การประยุกต์ใช้เครื่องมือวัดที่ปรับแต่งได้ด้วย FPGA

TechSquare ได้มีโอกาสพูดคัยกับลูกค้าซึ่งมีความต้องการจะดักจับรูปแบบของสัญญาณแอนะล็อกความถี่สูง ซึ่งรูปแบบของสัญญาณที่ต้องการจับนั้นมีช่วงเวลาสั้นมาก ๆ เพียง 0.1 us และต้องวัดสัญญาณด้วยความถี่อย่างน้อย 100 MS/s หากตรวจพบรูปแบบสัญญาณที่ต้องการต้องส่งสัญญาณทริกเกอร์ออกไปภายใน 1 us

ฟังดูค่อนข้างจะตรงไปตรงมาและไม่น่ายากเท่าไร เราลองมาวิเคราะห์ดูว่าเราจะใช้อุปกรณ์ประเภทไหนดี?

1. สำหรับการวัดสัญญาณด้วยความถี่ 100 MS/s นั้นสามารถใช้ออสซิลโลสโคปได้มากมายหลายรุ่น

2. สำหรับรูปแบบของสัญญาณนั้นจะถูกกำหนดด้วย mask limit ซึ่งออสซิลโลสโคปบางรุ่นในท้องตลาดนั้นสามารถสร้างทริกเกอร์เมื่อสัญญาณไม่อยู่ในลิมิต ทว่าในกรณีนี้ลิมิตไม่เป็นค่าคงที่ทำให้ไม่สามารถใช้ฟังก์ชั่นของออสซิลโลสโคปและต้องส่งสัญญาณไปประมวลผลบนคอมพิวเตอร์

3. สำหรับการวิเคราะห์สัญญาณ 0.1 us ที่ 100 MS/s จะมีสัญญาณ 10 จุด โดยปกติแล้วสัญญาณเหล่านี้จะถูกถ่ายโอนไปยังหน่วยความจำของคอมพิวเตอร์แล้วทำการวิเคราะห์สัญญาณเลื่อนไปเรื่อย ๆ ทีละ 10 จุดจนครบทุกจุด ซึ่งการวนลูปเพื่อทำงานในลักษณะนี้จะต้องใช้เวลาในระดับ ms ยังไม่รวมเวลาในการถ่ายโอนข้อมูลเข้าและออกจากหน่วยความจำ นั่นหมายความว่า เราไม่สามารถส่งสัญญาณทริกเกอร์ออกไปภายใน 1 us

เราจะเห็นได้ว่าการส่งข้อมูลไปประมวลผลบนคอมพิวเตอร์นั้นไม่สามารถจะตอบสนองความต้องการได้ ถึงจุดนี้หนทางที่น่าจะแก้ปัญหาคือ ย้ายการประมวลผลมาทำบนเครื่องมือวัด … มีเครื่องมือวัดที่สามารถประมวลผลบนตัวเองได้ด้วยหรือ? คำตอบคือ จริง ๆ แล้วเครื่องมือวัดทุกวันนี้มีการประมวลผลบนตัวมันเองซึ่งส่วนใหญ่จะใช้ชิพ FPGA ในการประมวลผล ซึ่งความสามารถในการวนรอบของ FPGA นั้นอยู่ในระดับ 100 MHz (10 ns) ซึ่งสามารถรองรับความต้องการข้างต้นได้อย่างง่ายดาย ทว่าเราไม่สามารถเปลี่ยนรูปแบบการประมวลในแบบที่เราต้องการได้ สำหรับปัญหานี้ TechSqaure มีทางออกให้ลูกค้า 2 ทาง

1. ใช้งานโมดูล Zmod บนบอร์ดพัฒนา FPGA ของ Digilent: Zmod เป็นโมดูลเสริมฟังก์ชั่นการทำงานบนบอร์ดพัฒนา FPGA ของ Digilent ซึ่งจะช่วยให้บอร์ดพัฒนา FPGA ของ Digilent สามารถทำงานเป็นเครื่องมือวัดได้ มีทั้งหมด 5 รุ่น

