使用Zynq-7000設(shè)計(jì)橋臂控制器的分析測試和其結(jié)果對(duì)比

摘要: 介紹了基于Xilinx Zynq7000芯片的柔性直流輸電橋臂控制器的設(shè)計(jì)方案。集成在Zynq7000芯片上的FPGA和ARM之間采用AXI4總線傳輸數(shù)據(jù)；配置芯片上的ARM雙核各自運(yùn)行獨(dú)立的應(yīng)用程序，移植了Linux 操作系統(tǒng)；同時(shí),基于Linux增加了HDMI圖形控制界面和SD卡數(shù)據(jù)記錄等功能。FPGA和ARM間的數(shù)據(jù)速率實(shí)測達(dá)到8.9 Gb/s，大大地提高了橋臂控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

柔性直流輸電技術(shù)是基于電壓源換流器(VSC)的新一代直流輸電技術(shù)，通過控制IGBT的通斷來實(shí)現(xiàn)子模塊投切狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。閥控系統(tǒng)的橋臂控制器根據(jù)接收到的子模塊16位電容電壓和32位狀態(tài)信息，生成子模塊控制指令，并下發(fā)到每個(gè)子模塊。由于子模塊的數(shù)量比較多（一個(gè)橋臂為576個(gè)子模塊），需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比較大（總共27.6 Kb），并且閥控系統(tǒng)對(duì)控制周期有嚴(yán)格的要求[1]（控制過程嚴(yán)格控制在100 μs內(nèi)）。

目前的橋臂控制器普遍采用DSP+FPGA的設(shè)計(jì)架構(gòu)，F(xiàn)PGA將接收到的數(shù)據(jù)處理后傳送給DSP，DSP對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行故障判斷生成控制指令，F(xiàn)PGA讀取控制指令并通過光纖發(fā)送到子模塊。兩者之間采用32位數(shù)據(jù)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)傳輸速率低于1Gb/s，傳輸子模塊數(shù)據(jù)大概需要30 μs，占用了控制周期較長的時(shí)間，降低了閥控系統(tǒng)的控制實(shí)時(shí)性。

Xilinx的Zynq7000系列芯片將FPGA和ARM集成到一個(gè)芯片上，兩者之間可以通過64位的內(nèi)存映射型AXI接口進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，理論帶寬為9.6 Gb/s。ARM和FPGA直接通過AXI4數(shù)據(jù)總線進(jìn)行通信，理論數(shù)據(jù)線寬度達(dá)到1 024位，對(duì)于突發(fā)長度，最多支持256位，能夠極大地提高FPGA和ARM的數(shù)據(jù)通信傳輸率，保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行[2]。

本文設(shè)計(jì)的橋臂控制器采用Zynq xc7z020芯片，使用AXI4總線取代了DSP+FPGA的數(shù)據(jù)總線，同時(shí)利用ARM 雙核CortexA9處理子系統(tǒng)和豐富的外設(shè)資源，進(jìn)一步提升了橋臂控制器的功能。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的橋臂控制器由集成在Zynqxc7z020內(nèi)的雙核ARM CortexA9 MPCore處理器（CPU0+CPU1）所控制，這兩個(gè)處理器可以同時(shí)運(yùn)行各自獨(dú)立的操作系統(tǒng)和軟件程序，而且可以通過片內(nèi)RAM進(jìn)行通信。

為了保證ARM對(duì)FPGA中斷的實(shí)時(shí)響應(yīng)，將CPU1配置為運(yùn)行裸機(jī)程序，執(zhí)行中斷服務(wù)函數(shù)，主要完成故障檢測和控制指令生成。而CPU0運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，提供用戶控制圖形界面和網(wǎng)絡(luò)通信等功能。CPU0和CPU1通過片內(nèi)256K的RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，這種雙核架構(gòu)稱為不對(duì)稱的多處理機(jī)系統(tǒng)（Asymmetric MultiProcessing，AMP）模式。

Zynqxc7z020芯片的FPGA接收到子模塊的電容電壓數(shù)據(jù)后，進(jìn)行排序及冗余處理，然后利用AXI_Master_Connector的AXI總線IP核將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為AXI4總線數(shù)據(jù)格式，通過ARM與FPGA的64位AXI HP（High Performance）高速接口傳輸?shù)酵獠康?a target="_blank">DDR3中，數(shù)據(jù)傳輸完畢后,FPGA向ARM的CPU1發(fā)送一個(gè)中斷請(qǐng)求。

