Zynq7000 FPGA的高速信号采集处理平台的设计搭建以及后续拓展
摘要: 基于xilinx zynq7000系列fpga，搭建了速度等级在100 msps的高速信号采集处理平台。平台包含了高速信号采集、高速数据存储以及数字信号处理，在成本、采样速度、数据量、数据处理、稳定性以及可扩展性上都能满足嵌入式高速信号采集处理的需求。详细地介绍了平台的设计、搭建以及后续拓展。
引言
随着技术的发展，在检测系统，特别是实时检测系统中，嵌入式高速信号采集处理系统的应用越来越广泛，相对pc采集处理系统更加轻便灵活。
在高速信号采集及处理系统中，需要解决高速应用、高速缓存、大数据存储、高速处理以及通信这几项问题。
在嵌入式平台上，一般采用高速a/d转换器及ddr搭建高速采集与存储模块，对处理器有比较高的要求：一是速度上要满足a/d转换器采样速率，在100 msps的采样速度下，往往只有fpga或高档的dsp能满足要求；二是对于ddr的控制比较繁杂，这对于大部分处理器而言将耗去不少的资源；三是高速数据处理需要使用arm或dsp作为计算核心，采用fpga则要面对算法对verilog/vhdl语言移植的问题。
因此，市面上更多的采用fpga+arm/dsp处理器架构，但其在成本、通信设计和扩展性上都不尽如人意。而xilinx公司推出的zynq7000系列fpga集成了两个cortexa9 mpcore 处理器，打破了传统的fpga+arm/dsp核架构，提供了单cpu、多处理核的新型解决方案。
1平台设计 1.1xilinx zynq7000系列fpga
xilinx zynq7000系列fpga，继承了两个1 ghz 的arm cortexa9内核，打破了传统的fpga+arm/dsp的架构，使用单片fpga就能很好地完成工作。fpga和arm通过高达100 gbps的内部高速总线通信，比fpga+arm/dsp外部通信的架构更加迅速而且更加可靠。
zynq7000系列fpga带有ddr控制器硬核，支持1 gb多种数据位的地址宽度，在arm（ps）端有64位的数据通道，最高支持1 066 mt/s的速度,其在速度、稳定性和泛用性上都非常优秀，特别适用于做系统的高速存储。
1.2microzed评估板
microzed评估板是xilinx公司基于zynq7000系列fpga的开发评估板，其基本特征如下。
① 采用xilinx zynq7010clg400 fpga其存储容量如下：256m×32位（1 gb）ddr3，128m qspi flash和4 gb microsd卡。
② 接口配置如下，具有：xilinx jtag编程器，可同时对逻辑部分（pl）和arm部分（ps）进行编成与仿真，10/100/1000m以太网接口，usb2.0接口，microsd 卡读写器和usb2.0uart全速串口驱动。
可以说microzed评估版包含了高速数据采样处理系统中的采集控制器、高速数据存储以及数据处理器，后面将使用microzed评估版对平台进行搭建。
1.3平台整体构架
在microzed平台上构建高速信号采样处理平台，其处理平台整体架构如图1所示。
图1 高速信号采样的处理平台整体架构
高速数据通过a/d转换器采样，经过fpga送到ddr实现高速缓存，arm从ddr获取数据、进行处理，并对外部接口进行控制与通信。
2平台搭建 2.1高速采样
高速采样部分选用analog devices公司的a/d芯片ad9214系列，其基本特征如下：
◆ 10位65/80/105 msps三种速度等级;
◆ 信噪比为57 db @39 mhz模拟输入；
◆ 300 mhz模拟带宽；
◆ 3.3 v单电源供电，模拟输入最大为2vpp；
◆ 数字输入与时钟输入ttl/cmos兼容；
◆ 功耗小于285 mw@105 msps。
