科研儀器如何通過軟件定義變身“多合一”利器?

行業挑戰

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知識的實驗物理學家和工程師創立的公司。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，并決定開發出一套解決方案，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、波形發生器、頻率響應分析器、PID 控制器、數據記錄器、任意波形發生器、頻譜分析器、鎖定放大器、相位計、激光穩頻儀、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，以提供經改進的規格、新儀器或全新的功能。Liquid Instruments 即將發布一種新功能，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+ 系列繼續開展研發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+ 的發展。兩款產品的表現將繼續超越我們的預期。”