ARM的CPU1接收到中斷后，從DDR3內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行故障判斷處理，同時(shí)通知CPU0的Linux操作系統(tǒng)，在圖形界面實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)變化并通過網(wǎng)口向后臺(tái)發(fā)送事件信息。

CPU1數(shù)據(jù)處理完畢后，生成子模塊控制指令并寫入DDR3指定內(nèi)存區(qū)，F(xiàn)PGA通過AXI_Master_Connector總線IP核從DDR3讀取數(shù)據(jù)，并通過光纖發(fā)送到每個(gè)子模塊。

運(yùn)行Linux的CPU0作為主節(jié)點(diǎn)，提供HDMI圖形界面，并負(fù)責(zé)系統(tǒng)上電硬件初始化、啟動(dòng)CPU1、將位配置文件燒寫到FPGA中和升級(jí)系統(tǒng)軟件等工作。方案的整體框架如圖1所示。

圖1 橋臂控制器系統(tǒng)框架圖

2 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

橋臂控制器的硬件平臺(tái)主要分為ARM和FPGA兩部分。使用Xilinx XPS硬件設(shè)計(jì)軟件，配置Zynq處理器中ARM部分的外設(shè)，如圖2所示。

圖2 橋臂控制器ARM側(cè)外設(shè)配置

程序代碼和FPGA的配置文件固化在外部QuadSPI Flash中，Enet0用來與后臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，SD0可以掛接SD卡，I2C0用來掛接RTC8564JE芯片，I2C1控制器配置HDMI輸出芯片Sil9134，系統(tǒng)使用UART1輸出調(diào)試信息。

FPGA部分的硬件平臺(tái)包括數(shù)據(jù)預(yù)處理的IP核、AXI總線控制IP核（IN_AXI_MASTER和OUT_AXI_MASTER），以及產(chǎn)生中斷的irq_gen_0 IP核，構(gòu)建了FPGA、ARM和DDR3的數(shù)據(jù)流通道[3]，如圖3所示。

圖3 橋臂控制器FPGA硬件設(shè)計(jì)

添加AXI總線控制IP核時(shí)，需指定AXI協(xié)議為AXI4，數(shù)據(jù)帶寬為64位（最高1 024位），并將ARM與FPGA的64位AXI HP接口映射到DDR3內(nèi)存的高端1 MB地址（0x3FF0 0000~0x3FFF FFFF），用來存儲(chǔ)接收到的子模塊數(shù)據(jù)以及生成的控制指令[4]。
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第 1 頁：使用Zynq-7000設(shè)計(jì)橋臂控制器的分析測試和其結(jié)果對(duì)比
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Zynq(46445) Zynq(46445)

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Zynq-7000的應(yīng)用領(lǐng)域：汽車/通信系統(tǒng)/機(jī)器人/控制和儀器/圖像/視頻處理

的FPGA架構(gòu)使得Xilinx Zynq-7000更加強(qiáng)悍，應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。下面將從以下方面介紹Zynq-7000的應(yīng)用領(lǐng)域：汽車、通信系統(tǒng)、機(jī)器人、控制和儀器、圖像和視頻處理、醫(yī)藥、工業(yè)控制和許多其他領(lǐng)域。

2018-05-18 07:07:00

2584

為何要選擇Zynq-7000 All Programmable SoC

Zynq-7000 AP SoC作為業(yè)界第一款SoC產(chǎn)品，完美集成了雙核ARM Cortex-A9處理器與賽靈思28 nm FPGA。本視頻向您展示了Zynq-7000的強(qiáng)大性能，以及豐富的外設(shè)支持及開發(fā)工具支持情況，讓您能更快地尋找到Zynq-7000的相關(guān)信息和支持資源。

2018-06-05 01:45:00

4172

賽靈思隆重推出Zynq-7000

賽靈思隆重推出Zynq-7000

2018-06-06 03:45:00

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基于Zynq-7000平臺(tái)運(yùn)行SoftPLC的解決方案