ad9214速度与精度能广泛地满足高速信号的采样要求，其ttl/cmos兼容的电平模式与microzed评估板能无缝结合，控制简单。市面上同等级的a/d芯片往往采用bga或者带背部金属盘（pad）的封装，但ad9214采用的是常用的双侧引脚扁平封装(sop)封装，这将为中小规模的研发节省巨大的焊接成本。
图2 为ad9214驱动原理图，信号采样有两种方式可选：一是采用adt11射频隔离器进行隔离驱动，二是采用ad8138单端转差分运放对a/d芯片进行驱动，时钟线和数据线可与microzed直接相连。由于信号频率相对较高，在布线时需主要考虑信号完整性，数据线和时钟线尽量走等长。
2.2高速存储
microzed评估板上使用两片micron公司的ddr3内存mt41k256m16ha -125:e，形成了256m×32位宽的存储结构。
width=600>
图2 ad9214驱动原理图
通过fpga搭建a/d数据高速缓存机制，a/d数据经过fpga的片上缓存，写入ddr a/d数据区，作为高速缓存，ddr其他空间作为arm控制系统的运行程序，与a/d转换器进行数据交互。数据存储结构图如图3所示。
图3 数据存储结构图
对于设定的10位100 msps的a/d转换器，数据在片上缓存按16位读取，片上缓存到ddr按64位读取，配置ddr控制时钟为533 mhz，可计算得存储速度约为采样速率的40倍，这将大大地保证采样数据的有效存储，而且保证了ddr有足够的时间与控制系统进行数据交互。
2.3数据处理
arm cortexa9核的运算能力，基本能满足日常的各种数据处理需求，在搭建的平台上有两种可选的数据处理方案。
第一种方案是在linux系统下的数据处理。xilinx提供了microzed上精简的linux系统，由于添加了a/d转换器外设，仍然需要对系统的内核和设备树作一些修改，xilinx sdk上提供了相关的工具，在xilinx wiki和xilinx github上也提供了完备的教程与资源，使得linux系统的搭建相对比较轻松。系统搭建完成后，可在linux下进行算法的编写或移植。
第二种方案是在zynq7000上进行数据处理。注意有别于在其他arm上进行数据处理的方案，因为zynq7000是fpga内嵌arm的架构，所有数据的处理可以是fpga和arm部分共同完成的。xilinx提供的sdk工具支持c++对arm编程，使得算法的移植比较简捷。xilinx还提供了高层次综合工具（hls），可以使用c和c++对fpga进行ip核编写与封装，通过这些工具可以使得arm和fpga共同完成数据处理过程，这将比arm单独完成在速度上有不少优化。
第一种方案具有更高的普遍性与可扩展性，算法的移植要比第二种方案简单，后续系统的搭建与研发都在linux平台上进行。但是linux系统将失去更多的系统资源，在数据处理速度上会慢于方案二。方案二最大的特点是使用arm+fpga架构对算法进行优化提速，但其可扩展性低，要求设计人员对并行计算有一定的了解。因此，方案二适用于单一算法的优化处理，或是对算法速度和实时性要求比较高的场合，而且其系统稳定性会高于方案一。
2.4平台实现
根据设计的平台架构，在vivado上搭建系统，图 4 为vivado上框图(block diagram)。ps核通过axi总线对fpga上的ip核进行控制和交互。
图4 vivado 框图
a/d转换器控制ip包括a/d差分数据读入、片上高速缓存及ddr写入控制。外设都通过axi总线控制器访问及控制，综合后得到图5所示的资源消耗统计图，可见主要消耗的lut（逻辑单元表）资源在1/3左右，仍然有很多扩展的余量，mmcm为xilinx的混合模式时钟管理器，片上共2个，使用了1个，所以消耗占50%。
2.5运行情况
图6为在vivado上捕捉的a/d数据，数据源为20 mhz的方波信号。测试信号只通过射频隔离器进入a/d转换器，所以波形有轻度失真，后续可根据具体信号的频率与特征对输入运放进行调试，可获得更好的采样效果。
图5 资源消耗统计图
