基于Xilinx Zynq的物距測量系統(tǒng)設計與實現(xiàn) - 全文

摘 要：為了對障礙物距離精確測量，基于最新Zedboard FPGA（現(xiàn)場可編程邏輯陣列）開發(fā)板，采用軟硬件協(xié)同的設計 方法，設計了障礙物距離測量系統(tǒng)的軟硬件。系統(tǒng)為智能小車平臺提供了完整的距離測量服務，測距范圍能夠達到2cm~4.5m，精度可達0.2cm。該設計包含從底層硬件電路設計、可編程邏輯IP（IntellectualProperty）核設計、到Linux設備驅動的設計全部流程，對于在Zynq?7000FPGA上軟硬件從事開發(fā)的人員有一定的參考價值。

隨著集成電路的制造和應用技術的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的性能也不斷提升，已經(jīng)被廣泛應用于工業(yè)控制、航空航天、軍事以及消費電子等領域。在硅工藝的發(fā)展以及市場推動下，Xilinx公司推出了基于7系列FPGA的新一代全可編程（AllProgrammable）Zynq?7000系列產品。該系列產品，集成了嵌入式領域集大成者——雙核ARM CortexA9處理器和7系列28nm工藝FPGA芯片。Zedboard正是這樣一款基于Zynq?7000產品的實驗 開發(fā)板卡，提供了軟件和硬件設計的更多可能。本文基于目前FPGA業(yè)界最先進的Zedboard FPGA（現(xiàn)場可編程邏輯陣列）開發(fā)板，從底層硬件電路設計、可編程邏輯IP（IntellectualProperty）核設計、到Linux設備驅動的設計，實現(xiàn)了障礙物距離測量的軟硬件系統(tǒng)，并在智能小車平臺上，實現(xiàn)了距離測量服務。該方法對于在Zynq?7000FPGA上軟硬件的開發(fā)具有指導作用。

1、系統(tǒng)設計

傳統(tǒng)上，F(xiàn)PGA中嵌入處理器內核，都是以FPGA為 主、處理器為輔，設計思路以可編程邏輯為主。然而新一代全可編程的Zynq?7000采取不同的思路，它是以處理器為主，F(xiàn)PGA為輔。FPGA變成了ARM處理器的一個協(xié)處理器[1]。圖1為Zynq?7000SoC芯片的結構圖。 簡單來說，Zynq由PS和PL兩部分組成：PS（Pro?cessingSystem，處理系統(tǒng)）相當于一片ARM芯片，而PL （ProgrammableLogic，可編程邏輯）相當于一片F(xiàn)PGA芯片。

圖1：Zynq結構圖

PS系統(tǒng)結構為：雙核A9處理器，其是整個平臺的控制中心，處理速度高達1GHz，可通過NEON擴展及單精度浮點單元進行增強，擁有32KB指令及數(shù)據(jù)L1 緩存，統(tǒng)一的512KBL2緩存和256KB片上存儲器；存儲接口，用以管理片內系統(tǒng)的存儲狀態(tài)，包含DDR3，DDR2和LPDDR2動態(tài)存儲控制器和兩個QSPI，NANDFLASH及NORFLASH控制器；通用外設，PS中的通用外設是ARM直接和外部設備通信的接口，含SPI，I2C， CAN，UART，GPIO，USB2.0等；其他組成部分。

PL部分結構為：低功耗可編程邏輯，包含28K~ 350K個邏輯單元，240K~2180K可擴展式BlockRAM和80~900個DSPSlice；XADC，為PL內置的12b模/數(shù)轉換器；通用/定制外設，PL中的外設是PL中的器件和 外部通信的接口。在ARM接口不夠用時，可以利用PL的外設接口。PS和PL之間的數(shù)據(jù)交互，則是通過AXI（AdvancedeXtensibleInterface）接口實現(xiàn)的。具體有：高性能AXI接口（HighPerformanceAXISlavePorts），共4個；通用AXI接口，包括兩個主設備接口和兩個從設備接口，共4個；加速一致性端口，是ARM多核架構下定義的一種接口。

