王明偉，李 銘，楊 榮

基于Zynq7000的空氣質(zhì)量采集與顯示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

王明偉，李 銘，楊 榮

（西安交通大學(xué) 工程坊，陜西 西安 710049）

為提高本科生工程實(shí)踐能力，激發(fā)學(xué)生工程設(shè)計(jì)的興趣，設(shè)計(jì)了空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采集顯示實(shí)驗(yàn)。以Xilinx公司最新全可編程控制器Zynq7000為硬件平臺(tái)，將硬件邏輯編程設(shè)計(jì)與嵌入式軟件開(kāi)發(fā)相結(jié)合，進(jìn)行空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)檢測(cè)。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使學(xué)生了解并掌握嵌入式開(kāi)發(fā)和硬件邏輯控制兩種不同的設(shè)計(jì)思路，接觸業(yè)界開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的前沿技術(shù)，提升學(xué)生綜合素質(zhì)。

空氣質(zhì)量；數(shù)據(jù)采集與顯示；嵌入式開(kāi)發(fā)；硬件邏輯設(shè)計(jì)；Zynq

Xilinx公司于2013年在業(yè)界首次推出了Zynq7000系列全可編程嵌入式芯片，將嵌入式軟件開(kāi)發(fā)和硬件邏輯設(shè)計(jì)的可編程技術(shù)集成在單片芯片中[1]，該方案一經(jīng)推出，在業(yè)界（諸如視頻監(jiān)控、圖像識(shí)別、駕駛輔助、航天航空等領(lǐng)域）就得到了廣泛的應(yīng)用。

本實(shí)驗(yàn)旨在讓學(xué)生能夠接觸到業(yè)界最新的開(kāi)發(fā)技術(shù)，使其熟悉并掌握Xilinx 最新一代全可編程嵌入式芯片的基本原理、結(jié)構(gòu)、體系及使用方法等，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生對(duì)更先進(jìn)的硬件控制平臺(tái)有所了解，為其后續(xù)進(jìn)行更復(fù)雜的科研訓(xùn)練奠定良好的基礎(chǔ)。

同時(shí)，以近年來(lái)關(guān)注度較高的空氣質(zhì)量作為測(cè)量對(duì)象[2-4]，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能更好地引起學(xué)生的探索興趣，提高實(shí)驗(yàn)的吸引力。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由核心控制器件Zynq7020、空氣傳感器、AD轉(zhuǎn)換芯片、顯示芯片及基本輸入輸出控制等部分構(gòu)成?？諝赓|(zhì)量通過(guò)檢測(cè)傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，將其輸出的與空氣質(zhì)量相關(guān)的模擬電壓信號(hào)送入模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，轉(zhuǎn)換后輸出的數(shù)字信號(hào)再送入核心控制器件進(jìn)行空氣質(zhì)量定量計(jì)算，根據(jù)不同的定量計(jì)算結(jié)果，在顯示電路部分將空氣質(zhì)量的等級(jí)進(jìn)行顯示，同時(shí)整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以進(jìn)行按鍵設(shè)置及聲光輸出報(bào)警。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 Zynq7020主控芯片

Zynq7000系列嵌入式處理器是Xilinx公司最新推出的全可編程嵌入式控制芯片，該處理器的特殊之處在于其內(nèi)部集成了ARM9的雙核和FPGA邏輯資源，也即PS（processing system）和PL（programmable logic）兩部分，將傳統(tǒng)的ARM+FPGA雙芯片的處理架構(gòu)整合進(jìn)一塊芯片當(dāng)中去[5-7]，大大提高了處理能力，為各種技術(shù)應(yīng)用提供了更便捷的解決方案。

PS部分主要包含ARM處理器和一組相關(guān)的處理資源，其中在APU（應(yīng)用處理單元）當(dāng)中，包含2個(gè)ARM Cortex-A9核、L1 cache緩存單元、L2 cache緩存單元、存儲(chǔ)器接口、互聯(lián)接口和時(shí)鐘發(fā)生電路等。此外，PS部分還包含與常用外設(shè)相關(guān)的各種控制單元，比如USB、以太網(wǎng)、SD存儲(chǔ)卡、UART、I2C、SPI及CAN總線等IO外設(shè)控制單元。

PL部分主要是可編程邏輯，它是基于Xilixn最新一代Artix-7和Kintex-7的FPGA組件，主要包括可配置邏輯塊、輸入輸出接口、邏輯Slice、查找表、觸發(fā)器、開(kāi)關(guān)矩陣等資源構(gòu)成，同時(shí)還包含一些特殊邏輯資源，比如用于高速算數(shù)的DSP48E和塊RAM等。在可編程邏輯部分，用戶可以實(shí)現(xiàn)高速的并行運(yùn)算及控制，給用戶帶來(lái)很大的便利。

本實(shí)驗(yàn)采用的Zynq7020控制芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 Zynq7020控制芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.2 檢測(cè)傳感器