图6 vivdo hardware manager上捕捉的20 mhz方波
为对平台运算能力进行评估，在arm核上对50 000个采样点进行了3层小波分解算法，结果耗时约500 ms，同样的算法在matlab软件上耗时约200 ms，可见本平台的数据运算能力相当优秀。
为后续扩展，修改了microzed的linux内核，加入了常用的系统工具，如gcc编译器、文本编辑器等，系统启动时间在40 s左右，在可接受范围。图7为在microzed的linux系统上挂载sd卡，编译并运行的sd卡上的hello world程序。
图7 microzed上的linux系统操作
结语
基于zynq7000的高速信号采集处理平台，为当今的高速信号采集需求提供了更高效、更节省的解决方案。平台整体成本在2 000元人民币以内，有优秀的采集能力、存储能力以及运算能力，在图像处理、线路故障检测和嵌入式信号处理等领域中成为核心的组成部分。
具有人工智能 (AI) 的自动视觉包装控制
标签处理机器上的 RAIN RFID：帮助您做出选择的概述
机器人如何进行深度学习？还有哪些跨不过的坎？
如何提高区块链基础设施的安全风险
华为P10携麒麟芯片970，或添无线充电功能
Zynq7000 FPGA的高速信号采集处理平台的设计搭建以及后续拓展
如何在ADAS应用中成功使用NI AWR设计环境平台
元启未来落地蓉城 全面开启“AI+”场景应用
苹果首次公布AppStore生态商业数据：中国区贡献排名第一
玩游戏手机推荐一加5,htcu11,iphone7/7plus,努比亚z17，带你超神体验王者归来！
SEMTECH可用于路由器之高效率电源降压调节器解决方案
智慧农业小型气象站功能特点的详细介绍
大金与NEC开发出防止员工犯困的空调管理技术，力争2年以内推向实用
中国联通沃3G开放黑莓BIS业务注册页面
详解Java DEBUG的基本原理
区块链迎来寒冬，如何在熊市中存活？剩者才是王者
5G时代的技术开发和投资能否扩大企业销售额?
为什么会有多种不同的无线通信技术，它们的区别是什么
普源精电（RIGOL）高新技术荣获2022年中国仪器仪表学会科学技术奖！
GaN产业格局初成,国内厂商加速布局
引言
随着技术的发展，在检测系统，特别是实时检测系统中，嵌入式高速信号采集处理系统的应用越来越广泛，相对pc采集处理系统更加轻便灵活。
在高速信号采集及处理系统中，需要解决高速应用、高速缓存、大数据存储、高速处理以及通信这几项问题。
在嵌入式平台上，一般采用高速a/d转换器及ddr搭建高速采集与存储模块，对处理器有比较高的要求：一是速度上要满足a/d转换器采样速率，在100 msps的采样速度下，往往只有fpga或高档的dsp能满足要求；二是对于ddr的控制比较繁杂，这对于大部分处理器而言将耗去不少的资源；三是高速数据处理需要使用arm或dsp作为计算核心，采用fpga则要面对算法对verilog/vhdl语言移植的问题。
因此，市面上更多的采用fpga+arm/dsp处理器架构，但其在成本、通信设计和扩展性上都不尽如人意。而xilinx公司推出的zynq7000系列fpga集成了两个cortexa9 mpcore 处理器，打破了传统的fpga+arm/dsp核架构，提供了单cpu、多处理核的新型解决方案。
1平台设计 1.1xilinx zynq7000系列fpga
xilinx zynq7000系列fpga，继承了两个1 ghz 的arm cortexa9内核，打破了传统的fpga+arm/dsp的架构，使用单片fpga就能很好地完成工作。fpga和arm通过高达100 gbps的内部高速总线通信，比fpga+arm/dsp外部通信的架构更加迅速而且更加可靠。
zynq7000系列fpga带有ddr控制器硬核，支持1 gb多种数据位的地址宽度，在arm（ps）端有64位的数据通道，最高支持1 066 mt/s的速度,其在速度、稳定性和泛用性上都非常优秀，特别适用于做系统的高速存储。
