基于Zynq-7000的數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊詩(shī)安，王子成

(1.中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所，湖北武漢 430071；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.武漢中科創(chuàng)新技術(shù)股份有限公司，湖北武漢 430206)

0 引言

Zynq-7000是集成了ARM與FPGA的可擴(kuò)展處理平臺(tái)。Zynq-7000 SoC系列集成 ARM處理器的軟件可編程性與 FPGA 的硬件可編程性，不僅可實(shí)現(xiàn)重要分析與硬件加速，同時(shí)還在單個(gè)器件上高度集成 CPU、DSP、ASSP 以及混合信號(hào)功能[1]。在SoC內(nèi)部，芯片功能被劃分成PS和PL兩部分，PS 相當(dāng)于ARM，具有固定的架構(gòu)，承載了處理器和系統(tǒng)存儲(chǔ)區(qū)，而 PL 也就是FPGA，是完全靈活的，可以滿足設(shè)計(jì)。其中互聯(lián)是通過(guò)連接了PS和PL的AXI接口來(lái)實(shí)現(xiàn)[2]。相比于常用的AHB總線協(xié)議，AXI總線具有更好的性能和更高的帶寬，而且這種片內(nèi)通信模式使數(shù)據(jù)通信更加可靠、高效，還可以降低功耗。

隨著數(shù)字系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)越來(lái)越困難，F(xiàn)PGA加ARM這種低成本SoC解決方案是主要的發(fā)展方向，所以需要研究基于SoC可擴(kuò)展平臺(tái)的應(yīng)用解決方案。本文基于Zynq-7000平臺(tái)設(shè)計(jì)了一個(gè)具有數(shù)據(jù)采集和顯示功能的最小系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)Zynq-7000 SoC芯片的應(yīng)用，為滿足數(shù)據(jù)采集和顯示需求提供更多的解決方案。

1 系統(tǒng)的整體框架設(shè)計(jì)

整個(gè)最小系統(tǒng)由CPU、內(nèi)存、Flash、ADC采集芯片等組成，SoC選用的處理器芯片是XC7Z020，SoC所掛內(nèi)存為DDR3，再用一片SRAM作刷屏緩存，結(jié)合A/D轉(zhuǎn)換芯片，外接液晶顯示屏，則可以完成數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)以及顯示。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架如圖1所示[3-4]。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架

由框架圖可以看到信號(hào)流向。一路模擬量輸入系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)AD芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之后存入SoC芯片的PL部分，在PL部分設(shè)計(jì)DMA模塊使數(shù)據(jù)傳輸速率匹配從而將數(shù)據(jù)寫(xiě)入內(nèi)存，軟件處理后用于顯示的數(shù)據(jù)從內(nèi)存中取出，通過(guò)PL部分寫(xiě)入SRAM中緩存,在PL的控制下LCD可顯示SRAM中的數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集使用AD9601芯片，這是一款10位單片采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有低功耗、高性能的特點(diǎn)。該芯片使用1.8 V模擬和數(shù)字電源供電，可支持兩路同步采樣輸入，具有高達(dá)250 MSPS的轉(zhuǎn)化率，信噪比為59.4 dBFS，且正常工作時(shí)功耗為322 mW[5]。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路圖如圖2所示。

設(shè)計(jì)中采用單通道采樣，DA0～DA9是10位數(shù)據(jù)輸出通道，DRVDD是1.8 V數(shù)字輸出電源，AVDD是1.8 V模擬電源，VIN+、VIN-是差分模擬輸入信號(hào)，CLK+、CLK-是差分時(shí)鐘輸入，DCO+/DCO-是數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸出端口，SDIO/DCS、SCLK/DFC、CSB分別是串行數(shù)據(jù)、時(shí)鐘、片選接口，通過(guò)對(duì)這3個(gè)SPI端口的編程，可以配置AD9601芯片的采樣頻率和輸出時(shí)鐘，從而控制系統(tǒng)的采樣速率。

AD9601芯片的配置時(shí)序圖如圖3所示。當(dāng)片選信號(hào)CSB為低電平時(shí)，在時(shí)鐘信號(hào)SCLK的上升沿開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)，首先傳輸16 bit的指令，字節(jié)第1位表示讀命令或?qū)懨?，W1和W0表示傳輸?shù)氖?個(gè)字節(jié)的

