Zynq7000的柔性直流输电桥臂控制器设计

引言
    柔性直流输电技术是基于电压源换流器(VSC)的新一代直流输电技术，通过控制IGBT的通断来实现子模块投切状态的转换。阀控系统的桥臂控制器根据接收到的子模块16位电容电压和32位状态信息，生成子模块控制指令，并下发到每个子模块。由于子模块的数量比较多（一个桥臂为576个子模块），需要传输的数据量比较大（总共27.6 Kb），并且阀控系统对控制周期有严格的要求[1]（控制过程严格控制在100 μs内）。
    目前的桥臂控制器普遍采用DSP+FPGA的设计架构，FPGA将接收到的数据处理后传送给DSP，DSP对数据进行故障判断生成控制指令，FPGA读取控制指令并通过光纤发送到子模块。两者之间采用32位数据总线进行数据交互，数据传输速率低于1Gb/s，传输子模块数据大概需要30 μs，占用了控制周期较长的时间，降低了阀控系统的控制实时性。
    Xilinx的Zynq7000系列芯片将FPGA和ARM集成到一个芯片上，两者之间可以通过64位的内存映射型AXI接口进行双向数据传输，理论带宽为9.6 Gb/s。ARM和FPGA直接通过AXI4数据总线进行通信，理论数据线宽度达到1 024位，对于突发长度，最多支持256位，能够极大地提高FPGA和ARM的数据通信传输率，保证系统实时运行[2]。
    本文设计的桥臂控制器采用Zynqxc7z020芯片，使用AXI4总线取代了DSP+FPGA的数据总线，同时利用ARM 双核CortexA9处理子系统和丰富的外设资源，进一步提升了桥臂控制器的功能。
1 系统总体结构设计
    本文所设计的桥臂控制器由集成在Zynqxc7z020内的双核ARM CortexA9 MPCore处理器（CPU0+CPU1）所控制，这两个处理器可以同时运行各自独立的操作系统和软件程序，而且可以通过片内RAM进行通信。
    为了保证ARM对FPGA中断的实时响应，将CPU1配置为运行裸机程序，执行中断服务函数，主要完成故障检测和控制指令生成。而CPU0运行Linux操作系统，提供用户控制图形界面和网络通信等功能。CPU0和CPU1通过片内256K的RAM进行数据通信，这种双核架构称为不对称的多处理机系统（Asymmetric MultiProcessing，AMP）模式。
    Zynqxc7z020芯片的FPGA接收到子模块的电容电压数据后，进行排序及冗余处理，然后利用AXI_Master_Connector的AXI总线IP核将数据转换为AXI4总线数据格式，通过ARM与FPGA的64位AXI HP（High Performance）高速接口传输到外部的DDR3中，数据传输完毕后,FPGA向ARM的CPU1发送一个中断请求。
    ARM的CPU1接收到中断后，从DDR3内存读取数据并进行故障判断处理，同时通知CPU0的Linux操作系统，在图形界面实时显示数据变化并通过网口向后台发送事件信息。
    CPU1数据处理完毕后，生成子模块控制指令并写入DDR3指定内存区，FPGA通过AXI_Master_Connector总线IP核从DDR3读取数据，并通过光纤发送到每个子模块。
    运行Linux的CPU0作为主节点，提供HDMI图形界面，并负责系统上电硬件初始化、启动CPU1、将位配置文件烧写到FPGA中和升级系统软件等工作。方案的整体框架如图1所示。

图1 桥臂控制器系统框架图
2 硬件平台设计
    桥臂控制器的硬件平台主要分为ARM和FPGA两部分。使用Xilinx XPS硬件设计软件，配置Zynq处理器中ARM部分的外设，如图2所示。

图2 桥臂控制器ARM侧外设配置
    程序代码和FPGA的配置文件固化在外部QuadSPI Flash中，Enet0用来与后台进行网络通信，SD0可以挂接SD卡，I2C0用来挂接RTC8564JE芯片，I2C1控制器配置HDMI输出芯片Sil9134，系统使用UART1输出调试信息。
    FPGA部分的硬件平台包括数据预处理的IP核、AXI总线控制IP核（IN_AXI_MASTER和OUT_AXI_MASTER），以及产生中断的irq_gen_0 IP核，构建了FPGA、ARM和DDR3的数据流通道[3]，如图3所示。

