基于Zynq7000的空气质量采集与显示实验设计

王明伟，李 铭，杨 荣

基于Zynq7000的空气质量采集与显示实验设计

王明伟，李 铭，杨 荣

（西安交通大学 工程坊，陕西 西安 710049）

为提高本科生工程实践能力，激发学生工程设计的兴趣，设计了空气质量实时监测采集显示实验。以Xilinx公司最新全可编程控制器Zynq7000为硬件平台，将硬件逻辑编程设计与嵌入式软件开发相结合，进行空气质量的实时检测。通过该实验平台，使学生了解并掌握嵌入式开发和硬件逻辑控制两种不同的设计思路，接触业界开发设计的前沿技术，提升学生综合素质。

空气质量；数据采集与显示；嵌入式开发；硬件逻辑设计；Zynq

Xilinx公司于2013年在业界首次推出了Zynq7000系列全可编程嵌入式芯片，将嵌入式软件开发和硬件逻辑设计的可编程技术集成在单片芯片中[1]，该方案一经推出，在业界（诸如视频监控、图像识别、驾驶辅助、航天航空等领域）就得到了广泛的应用。

本实验旨在让学生能够接触到业界最新的开发技术，使其熟悉并掌握Xilinx 最新一代全可编程嵌入式芯片的基本原理、结构、体系及使用方法等，通过实验，让学生对更先进的硬件控制平台有所了解，为其后续进行更复杂的科研训练奠定良好的基础。

同时，以近年来关注度较高的空气质量作为测量对象[2-4]，搭建实验平台，能更好地引起学生的探索兴趣，提高实验的吸引力。

1 实验系统结构

实验系统主要由核心控制器件Zynq7020、空气传感器、AD转换芯片、显示芯片及基本输入输出控制等部分构成。空气质量通过检测传感器进行实时检测，将其输出的与空气质量相关的模拟电压信号送入模数转换芯片进行转换处理，转换后输出的数字信号再送入核心控制器件进行空气质量定量计算，根据不同的定量计算结果，在显示电路部分将空气质量的等级进行显示，同时整个实验平台可以进行按键设置及声光输出报警。整个实验系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

1.1 Zynq7020主控芯片

Zynq7000系列嵌入式处理器是Xilinx公司最新推出的全可编程嵌入式控制芯片，该处理器的特殊之处在于其内部集成了ARM9的双核和FPGA逻辑资源，也即PS（processing system）和PL（programmable logic）两部分，将传统的ARM+FPGA双芯片的处理架构整合进一块芯片当中去[5-7]，大大提高了处理能力，为各种技术应用提供了更便捷的解决方案。

PS部分主要包含ARM处理器和一组相关的处理资源，其中在APU（应用处理单元）当中，包含2个ARM Cortex-A9核、L1 cache缓存单元、L2 cache缓存单元、存储器接口、互联接口和时钟发生电路等。此外，PS部分还包含与常用外设相关的各种控制单元，比如USB、以太网、SD存储卡、UART、I2C、SPI及CAN总线等IO外设控制单元。

PL部分主要是可编程逻辑，它是基于Xilixn最新一代Artix-7和Kintex-7的FPGA组件，主要包括可配置逻辑块、输入输出接口、逻辑Slice、查找表、触发器、开关矩阵等资源构成，同时还包含一些特殊逻辑资源，比如用于高速算数的DSP48E和块RAM等。在可编程逻辑部分，用户可以实现高速的并行运算及控制，给用户带来很大的便利。

本实验采用的Zynq7020控制芯片内部结构图如图2所示。

图2 Zynq7020控制芯片内部结构图

1.2 检测传感器

检测传感器使用夏普的粉尘传感器GP2Y1011[8]，该传感器是一个光学传感系统，通过检测空气中微粒的散射光强来测量微粒密度，最终输出模拟电压信号。当空气中颗粒物浓度较大时，输出电压高；颗粒物浓度较轻时，输出电压低，从而反应空气质量的优劣。其灵敏度能够达到0.1 mg/m3。该传感器的内部结构如图3所示。

图3 GP2Y1011传感器内部结构

1.3 OLED显示电路

OLED即有机发光二极管，利用OLED进行图像显示也是时下产业界非常流行的显示技术[9]，本实验的显示电路部分也采用OLED显示技术。用到的显示芯片是2832HSWE，其显示分辨率为128*64。在Zynq和OLED显示器之间，通过控制芯片SSD1306进行连接，该器件与Zynq之间的控制接口为四线SPI接口，制管脚主要由串行时钟信号、串行数据信号、命令数据控制信号、片选信号灯组成，这些控制信号在硬件上分别直接连接至Zynq的GPIO上，其接口电路见如图4。

图4 OLED接口电路

1.4 AD转换器件

模数转换芯片使用ADC0832芯片，该芯片由美国AD公司生产，分辨率为8 bit，具备2个转换通道，一般功耗仅为15 mW。其主要的控制管脚为片选信号和时钟信号，此外还包含模拟电压输入端和数据输入输出端。管脚和连接关系见图5。