根據(jù)Zynq結構特點，在應用系統(tǒng)結構設計時注意，使用由Zynq這樣一款功能強大的SoC芯片，與一般的ARM芯片不同，與常用的FPGA，更存在區(qū)別。它要求 硬件和軟件之間進行協(xié)同設計，共同實現(xiàn)既定的性能指標要求。在SoC設計中，IP（IntellectualProperty，知識產權）核重用技術是一個很重要的概念，它是軟硬件協(xié)同設計的關鍵，通過標準化IP核可以實現(xiàn)模塊復用，可以完成大規(guī)模的、復雜的SoC設計[3]。

本文以一個超聲波測距系統(tǒng)為例，介紹如何在ZynqSoC上，定制IP、設計Linux設備驅動等，并完整的闡述了從硬件到軟件的設計流程。設計的系統(tǒng)結構如圖2所示。PS上，運行Linux操作系統(tǒng)，為LinaroUbuntu發(fā)行版。根據(jù)文獻[2]的指導操作，使用Xilinx公司的開發(fā)軟件完成配置，使PS可以運行操作系統(tǒng)。

圖2：系統(tǒng)結構圖

PL部分按照系統(tǒng)控制的需求進行定制。設計基于 XilinxAXI總線的超聲波處理外設IP核，與外部的超聲波發(fā)射和接收電路交互。在Linux操作系統(tǒng)下，這個IP核就成為了一個設備，這就需要編寫相應的設備驅動程序，實現(xiàn)超聲波測距功能的封裝。

2、 主要模塊設計

2.1 超聲波測距模塊
該模塊基本工作原理是：通過超聲波發(fā)射探頭，發(fā)射頻率為40kHz的超聲波信號；當超聲波信號遇到障礙物時，會發(fā)生反射；當超聲波接收探頭接收到40kHz頻率附近的聲波信號時，經(jīng)過信號調理電路；再通過系統(tǒng)計算接收與發(fā)射之間的時間差計算障礙物距離。

圖3測距模塊

設計中共使用到了三個相同測距模塊，分別測量三個不同的方向上障礙物距離。測距模塊分為超聲波發(fā)射部分和接收部分，模塊的電路結構如圖4所示。具體是采用HC?SR04超聲波測距模塊，進行硬件設計[6]。該電路的對外接口為觸發(fā)（TRIG）控制端和回響（ECHO）信號接收端。通過I/O口TRIG觸發(fā)測距，提供了一個10ms以上的高電平觸發(fā)信號，該模塊將發(fā)出8個40kHz的方波用于探測，并自動檢測是否有回波信號。一旦檢測到有回波信號則通過I/O口ECHO輸出一個高電平回響信號，且回響信號的高電平時間tH（單位：ms）即高電平持續(xù)的時間與所測的距離S成正比。其對應關系為：

式中：S為測試距離；tH為高電平時間（單位：s）；v為聲速340m/s。

發(fā)射部分：利用串口轉換芯片的升壓功能，采用MAX232將輸入JN1和JN2的3.3VTTL電平轉換，得到5V電平。它激勵超聲波發(fā)射探頭的信號壓差為10V， 發(fā)出40kHz的超聲波。如圖4所示。