1.2microzed评估板
microzed评估板是xilinx公司基于zynq7000系列fpga的开发评估板，其基本特征如下。
① 采用xilinx zynq7010clg400 fpga其存储容量如下：256m×32位（1 gb）ddr3，128m qspi flash和4 gb microsd卡。
② 接口配置如下，具有：xilinx jtag编程器，可同时对逻辑部分（pl）和arm部分（ps）进行编成与仿真，10/100/1000m以太网接口，usb2.0接口，microsd 卡读写器和usb2.0uart全速串口驱动。
可以说microzed评估版包含了高速数据采样处理系统中的采集控制器、高速数据存储以及数据处理器，后面将使用microzed评估版对平台进行搭建。
1.3平台整体构架
在microzed平台上构建高速信号采样处理平台，其处理平台整体架构如图1所示。
图1 高速信号采样的处理平台整体架构
高速数据通过a/d转换器采样，经过fpga送到ddr实现高速缓存，arm从ddr获取数据、进行处理，并对外部接口进行控制与通信。
2平台搭建 2.1高速采样
高速采样部分选用analog devices公司的a/d芯片ad9214系列，其基本特征如下：
◆ 10位65/80/105 msps三种速度等级;
◆ 信噪比为57 db @39 mhz模拟输入；
◆ 300 mhz模拟带宽；
◆ 3.3 v单电源供电，模拟输入最大为2vpp；
◆ 数字输入与时钟输入ttl/cmos兼容；
◆ 功耗小于285 mw@105 msps。
ad9214速度与精度能广泛地满足高速信号的采样要求，其ttl/cmos兼容的电平模式与microzed评估板能无缝结合，控制简单。市面上同等级的a/d芯片往往采用bga或者带背部金属盘（pad）的封装，但ad9214采用的是常用的双侧引脚扁平封装(sop)封装，这将为中小规模的研发节省巨大的焊接成本。
图2 为ad9214驱动原理图，信号采样有两种方式可选：一是采用adt11射频隔离器进行隔离驱动，二是采用ad8138单端转差分运放对a/d芯片进行驱动，时钟线和数据线可与microzed直接相连。由于信号频率相对较高，在布线时需主要考虑信号完整性，数据线和时钟线尽量走等长。
2.2高速存储
microzed评估板上使用两片micron公司的ddr3内存mt41k256m16ha -125:e，形成了256m×32位宽的存储结构。
width=600>
图2 ad9214驱动原理图
通过fpga搭建a/d数据高速缓存机制，a/d数据经过fpga的片上缓存，写入ddr a/d数据区，作为高速缓存，ddr其他空间作为arm控制系统的运行程序，与a/d转换器进行数据交互。数据存储结构图如图3所示。
图3 数据存储结构图
对于设定的10位100 msps的a/d转换器，数据在片上缓存按16位读取，片上缓存到ddr按64位读取，配置ddr控制时钟为533 mhz，可计算得存储速度约为采样速率的40倍，这将大大地保证采样数据的有效存储，而且保证了ddr有足够的时间与控制系统进行数据交互。
2.3数据处理
arm cortexa9核的运算能力，基本能满足日常的各种数据处理需求，在搭建的平台上有两种可选的数据处理方案。
第一种方案是在linux系统下的数据处理。xilinx提供了microzed上精简的linux系统，由于添加了a/d转换器外设，仍然需要对系统的内核和设备树作一些修改，xilinx sdk上提供了相关的工具，在xilinx wiki和xilinx github上也提供了完备的教程与资源，使得linux系统的搭建相对比较轻松。系统搭建完成后，可在linux下进行算法的编写或移植。