图3 桥臂控制器FPGA硬件设计
    添加AXI总线控制IP核时，需指定AXI协议为AXI4，数据带宽为64位（最高1 024位），并将ARM与FPGA的64位AXI HP接口映射到DDR3内存的高端1 MB地址（0x3FF0 0000~0x3FFF FFFF），用来存储接收到的子模块数据以及生成的控制指令[4]。
3 嵌入式软件设计
    Zynqxc7z020芯片是以ARM作为核心的，上电后的运行流程如下：
    ① 进入FSBL（First Stage Boot Loader），对电路板进行配置初始化；
    ② 将位文件烧入FPGA，FPGA按照位中的方式运行；
    ③ 进入SSBL（Second Stage Boot Loader），uboot初始化操作系统的运行环境，引导Linux内核，随后将控制权交给双核ARM中的CPU0，CPU0负责启动响应FPGA中断的CPU1。
3.1 FSBL软件设计
    FSBL主要完成Zynqxc7z020芯片的启动、内存的初始化、I/O的中断初始化，以及HDMI的配置。其中，HDMI接口芯片Sil9134通过IIC1来配置。
    FSBL中I2C的主要C程序如下：

    //初始化I2C控制器

    XIicPs_LookupConfig(…);

    XIicPs_CfgInitialize(…);

    //设置I2C时钟频率

    XIicPs_SetSClk(…);

    //发送数据

    iic_writex(… );
    通过配置Sil9134的0x72基址和0x7A基址两个寄存器，初始化芯片硬件，进入正常工作模式。
3.2 启动AMP工作模式
    Zynqxc7z020芯片的ARM双核共享1G的DDR3内存、512K的L2 Cache和中断控制器，为了避免双核同时访问这些资源导致冲突，系统采用了以下措施：
    ① 在CPU0上运行的Linux使用DDR3内存的低端768 MB空间，CPU1使用随后的255 MB内存空间，高端的1 MB空间用来存储FPGA读写的数据。
    ② CPU1禁用L2 Cache，CPU0上的Linux完全占用L2 Cache。
    ③ FPGA发送给CPU1的中断使用私有中断控制器，发送给CPU0的中断使用共享中断控制器，两者互不干扰[5]。
    Linux内核在CPU0启动成功后，此时CPU1处于休眠状态，会一直轮询0xFFFF FFF0地址处的数值，非零就把读取到的数值装载到PC寄存器，跳转到对应的地址执行指令。CPU0通过Linux的devmem命令把CPU1的DDR3内存起始地址0x3000 0000写入0xFFFF FFF0，启动CPU1：devmem 0xFFFF FFF0 0x3000 0000。
    CPU1启动后，在主函数注册中断服务函数，当FPGA的数据中断发生时进入中断函数，进行故障判断并生成控制指令。因为CPU1运行的是裸机程序，其中断响应时间要比运行Linux的CPU0响应时间短。
3.3 系统软件升级
    桥臂控制器在调试过程中经常需要对代码进行升级，而程序代码和FPGA的配置文件固化在外部QuadSPI Flash中，通过开启CPU0上Linux的SSH和FTP服务，使用网口可以重新烧写Flash中的文件，步骤如下：
    ① PC电脑通过FileZilla Client（Windows下的ftp工具）登录Linux的ftp服务器，将新的烧写文件上传到Linux的文件系统下；
    ② PC电脑通过putty（Windows下的ssh工具）登录Linux的root账号；
    ③ 在putty界面下，使用Linux自带的flashcp命令将上传的文件烧写到外部QuadSPI Flash。
    桥臂控制器重启后，系统软件得到更新。
3.4 应用程序流程
    系统程序流程如图4所示。

图4 系统程序流程图
4 FPGA通信传输率测试
    ARM和FPGA通过AXI4数据总线进行通信，数据带宽最高达到1 024位，本文主要测试了64位突发传输率。
    对于64位突发传输，分别测试FPGA工作频率为50 MHz、100 MHz和150 MHz时，FPGA发送256个64位数据的用时，如表1所列。
表1 FPGA发送64位数据时间

    由表1可以计算得出不同FPGA工作频率下，数据位宽为64位时的传输速率，如表2所列。
表2 FPGA数据传输速率

    由表2可见，使用Zynqxc7z020芯片能够极大提高FPGA和ARM的数据传输速率。
结语
    本文设计的桥臂控制器，采用Xilinx Zynqxc7z020芯片，使用AXI总线取代了以前的DSP+FPGA数据总线方式，实测的最高数据传输率达到8.9 Gb/s，极大地改善了阀控系统数据通信的实时性，同时简化了控制板卡的硬件设计，降低了板卡功耗，提升了系统的运行稳定性[6]。
    利用芯片上集成的ARM CortexA9 MPCore双核处理器，搭建了AMP多系统架构,在保证系统实时响应FPGA中断的同时，移植了Linux操作系统，提供了人机交互界面，为桥臂控制器添加了新的控制功能，简化了柔性直流输电阀控系统的整体设计。