【導讀】本文介紹一套基于Red Pitaya STEMlab平臺的96通道高速DAQ系統，由ADI與Red Pitaya聯合開發，Prevas Test & Measurement與瑞典SKB完成集成落地。系統將ADI高精度轉換器與Red Pitaya開源FPGA架構融合，在4U機箱內實現24臺設備、96通道同步采集，同步精度優于60納秒，總吞吐量達每秒1.92億事件。從器件選型到系統集成，這一合作展示了如何將先進模擬技術轉化為面向核燃料表征、工業自動化等嚴苛場景的高性能測量平臺。
引言
高性能數據采集(DAQ)系統愈發依賴半導體制造商與平臺開發者之間的緊密合作，以滿足速度、精度和可擴展性方面的嚴苛要求。ADI公司與Red Pitaya的長期合作關系表明，此類合作能夠將先進的模擬和混合信號技術轉化為靈活的軟件定義儀器儀表平臺。結合ADI公司在高分辨率、低噪聲數據轉換器方面的專業知識與Red Pitaya基于FPGA的開源STEMlab架構，可快速高效地構建復雜的多通道測量系統。本文介紹一種基于Red Pitaya STEMlab平臺的96通道高速DAQ系統。此系統采用ADI公司的高性能數據轉換技術，并由Prevas Test & Measurement與瑞典核燃料與廢物管理公司(SKB)合作完成集成落地，展示了雙方的合作如何為極具挑戰性的科研與工業應用提供穩健、可同步且可擴展的解決方案。
合作的重要性
合作是Red Pitaya公司政策的核心支柱。Red Pitaya的開源軟件就充分體現了公司的合作理念，但Red Pitaya在合作層面的實踐并不局限于此。設計和制造STEMlab單元等簡單、強大且可靠的工具，需要與可靠合作伙伴建立穩固持久的關系，對于將Red Pitaya板卡作為核心構建模塊的產品而言尤為如此。
Red Pitaya板卡標志性的橢圓形前端設計及四個SMA連接器十分醒目。四個連接器提供了與集成模數轉換器(ADC)和數模轉換器(DAC)子系統的模擬接口。子系統負責信號采樣和重構，采樣率為125MSPS（標準版）或250MSPS（SIGNALlab系列），可生成任意信號。分辨率選項范圍為12位至16位（視型號而定），可在速度、動態范圍和成本之間進行權衡取舍。隨著對高速高分辨率采樣的需求不斷增加，可靠的高質量ADC和DAC芯片顯得愈發重要。Red Pitaya已將此類核心器件的供應委托給ADI，以便在多功能軟件定義儀器中進行后續組裝與集成。
ADI在諸多細分市場占據重要地位，成立至今已逾60年，相比Red Pitaya問世以來的12年發展歷程，可謂歷史悠久。ADI不僅經驗豐富，而且提供的器件可滿足STEMlab板卡所需的分辨率和采樣率，并具備低噪聲、低失真、出色的線性度和穩定性。憑借ADI器件的高精度水平，此類單元可用于示波器、頻譜分析儀、函數發生器和DAQ系統等Red Pitaya在過去取得了巨大成功的儀器儀表應用領域。
ADI技術助力Red Pitaya成功的案例
然而，優質的器件未必直接帶來高性能；只有應用于嚴苛的實際測量挑戰時，此類系統的實用價值才最為凸顯。由于統計證據離不開數據支撐，我們開展了全面的測試，采用了多達24塊STEMlab 125-14四輸入板卡，共計搭載48顆ADC芯片(LTC2145-14)。
為應對嚴苛的測量應用（包括廢核燃料表征概念驗證工作），我們開發了一個96通道的數據采集平臺。為了支持系統的運行與同步，我們使用了開源的Constellation控制框架，此框架由德國電子同步加速器研究所(DESY)聯合Prevas Test & Measurement等多家合作伙伴共同開發。這套系統專為嚴苛的測量應用而開發，包括廢核燃料表征概念驗證工作。
