基于Zynq壓電陶瓷傳感器的高精度采集系統(tǒng)設(shè)計
引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201610/307183.htm壓電陶瓷(Piezoelectric,PZT)以其特有的體積小、響應(yīng)快、精度高和微動作功能而成為近年來天文光學(xué)精密測量中廣泛應(yīng)用的材料之一。因此,其采集精度和實(shí)時性是其關(guān)鍵技術(shù)之一。本設(shè)計以Xilinx公司的Zynq-7000雙核ARM處理器作為設(shè)計平臺,實(shí)現(xiàn)對PZT的高速和高精度采集。Zynq是以ARM為核心、以FPGA作為可編程外設(shè)的全新架構(gòu)處理器,其ARM核是由2個Cortex—A9 CPU組成的AMP系統(tǒng)。
目前,PZT的采集系統(tǒng)大多采用PC機(jī)下的采集卡或者類似于單片機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計,由于PC機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時性比較差,單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力比較弱,很難滿足類似于天文光學(xué)測量系統(tǒng)的實(shí)時性要求,采用Zynq的PL部分做數(shù)據(jù)采集,可以達(dá)到μs數(shù)量級。利用Zynq的PS部分實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理和通信,實(shí)時性也可以達(dá)到μs數(shù)量級。
1 數(shù)據(jù)采集和OLED顯示IP核設(shè)計
1.1 OLED顯示IP核設(shè)計
ZedBoard開發(fā)板上使用Inteltronic/Wisechip公司的OLED顯示模組UG-2832HSWEG04,驅(qū)動電路采用所羅門科技的SSD1306芯片。OLED采用SPI方式控制,SPI模式使用的信號線和電源線如下:
①RST(RES):硬復(fù)位OLED。
②DC:命令/數(shù)據(jù)標(biāo)志。
③SCLK:串行時鐘線。
④SDIN:串行數(shù)據(jù)線。
⑤VDD:邏輯電路電源。
⑥VBAT:DC/DC轉(zhuǎn)換電路電源。
⑦OLED顯示IP核是指在PL中配置相關(guān)外設(shè),掛到PS中,作為PS部分的外設(shè)使用。
只需要利用Xilinx的嵌入式工具XPS生成硬件系統(tǒng)。主要過程如下:
①根據(jù)XPS工具設(shè)計流程,生成Zynq的最小硬件系統(tǒng)。
②在最小硬件系統(tǒng)中,添加外設(shè)IP my_oled,添加一個6位寄存器,每位和SPI引腳對應(yīng)。
③在系統(tǒng)生成的MPD文件中,設(shè)置相關(guān)引腳和方向信息。
④在系統(tǒng)生成的my_oled.vhd文件中,用VHDL語言進(jìn)行端口設(shè)計。
⑤在系統(tǒng)生成的user_logic.v文件中,用Verilog語言進(jìn)行邏輯設(shè)計,實(shí)現(xiàn)寄存器和SPI對應(yīng)端口連接并實(shí)時讀取。
1.2 數(shù)據(jù)采集IP核設(shè)計
由于壓電陶瓷精度非常高,因此,采用高精度ADS1256轉(zhuǎn)換芯片采集電壓,ADS1256是多路復(fù)用的24位極低噪聲△-∑ADC。其理論采樣精度達(dá)到16 777 216分之一,測量電壓范圍為-5~+5 V,因此,其理論精度為1.6μV,實(shí)際測試達(dá)到10μV數(shù)量級。
ADS1256與zynq是通過SCLK、DIN、DOUT、組成的SPI串行接口,由于其不在ZedBoard開發(fā)板上,需要通過板子上的JA和JB接口連接上述6個引腳。
數(shù)據(jù)采集IP核設(shè)計,主要是完成6個引腳的連接,以及A/D轉(zhuǎn)換過程的命令和數(shù)據(jù)傳送、時鐘設(shè)定,其設(shè)計過程和OLED顯示IP核設(shè)計過程完全一致。
2 Zynq雙核運(yùn)行原理
Zynq是一個可擴(kuò)展處理平臺,它的啟動流程也和FPGA完全不同,而與傳統(tǒng)ARM處理器的類似。