檢測(cè)傳感器使用夏普的粉塵傳感器GP2Y1011[8]，該傳感器是一個(gè)光學(xué)傳感系統(tǒng)，通過(guò)檢測(cè)空氣中微粒的散射光強(qiáng)來(lái)測(cè)量微粒密度，最終輸出模擬電壓信號(hào)。當(dāng)空氣中顆粒物濃度較大時(shí)，輸出電壓高；顆粒物濃度較輕時(shí)，輸出電壓低，從而反應(yīng)空氣質(zhì)量的優(yōu)劣。其靈敏度能夠達(dá)到0.1 mg/m3。該傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 GP2Y1011傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.3 OLED顯示電路

OLED即有機(jī)發(fā)光二極管，利用OLED進(jìn)行圖像顯示也是時(shí)下產(chǎn)業(yè)界非常流行的顯示技術(shù)[9]，本實(shí)驗(yàn)的顯示電路部分也采用OLED顯示技術(shù)。用到的顯示芯片是2832HSWE，其顯示分辨率為128*64。在Zynq和OLED顯示器之間，通過(guò)控制芯片SSD1306進(jìn)行連接，該器件與Zynq之間的控制接口為四線SPI接口，制管腳主要由串行時(shí)鐘信號(hào)、串行數(shù)據(jù)信號(hào)、命令數(shù)據(jù)控制信號(hào)、片選信號(hào)燈組成，這些控制信號(hào)在硬件上分別直接連接至Zynq的GPIO上，其接口電路見(jiàn)如圖4。

圖4 OLED接口電路

1.4 AD轉(zhuǎn)換器件

模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片使用ADC0832芯片，該芯片由美國(guó)AD公司生產(chǎn)，分辨率為8 bit，具備2個(gè)轉(zhuǎn)換通道，一般功耗僅為15 mW。其主要的控制管腳為片選信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)，此外還包含模擬電壓輸入端和數(shù)據(jù)輸入輸出端。管腳和連接關(guān)系見(jiàn)圖5。

圖5 管腳及連接關(guān)系

1.5 其他輔助電路

該部分電路主要包含按鍵輸入和報(bào)警燈輸出，均采用共陰極接法，其中使用MIO控制1個(gè)LED，其余8個(gè)LED由EMIO控制，5個(gè)按鍵輸入均由EMIO進(jìn)行控制，與Zynq器件在硬件管腳上相連，電路如圖6所示。

圖6 按鍵及告警電路

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包含對(duì)空氣質(zhì)量傳感器、AD轉(zhuǎn)換芯片、顯示電路等外設(shè)的控制。整個(gè)軟件處理系統(tǒng)由Xilinx的開(kāi)發(fā)工具Vivado完成[10]，其中OLED顯示由PL部分完成（開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為Verilog），其余外設(shè)控制及空氣質(zhì)量等級(jí)劃分等均有PS部分完成（開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為C語(yǔ)言）。

使用Vivado 搭建的軟件系統(tǒng)模塊框圖如圖7所示，主要由Zynq Processing System模塊、復(fù)位模塊、AXI GPIO模塊、OLED顯示控制模塊、中斷處理模塊等構(gòu)成。

圖7 系統(tǒng)軟件模塊框圖

2.1 OLED顯示控制

目前，市面上最新的柔性屏手機(jī)已經(jīng)使用OLED顯示技術(shù)，因此本實(shí)驗(yàn)的顯示模塊使用最新技術(shù)，讓學(xué)生能夠體會(huì)更前沿的技術(shù)熱點(diǎn)，了解其控制原理及方法。Zynq與OLED之間主要是通過(guò)SSD1306驅(qū)動(dòng)芯片連接，Zynq通過(guò)四線SPI接口實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片SSD1306的控制[11]，該驅(qū)動(dòng)芯片將所要顯示的內(nèi)容輸出到OLED顯示器，并可以通過(guò)相應(yīng)的控制線調(diào)節(jié)顯示參數(shù)，SSD1306的程序配置流程如圖8所示，初始化結(jié)束后，就可以按照要求進(jìn)行相應(yīng)顯示輸出控制。

圖8 SSD1306程序配置流程

2.2 傳感器及模數(shù)轉(zhuǎn)換控制

空氣質(zhì)量檢測(cè)傳感器的控制較為簡(jiǎn)單，根據(jù)手冊(cè)規(guī)定，在GP2Y1010的3腳輸入控制信號(hào)即可，因此利用Zynq通過(guò)IO口輸出如圖9所示的周期脈沖波形即可實(shí)現(xiàn)正常檢測(cè)。由于該模塊輸出為模擬電壓信號(hào)，在電壓信號(hào)送入Zynq之前，需要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，模數(shù)轉(zhuǎn)換功能由AD0832完成，該芯片具有8位分辨率、兩路模擬量輸入通道，其工作時(shí)序圖如圖9所示。

