Red Pitaya – Open Source HF Messlabor in Kreditkartengröße

Was ist Red Pitaya?

Um es gleich vorweg zu sagen: mit Pitaya ist hier nicht die rote Drachenfrucht gemeint (mit den vielen kleinen schwarzen Kernen) – sondern ein HF Messlabor im Kreditkartenformat, das seit etwa einem Jahr auf dem Markt ist. Das Ding kommt auch nicht aus den Tropen, sondern aus Slowenien. Und alles begann mit einer Kickstarter Crowdfunding Aktion im September 2013…

Red Pitaya ist ein Universal-Messgerät, welches dank FPGA frei programmierbar ist und über jeweils zwei HF Eingänge und Ausgänge (mit einer Bandbreite von 50 MHz bzw. einer Abtastrate von 125 MSPS, bei einer Auflösung von 14 bit der AD/DA Wandler) verfügt. Das heißt, es kann hochfrequente Signale, und zwar 2 voneinander unabhängige,  bis zu 50 MHz generieren, und über die 2 Eingänge solche Signale auch empfangen und auswerten.

Die Generatoren liefern dabei etwa 10 mW an 50 Ohm, die Eingänge sind hochohmig und verarbeiten 2 Vss (über Jumper kann der Eingang unempfindlicher gemacht werden und verträgt dann 46 Vss) – die Eingänge sind zusätzlich über Schutzdioden vor zu hohen Spannungen abgesichert.

Außerdem hat das Gerätchen Verbindungsmöglichkeiten über USB 2.0, Wifi, Ethernet, 16 frei programmierbare Input- und Output PINs, SATA-Schnittstellen, eine Micro-SD Karte und diverse weitere Ein- und Ausgänge.

Was macht es so interessant?

Red Pitaya basiert auf einem GNU/Linux-Betriebssystem und kann individuell programmiert werden. Die Bedienungsoberfläche für sämtliche Messungen wird über einen Webdienst auf HTML-Basis realisiert. Der Anwender ist dadurch in der Lage, das Gerät nicht nur über einen PC bzw. Laptop, sondern auch über andere  internetfähige Devices wie Smartphones oder Tablets zu steuern. Die gesamte Software, inklusive der Hardware Description Language (HDL) ist quelloffen (Open Source), die Hardware selber ist aber proprietär.

Das Umfeld des Red Pitaya setzt sich aus der eigentlichen Hardware-Einheit noch aus dem sogenannten “Bazaar Cloud Marketplace” sowie dem “Backyard” zusammen. In dem Bazaar Cloud Marketplace ist eine Reihe von Open-Source-Anwendungen für die Test- und Messtechnik, wie zum Beispiel ein Oszilloskop, ein Spektrumanalysator oder ein Arbiträr-Funktionsgenerator (zur Erzeugung beliebig geformter Ausgangssignale) verfügbar. Darüber hinaus ermöglicht der “Backyard” der Community die gemeinsame Nutzung und Zusammenarbeit an weiteren individuellen Anwendungen.

Erwähnenswert ist natürlich auch, dass es Schnittstellen zu den weitverbreiteten (proprietären) Softwarepaketen LabVIEW and MATLAB® bzw. zum freien Scilab gibt. Diese Schnittstellen werden über einen SCPI-Server (oft auch als “Skippy” bezeichnet) realisiert.

Der Kern des Früchtchens

Nicht gerade so viele Kerne wie eine Drachenfrucht, aber dennoch extrem mächtig: der zentrale Xlinx Zynq SoC (System-on-a-chip), der einen 2-Kern ARM Prozessor, Peripherie und einen FPGA in sich vereint – ARM und Peripherie bilden das “processing system” (PS), auf dem das Betriebssystem und die Applikationen laufen. Dieses System verfügt über 512 MB RAM, benutzt die SD Karte als Speicher und kommuniziert über die Ethernet/Wifi Schnittstelle bzw. über USB mit der Außenwelt.

Der FPGA verfügt über 28.000 Zellen programmierbarer Logik, dazu noch 240 kB internes RAM und 80 programmierbare  DSP Slices (integrierte Digitale Signalprozessoren).

Und – wie süß oder sauer ist diese Frucht?

Für den Alleskönner sprechen seine geringe Größe, seine universelle Programmierbarkeit, die vielen Schnittstellen und Kommunikationsmöglichkeiten (was es beispielsweise erlaubt, Geräte remote zu überwachen und Messergebnisse auszuwerten). Nicht zuletzt ist auch der Preis sensationell, wenn man bedenkt, was man für Einzelgeräte gleicher Leistungsfähigkeit sonst ausgeben müsste – auch wenn es trotzdem nicht unbedingt in das Budget eines jeden Funkamateurs passt.

Natürlich muss man auch davon ausgehen, dass es einigen Aufwand kosten wird, den Winzling auch wirklich zu beherrschen – die flexible Konfigurierbarkeit bedeutet auch, dass man einiges an Lernaufwand vor sich hat. Und es setzt natürlich auch voraus, dass man über solide nachrichtentechnische Grundkenntnisse und auch über eine gewisse Erfahrung im Programmieren verfügt (oder gewillt ist, sich diese anzueignen) – sonst wird man mit all der Leistungsfähigkeit nicht viel anzufangen wissen. Im Moment ist die Zahl der von diversen Entwicklern beigebrachten “Plug&Play” Anwendungen noch relativ gering; man kann aber davon ausgehen, dass in kurzer Zeit immer mehr solcher Anwendungen verfügbar werden, die dann auch ohne großen Programmieraufwand einfach verwendet werden können.

Erhältlich ist Red Pitaya über diverse Fachhändler und Distributoren, in Deutschland zum Beispiel bei Reichelt * (die uns freundlicherweise auch die Erlaubnis zur Nutzung der Abbildungen gegeben haben).