為滿足上述嚴苛要求，Prevas Test & Measurement與SKB開發了一款基于Red Pitaya STEMlab架構的96通道DAQ平臺，集成了同步采集、自定義FPGA固件和模塊化系統擴展功能。最終成果是一套96通道高性能DAQ系統，由24臺Red Pitaya STEMlab 125-14四輸入設備（每臺配備四個模擬輸入）和Red Pitaya Click Shield組成（見圖1）。這套系統專為需要高效高速數據采集和實時信號處理的應用而設計，非常適合極具挑戰性的工業或科研測量環境。整套系統置于緊湊型4U 19英寸機架式機箱中，不僅節省空間，而且支持模塊化部署。
圖1：機箱內安裝的24臺STEMlab設備。
Constellation軟件框架同時運行于主機和每臺STEMlab 125-14四輸入設備上，為管理分布式DAQ系統提供了穩健的開源軟件框架。此框架實現了集中控制、監控和多通道間的簡化同步。
上述基于FPGA的DAQ系統的一項關鍵創新在于采用了自定義FPGA鏡像，可直接在設備端執行高級實時數據分析。借助此項配置，脈沖形狀甄別和脈沖高度分析等任務可實時執行。每個通道獨立運行，通過分析波形來生成各自的觸發信號。系統僅處理感興趣的事件并提取相關信號參數，從而最大限度減少向主機的數據傳輸量，降低帶寬占用并提升系統效率。
為擴展系統功能，采用了Red Pitaya Click Shield來集成多款MIKROE Click板卡。例如，Expand 11 Click板卡支持5V I/O兼容性，而RDT Click板卡則通過電阻溫度傳感器實現精確的溫度數據采集。上述特性使這套系統適用于環境監測、溫敏測量及其他工業應用。
96通道DAQ平臺不僅通過Constellation控制框架運行，而且利用Red Pitaya的深度存儲采集功能，將高速數據流直接傳輸至RAM，從而高效處理大數據塊。數據隨后以每個通道每秒高達200萬事件的速率存儲在磁盤上。當全部96個通道在對應的LTC2145轉換器上并發運行時，總吞吐量可達每秒1.92億事件，滿足高速連續采集和大規模數據分析的需求。
Click Shield負責處理全部24臺STEMlab設備間的觸發同步，同步精度保持在60ns以內。所有采集的數據都帶有8ns分辨率的時間戳，確保單臺設備內部及整個系統間的時間精確對齊。
上述基于FPGA的高速DAQ系統，為復雜信號采集和處理任務提供了多功能、可靠且模塊化的解決方案。系統結合了高效的硬件級數據處理、靈活的擴展能力和開源軟件棧，非常適合科研、工業自動化及核燃料表征等專業應用。而且憑借可擴展設計，系統兼具冗余性和易維護性，即使在數據最密集的環境中也能保持穩健性能。
結語
采用Constellation控制框架運行的96通道高速DAQ系統表明，憑借ADI公司、Red Pitaya、Prevas Test & Measurement與SKB之間的緊密合作，能夠打造出可擴展的高性能測量平臺。通過將高精度模擬技術與基于FPGA的開源架構相結合，上述解決方案提供了同步、高效且靈活的數據采集能力，適用于嚴苛的科研和工業應用。這套系統凸顯了強有力的合作伙伴關系能夠加速創新，并將先進器件轉化為實用的系統級解決方案。
參考文獻
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、H?kan Wennl?f，“Constellation：面向動態實驗裝置的自主控制與數據采集系統”，Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment，第1085卷，2026年5月。
作者簡介
?rt Valentin?i?是Red Pitaya首席技術官兼聯合創始人，負責開放式測量與控制平臺的架構和技術戰略。他的工作使工程師和研究人員能夠在光子學、航空航天、量子技術及工業研發領域構建高性能系統。
Filippo Pfaiffer是ADI公司的現場應用工程師，為歐洲客戶提供支持，并與客戶緊密合作以實現系統級解決方案。他專注于高速數據采集和測量系統，將ADI器件與Red Pitaya開放式儀器儀表生態系統相結合。
