基于PYNQ的傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實驗案例設計

劉玉梅，綦俊煒，任立群，侯長波，于 蕾

（哈爾濱工程大學 信息與通信工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

隨著互聯(lián)網(wǎng)時代的到來，基于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術革命的新經(jīng)濟世界正在形成，智能物聯(lián)的泛在連接與泛在服務需求促使嵌入式微系統(tǒng)的設計及應用技術進入全新的發(fā)展階段[1-2]。同時以集成電路和基礎軟件為代表的嵌入式系統(tǒng)（SoC）設計技術已被公認為業(yè)內(nèi)的標志性技術。對于高校本科生而言，“嵌入式微系統(tǒng)原理及應用”課程也早已不再是簡單的單片機或微機應用技術教育，而是信息化社會中必備的思想和技能的教育[3-5]。在此背景下，我校電子信息類工程專業(yè)對相關課程中最核心的2門課程“微機原理與接口技術”“嵌入式系統(tǒng)設計”整合后設立了“微處理器結(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設計”課程。在強調(diào)專業(yè)基礎性與技術前沿性相結(jié)合的基礎上，對相關系列課程理論教學和實驗教學內(nèi)容進行了有機整合，實現(xiàn)了微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設計技術的有機融合。

該課程作為工科非計算機類電子信息專業(yè)的核心課程，理論知識點多，覆蓋學科面廣，教師講授難度大，學生感覺內(nèi)容枯燥乏味[6-8]。為了加強學生的學習興趣，提高專業(yè)課程的教學效果，使學生盡早接觸行業(yè)最新技術，也為學生后續(xù)從事科研工作奠定良好基礎，本文設計了基于PYNQ的多種傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實驗案例。該實驗教學硬件平臺采用了 Xilinx的ZYNQ-7000系列為核心的PYNQ-Z2開發(fā)板，實驗內(nèi)容結(jié)合了相應工程實際案例采用自頂向下的方法進行設計[9-10]，強化理論與實踐應用相結(jié)合，引導學生獨立思考，培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計及功能分解

本實驗系統(tǒng)是基于 Xilinx的 ZYNQ XC7Z020-1 CLG400C系列的PYNQ-Z2開發(fā)板，主要由主控模塊（ZYNQ-7000，雙核 CortexA9）、PL(Arduino 接口)、信息采集與處理模塊（傳感器）、無線Wi-Fi通信網(wǎng)模塊組成。傳感器通過PYNQ-Z2開發(fā)板Arduino接口的模擬、數(shù)字、I2C、UART總線通信接口接入系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、管理和傳送功能。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設計如圖1所示。系統(tǒng)總體主要完成對具有不同功能和接口的傳感器的控制管理和數(shù)據(jù)采集，并以無線連接方式通過TCP/IP協(xié)議把數(shù)據(jù)傳送到上位機。根據(jù)自頂向下設計方法，把實際工程系統(tǒng)按照功能分解為如下6個模塊。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

（1）數(shù)字接口設計與管理模塊。對由Arduino數(shù)字接口接入系統(tǒng)的傳感器按鍵、蜂鳴器、LED BAR、溫濕度傳感器等數(shù)字接口進行管理，實現(xiàn)選擇、顯示、報警等功能。

（2）數(shù)據(jù)采集預警管理模塊。對通過數(shù)字接口采集后的溫濕度傳感器數(shù)據(jù)進行管理和顯示，設置溫度、濕度預警值，超過預警值時通過蜂鳴器報警輸出。

（3）模擬接口設計與管理模塊。對由Arduino的模擬接口接入系統(tǒng)的光敏和聲音傳感器等模擬接口進行管理，實現(xiàn)聲、光數(shù)據(jù)采集，通過LED BAR分段顯示輸出。

（4）I2C接口設計與管理模塊。對由 Arduino的 I2C接口接入系統(tǒng)的傳感器進行控制管理，實現(xiàn)3軸數(shù)字加速傳感器的數(shù)據(jù)采集。

（5）UART Wi-Fi接口設計與管理模塊。對由Arduino的UART接口接入系統(tǒng)的UART Wi-Fi進行控制管理，通過UART Wi-Fi模塊建立無線通信程序和上位機通信，可進行數(shù)據(jù)傳輸和接收控制上位機的控制命令功能。

（6）上位機通信管理與數(shù)據(jù)處理模塊。

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 開發(fā)板資源

PYNQ[11]是Xilinx公司的一個開源項目，是Xilinx研究院推出的一套面向教育和科研的開源軟硬件協(xié)同設計框架，它將軟件、硬件、電子信息、計算機和自動化等學科融合在一起，在教學與科研領域已獲得廣泛應用。可作為本科4學年多門基礎與專業(yè)課程的統(tǒng)一平臺，易于實現(xiàn)貫穿式教學。

