基于Xilinx Zynq的物距测量系统设计与实现

作者：杨晓安1，罗 杰2，包文博2 （1.珠海广播电视大学信息工程系，广东珠海519000；2.华中科技大学电子与信息工程系，湖北武汉 430074）

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。

2、 主要模块设计
2.1 超声波测距模块
该模块基本工作原理是：通过超声波发射探头，发射频率为40kHz的超声波信号；当超声波信号遇到障碍物时，会发生反射；当超声波接收探头接收到40kHz频率附近的声波信号时，经过信号调理电路；再通过系统计算接收与发射之间的时间差计算障碍物距离。

图3测距模块

设计中共使用到了三个相同测距模块，分别测量三个不同的方向上障碍物距离。测距模块分为超声波发射部分和接收部分，模块的电路结构如图4所示。具体是采用HC⁃SR04超声波测距模块，进行硬件设计[6]。该电路的对外接口为触发（TRIG）控制端和回响（ECHO）信号接收端。通过I/O口TRIG触发测距，提供了一个10ms以上的高电平触发信号，该模块将发出8个40kHz的方波用于探测，并自动检测是否有回波信号。一旦检测到有回波信号则通过I/O口ECHO输出一个高电平回响信号，且回响信号的高电平时间tH（单位：ms）即高电平持续的时间与所测的距离S成正比。其对应关系为：

发射部分：利用串口转换芯片的升压功能，采用MAX232将输入JN1和JN2的3.3VTTL电平转换，得到5V电平。它激励超声波发射探头的信号压差为10V， 发出40kHz的超声波。如图4所示。

图4 发射电路

接收部分：对回波信号进行滤波、放大处理。接收电路图如图5所示。其中NET9为控制接收电路工作的使能端口，NET10为接收电路工作且接收到了回波信号时的响应信号。

图5： 接收电路图

2.2 IP核设计
使用Xilinx的设计工具XPS（XilinxPlatformStudio） 建立IP的流程，新建一个Ultrasonic（超声波）IP核模块。该IP核的模块结构如图2所示中的超声波处理外设部分，其中Triggercounter，Clockgen和Echocounter使用VerilogHDL实现。根据超声波测距模块的测距时序要求，设计触发和回响信号的逻辑，由Triggercounter和Echocounter实现。最终将测量到的数据放到AXI4定义的寄存器中，使处理器能从AXI总线上读取数据。本IP核有4个寄存器（reg0~reg3），与AXI4总线相连，用户可以通过这4个寄存器控制发射超声波，获取测量的距离。其中，reg0的功能是使能一次测距以及三个方向上测量完毕标志，图6为reg0寄存器映射表；reg1~reg3为计数后计算得到的三个方向上超声波测量到的距离数值。将设计的IP核添加到XPS工程中去，分配得到的地址空间为0x6E000000~0x6E00FFFF。

图6：reg0寄存器映射表

2.3 Linux驱动设计
Linux设备驱动分为三类：字符设备、块设备和网络 设备。在这里需要编写的是一个字符设备[5]。另外，编写的设备将通过模块化的方式加载到操作系统中，而不是静态编译到内核中。驱动程序在交叉编译环境下，进 行模块化编译。得到以.ko为扩展名的驱动文件，使用 insmod和rmmod进行加载或者卸载，同时也可以通过lsmod查看是否已被加载。

建立一个ultrasonic_driver.c文件，使用交叉编译环 境进行编译，得到对应的可加载文件ultrasonic_driver.ko。在ultrasonic_driver.c中声明设备名称和模块的物理地址，该物理地址对应于XPS中建立的嵌入式系统的地址。具体如下：
#defineDEVICE_NAME"ULTRASONIC_MOUDLE"#defineULTRASONIC_MOUDLE_PHY_ADDR0x6E000000

该设备驱动的主要函数有：设备初始化ultrason⁃ic_driver_module_init（）；三个方向上的距离测量函数，sys_ultrasonic_front_get（），sys_ultrasonic_right_get（）和sys_ultrasonic_left_get（）；设备注销ultrasonic_driv⁃ er_module_exit（）。

