רכישת נתונים במהירות גבוהה היא עמוד השדרה של אינספור ניסויים מדעיים, מלכידת הדינמיקה הצי של תגובה כימית כדי למקם נתונים חיישן גבוה ⁇ בפיסיקה חלקיקים.בחירה של microcontroller קובע לא רק כמה מהר ומדויק ניתן לדגום נתונים, אלא גם כיצד ניתן לעבד, לספוג נתונים, לטבול, ולהעביר ניתוח מערכות.

תכונות מפתח לשקול

כוח ואדריכלות

כוח עיבוד Raw הוא לעתים קרובות המהנדסים הספציפיים הראשונים לבדוק מהירות שעון (מחוש ב MHz או GHz) ו ספירת הליבה משפיעה ישירות על כמה נקודות נתונים ניתן לטפל בשנייה.עם זאת, אדריכלות חשובה בדיוק כמו ARM Cortex-M7 ליבות, למשל, תכונה של צינורות סופרקלאר ו יחידת מיקוד צף שיכול להאיץ אלגוריתמי עיבוד.

Analog-to-Digital Converter (ADC) מפרט

ADC הוא הלב של כל מערכת רכישת נתונים.מדדים מרכזיים כוללים פתרון (ביטים), קצב הדגימה (מדגם לשנייה, או SPS), ומספר הערוצים בו-זמנית ADC מציע 65,536 רמות דיסקרטיות, אשר חיוני ללכידת וריאציות אותות עדינים.

קישוריות ועברת נתונים

לא משנה כמה מהר נתונים נרכשים, יש להעביר אותו לאחסון או מחשב מארח ללא צוואר בקבוק המערכת. ממשקים מהירים כמו USB 2.0/3.0, Gigabit Ethernet, או אפילו אוטובוסים מקבילים ייעודיים נפוצים. Microcontrollers עם ממשק USB בנוי (מהירות גבוהה) או Ethernet + PHY לפשט גישה זיכרון ישיר (DMA) מאפשר ל- ADC להיות מועבר ישירות לפרוטוקול CS (מהירות גבוהה) או ל- CEE2, למרות ש- CEE ללא טיפול אלחוטי ללא טיפול אלחוטי, למרות ש- CEEC.

ביצועים בזמן אמת ועוצמה

ניסויים מדעיים רבים דורשים תזמון ⁇ .הלחות של מיקרובקר, החיזוי של מחזורי ההוראה שלה, ואת נוכחות של שעון בזמן אמת או יחידת לכידת זמן הם קריטיים. מעבדי ARM Cortex-M בדרך כלל מציעים לטבוליות נמוכה ועקבית (12 מחזורים) 12-16), אשר מספיק עבור משימות מהירות גבוהה ביותר.

יכולת ויציבות

מכשירים ניידים או מרוחקים - כגון סיסמיאוגרף שדה, אגדי נתונים אוקיאנוסים, או מל"טים אוויריים - דרישה נמוכה צריכת חשמל.מיקרובקרים יכול לעתים קרובות לרוץ במהירויות שעון נמוכות יותר כאשר ביצועים מלאים אינם נדרשים, מעבר למצב שינה או עמוק בין התפרצויות דגימה.

מיקרו-בקרים המובילים לרכישת נתונים מדעיים

Arduino Due

ההחלטה Arduino Due, המבוססת על 32 סיביות ARM Cortex-M3 (SAM3X8E) רץ ב-84 MHz, הייתה אחת ממועצות ארדוטונו הראשונות להתנתק ממשפחת ה- 8 סיביות AVR. 12 סיביות שלה ADC יכול לענות על מנת לעמוד ב- 1 MSPS, אשר מספיק עבור תופעות לוואי רבות כגון ניתוח אודיו-אנתרופולוגי, אות פיזיולוגי, ו-Acc-D2, לא ניתן למצוא את הממשק הראשי של ⁇ -E.

Raspberry Pi Pico (RP2040) ו- Pico 2 (RP2350)

(ב) Raspberry Pi Pico, באמצעות RP2040 מיקרובקר, תכונות כפול ARM Cortex-M0+ ליבות מעוותים ב-133 MLT.It 12-bit ADC יש שיעור דגימה מקסימלי של כ -500 kSPS, אם כי בפועל הוא מוגבל מאוד על ידי ארכיטקטורת ה-approximation והפנייה פנימית של RP20 I/Oudid) כולל פרוטוקול C2CDC-R2 פעיל.

« « « « « « « « « « «

Teensy 4.1 הוא אחד המיקרובקרים החזקים ביותר בגורם צורה קומפקטי.מופעל על ידי ARM Cortex-M7 הליבה (NXP i.MX RT1062) רץ ב-600 MHz, הוא כולל יחידת חומרה צפה ו- 2 MB של זיכרון פלאש.com/Sp 16-C יכול גם לדגום בקצב של 1 MSPS, ושני ADCs ניתן להשתמש בו ב- 2GB רגיל ל-HSD2D רגיל (R) כדי לקבל את ה-Ric-RID2DIDIDICK) באופן קבוע גבוה יותר.

ESP32

סדרת Espressif ESP32, עם מעבדי ה-LX6 כפול (עד 240 MHz), היא כלולה-כך מרחוק ב-IoT ו-Wi-Fi אלחוטית שלה, והיא משלבת Wi-Fi ו- Bluetooth, מה שהופך אותה אטרקטיבית עבור רכישה מרחוק נתונים שבו חיבורים חוטיים הם חסרי ערך (למרות ש-ACMs 12bit של ⁇ ) לא החזק ביותר שלה: הם לעתים קרובות מוגבלים ל-i-IQ2.