系統(tǒng)上電啟動后,第0階段啟動代碼判斷啟動模式,將第一階段啟動代碼amp_fsbl.elf下載到DDR中,并開始執(zhí)行。FSBL會配置硬件比特流文件,加載CPU0可執(zhí)行文件和CPU1可執(zhí)行文件到DDR對應(yīng)的鏈接地址。在這一階段,所有代碼在CPU0中執(zhí)行,然后執(zhí)行第一個可執(zhí)行文件app_cpu0.elf,把CPU1上將要執(zhí)行的應(yīng)用程序執(zhí)行地址寫入OCM的0xFFFF FFF0地址,然后執(zhí)行SEV匯編指令,激活CPU1。CPU1激活后,將會到OCM的0xFFFF FFF0地址讀取其數(shù)值,其數(shù)值就是CPU1執(zhí)行可執(zhí)行程序的地址,CPU1應(yīng)用程序?qū)脑摰刂穲?zhí)行。
CPU0和CPU1相互之間通過OCM的0xFFFF 0000地址作為共享內(nèi)存,進(jìn)行通信。
Zynq是AMP體系架構(gòu),CPU0和CPU1各自占用獨(dú)立的DDR空間,其中CPU0占用的DDR地址為0x00100000~0x001F FFFF,CPU1使用的地址空間為0x00200000~0x002F FFFF。雙核運(yùn)行原理如圖1所示。
3 軟件設(shè)計
軟件設(shè)計主要包括CPU0應(yīng)用程序和CPU1應(yīng)用程序,其中CPU0部分主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化、啟動CPU1、讀取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)和對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理。
FSBL加載完CPU0應(yīng)用程序后,跳轉(zhuǎn)到0x0010 0000處執(zhí)行CPU0程序,首先配置MMU,關(guān)閉Cache,使OCM物理地址為0xFFFF 0000~0xFFFF FFFF和0x00000000~0x0002 FFFF。
關(guān)閉Cache后,CPU0執(zhí)行SEV匯編指令,激活CPU1,CPU1到OCM的0xFFFF FFF0地址讀取CPU1應(yīng)用程序地址,開始執(zhí)行CPU1的應(yīng)用程序。
讀取ADS1256轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù),對前后2次ADS1256轉(zhuǎn)換后的數(shù)值進(jìn)行比較,如果大于0xFF,則認(rèn)為壓電陶瓷有異常,設(shè)置COM_VAL=1,等待CPU1把異常信息在OLED上顯示出來。其流程圖如圖2所示:
CPU1在激活后,將會從DDR的0x00200000地址開始執(zhí)行應(yīng)用程序,由于Zynq是AMP架構(gòu),各個CPU獨(dú)立使用資源。因此,在CPU1里,仍需要設(shè)置MMU,關(guān)閉Cache。
關(guān)閉Cache后,CPU1讀取共享內(nèi)存COM_VAL變量,如果其值為0,表示壓電陶瓷工作正常,在OLED上顯示正確信息。如果COM_VAL=1,表示壓電陶瓷工作異常,將在OLED顯示異常信息。其流程圖如圖3所示。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
完成軟硬件設(shè)計后,需要將硬件比特流配置到Zynq的PL部分,把軟件部分下載到DDR中運(yùn)行。使用Xilinx的BootGen工具,將FSBL文件、bit文件、CPU0文件和CPU1文件組合并添加到相關(guān)頭部,生成能被Zynq識別的合法鏡像BOOT.BIN文件。把BOOT.BIN拷貝到SD卡中,將ZedBoard設(shè)置成SD卡啟動,將SD卡插入SD卡槽,上電后,會看到OLED顯示壓電陶瓷工作狀態(tài)信息。
實(shí)驗(yàn)中,壓電陶瓷在一固定位置,隨機(jī)讀取部分A/D采集到的數(shù)據(jù),如表1所列,可以看出,其采集精度達(dá)到10μV數(shù)量級。
使用臺式萬用表進(jìn)行測試,電壓為2.5 V。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,A/D采集精度高達(dá)10μV數(shù)量級,與高精度臺式萬用表測量結(jié)果一致,說明采集結(jié)果是正確的。
結(jié)語
利用高精度ADS1256轉(zhuǎn)換器和Zynq高速處理平臺,實(shí)現(xiàn)了雙核ARM并行運(yùn)行數(shù)據(jù)采集和實(shí)時顯示功能。經(jīng)過24小時不間斷測試,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,能夠滿足高速和高精度壓電陶瓷傳感器采集系統(tǒng)的要求。
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