久。ADI不僅經(jīng)驗(yàn)豐富，而且提供的器件可滿足STEMlab板卡所需的分辨率和采樣率，并具備低噪聲、低失真、出色的線性度和穩(wěn)定性。憑借ADI器件的高精度水平，此類單元可用于示波器、頻譜分析儀、函數(shù)發(fā)生器和DAQ系統(tǒng)等Red Pitaya在過去取得了巨大成功的儀器儀表應(yīng)用領(lǐng)域。
ADI技術(shù)助力Red Pitaya成功的案例
然而，優(yōu)質(zhì)的器件未必直接帶來高性能；只有應(yīng)用于嚴(yán)苛的實(shí)際測量挑戰(zhàn)時(shí)，此類系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值才最為凸顯。由于統(tǒng)計(jì)證據(jù)離不開數(shù)據(jù)支撐，我們開展了全面的測試，采用了多達(dá)24塊STEMlab 125-14四輸入板卡，共計(jì)搭載48顆ADC芯片(LTC2145-14)。
為應(yīng)對嚴(yán)苛的測量應(yīng)用（包括廢核燃料表征概念驗(yàn)證工作），我們開發(fā)了一個(gè)96通道的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)。為了支持系統(tǒng)的運(yùn)行與同步，我們使用了開源的Constellation控制框架，此框架由德國電子同步加速器研究所(DESY)聯(lián)合Prevas Test & Measurement等多家合作伙伴共同開發(fā)。這套系統(tǒng)專為嚴(yán)苛的測量應(yīng)用而開發(fā)，包括廢核燃料表征概念驗(yàn)證工作。
為滿足上述嚴(yán)苛要求，Prevas Test & Measurement與SKB開發(fā)了一款基于Red Pitaya STEMlab架構(gòu)的96通道DAQ平臺(tái)，集成了同步采集、自定義FPGA固件和模塊化系統(tǒng)擴(kuò)展功能。最終成果是一套96通道高性能DAQ系統(tǒng)，由24臺(tái)Red Pitaya STEMlab 125-14四輸入設(shè)備（每臺(tái)配備四個(gè)模擬輸入）和Red Pitaya Click Shield組成（見圖1）。這套系統(tǒng)專為需要高效高速數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)信號處理的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，非常適合極具挑戰(zhàn)性的工業(yè)或科研測量環(huán)境。整套系統(tǒng)置于緊湊型4U 19英寸機(jī)架式機(jī)箱中，不僅節(jié)省空間，而且支持模塊化部署。
圖1：機(jī)箱內(nèi)安裝的24臺(tái)STEMlab設(shè)備。
Constellation軟件框架同時(shí)運(yùn)行于主機(jī)和每臺(tái)STEMlab 125-14四輸入設(shè)備上，為管理分布式DAQ系統(tǒng)提供了穩(wěn)健的開源軟件框架。此框架實(shí)現(xiàn)了集中控制、監(jiān)控和多通道間的簡化同步。
上述基于FPGA的DAQ系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵創(chuàng)新在于采用了自定義FPGA鏡像，可直接在設(shè)備端執(zhí)行高級實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析。借助此項(xiàng)配置，脈沖形狀甄別和脈沖高度分析等任務(wù)可實(shí)時(shí)執(zhí)行。每個(gè)通道獨(dú)立運(yùn)行，通過分析波形來生成各自的觸發(fā)信號。系統(tǒng)僅處理感興趣的事件并提取相關(guān)信號參數(shù)，從而最大限度減少向主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸量，降低帶寬占用并提升系統(tǒng)效率。
為擴(kuò)展系統(tǒng)功能，采用了Red Pitaya Click Shield來集成多款MIKROE Click板卡。例如，Expand 11 Click板卡支持5V I/O兼容性，而RDT Click板卡則通過電阻溫度傳感器實(shí)現(xiàn)精確的溫度數(shù)據(jù)采集。上述特性使這套系統(tǒng)適用于環(huán)境監(jiān)測、溫敏測量及其他工業(yè)應(yīng)用。