STM32H743 (STM32H7 Series)

STMicroelectronics STM32H743 הוא חלק מהשורה הגבוהה של STM32H7, שנבנה סביב ליבה של Cortex-M7 עד 400 MHz (על כמה גרסאות) עם קורטקס אופציונלית M4 coprocessor.It מתגאה שלושה-bit ADCs שיכולים לפעול באופן כפול או משולש, השגת שיעורי דגימה מעל 3G המהירות מציעה ממשק נתונים של ההרחבה CLCD.

NXP i.MX RT1060 (Cortex-M7)

ה- NXP i.MX RT מעבדים משלבים ביצועים בזמן אמתיים ברמת המיקרובקר עם תכונות מעבדי יישומים. RT1060, המשמשות ב-Teensy 4.1, ניתן גם לקבל על לוחות פיתוח כמו MIMXRT1060-EVK.S.S.TMS.D.A.R.D.A.S.D.A.D.S.TM, כולל שבב זמן משולב ב-M2 ב-ACR עם למעלה מ-S.D.D.D.D.D.D.S.D.D.D.D.S.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.S.S.S.S.S.S.M2, עם מספר 8.O.D.D.M.M.D.D.M.M.D.D.D.D.D.O.M. עם מספר 8.M.D.O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.M.M.M.M.M.3 ב-A.D.O.O.O.O

בחירת המיקרובקר הנכון עבור היישום שלך

אף מיקרו-בקר יחיד אינו שולט באופן אוניברסלי בכל משימות רכישת נתונים מדעיים.ההחלטה תלויה בהתקפה הספציפית הרלוונטית לניסוי:

  • (FLT:0Sampling Rate and resolution: FLT:1; אם אות הריבית מכיל תדרים עד 100 kHz, ADC sampling ב 500 kSPS (עם אנטי-aliasing נכון) הוא בדרך כלל מספיק.עבור אירועים אופטיים מהירים או מהירים מעל 1 MHz, לשקול בין ADC על S327 או iMX, שבבים פחות נשלט על ידי ADC.
  • (FLT:0)Ease of Developmentmia: FLT:1 צוותים מחקר עם מומחיות קושחה מוגבלת לעתים קרובות לטובת לוחות תואמים Arduino (Due, Teensy, Pico) בשל ספריות נרחבות ותמיכה קהילתית.
  • דרישות ה-FLT:0 (Connectivity: FLT:1hd) העברת מהירות גבוהה Wired מעדיף USB HS או Ethernet, אשר תמיכה ב- S32H7. Wireless צריכה להצביע על ESP32 או coמעבד נפרד.
  • תקציב:0 (Power Budget:BuildFLT:1 , למערכות שדה-deployed ליהנות מצורות הכוח הנמוך של RP2040 או ESP32.
  • (FLT:0) Cost לכל ערוץ: 1FLT (עבור מערכות מרובות ערוצים, מיקרובקרים עם מספר רב של ADCs או במקביל דגימה (למשל, STM32H7 של שלוש ADCs) להפחית ספירת רכיב ועלות.

שיקולים מעשיים לרכישת נתונים במהירות גבוהה

פילטרים Anti-Aliasing filter

כל אותות מדגם חייב לספק את הקריטריון של Nyquist כדי להימנע ממזיינת. מסנן RC סדר ראשון לפני ADC עשוי מספיק עבור אותות מהירות נמוכה, אבל עבור רכישה מהירה גבוהה מסנן פעיל הזמנה גבוה יותר (למשל, Sallen-Key או Butterworth) עם גלגל חד- off הוא מומלץ. הרבה מיקרו-בקר ביצועים גבוהים כוללים רווח רב-מחדש ופילטר חיצוני, אך לעתים קרובות טוב יותר.

ניהול Buffer ו DMA

ADCs במהירות גבוהה לייצר נתונים במחירים שיכולים במהירות על גדות SRAM של מיקרובקר.שימוש DMA להעביר ערכי ADC ישירות לתוך bupong הוא תרגול סטנדרטי. בעוד אחד buffer ממלא, CPU יכול לעבד או לארוז את הנתונים של buffer הקודם מכיל 2 MB של SRAM, בעוד ה-S2TMH2 מציע למעלה מ- 274 אינץ ', במקום לכידת RAM מקומי.

ADCs ו-Coמעבדים

כאשר מיקרובקר בנוי-ב-ADC אינו יכול לעמוד בדרישות מהירות או ברזולוציה, ADC חיצוני (למשל, Analog מכשירים AD7980, טקסס Instruments ADS1263) יכול להיות מממשק באמצעות SPI או אוטובוס מקביל. מיקרובקרים רבים, כולל ESP32 ו- RP2040, יש מספיק I / O כדי להניע ממיררים אלה באופן דומה, FPGAs יכול לשמש כקדמי של ניהול גבוה של נתונים אולטרה-PS עם בקרה גבוהה עם בקרה ו-PS-PS גבוה עם בקרה גבוהה).

מסקנה

בחירת המיקרובקר הטוב ביותר עבור רכישת נתונים במהירות גבוהה במחקר מדעי הוא עניין של התאמת יכולות המכשיר לדרישות הניסוי. Arduino Due נשאר בחירה ברמת כניסה מוצקה עבור רכישה מהירה 12 סיביות, בעוד תופעות Raspberry Pi Pico ו- Pico 2 מציעים ערך ללא פשר עבור פרויקטים רגישים עלות, ®Rsy 4.1, S32H7, ו- IXL מספק ציון מדויק של מערכת בדיקה, ללא קשר ל-MSF.