基于ZYNQ7035的多接口交換板的設計實現

譚學林

摘 要：為解決物聯網和工業設備不同接口無法直接進行數據交互的問題，設計了一種基于ZYNQ7035的多接口交換板。該接口板具備多種常用工業接口，可實現不同接口之間數據透傳，試圖解決物聯網、工業設備不同接口數據交互的痛點。

關鍵詞：ZYNQ7035;FPGA;接口交換;工業接口;物聯網

0 引言

目前存在的大量工業設備中，硬件接口多種多樣，通信方式和軟件協議各不相同。僅常用的接口形式就包括Ethernet、CAN、USB、PCI、PCIE、光纖、高速LVDS、TTL、異步422/485/232串口、同步422、模擬信號等。通信協議更是數不勝數，通信速率難以兼容，這些問題已成為阻礙工業設備數據交互的痛點。而為了解決這個痛點，定制化的數據交互設備往往因為量少價高，系統難以兼容、協議復雜等，無法最終解決實際問題，反而造成維護成本高昂。

1 硬件詳細設計

本文以Xilinx的ZYNQ7035為核心器件，ZYNQ7035是以ARM核（簡稱PS）為處理器，以高性能FPGA（簡稱PL）為接口和邏輯處理器。其中ARM核裝載linux開源系統，FPGA實現接口處理和邏輯處理。下圖1為硬件原理圖的簡化框圖。從圖中可以看出，虛線方框內為子板，通過高速連接器與下面的母板相連，為了匹配不同接口的項目，只需要增加母板的接口芯片和接口數量就可以任意擴展，從而最大限度滿足場景需求。

2 軟件詳細設計

ARM內核運行Linux內核，上電自動運行應用程序，并接收上位機軟件控制，執行PS端功能程序，其中主要功能包括定時控制、協議解析、數據流控制、多種運算等，并通過AXI總線實時與PL端進行信息交互。PL端程序完成邏輯運算、時序控制、數據采集、接口匹配、數據緩存、組包解包等功能。

2.1 ARM軟件詳細設計

ARM軟件包括應用程序、Linux系統、Linux下接口驅動。ARM與FPGA軟件的交互通過Xilinx的AXI總線進行數據交互，需要FPGA進行PS、AXI、PL相互的接口配置。ARM軟件的軟件層級圖如圖2所示：

2.2 FPGA軟件詳細設計

FPGA軟件功能強大，具有大量的IP核可以使用，Ethernet、GTX、PCIE、PCI、RAM、FIFO、CAN等，可用于實現接口匹配。圖3為PL端功能接口框圖。FPGA不僅可以實現接口匹配及協議解析轉換等，還可以進行邏輯運算、計算、時序控制、數據采集和處理等功能。

2.3 上位機軟件詳細設計

上位機軟件是安裝在計算機上的應用軟件，擁有圖形化界面和控制界面，負責完成與本板進行控制信息交互、故障反饋、圖形化顯示、數據存儲等功能。上位機軟件可安裝在linux或winxp以上操作系統中，采用VC6.0、VS2010、QT或Python編寫，通過網絡、串口或PCIE與本板通信。

3 結語

該多接口轉換板具有良好的硬件接口適配性擴展性，軟件功能可重構性。該設計極大地簡化了硬件接口兼容的問題，子板和母板的組合形式極大地方便了硬件的可擴展可定制，從而針對特定使用場景進行優化，減少了整個項目開發的周期和成本。同時，不同接口形式、通信速率、通信協議的相關轉換，通過上位機加載配置文件下發到本板PS端應用程序，由PS端驅動PL端的接口處理和邏輯處理，從而實現物聯網和工業設備不同接口之間直接透明地進行數據交互。

參考文獻：

[1]何賓，張艷輝.Xilinx Zynq-7000嵌入式系統設計與實現[M].電子工業出版社，2016.