圖4 發(fā)射電路

接收部分：對回波信號進行濾波、放大處理。接收電路圖如圖5所示。其中NET9為控制接收電路工作的使能端口，NET10為接收電路工作且接收到了回波信號時的響應信號。

圖5： 接收電路圖

2.2 IP核設計
使用Xilinx的設計工具XPS（XilinxPlatformStudio） 建立IP的流程，新建一個Ultrasonic（超聲波）IP核模塊。該IP核的模塊結構如圖2所示中的超聲波處理外設部分，其中Triggercounter，Clockgen和Echocounter使用VerilogHDL實現(xiàn)。根據(jù)超聲波測距模塊的測距時序要求，設計觸發(fā)和回響信號的邏輯，由Triggercounter和Echocounter實現(xiàn)。最終將測量到的數(shù)據(jù)放到AXI4定義的寄存器中，使處理器能從AXI總線上讀取數(shù)據(jù)。本IP核有4個寄存器（reg0~reg3），與AXI4總線相連，用戶可以通過這4個寄存器控制發(fā)射超聲波，獲取測量的距離。其中，reg0的功能是使能一次測距以及三個方向上測量完畢標志，圖6為reg0寄存器映射表；reg1~reg3為計數(shù)后計算得到的三個方向上超聲波測量到的距離數(shù)值。將設計的IP核添加到XPS工程中去，分配得到的地址空間為0x6E000000~0x6E00FFFF。

圖6：reg0寄存器映射表

2.3 Linux驅動設計
Linux設備驅動分為三類：字符設備、塊設備和網(wǎng)絡 設備。在這里需要編寫的是一個字符設備[5]。另外，編寫的設備將通過模塊化的方式加載到操作系統(tǒng)中，而不是靜態(tài)編譯到內核中。驅動程序在交叉編譯環(huán)境下，進 行模塊化編譯。得到以.ko為擴展名的驅動文件，使用 insmod和rmmod進行加載或者卸載，同時也可以通過lsmod查看是否已被加載。

建立一個ultrasonic_driver.c文件，使用交叉編譯環(huán) 境進行編譯，得到對應的可加載文件ultrasonic_driver.ko。在ultrasonic_driver.c中聲明設備名稱和模塊的物理地址，該物理地址對應于XPS中建立的嵌入式系統(tǒng)的地址。具體如下：
#defineDEVICE_NAME"ULTRASONIC_MOUDLE"#defineULTRASONIC_MOUDLE_PHY_ADDR0x6E000000

該設備驅動的主要函數(shù)有：設備初始化ultrason?ic_driver_module_init（）；三個方向上的距離測量函數(shù)，sys_ultrasonic_front_get（），sys_ultrasonic_right_get（）和sys_ultrasonic_left_get（）；設備注銷ultrasonic_driv? er_module_exit（）。

（1）設備初始化函數(shù)，完成注冊信息，當進行ins?mod操作時，操作系統(tǒng)會自動調用初始化函數(shù)，完成各 項信息的注冊。而設備注銷操作，與它相反，不做贅述。該初始化函數(shù)中，需要完成如下工作[4]：內核注冊設備驅動；創(chuàng)建ultrasonic_driver設備類；為ultrasonic_driver設備類創(chuàng)建一個ultrasonic_driver_device設備；為設備創(chuàng)建以下幾個文件：dev_attr_ultrasonic_trigger，dev_attr_ultra?sonic_front，dev_attr_ultrasonic_right，dev_attr_ultrason?ic_left，分別對應三個方向上的距離數(shù)值；將模塊的物理基地址映射到虛擬地址上；同時將其他幾個寄存器地址計算得到虛擬地址；打印調試信息，表明完成初始化工作。

（2）距離測量函數(shù)，以前向（front）測距為例，另外兩個方向（right，left）上類似。Linux中，sysfs是一種基于ram的文件系統(tǒng)，它提供了一種用于向用戶空間展現(xiàn)內核空間里的對象、屬性和鏈接。sysfs與kobject層次緊密相連，它將kobject層次關系表現(xiàn)出來，使得用戶空間 可以看見這些層次關系?？梢酝ㄟ^CAT和ECHO接口命令來讀/寫sysfs。使用函數(shù)宏DEVICE_ATTR創(chuàng)建接口如下：
staticDEVICE_ATTR（ultrasonic_front，S_IRUSR|S_IWUSR，NULL，sys_ultrasonic_front_get）；

DEVICE_ATTR宏聲明有4個參數(shù)，分別是名稱、權 限位、讀函數(shù)、寫函數(shù)。其中讀函數(shù)和寫函數(shù)是讀/寫功能函數(shù)的函數(shù)名。這樣對ultrasonic_front創(chuàng)建一個寫函 數(shù)sys_ultrasonic_front_get，其流程圖如圖7所示。

?

