基于Zynq压电陶瓷传感器的高精度采集系统设计

摘要: 在天文光学精密测量中, 纳米精度的压电陶瓷传感器常作为微位移执行器,驱动各种精密位移。为进一步提高其采集精度和实时性，设计了基于Zynq7000双核ARM处理器的采集系统。在Zynq的PL部分实现数据采集和OLED显示IP核,以CPU0作为主处理器，实现系统的控制和压电陶瓷电压的采集，其采集频率达到30 kHz，数据分辨率为千万分之一，绝对精度达到10 μV;CPU1作为从处理器，在OLED上实时显示信息。

引言
压电陶瓷(Piezoelectric,PZT)以其特有的体积小、响应快、精度高和微动作功能而成为近年来天文光学精密测量中广泛应用的材料之一。因此，其采集精度和实时性是其关键技术之一。本设计以Xilinx公司的Zynq7000双核ARM处理器作为设计平台，实现对PZT的高速和高精度采集。Zynq是以ARM为核心、以FPGA作为可编程外设的全新架构处理器，其ARM核是由2个CortexA9 CPU组成的AMP系统。

目前，PZT的采集系统大多采用PC机下的采集卡或者类似于单片机的系统设计，由于PC机系统的实时性比较差，单片机的数据处理能力比较弱，很难满足类似于天文光学测量系统的实时性要求，采用Zynq的PL部分做数据采集，可以达到μs数量级。利用Zynq的PS部分实现数据存储、数据处理和通信，实时性也可以达到μs数量级。

1数据采集和OLED显示IP核设计

1.1OLED显示IP核设计
ZedBoard开发板上使用Inteltronic /Wisechip公司的OLED显示模组UG2832HSWEG04，驱动电路采用所罗门科技的SSD1306芯片。OLED采用SPI方式控制，SPI模式使用的信号线和电源线如下：
① RST(RES)：硬复位OLED。
② DC：命令/数据标志。
③ SCLK：串行时钟线。
④ SDIN：串行数据线。
⑤ VDD：逻辑电路电源。

⑦ OLED显示IP核是指在PL中配置相关外设，挂到PS中，作为PS部分的外设使用。

只需要利用Xilinx的嵌入式工具XPS生成硬件系统。主要过程如下：
① 根据XPS工具设计流程，生成Zynq的最小硬件系统。
② 在最小硬件系统中，添加外设IP my_oled，添加一个6位寄存器，每位和SPI引脚对应。
③ 在系统生成的MPD文件中，设置相关引脚和方向信息。
④ 在系统生成的my_oled.vhd文件中，用VHDL语言进行端口设计。
⑤ 在系统生成的user_logic.v文件中，用Verilog语言进行逻辑设计，实现寄存器和SPI对应端口连接并实时读取。

1.2 数据采集IP核设计
由于压电陶瓷精度非常高，因此，采用高精度ADS1256转换芯片采集电压，ADS1256是多路复用的24位极低噪声ΔΣADC。其理论采样精度达到16 777 216分之一，测量电压范围为-5～+5 V，因此，其理论精度为1.6 μV，实际测试达到10 μV数量级。

ADS1256与Zynq是通过SCLK、DIN、DOUT、DRDY、CS和RST组成的SPI串行接口，由于其不在ZedBoard开发板上，需要通过板子上的JA和JB接口连接上述6个引脚。

数据采集IP核设计，主要是完成6个引脚的连接，以及A/D转换过程的命令和数据传送、时钟设定，其设计过程和OLED显示IP核设计过程完全一致。

2 Zynq双核运行原理

Zynq是一个可扩展处理平台，它的启动流程也和FPGA完全不同，而与传统ARM处理器的类似。

系统上电启动后，第0阶段启动代码判断启动模式，将第一阶段启动代码 amp_fsbl.elf下载到 DDR 中，并开始执行。FSBL 会配置硬件比特流文件，加载 CPU0可执行文件和CPU1可执行文件到DDR对应的链接地址。在这一阶段，所有代码在CPU0中执行，然后执行第一个可执行文件app_cpu0.elf，把CPU1上将要执行的应用程序执行地址写入OCM的0xFFFF FFF0地址，然后执行SEV汇编指令，激活CPU1。CPU1激活后，将会到OCM的0xFFFF FFF0地址读取其数值，其数值就是CPU1执行可执行程序的地址，CPU1应用程序将从该地址执行。

CPU0和CPU1相互之间通过OCM的0xFFFF 0000地址作为共享内存，进行通信。

Zynq是AMP体系架构，CPU0 和CPU1各自占用独立的DDR空间，其中CPU0占用的DDR地址为0x0010 0000～0x001F FFFF，CPU1使用的地址空间为0x0020 0000～0x002F FFFF。双核运行原理如图1所示。

 

图1 双核运行原理

3 软件设计

软件设计主要包括CPU0应用程序和CPU1应用程序，其中CPU0部分主要实现系统初始化、启动CPU1、读取A/D转换后的数据和对数据进行初步处理。

FSBL加载完CPU0应用程序后，跳转到0x0010 0000处执行CPU0程序，首先配置MMU，关闭Cache，使OCM物理地址为0xFFFF 0000～0xFFFF FFFF和0x0000 0000～0x0002 FFFF。

关闭Cache后，CPU0执行SEV汇编指令，激活CPU1，CPU1到OCM的0xFFFF FFF0地址读取CPU1应用程序地址，开始执行CPU1的应用程序。

读取ADS1256转换后的数据，对前后2次ADS1256转换后的数值进行比较，如果大于0xFF，则认为压电陶瓷有异常，设置COM_VAL=1，等待CPU1把异常信息在OLED上显示出来。其流程图如图2所示：

 

图2 CPU0程序流程图

CPU1在激活后，将会从DDR的0x00200000地址开始执行应用程序，由于Zynq是AMP架构，各个CPU独立使用资源。因此，在CPU1里，仍需要设置MMU，关闭Cache。

关闭Cache后，CPU1读取共享内存COM_VAL变量，如果其值为0，表示压电陶瓷工作正常，在OLED上显示正确信息。如果COM_VAL=1，表示压电陶瓷工作异常，将在OLED显示异常信息。其流程图如图3所示。

 

图3 CPU1程序流程图

4 实验结果

完成软硬件设计后，需要将硬件比特流配置到Zynq的PL部分，把软件部分下载到DDR中运行。使用Xilinx的BootGen工具，将FSBL文件、bit文件、CPU0文件和CPU1文件组合并添加到相关头部，生成能被Zynq识别的合法镜像BOOT.BIN文件。把BOOT.BIN拷贝到SD卡中，将ZedBoard设置成SD卡启动，将SD卡插入SD卡槽，上电后，会看到OLED显示压电陶瓷工作状态信息。

实验中，压电陶瓷在一固定位置，随机读取部分A/D采集到的数据， 如表1所列，可以看出，其采集精度达到10 μV数量级。

使用台式万用表进行测试，电压为2.5 V。实验结果表明，A/D采集精度高达10 μV数量级,与高精度台式万用表测量结果一致，说明采集结果是正确的。

 

结语
利用高精度ADS1256转换器和Zynq高速处理平台，实现了双核ARM并行运行数据采集和实时显示功能。经过24小时不间断测试，系统运行稳定，能够满足高速和高精度压电陶瓷传感器采集系统的要求。

参考文献
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