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由 Intel 提供支持、用于 IoT 的无线多功能工具(一)

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灵活的软件定义无线电 (SDR) 平台的设计和初始构建。

RS Components 和 Intel 给我们提出了一个难题,看看我们如何利用 Intel 技术来支持物联网的交付。当然,有许多不同的技术可供我们选择,而我们脑海中最先浮现的是 Edison 和 Galileo 板,它们为开发 IoT 应用程序提供了快速入门点。

但是,我们认为对未来的 IoT 无线通信而言,最基本的是要确定其级别是个人局域网 (PAN)(例如,基于蓝牙低功耗或 IEEE802.15.4)、低功率 WAN 还是蜂窝网络。互联设备需要建立连接。要大规模地交付 IoT,还需要在这一领域不断作出创新。

在软件定义的无线电中,以前在硬件中实施的滤波器和混频器等无线电通信系统元件已改为在软件中实施,从而允许创建更先进的系统并加快其开发。但凡事都有代价,这样对数字信号处理 (DSP) 应用程序的要求就特别高,并且需要部署计算密集型算法和极高的数据速率。

有鉴于此,我们努力使用强大的 Intel NUC Core i5 作为独立 SDR 电器的核心,封装在可靠且熟悉的台式测试设备外形中。这样可以运行 Linux 和基于开源 SDR 框架的应用程序,使其可以在多种无线测试、测量和原型制造场景中使用。

硬件平台

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NUC Core i5 是一款极其紧凑的单板计算机,采用 2.9GHz 双核 i5-5300U 处理器,并且通过 OpenCL 支持流式 SIMD 扩展,使其特别适用于要求严苛的 DSP 应用程序。此外,它还带有四个 USB 3.0 端口(使其能够用于高吞吐量外围设备)以及集成显卡、千兆位以太网等等。

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NUC 的其中一项出色功能是带有一个 M.2 SSD 连接器,这表示可以紧密集成高性能存储设备,同时不占用更多空间。我们决定安装一个 120GB Intel SSD 535 系列模块,它将提供绝对充足的容量。

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现有我们有了高性能处理系统和存储设备,下面需要将 RF 与数字领域连结起来,利用用 bladeRF x40 SDR 板可以做到这一点。它带有一个 USB 3.0 主机接口,并配备了拥有 40,000 个逻辑元件的 Altera Cyclone IV FPGA,与其他部件一起用于接合射频收发器,并在硬件中更靠近天线的位置执行某些特别具有计算性的任务,例如数字升频/降频转换。

通过 bladeRF(隐藏在金属屏蔽罩下面)部署的收发器是 Lime Microsystems LMS6002D 现场可编程射频 (FPRF)。这样即可将数字转换器、混频器、滤波器、放大器等等元件集成到一块通过 SPI 进行编程的芯片中,而带有 bladeRF 的数字基带接口随后与 Altera FPGA 集成。两个设备相互形成极好的补充,同时在我们的无线电系统头端提供了充分的功能和灵活性。LMS6002D 收发器具有 12 位分辨率,并且可以将所有通道从 300MHz 调谐到 3.8GHz,可编程带宽高达 1.5-28MHz。

对于 SDR 新手来说,这听上去可能有点令人困惑,但它在本质上为我们带来的是能够处理大量射频频谱的高性能收发器,并且可以选择在 FPGA 中执行某些处理,而 FPGA 转而又通过 USB 3.0 连接至主机计算机。Intel NUC 负责从第 1 层(物理接口)向上加载 FPGA、为 FPRF 编程并运行实际应用程序。这可以是 IEEE802.15.4、蓝牙、GSM、LTE 或几乎任何无线系统(在软件中定义)。

外壳和支持元件

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由于我们需要专业的测试设备外形,因此从 RS 目录中选择了一款优质设备外壳,这就是 Takachi MS177-26-28G。在以上照片中,可以看到我的同事 Stuart 正在执行元件测量,随后将在 DesignSpark Mechanical 中对前后面板进行建模,并确定合适的切口轮廓。

