基于Xilinx Zynq的物距测量系统设计与实现

摘 要：为了对障碍物距离精确测量，基于最新Zedboard FPGA（现场可编程逻辑阵列）开发板，采用软硬件协同的设计 方法，设计了障碍物距离测量系统的软硬件。系统为智能小车平台提供了完整的距离测量服务，测距范围能够达到2cm~4.5m，精度可达0.2cm。该设计包含从底层硬件电路设计、可编程逻辑IP（IntellectualProperty）核设计、到Linux设备驱动的设计全部流程，对于在Zynq⁃7000FPGA上软硬件从事开发的人员有一定的参考价值。

随着集成电路的制造和应用技术的快速发展，嵌入式系统的性能也不断提升，已经被广泛应用于工业控制、航空航天、军事以及消费电子等领域。在硅工艺的发展以及市场推动下，Xilinx公司推出了基于7系列FPGA的新一代全可编程（AllProgrammable）Zynq⁃7000系列产品。该系列产品，集成了嵌入式领域集大成者——双核ARM CortexA9处理器和7系列28nm工艺FPGA芯片。Zedboard正是这样一款基于Zynq⁃7000产品的实验 开发板卡，提供了软件和硬件设计的更多可能。本文基于目前FPGA业界最先进的Zedboard FPGA（现场可编程逻辑阵列）开发板，从底层硬件电路设计、可编程逻辑IP（IntellectualProperty）核设计、到Linux设备驱动的设计，实现了障碍物距离测量的软硬件系统，并在智能小车平台上，实现了距离测量服务。该方法对于在Zynq⁃7000FPGA上软硬件的开发具有指导作用。

1、系统设计

传统上，FPGA中嵌入处理器内核，都是以FPGA为 主、处理器为辅，设计思路以可编程逻辑为主。然而新一代全可编程的Zynq⁃7000采取不同的思路，它是以处理器为主，FPGA为辅。FPGA变成了ARM处理器的一个协处理器[1]。图1为Zynq⁃7000SoC芯片的结构图。 简单来说，Zynq由PS和PL两部分组成：PS（Pro⁃cessingSystem，处理系统）相当于一片ARM芯片，而PL （ProgrammableLogic，可编程逻辑）相当于一片FPGA芯片。

图1：Zynq结构图

PS系统结构为：双核A9处理器，其是整个平台的控制中心，处理速度高达1GHz，可通过NEON扩展及单精度浮点单元进行增强，拥有32KB指令及数据L1 缓存，统一的512KBL2缓存和256KB片上存储器；存储接口，用以管理片内系统的存储状态，包含DDR3，DDR2和LPDDR2动态存储控制器和两个QSPI，NANDFLASH及NORFLASH控制器；通用外设，PS中的通用外设是ARM直接和外部设备通信的接口，含SPI，I2C， CAN，UART，GPIO，USB2.0等；其他组成部分。

PL部分结构为：低功耗可编程逻辑，包含28K~ 350K个逻辑单元，240K~2180K可扩展式BlockRAM和80~900个DSPSlice；XADC，为PL内置的12b模/数转换器；通用/定制外设，PL中的外设是PL中的器件和 外部通信的接口。在ARM接口不够用时，可以利用PL的外设接口。PS和PL之间的数据交互，则是通过AXI（AdvancedeXtensibleInterface）接口实现的。具体有：高性能AXI接口（HighPerformanceAXISlavePorts），共4个；通用AXI接口，包括两个主设备接口和两个从设备接口，共4个；加速一致性端口，是ARM多核架构下定义的一种接口。

根据Zynq结构特点，在应用系统结构设计时注意，使用由Zynq这样一款功能强大的SoC芯片，与一般的ARM芯片不同，与常用的FPGA，更存在区别。它要求 硬件和软件之间进行协同设计，共同实现既定的性能指标要求。在SoC设计中，IP（IntellectualProperty，知识产权）核重用技术是一个很重要的概念，它是软硬件协同设计的关键，通过标准化IP核可以实现模块复用，可以完成大规模的、复杂的SoC设计[3]。

本文以一个超声波测距系统为例，介绍如何在ZynqSoC上，定制IP、设计Linux设备驱动等，并完整的阐述了从硬件到软件的设计流程。设计的系统结构如图2所示。PS上，运行Linux操作系统，为LinaroUbuntu发行版。根据文献[2]的指导操作，使用Xilinx公司的开发软件完成配置，使PS可以运行操作系统。

图2：系统结构图

PL部分按照系统控制的需求进行定制。设计基于 XilinxAXI总线的超声波处理外设IP核，与外部的超声波发射和接收电路交互。在Linux操作系统下，这个IP核就成为了一个设备，这就需要编写相应的设备驱动程序，实现超声波测距功能的封装。