芯耀
与非AI
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如果数据采集、射频、人工智能与 FPGA 共用同一块背板会怎样？DAQnx，一套面向数据采集与自动化测试的开源模块化平台！
项目背景
为什么开发 DAQnx？面向数据采集、射频与自动化测试的开源模块化平台。
DAQnx 是一套模块化仪器平台，硬件包含 1 个控制器插槽与 3 个应用模块插槽。整机将嵌入式 Linux、USB 控制、可编程时序 / 触发 / 同步总线，以及可插拔的数据采集、射频、FPGA、IO 模块集成在同一个机箱内。多年来，大量工程师与科研人员耗费大量时间去整合封闭、昂贵的商用仪器，而非专注开展实验，由此催生了这个项目。
开发初衷
DAQnx 并非从一张电路原理图起步。它源于作者从业多年在工业界与科研场景反复遇到的痛点：测量任务本身大多可以实现，但把多台仪器整合到一起往往是最难的环节。
市面上已经有不少功能强大的平台，但当实验存在一点特殊需求时，这些平台往往价格高昂、架构封闭，或是使用繁琐。一项定制化需求，往往意味着额外购买授权、添置新设备，或是被迫修改实验方案去迁就仪器本身。
这些年，来自欧美各地实验室的同事总在问同一个问题：有没有一套灵活的数据采集平台，既不用高额预算，也不用投入巨大精力攻克系统集成的学习门槛？NI、MTCA 虽然可以很好完成很多高难度任务，但它们的成本与复杂度并不适配大量中小型实验场景。
有一件事让这个痛点变得格外具体。一位癌症研究科研人员朋友，需要实现约 1kHz 信号切换、电压输出、数十路纳安级电流通道读取、射频收发器件驱动、数据相关运算以及数字 IO 处理。这些单项测量都并不特殊，难点在于把多台仪器、单片机、放大器、开关板卡整合为一套可脚本控制的自动化系统。整套搭建花费数千美元，还耗费数月做集成调试。作者当时已经着手为他开发一套一体化设备，但设备还没完成，他就离世了。这件事一直提醒作者：这是一个值得解决的工程问题 ——应该让仪器适配实验，而不是实验迁就仪器。
类似的需求不断出现：通道之间需要干净稳定的同步；实验迭代时可以更换采集前端；全程维持同一套软件与控制环境。这周系统可能只需要简单的多通道 ADC；下周就要换成几十 MS/s 采样率的 FPGA 模块。机箱与底层接口应当保持不变。
作者本身是科研工程师，于是利用业余时间在家着手开发 DAQnx：一套开源模块化平台，让定制化测量与测试系统更容易搭建、自动化与更新配置。
原理图：
设计目标
整个项目遵循一条核心设计原则：更换模块即可改变仪器功能，而非购置一整套新设备。
模块化，按需适配业务场景：同一机箱可以配置为数字示波器、波形发生器、软件无线电 / 频谱接收机、高速 ADC/DAC 系统、数字 IO 平台，或是上述设备的组合。应用模块可按需集成本地电源稳压与隔离电路。
灵活的控制架构：可使用树莓派 CM5 控制器实现独立嵌入式 Linux 运行；也可通过 USB 桥接，由笔记本电脑驱动整套设备；后续还会推出 FPGA 控制器，满足高实时性的严苛任务。
开源、支持脚本开发：USB 完成基础控制与配置；可编程 MLVDS 总线负责确定性时钟、触发、同步以及跨模块通信。软件层对 Python 友好；原型机 UI 基于 SCPI 协议；数据支持导出 JSON、HDF5、CSV 格式。
高度可定制、兼顾成本：面向工程研发、测试自动化、技术学习场景。
平台架构
当前原型机箱在共享背板上布置 1 个控制器插槽、3 个通用应用插槽。模块可以直接插拔替换，无需改动整机其余硬件。每个插槽都提供带保护的供电、USB 连接，同时接入可编程的模块间通信总线。
控制器选型：USB 桥接、CM5、FPGA
初代控制器设计追求简洁：笔记本电脑与背板之间的 USB 桥接。借助它可以直接用 Python 控制子板，在接入嵌入式计算机之前，先验证整套模块化设计思路。