PYNQ-Z2開發(fā)板是 Xilinx大學計劃支持 PYNQ開源框架的第二代最新開發(fā)平臺。它的核心芯片采用Xilinx ZYNQ XC7Z020，其內(nèi)部異構(gòu)雙核ARM Cortex-A9 CPU和FPGA，可編程系統(tǒng)PS（ARM）和可編程邏輯PL（FPGA）之間通過片上高速AXI總線進行數(shù)據(jù)交互，具有豐富的外圍接口，支持針對不同應用場景擴展，支持傳統(tǒng)FPGA與ARM嵌入式開發(fā)方式。實驗開發(fā)板如圖2所示。

圖2 PYNQ-Z2開發(fā)板

為了能將多個傳感器安全、可靠地接入開發(fā)板，選用Seeed的Base Shield V2擴展板[12]（如圖3所示），通過板卡的Arduino接口與PYNQ-Z2的Arduino接口連接。Base Shield V2擴展板提供了4個模擬接口（A0—A3）、7個數(shù)字接口（D2—D8）、1個UART接口和4個I2C接口。

圖3 Base Shield V2擴展板

2.2 數(shù)字接口設計

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，具有超小體積、極低功耗的特點。單線制串行接口使系統(tǒng)集成變得簡易快捷，信號傳輸距離可達20 m以上，電路如圖4所示。具體參數(shù)如表1所示。

圖4 DHT11電路圖

表1 DHT11電氣參數(shù)

實驗系統(tǒng)的所有硬件均使用Xilinx的Vivado軟件進行設計與實現(xiàn)。通過Arduino數(shù)字接口接入系統(tǒng)的傳感器，使用Xilinx AXI GPIO IP核進行統(tǒng)一設計，通過AXI總線接入PS系統(tǒng)。在Vivado中，添加GPIO IP核，在Board選項卡中選擇Custom，在IP Configuration選項卡中配置，GPIO Width為12位，制作外部端口，添加管腳約束，配制完成的AXI GPIO IP核如圖5所示。本實驗系統(tǒng)的溫濕度傳感器、蜂鳴器、按鍵、LED BAR 10段 LED顯示均通過數(shù)字接口接入系統(tǒng)。

圖5 配置完成后的AXI GPIO IP核

2.3 模擬接口設計

聲音傳感器（圖6(a)）基于LM386放大器和一個駐極體麥克風，可用于檢測周圍是否有聲音（如拍擊聲、噪聲等），并輸出環(huán)境的聲強。該模塊可以方便地與其他電路輸入端的邏輯模塊集成，其輸出是模擬的。它的體積小，性能高，容易采樣和測試，是音頻檢測項目和互動項目的最佳選擇。

光敏傳感器（圖6(b)）用于測量光的電平，其用LS06-S光敏電阻（一種高靈敏度和可靠的光電二極管）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的LDR GL5528光敏電阻來檢測環(huán)境中的光強度。光敏電阻的電阻值隨光強的增加而減小，可以輸出各種模擬電信號，這些電信號可以被轉(zhuǎn)換成不同的量程（取決于控制器板上的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有較高的可靠性和靈敏度，可用于光測量、光檢測和光控開關。

圖6 聲音傳感器和光敏傳感器實物圖

Xilinx所有7系列[13-14]內(nèi)部集成了XADC模塊，XADC提供了模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的全部功能，分辨率為12位，最高采樣速率為1MSPS，且采樣保持電路支持多種不同的電壓輸入形式，如單極性、雙極性與差分形式，多路復用器最多支持 17個采樣通路。XADC在ZYNQ系統(tǒng)的組成如圖7所示。XADC內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8所示。

聲音和光敏傳感器通過Arduino模擬接口接入系統(tǒng)，通過 XADC IP核進行設計，在 Vivado中添加XADC IP核，在BASIC設置中，Startup Channel Select選擇Channel Sequence，在Channel Sequence中配置，外部接入模擬通道，PYNQ-Z2有6個模擬通道，分別是1、9、6、15、5、13。配置完成后如圖9所示。

圖7 ZYNQ內(nèi)部XADC組成圖

圖8 XADC內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖9 配置完成后的AXI XADC IP核

2.4 I2C接口設計

ADXL345是ADI公司推出的基于iMEMS技術一款小型、超薄、超低功耗的3軸、數(shù)字輸出加速度傳感器，具有最高13位分辨率，可測量+/–2g，+/–4g，+/–8g，+/–16g測量范圍，g為重力加速度。ADXL345非常適合移動設備應用，可以測量重力在傾斜儀上的靜態(tài)加速度，也可以測量由運動或震動引起的動態(tài)加速度。其最高分辨率高達3.9 mg/LSB，能測量小于1.0°的傾斜角度變化。ADXL345支持標準的I2C或SPI數(shù)字接口，自帶32級FIFO存儲，并且內(nèi)部有多種運動狀態(tài)檢測和靈活的中斷方式。ADXL345 3軸加速傳感器的邏輯功能如圖10所示。

圖10 ADXL345 3軸加速傳感器邏輯功能

ADXL345 3軸加速傳感器，通過Arduino的I2C接口接入系統(tǒng)，使用Xilinx的AXI IIC IP核進行設計，I2C總線接口如圖11所示。

