حل قائم على FPGA باستخدام Raspberry Pi CM4 وشريحة AD7768

إن بناء نظام عالي الدقة لجمع البيانات يتجاوز مجرد شراء محول سريع ووحدة كمبيوتر صغيرة. إنه بنية تتواجد فيها التوقيت الرقمي، وسلامة الإشارة، واستقرار الطاقة، وقابلية التصنيع معًا. يمكن لوحدة Compute Module 4 المزودة بمحول تناظري إلى رقمي AD7768 وFPGA تقديم نظام قياس مضمن عالي الأداء للاستشعار الصناعي، وتحليل الاهتزازات، والاختبارات الصوتية، ومراقبة الطاقة، والأجهزة العلمية - منصة الحوسبة - Raspberry Pi - مناسبة تمامًا للتطبيقات التي تتصورها. في هذا المخطط، يعمل حل FPGA كجسر فوري محدد زمنيًا، وتصميم لوحة الدوائر المطبوعة هو الذي يحدد ما إذا كانت الأجهزة قادرة على تحقيق الأداء المتوقع.

نظرة عامة على بنية النظام لحل FPGA مع Raspberry Pi

يعمل نظام فوري تقليدي يعتمد على CM4 وFPGA وAD7768 الخاص بـ RPi على تمييز الوظائف الفورية عن غير الفورية. يقوم AD7768 بأخذ عينات متعددة القنوات عالية الدقة، ويقوم FPGA بالتقاط البيانات المتزامن وتنسيقها، بينما تتولى Raspberry Pi مهام التحكم والتخزين والشبكات والعرض ومعالجة التطبيقات.
تكمن قوة حل FPGA هذا في التوقيت المحدد. منصات Linux رائعة للمرونة البرمجية لكنها سيئة للتحكم بالتوقيت على مقياس النانو ثانية. مع إدراج FPGA بين AD7768 وRaspberry Pi، يستفيد التصميم من التحكم المستقر بالساعة، ومحاذاة البيانات المحددة، والتخزين المؤقت منخفض الكمون، وتحويل البروتوكول الموثوق.
لا شك أن تصميم لوحة الدوائر المطبوعة المناسب يحدث فرقًا عند توصيل هذه المكونات معًا باستخدام مسارات ذات مقاومة محكومة، وتأريض متين، وخطوط طاقة منخفضة الضوضاء، ومسارات رقمية قصيرة. بالنسبة للاقتناء عالي الدقة، فإن جودة التصميم ليست تجميلية، بل هي عنصر أساسي في مسار الإشارة.

استراتيجية تصميم الدوائر المطبوعة لـ FPGA

يعتبر FPGA مركز التوقيت في النظام. في هذا التنفيذ لـ FPGA، يقوم باستقبال البيانات الرقمية المتسلسلة من AD7768، ويزامن إطارات القنوات، ويتحكم في ساعات العينة، ويغلف البيانات للإرسال إلى Raspberry Pi CM4. تشمل مهام تصميم FPGA الرئيسية:

• فك تشفير الواجهة الرقمية لـ AD7768
• مزامنة البيانات متعددة القنوات
• عبور المجال الزمني للساعة
• التخزين المؤقت FIFO
• منطق التحكم SPI أو المتوازي
• تغليف البيانات الملائم لـ DMA
• كشف الأخطاء ومراقبة الحالة

يجب بناء FPGA باستخدام كتل HDL معيارية. هيكل الوحدة المنظم يبسط الاختبار ويتيح مجالًا للتوسع (مثل المرشحات الرقمية، ومحركات التشغيل، وطوابع الوقت، وكشف العتبة في الزمن الفعلي).
نظرًا لأن Raspberry Pi CM4 توفر واجهات مرنة متعددة مثل PCIe وSPI وGPIO وUSB في تصميم اللوحة الحاملة، يمكن توصيل FPGA وفقًا لمتطلبات عرض النطاق. للاقتناء البطيء، يجب أن يكون SPI كافيًا. لتدفق البيانات المستمر عالي الإنتاجية، يعتبر PCIe أو الواجهة المتوازية مثاليًا.
يجب أن يسمح تخطيط لوحة الدوائر المطبوعة لهذه البنية عن طريق تقليل الانحراف بين إشارات الساعة والبيانات. مطابقة الأطوال، واستمرارية المستوى المرجعي، ومخطط الإنهاء، والتحكم بمسار العودة هي أمور حاسمة للتشغيل المستقر.