• Zmod AWG 1411: 2-channel 40 MHz Bandwidth 14-bit Arbitrary Waveform Generator (AWG)
• Zmod Scope 1410-105: 2-channel 70 MHz Bandwidth 14-bit Oscilloscope
• Zmod Scope 1410-125: 2-channel 70 MHz Bandwidth 12-bit Oscilloscope
• Zmod SDR: SYZYGY-compatible 35 kHz – 470 MHz Bandwidth 14-bit Analog-to-Digital Converter Module for Software-Defined Radio
• Zmod Digitizer 1430-125: 2-channel 60+ MHz Bandwidth 14-bit Digitizer

สำหรับบอร์ดพัฒนารุ่นที่รองรับโมดูล Zmod มีทั้งหมด 4 รุ่น

• Eclypse Z7: รองรับ 2 โมดูล
• Genesys 2: รองรับ 1 โมดูล
• Genesys ZU: รองรับ 1 โมดูล
• USB104 A7: รองรับ 1 โมดูล

สำหรับแนวทางนี้มีข้อดี คือ ค่าใช้จ่ายที่ถูกกว่า, มีขนาดเล็ก (เหมาะกับระบบฝังตัว) และสามารถใช้ VHDL, Verilog หรือ MATLAB HDL Devoder ในการพัฒนา ข้อเสีย คือ ความสามารถของเครื่องมือวัดและจำนวนช่องสัญญาณค่อนข้างจำกัด

2. เครื่องมือวัดแบบปรับแต่ง FPGA ได้ FlexRIO ของ NI: เราสามารถใช้ทางเลือกนี้ได้เพื่อก้าวข้ามปัญหาความสามารถของเครื่องมือวัดและจำนวนช่องสัญญาณบนบอร์ดพัฒนา FPGA ของ Digilent ซึ่งทางเลือกนี้สามารถรองรับช่องสัญญาณได้สูงสุดถึง 68 ช่องสัญญาณภายใน PXI ระบบเดียว โดยมีเครื่องมือวัดให้เลือกใช้งานทั้งหมด 6 รุ่น

• PXIe-5745: 12-Bit, 6.4 GS/s, 2-Channel PXI FlexRIO Signal Generator
• PCIe/PXIe-5763: 16-Bit, 500 MS/s, 4-Channel PXI FlexRIO Digitizer
• PCIe/PXIe-5764: 16-Bit, 1 GS/s, 4-Channel PXI FlexRIO Digitizer
• PCIe/PXIe-5774: 12-Bit, 6.4 GS/s, DC-Coupled, 2-Channel PXI FlexRIO Digitizer
• PCIe/PXIe-5775: 12-Bit, 6.4 GS/s, 2-Channel PXI FlexRIO Digitizer
• PCIe/PXIe-5785: 12-Bit, 6.4 GS/s, 2-Channel PXI FlexRIO IF Transceiver

ข้อดีของทางเลือกนี้นอกจากความสามารถของเครื่องมือวัดและจำนวนช่องสัญญาณที่สูงกว่าทางเลือกแรกแล้ว ทางเลือกนี้ยังสามารถใช้ LabVIEW ในการเขียนโปรแกรม FPGA ซึ่งทำให้สามารถพัฒนาได้ง่ายขึ้น ข้อเสียหลัก ๆ ก็คือเรื่องของค่าใช้จ่ายที่ค่อนข้างสูงเนื่องจากจำเป็นจะต้องมีคอมพิวเตอร์หรือแชสซี/คอนโทรลเลอร์ PXI นอกจากนี้ยังมีค่าใช้จ่ายของ LabVIEW และ LabVIEW FPGA อีกด้วย

หวังว่าบทความนี้จะเป็นประโยชน์สำหรับผู้ที่กำลังมองหาโซลูชั่นสำหรับการประมวลผลสัญญาณความเร็วสูงด้วย FPGA หากต้องการทราบข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับการวัดและประมวลผลสัญญาณด้วยความเร็วสูง ท่านสามารถติดต่อทีมงาน ติดต่อ ทีมงาน เทคสแควร์ ได้ครับ

บทความที่เกี่ยวข้อง

PXI คือ อะไร?

เริ่มต้นเรียนรู้การใช้งาน FPGA (Field Programmable Gate Array) ด้วยบอร์ดพัฒนาของ Digilent

การใช้งานบอร์ดพัฒนา FPGA ของ Digilent ร่วมกับ MATLAB HDL Coder

การพัฒนาโปรแกรมบน FPGA ด้วย IP และ Block Design