基于Zynq-7000平臺(tái)運(yùn)行SoftPLC的解決方案，集成了KW-SoftPLC，PowerLink實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議，Linux操作系統(tǒng)，用以快速、精準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制應(yīng)用

2018-06-05 09:46:00

5215

Xilinx Zynq-7000 EPP Showcased at Embedded World

Xilinx Zynq-7000 EPP Showcased at Embedded World

2018-06-04 13:46:00

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KWSoftware公司的基于Zynq-7000對(duì)可編程邏輯控制器演示

此視頻演示重點(diǎn)演示了一個(gè)基于Zynq-7000 All Programmable SoC配置成的嵌入式PLC，用于通過PowerLink以太網(wǎng)管理設(shè)備。嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)軟件由KWSoftware公司提供，使用符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)語言進(jìn)行編程。

2018-06-04 13:47:00

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Zynq-7000 AP SoC 在多種應(yīng)用領(lǐng)域中的演示

Xilinx公司介紹：Zynq-7000 AP SoC 在多種應(yīng)用領(lǐng)域中的演示。

2018-06-04 13:47:00

4466

Zynq-7000 AP SoC為您提供業(yè)經(jīng)驗(yàn)證的高效生產(chǎn)力

除了要最終客戶推出屢獲殊榮的Zynq-7000 AP SoC器件幫助他們?cè)诟偁幹姓I(lǐng)先一代之外，我們今天還推出了豐富的穩(wěn)健可靠的基礎(chǔ)架構(gòu)，使Zynq-7000 SoC用戶能夠生產(chǎn)力更高

2018-06-04 13:47:00

3212

XILINX Zynq-7000, Industrial & Medical Imaging Demos - EW 20

XILINX Zynq-7000, Industrial & Medical Imaging Demos - EW 20

2018-05-25 15:49:00

2878

Zynq-7000 Extensible Processing Platform in Action

Zynq-7000 Extensible Processing Platform in Action

2018-05-24 16:47:00

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Zynq-7000 SoC生產(chǎn)勘誤項(xiàng)目及應(yīng)對(duì)措施

Zynq-7000 生產(chǎn)勘誤項(xiàng)目是（Xilinx 答復(fù) 47916）中所列項(xiàng)目的子集，通常包括由 Xilinx 和 Linux 社區(qū)實(shí)現(xiàn)的軟件解決方法應(yīng)對(duì)措施。

2018-07-05 08:38:00

931

ZYNQ-7000型產(chǎn)品選擇指南詳細(xì)資料免費(fèi)下載

本文檔的主要內(nèi)容詳細(xì)介紹的是ZYNQ-7000型產(chǎn)品選擇指南詳細(xì)資料免費(fèi)下載。

2018-08-09 08:00:00

關(guān)于Zynq-7000 PL端HDMI的顯示控制的性能分析和應(yīng)用介紹

Zynq-7000 PL端HDMI的顯示控制 Zynq-7000 PS到PL端emio的使用 Vivado 專家文章：Tcl 是什么？ Zynq-7000 ARM端MIO的使用 Zynq-7000

2019-09-15 14:57:00

3305

Zynq-7000可擴(kuò)展處理平臺(tái)的特點(diǎn)及應(yīng)用介紹

Xilinx處理平臺(tái)副總裁Vidya Rajagopalan和ARM物理IP部門技術(shù)副總裁Dipesh Patel介紹了Xilinx的Zynq-7000可擴(kuò)展處理平臺(tái)。

2018-11-20 07:07:00

3317

Zynq-7000 AP SoC ZC702評(píng)估套件的特點(diǎn)與應(yīng)用

Zynq-7000 All Programmable SoC評(píng)估套件ZC702簡介使設(shè)計(jì)人員能夠快速評(píng)估Zynq-7000技術(shù)，同時(shí)通過其可擴(kuò)展性開發(fā)大多數(shù)應(yīng)用。

2018-11-20 06:17:00

3656

Zynq-7000可擴(kuò)展處理平臺(tái)的演示

觀看世界上第一個(gè)可擴(kuò)展處理平臺(tái)--Zynq-7000 EPP的演示。

2019-01-02 09:31:00

2062

Zynq-7000全可編程SoC的性能和功能

Zynq-7000全可編程SoC提供無與倫比的性能和功能

2019-01-21 07:32:00

3212

Zynq-7000 AP SoC提供業(yè)經(jīng)驗(yàn)證的IP及參考設(shè)計(jì)