第二种方案是在zynq7000上进行数据处理。注意有别于在其他arm上进行数据处理的方案，因为zynq7000是fpga内嵌arm的架构，所有数据的处理可以是fpga和arm部分共同完成的。xilinx提供的sdk工具支持c++对arm编程，使得算法的移植比较简捷。xilinx还提供了高层次综合工具（hls），可以使用c和c++对fpga进行ip核编写与封装，通过这些工具可以使得arm和fpga共同完成数据处理过程，这将比arm单独完成在速度上有不少优化。
第一种方案具有更高的普遍性与可扩展性，算法的移植要比第二种方案简单，后续系统的搭建与研发都在linux平台上进行。但是linux系统将失去更多的系统资源，在数据处理速度上会慢于方案二。方案二最大的特点是使用arm+fpga架构对算法进行优化提速，但其可扩展性低，要求设计人员对并行计算有一定的了解。因此，方案二适用于单一算法的优化处理，或是对算法速度和实时性要求比较高的场合，而且其系统稳定性会高于方案一。
2.4平台实现
根据设计的平台架构，在vivado上搭建系统，图 4 为vivado上框图(block diagram)。ps核通过axi总线对fpga上的ip核进行控制和交互。
图4 vivado 框图
a/d转换器控制ip包括a/d差分数据读入、片上高速缓存及ddr写入控制。外设都通过axi总线控制器访问及控制，综合后得到图5所示的资源消耗统计图，可见主要消耗的lut（逻辑单元表）资源在1/3左右，仍然有很多扩展的余量，mmcm为xilinx的混合模式时钟管理器，片上共2个，使用了1个，所以消耗占50%。
2.5运行情况
图6为在vivado上捕捉的a/d数据，数据源为20 mhz的方波信号。测试信号只通过射频隔离器进入a/d转换器，所以波形有轻度失真，后续可根据具体信号的频率与特征对输入运放进行调试，可获得更好的采样效果。
图5 资源消耗统计图
图6 vivdo hardware manager上捕捉的20 mhz方波
为对平台运算能力进行评估，在arm核上对50 000个采样点进行了3层小波分解算法，结果耗时约500 ms，同样的算法在matlab软件上耗时约200 ms，可见本平台的数据运算能力相当优秀。
为后续扩展，修改了microzed的linux内核，加入了常用的系统工具，如gcc编译器、文本编辑器等，系统启动时间在40 s左右，在可接受范围。图7为在microzed的linux系统上挂载sd卡，编译并运行的sd卡上的hello world程序。
图7 microzed上的linux系统操作
结语
基于zynq7000的高速信号采集处理平台，为当今的高速信号采集需求提供了更高效、更节省的解决方案。平台整体成本在2 000元人民币以内，有优秀的采集能力、存储能力以及运算能力，在图像处理、线路故障检测和嵌入式信号处理等领域中成为核心的组成部分。
具有人工智能 (AI) 的自动视觉包装控制
标签处理机器上的 RAIN RFID：帮助您做出选择的概述
机器人如何进行深度学习？还有哪些跨不过的坎？
如何提高区块链基础设施的安全风险
华为P10携麒麟芯片970，或添无线充电功能
Zynq7000 FPGA的高速信号采集处理平台的设计搭建以及后续拓展
如何在ADAS应用中成功使用NI AWR设计环境平台
元启未来落地蓉城 全面开启“AI+”场景应用
苹果首次公布AppStore生态商业数据：中国区贡献排名第一
玩游戏手机推荐一加5,htcu11,iphone7/7plus,努比亚z17，带你超神体验王者归来！
SEMTECH可用于路由器之高效率电源降压调节器解决方案
智慧农业小型气象站功能特点的详细介绍
大金与NEC开发出防止员工犯困的空调管理技术，力争2年以内推向实用
中国联通沃3G开放黑莓BIS业务注册页面
详解Java DEBUG的基本原理
区块链迎来寒冬，如何在熊市中存活？剩者才是王者
5G时代的技术开发和投资能否扩大企业销售额?
为什么会有多种不同的无线通信技术，它们的区别是什么
普源精电（RIGOL）高新技术荣获2022年中国仪器仪表学会科学技术奖！
GaN产业格局初成,国内厂商加速布局