科研儀器如何通過(guò)軟件定義變身“多合一”利器?

行業(yè)挑戰(zhàn)

總部位于美國(guó)加州圣地亞哥的 Liquid Instruments 是由一批在精密測(cè)量 和重力波檢測(cè)儀器方面具有專(zhuān)業(yè)知識(shí)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家和工程師創(chuàng)立的公司。該公司提供相關(guān)技術(shù)，幫助科學(xué)家、工程師、學(xué)生和專(zhuān)業(yè)人士無(wú)縫地采集數(shù)據(jù)，運(yùn)行測(cè)量和控制他們的實(shí)驗(yàn)。

科研儀器成本高昂。研究人員如果想要在實(shí)驗(yàn)室里測(cè)量 13 種不同參數(shù)，就需要 13 種不同的工具。而且隨著越來(lái)越多的研究人員、工程師和學(xué)生需要開(kāi)展遠(yuǎn)程協(xié)作，為每個(gè)人配備必要工具來(lái)完成工作的成本也會(huì)迅速增加。

Liquid Instruments 意識(shí)到了這一挑戰(zhàn)，并決定開(kāi)發(fā)出一套解決方案，使用由軟件定義的硬件將多種工具集成為單個(gè)工具，改變測(cè)試測(cè)量的方式。

解決方案

Liquid Instruments 正在開(kāi)發(fā)一套由軟件定義的科研儀器，其功能集可同時(shí)滿足教育、中端科研和高端科研三個(gè)不同細(xì)分市場(chǎng)的需求。其 Moku 系列產(chǎn)品以統(tǒng)一平臺(tái)提供多種分析工具，并結(jié)合相關(guān)軟件，便于用戶快速更改產(chǎn)品功能。

這套解決方案就是其 Moku 系列的科研儀器。通過(guò)賽靈思的 Zynq 平臺(tái)，用戶能夠動(dòng)態(tài)地重新編程該工具，將器件重配置成十余種精密儀器中的任何一種，含示波器、波形發(fā)生器、頻率響應(yīng)分析器、PID 控制器、數(shù)據(jù)記錄器、任意波形發(fā)生器、頻譜分析器、鎖定放大器、相位計(jì)、激光穩(wěn)頻儀、數(shù)字濾波器和 FIR 濾波器構(gòu)建器。

借助賽靈思 Zynq -7 系列 FPGA，Liquid Instruments 開(kāi)發(fā)出了自己的前兩種產(chǎn)品 Moku:Go 和 Moku:Lab，且在近期將其最新產(chǎn)品 Moku:Pro 移植到 Zynq UltraScale+ MPSoC 平臺(tái)。

圖 1：Liquid Instruments 的 Moku 系列在統(tǒng)一平臺(tái)為研究人員提供多種科研儀器

Liquid Instruments 市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)副總裁 Doug Phillips 表示：“我們選擇賽靈思，是看重它的性能和靈活性及其 Arm 架構(gòu)的高度集成特性。這種結(jié)合支持我們采用軟件定義的儀器，并在平臺(tái)層面將其作用最大化，從而滿足不同細(xì)分市場(chǎng)的需求。”

Liquid Instruments首席軟件架構(gòu)師 Ben Coughlan 補(bǔ)充道：“從支持工具和用戶群體的角度看，賽靈思顯然成熟度更高，地位也更穩(wěn)固。賽靈思團(tuán)隊(duì)一直以來(lái)對(duì)我們的幫助很大，推動(dòng)我們一路克服眾多設(shè)計(jì)難題，最終為我們的客戶開(kāi)發(fā)出杰出的解決方案?！?

Moku 產(chǎn)品面向物理學(xué)家、研究人員群體和本科教育。Moku 系列的每個(gè)成員都提供一套預(yù)設(shè)的儀器和簡(jiǎn)單易用的軟件，方便用戶快速更改設(shè)備功能。

圖 2：Moku 直觀的軟件界面便于用戶輕松將設(shè)備配置成他們需要的儀器

通過(guò)搭載 Zynq UltraScale+ MPSoC，Moku:Pro 能夠接收無(wú)線更新，以提供經(jīng)改進(jìn)的規(guī)格、新儀器或全新的功能。Liquid Instruments 即將發(fā)布一種新功能，允許 Moku:Pro 聯(lián)合運(yùn)行多種儀器，并在運(yùn)行中熱倒換儀器。此外，該公司還計(jì)劃推出新的基于云的工具，以便用戶直接編程 FPGA，這樣用戶就能實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的信號(hào)處理算法，并開(kāi)發(fā)自己的定制儀器。

Zynq UltraScale+? 器件提供 64 位處理器可擴(kuò)展能力，同時(shí)結(jié)合了實(shí)時(shí)控制與軟、硬引擎，用于圖形、視頻、波形和數(shù)據(jù)包處理。其硬件加速功能帶來(lái)的處理能力足以集成含動(dòng)態(tài)功能交換 (DFx) 在內(nèi)的眾多特性，這便于用戶即時(shí)地重配置 FPGA，完成不同任務(wù)。

Coughlan 表示：“我們剛開(kāi)始設(shè)計(jì) Moku:Lab 時(shí)，DFx 甚至不在我們的認(rèn)知范圍內(nèi)。但其恰恰成為我們選用 Zynq UltraScale+ 系列繼續(xù)開(kāi)展研發(fā)的一個(gè)不可或缺的決定因素?！?

設(shè)計(jì)成效

如今，Liquid Instruments 與數(shù)家提供固定功能設(shè)備的公司競(jìng)爭(zhēng)，但是 Phillips 認(rèn)為沒(méi)有其他公司能提供同等水平的集成度或性能。

他表示：“客戶正在用我們的工具從事尖端研究，大多數(shù)客戶對(duì)我們的產(chǎn)品所提供的功能感到欣喜和震驚。我們能在這個(gè)平臺(tái)上提供多少不同的工具是沒(méi)有限制的，限制我們的只會(huì)是市場(chǎng)和或者您的構(gòu)想?！?

Coughlan 補(bǔ)充道，“我們對(duì)與賽靈思的合作感到非常滿意。我們已經(jīng)將 Zynq 的功能發(fā)揮到超出我們的想象。同時(shí)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，我們也在努力推動(dòng) UltraScale+ 的發(fā)展。兩款產(chǎn)品的表現(xiàn)將繼續(xù)超越我們的預(yù)期?！?