圖7：sys_ultrasonic_front_get流程圖

進入函數(shù)，首先會打印一條調試信息；然后向reg0（ultrasonic_trigger_addr）上寫入使能，使開始發(fā)射超聲波；循環(huán)檢測reg0的bit1，查看數(shù)據(jù)是否有效；如果數(shù)據(jù)有效，則讀取出reg1（ultrasonic_front_addr）上的數(shù)據(jù)值，并打印出來。完成一次讀取操作。 完成以上設備驅動設計后，使用配置好的交叉編譯環(huán)境，將該驅動代碼編譯為ultrasonic_driver.ko文件。將該文件放入啟動的SD卡中。

3系統(tǒng)測試

對XPS構建的系統(tǒng)，建立U?Boot引導，編譯配置內 核源碼，編譯設備樹，并制作根文件系統(tǒng)，制作ramdisk鏡像文件，得到所有的文件zImage，devicetreee.dtb，ram?disk8M.img.gz，BOOT.BIN。放入Zedboard板的SD卡中，同時也將ultrasonic_driver.ko文件放入SD卡，上電啟動，直至完成。

在連接到Zedboard串口的超級終端下，掛載SD，執(zhí)行如下步驟：
mount/dev/mmcblk0p1/mnt //掛載SD卡
cd/mnt//進入SD卡目錄
insmod./ultrasonic_driver.ko//加載ultrasonic_driver.ko模塊
dmesg//查看加載打印信息lsmod//查看加載的模塊
cd/sys/class/ultrasonic_driver/ultrasonic_driver
//進入創(chuàng)建的設備目錄，sysfs下
catultrasonic_front//讀取一次前向超聲波測量距離
catultrasonic_right//讀取一次右邊超聲波測量距離
catultrasonic_left//讀取一次左邊超聲波測量距離

系統(tǒng)測試后可以在終端里看到打印的加載信息“ul?trasonicdriverinitialsuccessfully!”和讀取到的測量距離數(shù)值。調整超聲波探頭前方障礙物距離，還可以得到不同的距離值，最終，實現(xiàn)的距離測量能夠達到2cm~4.5m 的范圍，精度可達0.2cm。

4結語

本文基于FPGA業(yè)界最先進的芯片Zynq以及開發(fā)平臺Zedboard，融合軟硬件設計，從底層的各功能電路設計，VerilogHDL代碼編寫，VerilogIP核設計，到Linux設備驅動設計，完成了整個設計流程，在智能小車平臺上實現(xiàn)了在Linux系統(tǒng)中利用超聲波測距的功能，達到2cm~ 4.5m的測距范圍，精度達0.2cm，為上層應用提供了支撐服務。該系統(tǒng)設計對基于Zynq?7000FPGA上的開發(fā)的多個方面（例如，對ARM+FPGA應用設計的理解、軟硬件結合的設計方法；Xilinx下AXI4?lite總線的IP核設計；Linux字符設備驅動設計）有指導性意義。

參 考 文 獻
[1]XilinxInc.Zynq?7000allprogrammableSoCtechnicalreference manual，v1.6.1[DB/OL].[2013?04?17].http：//www.xilinx.com/sup? port/documentation/user_guides/ug585?Zynq?7000?TRM.pdf.
[2]陸佳華，江舟，馬岷.嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設計實戰(zhàn)指南：基于XilinxZynq[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.
[3]李洪濤，顧陳，朱曉華.FPGA技術開發(fā)（高級篇）[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013.
[4]章立生，韓承德.SoC芯片設計方法及標準化[J].計算機研究與 發(fā)展，2002，39（1）：1?8.
[5]KROAH?HARTMANCR.Linux設備驅動程序[M].魏永明，耿 岳，鐘書毅，譯.3版.北京：中國電力出版社，2005.
[6]深圳市捷深科技有限公司.HC?SR04超聲波測距模塊說明書 [DB/OL].[2014?04?10].