Xilinx為Zynq-7000 SoC提供了一個(gè)穩(wěn)健而廣泛的支持基礎(chǔ)，讓用戶基于Zynq的開發(fā)設(shè)計(jì)更加高效，同時(shí)也幫助客戶更快地把設(shè)計(jì)推向市場.Zynq-7000 SoC的用戶對(duì)Vivado

2018-11-30 06:08:00

2321

適用于Zynq-7000 AP SoC的Windows Embedded Compact 7概述

了解適用于Zynq-7000 All Programmable SoC的Windows Embedded Compact 7板級(jí)支持包（BSP）。

2018-11-30 06:06:00

3214

Xilinx Zynq-7000最新ADAS解決方案的展示

卓越的賽靈思聯(lián)盟成員Xylon展示了他們利用Xilinx Zynq-7000的最新ADAS解決方案。他們最新的開發(fā)套件logiADAK 3.0汽車駕駛員輔助工具包可實(shí)現(xiàn)2D / 3D環(huán)繞視圖

2018-11-26 07:10:00

3783

使用Zynq-7000 AP SoC進(jìn)行工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的演示

安富利展示了一個(gè)集成的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）系統(tǒng)，集成了Xilinx Zynq-7000 All Programmable SoC上的機(jī)器視覺，電機(jī)控制和近場通信（NFC）。

2018-11-26 07:00:00

2840

使用Zynq-7000 All Programmable SoC實(shí)現(xiàn)DSP功能的軟件加速

該演示展示了Zynq-7000 All Programmable SoC及其使用NEON引擎或硬件加速來加速軟件的能力。查看Zynq-7000 SoC的靈活性，以加速軟件和利用......

2018-11-26 06:56:00

4796

Zynq-7000可擴(kuò)展處理平臺(tái)的展示介紹

Xilinx及其聯(lián)盟成員在Embedded World 2012上展示了Zynq-7000可擴(kuò)展處理平臺(tái)。

2018-11-26 06:42:00

2330

Zynq-7000 All Programmable SoC的開發(fā)工具概述

了解可用于Zynq-7000 All Programmable SoC的各種開發(fā)工具。從愿景到部署Xilinx開發(fā)工具解決端到端開發(fā)問題，包括：系統(tǒng)設(shè)計(jì)，軟件和固件開發(fā)......

2018-11-26 06:38:00

3032

Zynq-7000 All Programmable SoC器件的I/O標(biāo)準(zhǔn)

了解設(shè)計(jì)人員在使用Zynq-7000 All Programmable SoC器件時(shí)可用的不同I / O，從標(biāo)準(zhǔn)I / O到串行收發(fā)器以及模擬輸入。

2018-11-26 06:36:00

2546

針對(duì)成像和視頻應(yīng)用開發(fā)的Zynq-7000 All Programmable SoC

Zynq-7000 All Programmable SoC套件簡介，針對(duì)成像和視頻應(yīng)用開發(fā)，提供相機(jī)和視頻插件。

2018-11-23 06:46:00

2397

如何使用BootGen為Zynq-7000 AP SoC構(gòu)建完整的映像

了解如何使用BootGen為Zynq-7000 All Programmable SoC構(gòu)建完整的映像。引導(dǎo)映像通常包括第一級(jí)引導(dǎo)加載程序，至少一個(gè)軟件應(yīng)用程序和PL的比特流。

2018-11-23 06:58:00

5211

如何為Zynq-7000 All Programmable SoC制作可引導(dǎo)映像

了解如何構(gòu)建FSBL，U-boot，Linux并為Zynq-7000 All Programmable SoC制作可引導(dǎo)映像。

2018-11-23 06:55:00

2470

使用Zynq-7000 All Programmable SoC進(jìn)行視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)演示

使用Zynq-7000 All Programmable SoC的ISD netSeries視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)演示

2018-11-23 06:48:00

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使用可編程邏輯控制器的Zynq-7000 All Programmable SoC

此視頻演示重點(diǎn)介紹Zynq-7000 All Programmable SoC，該SoC配置為嵌入式PLC，通過以太網(wǎng)Powerlink管理設(shè)備。