（1）设备初始化函数，完成注册信息，当进行ins⁃mod操作时，操作系统会自动调用初始化函数，完成各 项信息的注册。而设备注销操作，与它相反，不做赘述。该初始化函数中，需要完成如下工作[4]：内核注册设备驱动；创建ultrasonic_driver设备类；为ultrasonic_driver设备类创建一个ultrasonic_driver_device设备；为设备创建以下几个文件：dev_attr_ultrasonic_trigger，dev_attr_ultra⁃sonic_front，dev_attr_ultrasonic_right，dev_attr_ultrason⁃ic_left，分别对应三个方向上的距离数值；将模块的物理基地址映射到虚拟地址上；同时将其他几个寄存器地址计算得到虚拟地址；打印调试信息，表明完成初始化工作。

（2）距离测量函数，以前向（front）测距为例，另外两个方向（right，left）上类似。Linux中，sysfs是一种基于ram的文件系统，它提供了一种用于向用户空间展现内核空间里的对象、属性和链接。sysfs与kobject层次紧密相连，它将kobject层次关系表现出来，使得用户空间 可以看见这些层次关系。可以通过CAT和ECHO接口命令来读/写sysfs。使用函数宏DEVICE_ATTR创建接口如下：
staticDEVICE_ATTR（ultrasonic_front，S_IRUSR|S_IWUSR，NULL，sys_ultrasonic_front_get）；

DEVICE_ATTR宏声明有4个参数，分别是名称、权 限位、读函数、写函数。其中读函数和写函数是读/写功能函数的函数名。这样对ultrasonic_front创建一个写函 数sys_ultrasonic_front_get，其流程图如图7所示。

图7：sys_ultrasonic_front_get流程图

进入函数，首先会打印一条调试信息；然后向reg0（ultrasonic_trigger_addr）上写入使能，使开始发射超声波；循环检测reg0的bit1，查看数据是否有效；如果数据有效，则读取出reg1（ultrasonic_front_addr）上的数据值，并打印出来。完成一次读取操作。 完成以上设备驱动设计后，使用配置好的交叉编译环境，将该驱动代码编译为ultrasonic_driver.ko文件。将该文件放入启动的SD卡中。

3系统测试
对XPS构建的系统，建立U⁃Boot引导，编译配置内 核源码，编译设备树，并制作根文件系统，制作ramdisk镜像文件，得到所有的文件zImage，devicetreee.dtb，ram⁃disk8M.img.gz，BOOT.BIN。放入Zedboard板的SD卡中，同时也将ultrasonic_driver.ko文件放入SD卡，上电启动，直至完成。

在连接到Zedboard串口的超级终端下，挂载SD，执行如下步骤：
mount/dev/mmcblk0p1/mnt //挂载SD卡
cd/mnt//进入SD卡目录
insmod./ultrasonic_driver.ko//加载ultrasonic_driver.ko模块
dmesg//查看加载打印信息lsmod//查看加载的模块
cd/sys/class/ultrasonic_driver/ultrasonic_driver
//进入创建的设备目录，sysfs下
catultrasonic_front//读取一次前向超声波测量距离
catultrasonic_right//读取一次右边超声波测量距离
catultrasonic_left//读取一次左边超声波测量距离

系统测试后可以在终端里看到打印的加载信息“ul⁃trasonicdriverinitialsuccessfully!”和读取到的测量距离数值。调整超声波探头前方障碍物距离，还可以得到不同的距离值，最终，实现的距离测量能够达到2cm~4.5m 的范围，精度可达0.2cm。

4结语
本文基于FPGA业界最先进的芯片Zynq以及开发平台Zedboard，融合软硬件设计，从底层的各功能电路设计，VerilogHDL代码编写，VerilogIP核设计，到Linux设备驱动设计，完成了整个设计流程，在智能小车平台上实现了在Linux系统中利用超声波测距的功能，达到2cm~ 4.5m的测距范围，精度达0.2cm，为上层应用提供了支撑服务。该系统设计对基于Zynq⁃7000FPGA上的开发的多个方面（例如，对ARM+FPGA应用设计的理解、软硬件结合的设计方法；Xilinx下AXI4⁃lite总线的IP核设计；Linux字符设备驱动设计）有指导性意义。