اعتبارات دمج AD7768

AD7768 هو محول sigma delta عالي الأداء مخصص للاقتناء الدقيق. يحتوي على قنوات متعددة ويوفر أداء ديناميكيًا قويًا عندما يتم تصميم الواجهة التناظرية الأمامية والمرجع والساعة ونظام الطاقة بشكل جيد.
في تصميم Raspberry Pi وAD7768، يجب أن يكون FPGA هو المسؤول عن التحكم في سلوك أخذ العينات، وليس البرنامج من حيث التوقيت. هذا يقلل من الارتعاش (Jitter) ويزيد من الاتساق. الحل المعتمد على FPGA قادر أيضًا على تتبع إشارات المزامنة والتأكد من بقاء جميع القنوات متحاذية.

اعتبارات هامة في تصميم الدوائر المطبوعة لـ FPGA

• استخدم مصدر ساعة منخفض الارتعاش (jitter)
• احتفظ بمصدر الطاقة الرقمية المزعج منفصلاً عن مصدر الطاقة التناظرية
• يجب أن يكون هناك مرجع جهد نظيف
• حافظ على طول وتناظر المسارات (traces) على المدخلات التناظرية
• طبق التوجيه التفاضلي (differential routing) حيثما ينطبق ذلك على مساراتك
• وفر فصلًا بين الطبقات بين مسارات السرعة الرقمية العالية والإشارات التناظرية الحساسة

يأخذ مزود تصميم الدوائر المطبوعة (PCB Design) المحترف أيضًا الاعتبارات الحرارية في الحسبان. فكل من Raspberry Pi CM4 وFPGA ومنظمات الطاقة ومحول ADC يصدرون حرارة. يساهم التوزيع الكافي للنحاس، ووضع الثقوب (via stitching) بشكل صحيح، وتدفق الهواء الجيد، والتباعد المناسب للمكونات في الحصول على قراءات مستقرة.

التركيز على تصميم وتصنيع دوائر FPGA المطبوعة

تعتمد جدوى هذا النظام على اللوحة الحاملة (carrier board). يتطلب الحل المضغوط ذو اللوحة الواحدة لـ Raspberry Pi CM4 وFPGA وAD7768 ومصادر الطاقة والذاكرة والموصلات ودوائر الحماية مستوى خبيرًا من مهارات تصميم الدوائر المطبوعة (PCB Design Pisa). للوحات الإشارات المختلطة عالية الدقة، يجب استخدام:

• أربع طبقات أو أكثر في التكوين الهرمي (stack up)
• طبقة أرضية مخصصة (ground plane)
• فصل الأجزاء التناظرية والرقمية
• تطبيق مسارات ذات مقاومة مضبوطة (controlled impedance traces)
• توصيل طاقة منخفض الضوضاء
• فصل جيد مع عناية خاصة بالقرب من كل طرف طاقة
• وضع الموصلات بمراعاة التوافق الكهرومغناطيسي (EMI)
• نقاط اختبار للتصحيح والإنتاج

