科研儀器如何通過軟件定義變身“多合一”利器?

行業(yè)挑戰(zhàn)

總部位于美國加州圣地亞哥的 Liquid Instruments 是由一批在精密測量 和重力波檢測儀器方面具有專業(yè)知識的實驗物理學家和工程師創(chuàng)立的公司。該公司提供相關技術，幫助科學家、工程師、學生和專業(yè)人士無縫地采集數據，運行測量和控制他們的實驗。

科研儀器成本高昂。研究人員如果想要在實驗室里測量 13 種不同參數，就需要 13 種不同的工具。而且隨著越來越多的研究人員、工程師和學生需要開展遠程協作，為每個人配備必要工具來完成工作的成本也會迅速增加。

Liquid Instruments 意識到了這一挑戰(zhàn)，并決定開發(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工具，改變測試測量的方式。

解決方案

Liquid Instruments 正在開發(fā)一套由軟件定義的科研儀器，其功能集可同時滿足教育、中端科研和高端科研三個不同細分市場的需求。其 Moku 系列產品以統一平臺提供多種分析工具，并結合相關軟件，便于用戶快速更改產品功能。

這套解決方案就是其 Moku 系列的科研儀器。通過賽靈思的 Zynq 平臺，用戶能夠動態(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、頻率響應分析器、PID 控制器、數據記錄器、任意波形發(fā)生器、頻譜分析器、鎖定放大器、相位計、激光穩(wěn)頻儀、數字濾波器和 FIR 濾波器構建器。

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

圖 1：Liquid Instruments 的 Moku 系列在統一平臺為研究人員提供多種科研儀器

Liquid Instruments 市場營銷副總裁 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 架構的高度集成特性。這種結合支持我們采用軟件定義的儀器，并在平臺層面將其作用最大化，從而滿足不同細分市場的需求。”

Liquid Instruments首席軟件架構師 Ben Coughlan 補充道：“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。賽靈思團隊一直以來對我們的幫助很大，推動我們一路克服眾多設計難題，最終為我們的客戶開發(fā)出杰出的解決方案。”

Moku 產品面向物理學家、研究人員群體和本科教育。Moku 系列的每個成員都提供一套預設的儀器和簡單易用的軟件，方便用戶快速更改設備功能。

圖 2：Moku 直觀的軟件界面便于用戶輕松將設備配置成他們需要的儀器

通過搭載 Zynq UltraScale+ MPSoC，Moku:Pro 能夠接收無線更新，以提供經改進的規(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 聯合運行多種儀器，并在運行中熱倒換儀器。此外，該公司還計劃推出新的基于云的工具，以便用戶直接編程 FPGA，這樣用戶就能實現獨特的信號處理算法，并開發(fā)自己的定制儀器。

Zynq UltraScale+? 器件提供 64 位處理器可擴展能力，同時結合了實時控制與軟、硬引擎，用于圖形、視頻、波形和數據包處理。其硬件加速功能帶來的處理能力足以集成含動態(tài)功能交換 (DFx) 在內的眾多特性，這便于用戶即時地重配置 FPGA，完成不同任務。

Coughlan 表示：“我們剛開始設計 Moku:Lab 時，DFx 甚至不在我們的認知范圍內。但其恰恰成為我們選用 Zynq UltraScale+ 系列繼續(xù)開展研發(fā)的一個不可或缺的決定因素。”

設計成效

如今，Liquid Instruments 與數家提供固定功能設備的公司競爭，但是 Phillips 認為沒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，大多數客戶對我們的產品所提供的功能感到欣喜和震驚。我們能在這個平臺上提供多少不同的工具是沒有限制的，限制我們的只會是市場和或者您的構想。”

Coughlan 補充道，“我們對與賽靈思的合作感到非常滿意。我們已經將 Zynq 的功能發(fā)揮到超出我們的想象。同時在系統設計方面，我們也在努力推動 UltraScale+ 的發(fā)展。兩款產品的表現將繼續(xù)超越我們的預期。”