在Vivado中添加AXI IIC IP核，配置SCL時鐘高頻率為100 kHZ，地址模式為7bit等參數(shù)，配置完成后如圖12所示。

圖11 I2C總線接口圖

圖12 配置完成后的AXI IIC IP核

2.5 UART接口設計

Grove-UART Wi-Fi如圖13所示，是串行收發(fā)器模塊，集成了ESP8285物聯(lián)網(wǎng)SoC芯片。每個ESP8285模塊都預編程了AT命令集，并集成了TCP/IP協(xié)議棧，該UART Wi-Fi串行收發(fā)器模塊，可以通過發(fā)送簡單的文本命令來控制微控制器與Wi-Fi網(wǎng)絡進行交互。它集成了 WEP，WPA/WPA2，TKIP，AES和 WAPI引擎，可以作為動態(tài)主機配置協(xié)議（DHCP）的接入點，加入現(xiàn)有的 Wi-Fi網(wǎng)絡，并具有可配置的 MAC和IP地接口接入系統(tǒng)。UART Wi-Fi通過Arduino的UART接口接入系統(tǒng)。本文使用Xilinx的AXI Uartlite IP核進行設計，UART總線接口如圖14所示。

圖13 UART Wi-Fi實物圖

UART接口通過AXI Uartlite IP核調(diào)用實現(xiàn)，在Vivado中添加 AXI Uartlite IP核，配置波特率為115 200，無校驗位，8位數(shù)據(jù)位。配置完成后如圖15所示。

圖14 UART總線接口圖

圖15 配置完成后的AXI Uartlite IP核圖

2.6 Vivadio設計完成的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

添加IIC和UART的中斷。即IIC的iic2intc_irpt引腳和Uartlite的interrupt引腳，接入xlconcat IP輸入端，連接到ZYNQ的irqf2p[1:0]管腳，通過PL引腳把中斷傳送到PS系統(tǒng)。最終建立完成的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖 16所示。添加 Arduino管腳約束，選擇Create HDL Wrapper生成頂級的VHDL模型，然后生成比特流，最后導出硬件文件到軟件開發(fā)工具包（SDK），包括比特流。然后在SDK下進行軟件開發(fā)與設計。

圖16 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3 軟件設計

在SDK下由硬件文件生成板級支持包BSP。主控程序的流程如圖17所示，控制整個系統(tǒng)的管理和運行。

圖17 主控程序流程圖

3.1 數(shù)字接口接入系統(tǒng)傳感器程序設計

蜂鳴器連接到Arduino的D3口，按鍵接到D4，DTH11溫濕度傳感器接到D5口，LED BAR連接到D6口。編程實現(xiàn)了對Arduino數(shù)字接口的讀、寫及模式設置等通用函數(shù)功能，移植DTH11溫濕度傳感器和LED BAR的函數(shù)庫。通過GPIO編程實現(xiàn)對這些傳感器的管理和調(diào)用。具體程序流程如圖18所示。

圖18 數(shù)字接口程序流程圖

3.2 模擬接口接入系統(tǒng)傳感器程序設計

光敏、聲音傳感器檢測環(huán)境信息，采集相應的模擬數(shù)據(jù)。PYNQ有6個模擬輸入通道，光傳感器連接到Arduino的A0口，對應XADC的Channel 1，聲音傳感器連接到Arduino的A1口，對應XADC的Channel 9。通過對XADC編程實現(xiàn)對環(huán)境的光、聲音數(shù)據(jù)進行采集、轉(zhuǎn)換、打包處理，并把數(shù)據(jù)按要求在 LED BAR進行分級顯示。程序控制流程如圖19所示。

3.3 3軸加速傳感器程序設計

圖19 模擬接口程序流程圖

ADXL345 3軸加速傳感器通過Arduino的I2C接口接入系統(tǒng)，移植ADXL345的函數(shù)庫，通過AXI IIC IP核，和中斷管理程序?qū)崿F(xiàn)對ADXL345 3軸加速傳感器進行設置和數(shù)據(jù)采集功能的設計。程序流程如圖20所示。

圖20 I2C程序流程圖

3.4 UART Wi-Fi程序設計

UART Wi-Fi集成了ESP8266物聯(lián)網(wǎng)SoC芯片，具有預編程AT命令集，通過串口AT命令建立與上位機的TCP/IP通信程序，把傳感器獲取的數(shù)據(jù)按照預定義格式生成傳輸數(shù)據(jù)包，發(fā)送給上位機。UART Wi-Fi通過Arduino的UART接口連接到系統(tǒng)。程序控制流程如圖21所示。

圖21 UART通信程序流程圖

最終系統(tǒng)的實物如圖22所示。

圖22 系統(tǒng)實物圖

4 結(jié)語

課程建設是保障人才培養(yǎng)質(zhì)量的根本，而專業(yè)課程的實驗教學是培養(yǎng)學生解決復雜工程問題能力的重要抓手。為了加強嵌入式系統(tǒng)設計實踐教學的效果，增強學生工程實踐能力，培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，本文采用自頂向下的設計方法研發(fā)了基于PYNQ的 Arduino接口的多種傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實驗案例。該實驗案例資源既能用于課堂教學，又可以用于學生課下自主學習，能夠極大地激發(fā)學生的積極性、想象力和創(chuàng)造力。