يؤثر تنفيذ FPGA أيضًا على تعقيد لوحة الدوائر المطبوعة (PCB). عدد أكبر من بنوك (banks) FPGA وواجهات أسرع ونواقل (buses) أوسع تفرض انضباطًا أكثر صرامة في التوجيه. يجب تنسيق تعيين الأطراف (pin assignment) مع التخطيط وليس بعد اكتمال المخطط (schematic). التخطيط الجيد لأطراف FPGA يقلل من تقاطع المسارات ويحسن سلامة الإشارة ويجعل التصنيع أسهل.
عملية تصميم دوائر مطبوعة (PCB Design) قوية تضع هذا في الإطار العام لعملية التصميم الإلكتروني – والتي تشمل مراجعة المخطط وفحوصات قواعد التصميم (DRC) وسلامة الإشارة (SI) وسلامة الطاقة (PI) وفحص ملفات Gerber والتحقق من بيانات التجميع واختبار النموذج الأولي وغيرها. هذه إجراءات احترازية قبل الإنتاج بكميات كبيرة.

EFPCB كمزود لخدمات تصميم دوائر FPGA المطبوعة

تمثل EFPCB تحديًا حقيقيًا للشركات التي تبحث عن خدمات موثوقة لتصميم لوحات FPGA إذا كان المشروع يتعلق بالمنطق الرقمي والحوسبة المدمجة والاستحواذ التناظري الدقيق. بالنسبة لحل Raspberry Pi CM4 وAD7768، تمتلك EFPCB القدرة على المساعدة في دورة حياة تصميم لوحة الدوائر المطبوعة (PCB Design) بأكملها من تحسين المخطط إلى التخطيط والتصنيع والتجميع والاختبار. مزايا EFPCB هي كما يلي:

• خبرة في لوحات FPGA الحاملة عالية الكثافة
• دعم تصميم دوائر الإشارات المختلطة (mixed signal PCB design)
• قدرة في تخطيط التكوين الهرمي متعدد الطبقات (multilayer board stack up planning)
• معرفة في توجيه المقاومة المضبوطة (controlled impedance routing)
• دعم للنماذج الأولية والإنتاج الدفعي
• تغذية راجعة هندسية لسهولة التصنيع (manufacturability)
• توريد المكونات وتنسيق التجميع

بالنسبة لهذه الأنواع من التصاميم القائمة على FPGA، يمكن لـ EFPCB تقليل تكرار التصميم من خلال إجراء فحوصات مبكرة على سلامة الإشارة وتوزيع الطاقة والتوجيه وقابلية التصنيع. هذا مهم لأن لوحات FPGA عادة ما تكون كثيفة، والتغيير المتأخر قد يكلف الكثير.

تعمل EFPCB بشكل جيد مع اللوحات الحاملة المخصصة لـ Raspberry Pi CM4. تختار العديد من الفرق CM4 لأنها توفر قوة معالجة جيدة ودعم Linux والشبكات وعامل شكل صناعي صغير. من خلال دمج Raspberry Pi CM4 مع تقنية FPGA، يستمتع المطورون بكل من مرونة البرامج والأداء في الوقت الفعلي.

بناء النموذج الأولي واختبار حل FPGA مع Raspberry Pi

بعد البناء، يجب أن يبدأ اختبار النموذج الأولي بالتحقق من صحة الطاقة. يجب على المهندسين التحقق من فولتية الخطوط، وحدود التيار، وتوقيت إعادة الضبط، واستقرار الساعة قبل توصيل الوحدات باهظة الثمن. بعد ذلك، يمكن تحميل تدفق البتات (bitstream) الخاص بـ FPGA واختباره باستخدام إجراءات حلقة ارتجاعية بسيطة. سيكون التحقق من البرامج الثابتة (firmware) لحل FPGA كالتالي:

• دقة خرج الساعة
• صحة التقاط بيانات AD7768
• اختبار فيضان FIFO
• اختبار الواجهة مع Raspberry Pi
• موثوقية تدفق البيانات على المدى الطويل
• فحوصات أداء درجة الحرارة والضوضاء