圖9 粉塵傳感器驅(qū)動(dòng)脈沖及工作時(shí)序

2.3 按鍵輸入及報(bào)警輸出控制

本實(shí)驗(yàn)可通過(guò)外部按鍵調(diào)節(jié)設(shè)置參數(shù)，由于板上按鍵容易產(chǎn)生毛刺信號(hào)，在進(jìn)行輸入判斷時(shí)，按照?qǐng)D10左側(cè)的流程進(jìn)行過(guò)濾毛刺檢測(cè)，能夠更可靠地實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵的判斷。報(bào)警輸出實(shí)際上只涉及Zynq的邏輯輸出配置，可以按照?qǐng)D10右側(cè)所示的流程進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)配置MIO的方向控制電平輸出即可。

2.4 實(shí)驗(yàn)效果

由于該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)既包含嵌入式開(kāi)發(fā)技術(shù)，又包含硬件邏輯編程，因此對(duì)學(xué)生的C語(yǔ)言設(shè)計(jì)能力和Verilog硬件編程兩方面都能夠進(jìn)行相應(yīng)的訓(xùn)練，將該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為工程實(shí)踐訓(xùn)練的載體，對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)能力進(jìn)行非常有效的培養(yǎng)[12-13]。

本實(shí)驗(yàn)特色主要包含以下幾方面：

圖10 按鍵及輸出控制流程圖

第一，利用Zynq作為控制核心，將嵌入式開(kāi)發(fā)技能和FPGA硬件邏輯設(shè)計(jì)結(jié)合，是一個(gè)雙重能力鍛煉的綜合實(shí)踐訓(xùn)練平臺(tái)。在實(shí)際開(kāi)展實(shí)驗(yàn)時(shí)，可根據(jù)每組學(xué)生自己的興趣選擇嵌入式設(shè)計(jì)還是硬件邏輯開(kāi)發(fā)訓(xùn)練；

第二，使用業(yè)界流行的OLED顯示技術(shù)，比傳統(tǒng)LCD顯示要更細(xì)膩，程序控制過(guò)程也更復(fù)雜，能夠保證實(shí)驗(yàn)的相對(duì)難度；

第三，以熱門(mén)話題“空氣質(zhì)量”作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，貼近生活和學(xué)生的興趣點(diǎn)，有利于激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，吸引更多的學(xué)生參與進(jìn)來(lái)。

圖11為硬件平臺(tái)實(shí)物效果。

圖11 硬件平臺(tái)實(shí)物及演示效果

3 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了基于Zynq的空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測(cè)、顯示、報(bào)警等功能，可用于高校工科專(zhuān)業(yè)學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，實(shí)驗(yàn)過(guò)程涵蓋了Xilinx公司的最新嵌入式芯片Zynq嵌入式開(kāi)發(fā)的基本流程、中斷處理過(guò)程、傳感器控制、模數(shù)轉(zhuǎn)換及OLED顯示等控制技術(shù)及知識(shí)點(diǎn)，完成了對(duì)環(huán)境參數(shù)的采集與處理，將嵌入式開(kāi)發(fā)和硬件邏輯設(shè)計(jì)兩種開(kāi)發(fā)技能訓(xùn)練結(jié)合起來(lái)，彌補(bǔ)了當(dāng)前傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)單技能訓(xùn)練的缺點(diǎn)。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生對(duì)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)有直觀的了解，從中體會(huì)從軟件開(kāi)發(fā)、程序仿真到硬件調(diào)試等不同的研制過(guò)程。以空氣質(zhì)量作為被測(cè)對(duì)象，增加了實(shí)驗(yàn)的趣味性和吸引力，有利于實(shí)踐教學(xué)更有效開(kāi)展。

在該硬件平臺(tái)下還可進(jìn)行其他擴(kuò)展，比如由于Zynq7020器件PL部分本身包含Xadc資源，可以在片內(nèi)進(jìn)行模擬數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換，不用借助外部AD轉(zhuǎn)換芯片也可完成該功能。另外，可以充分利用Zynq提供的MIO和EMIO接口進(jìn)行其他控制設(shè)計(jì)等。

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Design of experiment on air quality acquisition and display based on Zynq7000

WANG Mingwei, LI Ming, YANG Rong

(Engineering Workshop, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

In order to improve undergraduates’ engineering practice ability and stimulate their interest in engineering design and development, an experiment of real-time air quality monitoring acquisition and display is designed. By taking the latest fully programmable controller Zynq7000 of Xilinx Company as the hardware platform, this platform combines hardware logic programming design with the embedded software development for real-time detection of air quality. Through this experimental platform, students can understand, familiarize and master two different design ideas of the embedded development and hardware logic control, and come into the contact with the frontier technology of industrial development and design so as to improve students’ comprehensive quality.

air quality; data acquisition and display; embedded development; hardware logic design; Zynq

X851-45；TP368.1

A

1002-4956(2019)11-0045-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.012

2019-04-03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61601365）；西安交通大學(xué)本科實(shí)踐教學(xué)改革研究專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目（18SJZX42）

王明偉（1985—），男，陜西乾縣，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)闇y(cè)控技術(shù)。E-mail: wangmw@xjtu.edu.cn