2018-11-23 06:37:00

3009

Zynq-7000 All Programmable SoC的安全系統(tǒng)

該視頻演示展示了Zynq-7000 All Programmable SoC上具有PROFINET IRT的高可靠性系統(tǒng)，適用于高性能自動(dòng)化應(yīng)用。

2018-11-23 06:34:00

2520

Zynq-7000 All Programmable SoC電源管理技術(shù)的了解

通過Zynq-7000 AP SoC了解電源管理技術(shù)，并了解Zynq Power Demonstration的這些技術(shù)。

2018-11-22 06:54:00

3500

如何使用Zynq-7000 VI進(jìn)行IP仿真驗(yàn)證和調(diào)試

本視頻將向您講解如何使用Zynq-7000 VIP（驗(yàn)證IP）來高效地驗(yàn)證基于Zynq-7000處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。另外，視頻還介紹了如何配置，以及如何使用范例項(xiàng)目進(jìn)行仿真的實(shí)施步驟。

2018-11-22 06:48:00

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ZYNQ-7000如何生成從Flash和SD卡啟動(dòng)的鏡像文件

ZYNQ-7000如何生成從Flash和SD卡啟動(dòng)的鏡像文件將PL與PS部分一起使用，并且通過JTAG下載到板子運(yùn)行。對(duì)于ZYNQ，有多種啟動(dòng)方式

2018-12-01 08:38:18

7276

Zynq-7000所有可編程SOC模塊的詳細(xì)資料介紹

本文檔的主要內(nèi)容詳細(xì)介紹的是Zynq-7000所有可編程SOC模塊的詳細(xì)資料介紹。

2019-02-13 17:16:40

Zynq-7000全可編程SOC系列產(chǎn)品選擇指南免費(fèi)下載

本文檔的主要內(nèi)容詳細(xì)介紹的是Zynq-7000全可編程SOC系列產(chǎn)品選擇指南免費(fèi)下載。

2019-02-15 11:52:09

Zynq-7000 SOC的產(chǎn)品簡介資料免費(fèi)下載

?Cortex?-A9處理器與業(yè)界領(lǐng)先的每瓦28nm可編程邏輯性能相集成，實(shí)現(xiàn)了超過離散處理器和FPGA系統(tǒng)的功率和性能水平。Zynq-7000系列提供了Dualcore（Zynq-7000設(shè)備

2019-02-15 11:52:14

digilent Cora Z7-10: Zynq-7000 概述

　Digilent Cora Z7是一款隨時(shí)可用，低成本且易于嵌入的開發(fā)平臺(tái)，圍繞Xilinx功能強(qiáng)大的Zynq-7000全可編程片上系統(tǒng)（APSoC）而設(shè)計(jì)。 Zynq-7000架構(gòu)將單核

2019-11-14 15:53:23

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digilent Cora Z7-07S: Zynq-7000 概述

2019-11-14 15:50:53

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digilent Zynq-7000 ARM/FPGA SoC開發(fā)板介紹

全新升級(jí)上市的Zybo-Z7是一款功能強(qiáng)大豐富，開箱即用型的Xilinx Zynq-7000 APSoC 軟硬協(xié)同嵌入式開發(fā)板。此次重磅上市的新版Zybo Z7，是對(duì)2012年發(fā)布的全球廣受歡迎的口袋式Zynq評(píng)估板Zybo的一次新一代全面升級(jí)！

2019-11-20 15:34:20

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digilent Zynq-7000訓(xùn)練板概述

Zybo（Zynq? Board）是一款資源豐富且易用的嵌入式軟件及數(shù)字電路入門級(jí)開發(fā)平臺(tái)，該平臺(tái)主芯片為Xilinx Zynq-7000系列中的最小型號(hào)Z-7010。

2019-11-25 11:42:27

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Zynq-7000 ZING SOM開發(fā)模塊的特點(diǎn)和應(yīng)用

Zynq-7000 ZING SOM開發(fā)模塊演示,ZingSoM模塊是針對(duì)OEM類型和小批量試生產(chǎn)型客戶量身定制的一款Zynq最小系統(tǒng)板，集成了Zynq All Programmable SoC系統(tǒng)所需的常用組件，包括DDR3和Flash，以及千兆以太網(wǎng)卡和USB接口。

2020-07-02 10:20:00

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