ومع ذلك، يجب أيضًا التحقق من "تصميم الدوائر المطبوعة" باستخدام قياس راسم الذبذبات، ونمط العين (eye pattern) حيثما أمكن، واختبار أرضية الضوضاء (noise floor) لمحول ADC، واختبار التوافق الكهرومغناطيسي (EMC). يجب أيضًا إيلاء الاعتبار الواجب للحماية من زيادة التيار، والعزل، والتأريض، ومتانة الموصلات إذا كان سيتم استخدام اللوحة في المجال الصناعي.
فوائد هذه البنية لحل FPGA مع Raspberry Pi
هناك مزايا متعددة للبنية الموحدة. يقوم Raspberry Pi بتشغيل التطبيقات عالية المستوى بينما يضمن FPGA نقل البيانات في الوقت الفعلي. يتيح AD7768 التحويل عالي الدقة، وتجمع اللوحة المخصصة كل ذلك في منصة منتج صغيرة جاهزة. تشمل الفوائد الرئيسية ما يلي:

• اكتساب متعدد القنوات عالي الدقة
• أخذ عينات حتمي في الوقت الفعلي
• تطوير تطبيقات Linux مرنة
• موارد منطقية قابلة للتوسع في FPGA
• عامل شكل نظام مضمن صغير
• واجهات وموصلات قابلة للتخصيص
• قابلية تصنيع قوية بفضل خبرة تصميم الدوائر المطبوعة.

هذه الطريقة مناسبة للمختبر، ومراقبة المصانع، والتحليلات الطرفية (edge analytics)، والأجهزة الذكية، ومعدات القياس المضمنة.

أسئلة شائعة حول حل FPGA مع Raspberry Pi

لماذا استخدام FPGA مع Raspberry Pi CM4؟
إن Raspberry Pi CM4 قوي للبرامج والاتصالات، لكنه لا يوفر توقيتًا صارمًا في الوقت الفعلي تحت نظام Linux. FPGA مسؤول أيضًا عن اكتساب البيانات الحتمية وإرسال البيانات النظيفة إلى المعالج.

لماذا يعتبر تصميم الدوائر المطبوعة أمرًا بالغ الأهمية لـ AD7768؟
إن AD7768 هو محول ADC عالي الدقة. يؤدي ضعف التأريض، وضوضاء الطاقة، وضعف التوجيه (routing) وتصميم الساعة إلى فقدان الدقة وزيادة الضوضاء! سيحافظ تخطيط الدوائر المطبوعة الاحترافي على سلامة الإشارة (signal integrity).

ما الذي يجعل EFPCB مناسبة لهذا المشروع؟
تدعم EFPCB تصميم تخطيط FPGA، وتوجيه الإشارات المختلطة، والتصنيع متعدد الطبقات، والتجميع، والتصميم من أجل قابلية التصنيع (design for manufacturability). وهذا يسمح لـ EFPCB بتحويل حل FPGA المعقد إلى منتج مادي مصقول.

هل يمكن تخصيص هذه المنصة؟
نعم. يمكن تخصيص منطق FPGA، وبرامج Raspberry Pi، والواجهة التناظرية الأمامية (analog front end)، والموصلات، ومعدل أخذ العينات، وواجهة الاتصال، والتخطيط الميكانيكي، وما إلى ذلك، لتطبيقات مختلفة.

أفكار نهائية حول حل FPGA مع Raspberry Pi

يعد النظام القائم على Raspberry Pi CM4 مع FPGA و AD7768 خيارًا ممتازًا لصنع منصة قياس مدمجة عالية الأداء. يجلب حل FPGA دقة التوقيت، ويجلب المعالج مرونة البرامج، ويجلب محول ADC دقة تحويل البيانات. مع تصميم احترافي للدوائر المطبوعة وشريك تصنيع قادر مثل EFPCB، يمكن للفكرة أن تتطور من نموذج أولي إلى أجهزة إنتاج موثوقة بمخاطر أقل وعائد أكبر.