借助ADI公司的ADC在Red Pitaya STEMlab中集成96通道数据采集系统

摘要

高通道数的数据采集(DAQ)系统对性能、同步和可扩展性提出了严格要求。为应对此类挑战，日益需要半导体技术提供商与平台开发者加强合作。本文介绍一种基于Red Pitaya STEMlab平台的96通道高速DAQ系统，由ADI公司与Red Pitaya联合开发。通过将高精度模拟数据转换与开放式FPGA架构相结合，此系统能够在多通道间实现同步实时信号处理，同时保持紧凑的模块化设计。双方的合作成果展示了协作式系统级设计如何为严苛的科研和工业应用提供灵活的高性能DAQ。

引言

高性能数据采集(DAQ)系统愈发依赖半导体制造商与平台开发者之间的紧密合作，以满足速度、精度和可扩展性方面的严苛要求。ADI公司与Red Pitaya的长期合作关系表明，此类合作能够将先进的模拟和混合信号技术转化为灵活的软件定义仪器仪表平台。结合ADI公司在高分辨率、低噪声数据转换器方面的专业知识与Red Pitaya基于FPGA的开源STEMlab架构，可快速高效地构建复杂的多通道测量系统。本文介绍一种基于Red Pitaya STEMlab平台的96通道高速DAQ系统。此系统采用ADI公司的高性能数据转换技术，并由Prevas Test & Measurement与瑞典核燃料与废物管理公司(SKB)合作完成集成落地，展示了双方的合作如何为极具挑战性的科研与工业应用提供稳健、可同步且可扩展的解决方案。

合作的重要性

合作是Red Pitaya公司政策的核心支柱。Red Pitaya的开源软件就充分体现了公司的合作理念，但Red Pitaya在合作层面的实践并不局限于此。设计和制造STEMlab单元等简单、强大且可靠的工具，需要与可靠合作伙伴建立稳固持久的关系，对于将Red Pitaya板卡作为核心构建模块的产品而言尤为如此。

Red Pitaya板卡标志性的椭圆形前端设计及四个SMA连接器十分醒目。四个连接器提供了与集成模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)子系统的模拟接口。子系统负责信号采样和重构，采样率为125MSPS（标准版）或250MSPS（SIGNALlab系列），可生成任意信号。分辨率选项范围为12位至16位（视型号而定），可在速度、动态范围和成本之间进行权衡取舍。随着对高速高分辨率采样的需求不断增加，可靠的高质量ADC和DAC芯片显得愈发重要。Red Pitaya已将此类核心器件的供应委托给ADI，以便在多功能软件定义仪器中进行后续组装与集成。

ADI在诸多细分市场占据重要地位，成立至今已逾60年，相比Red Pitaya问世以来的12年发展历程，可谓历史悠久。ADI不仅经验丰富，而且提供的器件可满足STEMlab板卡所需的分辨率和采样率，并具备低噪声、低失真、出色的线性度和稳定性。凭借ADI器件的高精度水平，此类单元可用于示波器、频谱分析仪、函数发生器和DAQ系统等Red Pitaya在过去取得了巨大成功的仪器仪表应用领域。

ADI技术助力Red Pitaya成功的案例

然而，优质的器件未必直接带来高性能；只有应用于严苛的实际测量挑战时，此类系统的实用价值才最为凸显。由于统计证据离不开数据支撑，我们开展了全面的测试，采用了多达24块STEMlab 125-14四输入板卡，共计搭载48颗ADC芯片(LTC2145-14)。

为应对严苛的测量应用（包括废核燃料表征概念验证工作），我们开发了一个96通道的数据采集平台。为了支持系统的运行与同步，我们使用了开源的Constellation控制框架，此框架由德国电子同步加速器研究所(DESY)联合Prevas Test & Measurement等多家合作伙伴共同开发。这套系统专为严苛的测量应用而开发，包括废核燃料表征概念验证工作。

为满足上述严苛要求，Prevas Test & Measurement与SKB开发了一款基于Red Pitaya STEMlab架构的96通道DAQ平台，集成了同步采集、自定义FPGA固件和模块化系统扩展功能。最终成果是一套96通道高性能DAQ系统，由24台Red Pitaya STEMlab 125-14四输入设备（每台配备四个模拟输入）和Red Pitaya Click Shield组成（见图1）。这套系统专为需要高效高速数据采集和实时信号处理的应用而设计，非常适合极具挑战性的工业或科研测量环境。整套系统置于紧凑型4U 19英寸机架式机箱中，不仅节省空间，而且支持模块化部署。

图1：机箱内安装的24台STEMlab设备。

Constellation软件框架同时运行于主机和每台STEMlab 125-14四输入设备上，为管理分布式DAQ系统提供了稳健的开源软件框架。此框架实现了集中控制、监控和多通道间的简化同步。

上述基于FPGA的DAQ系统的一项关键创新在于采用了自定义FPGA镜像，可直接在设备端执行高级实时数据分析。借助此项配置，脉冲形状甄别和脉冲高度分析等任务可实时执行。每个通道独立运行，通过分析波形来生成各自的触发信号。系统仅处理感兴趣的事件并提取相关信号参数，从而最大限度减少向主机的数据传输量，降低带宽占用并提升系统效率。

为扩展系统功能，采用了Red Pitaya Click Shield来集成多款MIKROE Click板卡。例如，Expand 11 Click板卡支持5V I/O兼容性，而RDT Click板卡则通过电阻温度传感器实现精确的温度数据采集。上述特性使这套系统适用于环境监测、温敏测量及其他工业应用。

96通道DAQ平台不仅通过Constellation控制框架运行，而且利用Red Pitaya的深度存储采集功能，将高速数据流直接传输至RAM，从而高效处理大数据块。数据随后以每个通道每秒高达200万事件的速率存储在磁盘上。当全部96个通道在对应的LTC2145转换器上并发运行时，总吞吐量可达每秒1.92亿事件，满足高速连续采集和大规模数据分析的需求。

Click Shield负责处理全部24台STEMlab设备间的触发同步，同步精度保持在60ns以内。所有采集的数据都带有8ns分辨率的时间戳，确保单台设备内部及整个系统间的时间精确对齐。

上述基于FPGA的高速DAQ系统，为复杂信号采集和处理任务提供了多功能、可靠且模块化的解决方案。系统结合了高效的硬件级数据处理、灵活的扩展能力和开源软件栈，非常适合科研、工业自动化及核燃料表征等专业应用。而且凭借可扩展设计，系统兼具冗余性和易维护性，即使在数据最密集的环境中也能保持稳健性能。

结语

采用Constellation控制框架运行的96通道高速DAQ系统表明，凭借ADI公司、Red Pitaya、Prevas Test & Measurement与SKB之间的紧密合作，能够打造出可扩展的高性能测量平台。通过将高精度模拟技术与基于FPGA的开源架构相结合，上述解决方案提供了同步、高效且灵活的数据采集能力，适用于严苛的科研和工业应用。这套系统凸显了强有力的合作伙伴关系能够加速创新，并将先进器件转化为实用的系统级解决方案。

参考文献

Simon Spannagel、Stephan Lachnit、Hanno Perrey、Justus Braach、Lene Kristian Bryngemark、Erika Garutti、Adrian Herkert、Finn King、Christoph Krieger、David Leppla-Weber、Linus Ros、Sara Ruiz Daza、Murtaza Safdari、Luis G. Sarmiento、Annika Vauth、Håkan Wennlöf，“Constellation：面向动态实验装置的自主控制与数据采集系统”，Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment，第1085卷，2026年5月。