第二代控制器采用树莓派计算模块 CM5，运行嵌入式 Linux。装上波形发生模块、数字化采集模块、IO 模块之后，DAQnx 无需外接电脑，就可以作为独立自动化测试台使用。针对对实时性、算力要求更高的业务，规划推出基于 Xilinx Zynq 的 FPGA 控制器。
应用模块：基于 RP2040/RP2350 PIO 实现确定性 IO
绝大多数采集原型板使用 RP2040 或 RP2350，利用片内可编程 IO（PIO）外设。最初选用这两款芯片是为了简化开发、快速原型验证；实际使用发现，PIO 可以实现确定性并行采集，无需把时序压力交给主 CPU。
PIO 既不是通用处理器，也不是完整 FPGA。每个 PIO 单元包含小型状态机，可以直接操作 GPIO，通过 FIFO 搬运数据，配合 DMA 完成内存数据流写入。它无法实现 FPGA 级别的数字信号处理，但可以极低成本完成高精度时序并行 IO 与数据捕获。更高采样率、串行转换器接口、高负载实时处理，则交给 FPGA 模块实现。
FPGA模块
为实现单模块自定义逻辑，作者基于莱迪思 iCE40UP5K 设计板卡。它体积小、功耗低。后续规划推出更大规模 FPGA 模块，包含 Zynq 系列器件，用于高速转换器以及 JESD204B 这类高速接口。
背板：集成分电、USB 集线器与可编程 MLVDS 总线
背板具备三大核心功能：受保护的低噪声电源分配；用于控制与通用扩展的 USB 集线器；可配置 MLVDS 链路，实现时钟、触发、同步，以及模块间低延迟确定性通信。
当前原型中，控制器作为 USB 主机，三块应用模块作为 USB 从设备。该方案让初代背板可以用 46 层 PCB 实现，模块枚举与控制逻辑简单直接。后续会升级更高带宽 USB，满足大流量数据传输模块。
MLVDS 总线承担架构里的确定性任务。全双工可编程线路可以分发时钟、触发信号，传输低速数据，也可在主控制器管控下配置成类 SPI 背板。USB 依旧作为配置、通用数据交互的便捷通路。
后续路线还规划交换式高速串行总线，进一步降低模块控制器之间数据流延迟、提升带宽。目前正在评估交叉路由串行链路、类 PCIe 方案；最终选型取决于实际业务场景是否值得引入对应复杂度。
架构要点：每个插槽独立智能供电；集成分 USB 集线器；总线承载数据、时钟、触发、同步信号，支持完整跨模块路由。
实际使用目标很直白：更换模块即可改变测试台功能，无需重构整机、重新烧录全部固件。
作者的原型测试台：重新配置仅需十秒。每个模块自带本地电源，一个插槽的噪声不会传导到其他插槽。
模块电源部分：每块板卡都自带本地稳压与大容量滤波电容。
当前原型中用到两级树莓派生态：CM5运行Linux控制环境；多块应用模块使用 RP2040/RP2350实现确定性采集与IO。这套基础系统资料完备、上手友好；有更高性能需求时，可以直接上FPGA模块。
原型验证：波形采集
首轮高速采集验证，基于 ADC08100 搭配 RP2040 制作载板。ADC 输出并行数据，PIO 确定性捕获数据，DMA 搬运至内存。借鉴 RPscope 项目思路，爆发采样模式下实现约 60MS/s 采样率，数万点采样无丢点。作者把 RP2040 封装为 LGA 模块引出 IO，搭配独立 ADC 载板，处理模块可以复用。
ADC 载板同时集成比较器硬件触发，前端附带放大器。为了把板卡做成真正可用仪器，而不是一次性演示 Demo，作者开发 SCPI 控制接口，可以配置板卡参数、最高约 60MS/s 波形采集，同时显示时域、频域数据。测试中，采集模块通过 DAQnx 背板连接 USB 控制器，笔记本电脑通过 USB 读取数据。重点不只是 ADC 本身，而是完整工作流：挑选模块、统一接口配置、背板完成多模块同步，实现整套测试自动化。
测试台工作状态：机箱 USB 连接电脑，显示器显示波形，笔记本实时 FFT 运算。