图5 管脚及连接关系

1.5 其他辅助电路

该部分电路主要包含按键输入和报警灯输出，均采用共阴极接法，其中使用MIO控制1个LED，其余8个LED由EMIO控制，5个按键输入均由EMIO进行控制，与Zynq器件在硬件管脚上相连，电路如图6所示。

图6 按键及告警电路

2 软件设计

系统软件主要包含对空气质量传感器、AD转换芯片、显示电路等外设的控制。整个软件处理系统由Xilinx的开发工具Vivado完成[10]，其中OLED显示由PL部分完成（开发语言为Verilog），其余外设控制及空气质量等级划分等均有PS部分完成（开发语言为C语言）。

使用Vivado 搭建的软件系统模块框图如图7所示，主要由Zynq Processing System模块、复位模块、AXI GPIO模块、OLED显示控制模块、中断处理模块等构成。

图7 系统软件模块框图

2.1 OLED显示控制

目前，市面上最新的柔性屏手机已经使用OLED显示技术，因此本实验的显示模块使用最新技术，让学生能够体会更前沿的技术热点，了解其控制原理及方法。Zynq与OLED之间主要是通过SSD1306驱动芯片连接，Zynq通过四线SPI接口实现对驱动芯片SSD1306的控制[11]，该驱动芯片将所要显示的内容输出到OLED显示器，并可以通过相应的控制线调节显示参数，SSD1306的程序配置流程如图8所示，初始化结束后，就可以按照要求进行相应显示输出控制。

图8 SSD1306程序配置流程

2.2 传感器及模数转换控制

空气质量检测传感器的控制较为简单，根据手册规定，在GP2Y1010的3脚输入控制信号即可，因此利用Zynq通过IO口输出如图9所示的周期脉冲波形即可实现正常检测。由于该模块输出为模拟电压信号，在电压信号送入Zynq之前，需要进行模数转换，模数转换功能由AD0832完成，该芯片具有8位分辨率、两路模拟量输入通道，其工作时序图如图9所示。

图9 粉尘传感器驱动脉冲及工作时序

2.3 按键输入及报警输出控制

本实验可通过外部按键调节设置参数，由于板上按键容易产生毛刺信号，在进行输入判断时，按照图10左侧的流程进行过滤毛刺检测，能够更可靠地实现对按键的判断。报警输出实际上只涉及Zynq的逻辑输出配置，可以按照图10右侧所示的流程进行设置，通过配置MIO的方向控制电平输出即可。

2.4 实验效果

由于该实验平台既包含嵌入式开发技术，又包含硬件逻辑编程，因此对学生的C语言设计能力和Verilog硬件编程两方面都能够进行相应的训练，将该实验平台作为工程实践训练的载体，对学生的设计、开发能力进行非常有效的培养[12-13]。

本实验特色主要包含以下几方面：

图10 按键及输出控制流程图

第一，利用Zynq作为控制核心，将嵌入式开发技能和FPGA硬件逻辑设计结合，是一个双重能力锻炼的综合实践训练平台。在实际开展实验时，可根据每组学生自己的兴趣选择嵌入式设计还是硬件逻辑开发训练；

第二，使用业界流行的OLED显示技术，比传统LCD显示要更细腻，程序控制过程也更复杂，能够保证实验的相对难度；

第三，以热门话题“空气质量”作为实验对象，贴近生活和学生的兴趣点，有利于激发学习兴趣，吸引更多的学生参与进来。

图11为硬件平台实物效果。

图11 硬件平台实物及演示效果

3 结语

本实验实现了基于Zynq的空气质量实时检测、显示、报警等功能，可用于高校工科专业学生综合实验训练，实验过程涵盖了Xilinx公司的最新嵌入式芯片Zynq嵌入式开发的基本流程、中断处理过程、传感器控制、模数转换及OLED显示等控制技术及知识点，完成了对环境参数的采集与处理，将嵌入式开发和硬件逻辑设计两种开发技能训练结合起来，弥补了当前传统实验单技能训练的缺点。通过本实验，有助于学生对项目开发有直观的了解，从中体会从软件开发、程序仿真到硬件调试等不同的研制过程。以空气质量作为被测对象，增加了实验的趣味性和吸引力，有利于实践教学更有效开展。

在该硬件平台下还可进行其他扩展，比如由于Zynq7020器件PL部分本身包含Xadc资源，可以在片内进行模拟数字信号转换，不用借助外部AD转换芯片也可完成该功能。另外，可以充分利用Zynq提供的MIO和EMIO接口进行其他控制设计等。

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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

国家自然科学基金项目（61601365）；西安交通大学本科实践教学改革研究专项项目（18SJZX42）

王明伟（1985—），男，陕西乾县，硕士，工程师，主要研究方向为测控技术。E-mail: wangmw@xjtu.edu.cn