96通道DAQ平臺(tái)不僅通過Constellation控制框架運(yùn)行，而且利用Red Pitaya的深度存儲(chǔ)采集功能，將高速數(shù)據(jù)流直接傳輸至RAM，從而高效處理大數(shù)據(jù)塊。數(shù)據(jù)隨后以每個(gè)通道每秒高達(dá)200萬事件的速率存儲(chǔ)在磁盤上。當(dāng)全部96個(gè)通道在對應(yīng)的LTC2145轉(zhuǎn)換器上并發(fā)運(yùn)行時(shí)，總吞吐量可達(dá)每秒1.92億事件，滿足高速連續(xù)采集和大規(guī)模數(shù)據(jù)分析的需求。
Click Shield負(fù)責(zé)處理全部24臺(tái)STEMlab設(shè)備間的觸發(fā)同步，同步精度保持在60ns以內(nèi)。所有采集的數(shù)據(jù)都帶有8ns分辨率的時(shí)間戳，確保單臺(tái)設(shè)備內(nèi)部及整個(gè)系統(tǒng)間的時(shí)間精確對齊。
上述基于FPGA的高速DAQ系統(tǒng)，為復(fù)雜信號采集和處理任務(wù)提供了多功能、可靠且模塊化的解決方案。系統(tǒng)結(jié)合了高效的硬件級數(shù)據(jù)處理、靈活的擴(kuò)展能力和開源軟件棧，非常適合科研、工業(yè)自動(dòng)化及核燃料表征等專業(yè)應(yīng)用。而且憑借可擴(kuò)展設(shè)計(jì)，系統(tǒng)兼具冗余性和易維護(hù)性，即使在數(shù)據(jù)最密集的環(huán)境中也能保持穩(wěn)健性能。
結(jié)語
采用Constellation控制框架運(yùn)行的96通道高速DAQ系統(tǒng)表明，憑借ADI公司、Red Pitaya、Prevas Test & Measurement與SKB之間的緊密合作，能夠打造出可擴(kuò)展的高性能測量平臺(tái)。通過將高精度模擬技術(shù)與基于FPGA的開源架構(gòu)相結(jié)合，上述解決方案提供了同步、高效且靈活的數(shù)據(jù)采集能力，適用于嚴(yán)苛的科研和工業(yè)應(yīng)用。這套系統(tǒng)凸顯了強(qiáng)有力的合作伙伴關(guān)系能夠加速創(chuàng)新，并將先進(jìn)器件轉(zhuǎn)化為實(shí)用的系統(tǒng)級解決方案。
參考文獻(xiàn)
Simon Spannagel、Stephan Lachnit、Hanno Perrey、Justus Braach、Lene Kristian Bryngemark、Erika Garutti、Adrian Herkert、Finn King、Christoph Krieger、David Leppla-Weber、Linus Ros、Sara Ruiz Daza、Murtaza Safdari、Luis G. Sarmiento、Annika Vauth、H?kan Wennl?f，“Constellation：面向動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置的自主控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”，Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment，第1085卷，2026年5月。
作者簡介
?rt Valentin?i?是Red Pitaya首席技術(shù)官兼聯(lián)合創(chuàng)始人，負(fù)責(zé)開放式測量與控制平臺(tái)的架構(gòu)和技術(shù)戰(zhàn)略。他的工作使工程師和研究人員能夠在光子學(xué)、航空航天、量子技術(shù)及工業(yè)研發(fā)領(lǐng)域構(gòu)建高性能系統(tǒng)。
Filippo Pfaiffer是ADI公司的現(xiàn)場應(yīng)用工程師，為歐洲客戶提供支持，并與客戶緊密合作以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級解決方案。他專注于高速數(shù)據(jù)采集和測量系統(tǒng)，將ADI器件與Red Pitaya開放式儀器儀表生態(tài)系統(tǒng)相結(jié)合。