为完成ADC原型性能标定，使用鼎阳台式波形发生器输入信号，执行电压、频率扫描，同时测试信噪比 SNR、无杂散动态范围 SFDR、信号与噪声失真比SINAD等 ADC 关键指标。测试过程没有出现丢采样点。当前模拟前端带宽约 5MHz。这只是原型标定，并非最终正式模块手册；目的是演示 DAQnx 完整工作链路以及平台可支撑的测试场景。
只想开箱即用的用户，可以直接把模块当作成品仪器；开发人员可以从 Linux 控制器对RP2040类模块以及FPGA重新编程，还可以通过网络远程操控整套设备。
作者还基于AD9833开发波形发生模块，可以输出可编程正弦波、方波、三角波，频率相位数字可控。把它和高速 ADC 模块装在同一机箱，就可以一边输出激励信号，一边采集响应信号，下文波形、FFT 截图均来自这套组合。波形视图：500kHz正弦波，50MS/s采样，原始8位ADC码值（0255）。硬件触发保证波形稳定，底部状态栏实时测量。
同一组采集的频域视图。表头固定显示采样点数 N、FFT 点数 NFFT、频率步长Δf（频点宽度）、窗函数，分析峰值前可以直观确认频谱分辨率。
脉冲输入信号FFT。
已实现模块与产品路线图
应用插槽为通用设计，只需要更换模块，同一机箱就可以变身不同仪器，或是多仪器组合。BP2517 软件无线电模块（RTLSDR 载板，301800MHz）：整机变为频谱接收机。DAQnx 搭配 AI 加速卡与多路数据采集模块。
目前可用（可工作原型）：8 位高速采集模块（RP2040 PIO + ADC08100）；16位ADC模块；RTLSDR 载板；iCE40UP5K FPGA模块；基于 LMX2582最高3GHz射频发生模块；Coral USB AI 加速载板；RP2040 IO模块；可配置10端口混合信号模块（集成 ADC、DAC、数字 IO）。模块组合是这套平台的核心：波形发生器、数字化采集卡、IO 模块搭配嵌入式Linux，就能构成独立自动化测试台。通用插槽也可以接入非测量类模块，例如存储、自动化外设。
本文不打算把每一块板卡都写成完整数据手册。上面的测试重点是验证采集功能可行性；后续设计成熟后，会分模块发布详细规格与性能标定报告。
开发中/规划中：产线终端测试系统采集滤波板卡；基于 LMS7002M、AD936x 的软件无线电模块；用于高精度电压电流测量的 24 位 ADC 模块；更高速度 ADC/DAC 采集；可编程射频前端；Zynq 系列 FPGA 模块；前文提到的高速背板总线。
以上属于规划路线，并非当前可交付功能，开发优先级将由实际项目需求决定。
DAQnx 并非要否定现有商用平台的价值，它们解决的是不同场景。NI 拥有成熟软件、认证与工业级技术支持；MTCA 面向高要求大型模块化系统；Red Pitaya 是优秀 FPGA 软件无线电平台；Analog Discovery 是出色教学与实验室紧凑型仪器。
DAQnx 瞄准另一个细分定位：小型开源混合信号 / 射频模块化机箱，搭载嵌入式 Linux，控制器与应用板卡均可插拔替换，每块模块独立模拟电路设计，搭配可编程背板。目标是复用模块搭建定制测试台，而不是不断修改实验去适配固定仪器。
当前局限性
DAQnx 尚处于早期阶段：模块品类还需要扩充；模拟板卡需要更完整性能标定，包含接地、隔离、噪声、长期稳定性测试。现在发布原型，是为了收集真实需求，指导后续模块开发。
现有外壳为3D打印原型件：量产版本会更换金属外壳，提升电磁屏蔽、接地可靠性与机械强度；把手、面板、装配结构还在迭代。
路线图中多项功能暂未落地：软件、模块生态、高带宽背板都还在迭代，会明确区分已实现硬件与规划功能。
适用人群
面向工程师、科研人员、测试开发人员、高阶学习者。需要一套可脚本控制的定制测试台，但不想从零搭建整套仪器栈。尤其适合需要同时融合采集、信号发生、射频、数字 IO、自动化，并且全部功能受控于同一控制器的场景。这正是本项目最初想要解决的痛点。