圖2 A/D轉(zhuǎn)換電路

圖3 AD9601配置時(shí)序

數(shù)據(jù)或是多個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，后面是13 bit的地址位，接著是8 bit數(shù)據(jù)位D7到D0。通過(guò)硬件編程可將AD9601的輸出時(shí)鐘配置為200 MHz，數(shù)據(jù)格式為偏移二進(jìn)制。配置結(jié)果仿真圖如圖4所示。

圖4 AD9601配置時(shí)序仿真波形

3 數(shù)據(jù)傳輸模塊

3.1 AD9601數(shù)據(jù)上傳機(jī)制

本設(shè)計(jì)中AD9601為10 bit、200 MSPS的模數(shù)轉(zhuǎn)換，由于實(shí)際在存儲(chǔ)時(shí)為了處理方便，每個(gè)采樣點(diǎn)需要16 bit的空間來(lái)存儲(chǔ)，因此一路AD9601實(shí)際需要的最大上傳帶寬可計(jì)算得出：

200 MSPS×16 bit=3.2 Gbps

(1)

如此大的帶寬需要DMA來(lái)傳輸[6-7]。

本設(shè)計(jì)中，AD采集數(shù)據(jù)在PL內(nèi)部先進(jìn)fifo緩存，同時(shí)將數(shù)據(jù)按照規(guī)定的格式打包成數(shù)據(jù)包，單個(gè)數(shù)據(jù)包的大小可以通過(guò)配置寄存器來(lái)設(shè)置。DMA模塊接收到數(shù)據(jù)包，將其轉(zhuǎn)化完成后，PL發(fā)起一次AXI-HP主動(dòng)對(duì)內(nèi)存的寫(xiě)操作，以上操作循環(huán)進(jìn)行。

圖5顯示了DMA模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這個(gè)模塊包含3個(gè)部分：

(1)dma_regfile：實(shí)現(xiàn)內(nèi)部Localbus接口、SPI時(shí)序生成及中斷產(chǎn)生；

(2)dma_wr_cmd_gen：接收來(lái)自AD模塊的數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)化為“寫(xiě)操作”包；識(shí)別包(大包)結(jié)尾并輸出信號(hào)(到dma_regfile模塊)用來(lái)觸發(fā)中斷；統(tǒng)計(jì)包長(zhǎng)度并在整個(gè)包(大包)上傳完成后寫(xiě)入消息和包長(zhǎng)到對(duì)應(yīng)內(nèi)存位置；

(3)dma_fifo2amba_wr：將內(nèi)部fifo時(shí)序轉(zhuǎn)換為AMBA-AXI4時(shí)序。

圖5 DMA模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)中設(shè)置單個(gè)包最大數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為1 024字節(jié)，一片數(shù)據(jù)(大包)在輸入到DMA模塊時(shí)，若其長(zhǎng)度超過(guò)1 024字節(jié)，則需要分多個(gè)小包依次輸入。當(dāng)大包被分為多個(gè)小包輸入時(shí)，只有最后一個(gè)小包的長(zhǎng)度可以不為1 024字節(jié)，最后一個(gè)小包之前的所有小包長(zhǎng)度必須為1 024字節(jié)。

3.2 數(shù)據(jù)上傳格式

每個(gè)數(shù)據(jù)包的幀頭和幀尾需要添加標(biāo)識(shí)，以便區(qū)分。由fifo輸入到DMA的數(shù)據(jù)包(小包)格式如表1所示。

FLAG_B是大包標(biāo)記，僅在每個(gè)小包的第1行(bit35～34)有效。FLAG_S是小包標(biāo)記。

包的標(biāo)記位FLAG_B定義如下：2’b10:SOP,首個(gè)小包；2’b00:MID,中間小包；2’b01:EOP,最后小包；2’b11:ONLY,只有1個(gè)小包。