自定义前后面板在 MDF 中最先执行激光切割并进行安装测试,然后使用 CNC 等离子切割机在 2mm 铝板上切出轮廓。

后面板内侧上安装了一个 24V 80W SMPS,通过 20mm 熔丝和 4 针 Molex Micro-Fit 连接器为 NUC 供电。此元件的电源通过一个同样安装在后面板上并带有熔丝和开关的 IEC 插座来提供。其旁边是一个 ebm-papst 24VDC 60mm 风扇

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此时应该注意,我们决定使用市面上常见的零件,同时尽量避免定制 USB 和显示屏等设备的电缆。但是在第二部分的帖子中,我们将探索如何改进以减少所需的体积空间,并最大程度地利用 eDP 支持等附加 NUC 功能。

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我们选择了一款分辨率为 1024x600 的通用第三方 HDMI 触摸屏,安装在前面板上。它的下面是两个 USB 2.0 端口和电源按钮。旁边有 4 个带同轴尾线的面板安装式 SMA 连接器。

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NUC 连接至一块可选的外壳机箱板。在此板上方的六角隔套上安装了一块激光切割亚克力胶片,bladeRF 板就固定在这块胶片上。可以看到可用空间相当多,而外壳的尺寸大部分程度上取决于固定在前后面板上的元件的尺寸。在我们的外壳上,很多可用空间都被过长的零散电缆所占用,但是在任何情况下都能满足我们的用途。

初始软件

如果您正在寻求出色的 Linux 设备支持、稳定性、最新封装和安装简便性,Ubuntu 毫无疑问是极好的选择,并且安装了 64 位的 14.04 版本。由于我们需要将 Core i5-5300U 的 SIMD 扩展用于 OpenCL 加速 DSP 代码,因此安装了 Intel OpenCL SDK。此封装适合基于 RPM 的 Linux 系统,但是可以通过使用 Alien 来轻松转换,以便在基于 DEB 的系统上使用。

 GNU Radio SDR 工具包以及将此元件与 GNU 无线电集成的 bladeRF 驱动程序和软件都使用出色的 PyBOMBS 安装管理系统进行安装。为发挥硬件的能力,我们还安装了 gr-fosphor,这是一种基于无线电的 GNU 实时频谱分析仪 (RTSA) 应用程序,它将 OpenCL 内核用于加速 FFT 和显示元件。NUC 还提供了显示输出所需的 OpenGL 图形。

基本测试

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在测试中,NUC 在以相当高的采样率和射频带宽运行 gr-fosphor 应用程序时完全没有出现任何问题。在以下视频中可以看到,将收发器前端先调谐为 2.4GHz 再调谐为 868MHz 时,提供了极佳的频谱活动可视化。

现在我们已经有了能在 IoT 应用程序中真正发挥价值的工具,例如现场勘测、测试无线传感器节点和基站等。如果购买现成的产品,可能会比项目物料清单的成本高出很多倍。它不仅能够查看实时活动,还能记录 SSD 的捕获并通过千兆位以太网传输,或者传输到外部 USB 3.0 存储设备。注意,还可以通过后面板来连接一台外部监视器。

但是在使用功能强大的 64 位处理器与 SIMD 扩展的组合加上 FPGA 和 FPRF 时,能够与 SDR 框架一起发挥许多功能,此处所述仅为抛砖引玉。

后续步骤

未来几个星期,我们计划对设计作一些优化,在后续贴子中将介绍这些优化以及其他一些应用程序,然后再考虑作出其他方面的改进,以便真正发挥出 Core i5 NUC 功能的最大价值。

 

Open source (hardware and software!) advocate, Treasurer and Director of the Free and Open Source Silicon Foundation, organiser of Wuthering Bytes technology festival and founder of the Open Source Hardware User Group.

14 Nov 2016, 3:44