表1 數(shù)據(jù)上傳格式表

4 LCD顯示模塊

本設(shè)計(jì)采用LVDS顯示屏，先要主動(dòng)從CPU緩存中請(qǐng)求顯存數(shù)據(jù)，存在SRAM中，然后在PL的控制下實(shí)現(xiàn)LCD顯示[8]，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)顯示模塊設(shè)計(jì)框圖

顯卡功能的實(shí)現(xiàn)包括3個(gè)互相獨(dú)立的過(guò)程：

(1)PS申請(qǐng)一段固定連續(xù)的內(nèi)存空間用于存儲(chǔ)顯卡數(shù)據(jù)，首地址為L(zhǎng)CD_ADDR，將該首地址配置給lcd_display_req_top模塊。PS軟件生成的圖形/圖像被寫(xiě)入內(nèi)存的固定地址LCD_ADDR處；

(2)lcd_display_req_top模塊在PS的控制下將以配置的頻率(cfg_freq1)從內(nèi)存中讀取顯卡數(shù)據(jù)，每次都會(huì)讀取一個(gè)完整屏幕的數(shù)據(jù)，讀取的數(shù)據(jù)會(huì)交給PL端的SRAM驅(qū)動(dòng)模塊sram_is61wv102416，sram_is61wv102416模塊將顯卡數(shù)據(jù)按照順序?qū)懭隨RAM中存儲(chǔ)起來(lái)；

(3)lcd_1024x600_4lvds在PS的控制下以配置的頻率(cfg_freq2)通過(guò)sram_is61wv102416模塊從外部SRAM中讀取顯卡數(shù)據(jù)，讀返回?cái)?shù)據(jù)則直接轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)VDS信號(hào)輸出。

以上3個(gè)過(guò)程互相獨(dú)立，過(guò)程(1)和過(guò)程(2)通過(guò)PS內(nèi)存隔離，過(guò)程(2)和過(guò)程(3)通過(guò)外部SRAM隔離。

5 仿真實(shí)驗(yàn)

5.1 數(shù)據(jù)傳輸仿真

可以通過(guò)軟件仿真來(lái)驗(yàn)證數(shù)據(jù)傳輸模式是否設(shè)計(jì)正確，先在vivado中模擬數(shù)據(jù)累加，利用仿真界面觀察結(jié)果，然后與PC端串口調(diào)試界面的傳輸數(shù)據(jù)作對(duì)比。圖7為數(shù)據(jù)仿真波形，圖8為串口打印數(shù)據(jù)。

圖7 vivado數(shù)據(jù)仿真波形

圖8 串口打印數(shù)據(jù)

從圖7中最后一行數(shù)據(jù)可以看到，數(shù)據(jù)在依次累加，因?yàn)槊看蝹鬏?2 bit的數(shù)據(jù)，所以一次傳輸2個(gè)16 bit的數(shù)，然后在內(nèi)存中順序緩存。對(duì)比圖8中串口打印的數(shù)據(jù)，可以驗(yàn)證數(shù)據(jù)在通道中正確傳輸。

5.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試時(shí)將信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)作為系統(tǒng)輸入，調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的頻率和振幅，使波形可以在LCD屏上正常顯示。圖9為信號(hào)發(fā)生器的輸出波形，圖10為此系統(tǒng)屏幕顯示的波形。

圖9 信號(hào)發(fā)生器輸出波形

圖10 LCD顯示波形

LCD顯示屏上橫軸方向每個(gè)格點(diǎn)代表的是時(shí)間信息，由顯示波形的周期可以計(jì)算得出顯示波形的頻率，與信號(hào)發(fā)生器輸出波形頻率對(duì)比，可以驗(yàn)證顯示波形是正確的。

6 結(jié)論

該系統(tǒng)以Zynq-7000 SoC芯片為核心，結(jié)合存儲(chǔ)器件，數(shù)據(jù)采集芯片以及LCD顯示屏，搭建了一個(gè)可用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和顯示的平臺(tái)，設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)傳輸部分采用DMA傳輸機(jī)制，并且數(shù)據(jù)傳輸速率可用軟件配置。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，整個(gè)系統(tǒng)可完成預(yù)期的功能。在后期開(kāi)發(fā)應(yīng)用中可將其作為一個(gè)模塊調(diào)用，節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間。