本文關(guān)鍵詞：X射線探測(cè)器讀出電子學(xué)FPGA的遠(yuǎn)程升級(jí)及調(diào)試

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【摘要】：X射線二維硅像素探測(cè)器是針對(duì)北京同步輻射光源對(duì)X射線探測(cè)器的重大技術(shù)需求所研制的新型儀器。該探測(cè)器系統(tǒng)主要由五部分組成,分別為：硅傳感器陣列、前端讀出電子學(xué)、前端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及封裝、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸及處理和后端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其中,前端讀出電子學(xué)PCB板上包含用于數(shù)據(jù)緩沖處理的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field programmable gate array, FPGA)。整個(gè)探測(cè)器工作在輻射環(huán)境中,且前端電子學(xué)部分被放置在密封的冷卻容器中。本文即針對(duì)前端電子學(xué)的FPGA設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程升級(jí)方案,使得在不打開(kāi)冷卻容器的情況下,脫離專用的(USB-JTAG Universal serial bus-joint test action group)下載線纜對(duì)FPGA進(jìn)行靈活可靠的遠(yuǎn)程升級(jí)和調(diào)試。本文基于傳統(tǒng)的以ARM微處理器為主控的設(shè)計(jì)思想,采用Xilinx的一種新型全可編程片上系統(tǒng)(All programmble System-on-Chip, AP SoC)架構(gòu)的Zynq-7000可拓展處理平臺(tái)作為主控芯片,針對(duì)FPGA的JTAG接口配置方式進(jìn)行遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。Zynq-7000單芯片集成了ARM和FPGA硬件資源,整體設(shè)計(jì)包括硬件和軟件兩部分。硬件部分包括芯片的選擇、原理圖和PCB的設(shè)計(jì)、Zynq處理器系統(tǒng)的模塊化搭建以及JTAG模擬驅(qū)動(dòng)器的IP核代碼設(shè)計(jì)。軟件部分首先需要移植FreeRTOS操作系統(tǒng)和LwIP協(xié)議棧,然后使用C語(yǔ)言基于Xilinx虛擬線纜(Xilinx visual cable, XVC)協(xié)議編寫(xiě)JTAG Server程序,最終實(shí)現(xiàn)升級(jí)系統(tǒng)與上位機(jī)軟件的TCP/IP數(shù)據(jù)通信。文章最后對(duì)遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行了功能和性能測(cè)試,結(jié)果表明本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)靈活可靠的基于網(wǎng)絡(luò)的FPGA的遠(yuǎn)程更新和調(diào)試。本文設(shè)計(jì)的FPGA遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)明顯。首先,使用的Zynq芯片集ARM和FPGA的功能與優(yōu)勢(shì)于一體,在提高系統(tǒng)性能的同時(shí),大大降低了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。其次,本設(shè)計(jì)基于XVC協(xié)議,直接針對(duì)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)和FPGA的JTAG接口進(jìn)行應(yīng)用程序設(shè)計(jì),無(wú)需額外開(kāi)發(fā)基于TCP/IP的上位機(jī)應(yīng)用軟件,提高了系統(tǒng)的靈活性和可拓展性。再次,基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信可靠性高,基于JTAG接口的配置方式還支持多片F(xiàn)PGA的串行配置。因此,本文的遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)對(duì)基于FPGA的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和維護(hù)方式的進(jìn)一步發(fā)展有非常重要的實(shí)際意義,尤其是對(duì)惡劣環(huán)境下的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的維護(hù)等。同時(shí)也為AP SoC技術(shù)的應(yīng)用推廣提供了很好的參考方案。
【關(guān)鍵詞】：X射線探測(cè)器 FPGA JTAG TCP/IP XVC協(xié)議 Zynq-7000 遠(yuǎn)程升級(jí)與調(diào)試
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN791;TL816.1
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-14
• 第1章 緒論14-21
• 1.1 課題研究背景14-17
• 1.1.1 同步輻射光源14-15
• 1.1.2 先進(jìn)X射線二維像素陣列探測(cè)器15-16
• 1.1.3 探測(cè)器讀出板FPGA遠(yuǎn)端升級(jí)必要性16-17
• 1.2 FPGA遠(yuǎn)程升級(jí)發(fā)展現(xiàn)狀17-18
• 1.3 研究?jī)?nèi)容及意義18-19
• 1.4 結(jié)構(gòu)安排19-20
• 1.5 本章小結(jié)20-21
• 第2章 以太網(wǎng)JTAG協(xié)議及嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)21-37
• 2.1 JTAG協(xié)議21-24
• 2.1.1 JTAG邊界掃描電路21-22
• 2.1.2 TAP控制器及狀態(tài)機(jī)22-24
• 2.1.3 JTAG配置FPGA24
• 2.2 XVC協(xié)議24-27
• 2.2.1 XVC協(xié)議內(nèi)容25-26
• 2.2.2 JTAG Server實(shí)現(xiàn)原理26-27
• 2.3 嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信27-31
• 2.3.1 嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)研究現(xiàn)狀27-28
• 2.3.2 TCP/IP協(xié)議28-30
• 2.3.3 嵌入式操作系統(tǒng)30-31
• 2.4 Zynq-7000全可編程片上系統(tǒng)31-36
• 2.4.1 Zynq-7000 AP SOC架構(gòu)32-35
• 2.4.2 Zynq-7000優(yōu)勢(shì)35-36
• 2.5 本章小結(jié)36-37
• 第3章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)37-48
• 3.1 FPGA配置接口選擇37-38
• 3.2 TCP/IP實(shí)現(xiàn)方案38-41
• 3.2.1 TCP/IP實(shí)現(xiàn)方法38-40
• 3.2.2 TCP/IP協(xié)議棧選擇40-41
• 3.3 RTOS選擇41-43
• 3.4 硬件設(shè)計(jì)與分析43-47
• 3.4.1 Zynq的選擇43-44
• 3.4.2 JTAG驅(qū)動(dòng)模擬方案44-46
• 3.4.3 系統(tǒng)硬件平臺(tái)搭建方案46-47
• 3.5 系統(tǒng)總體方案47
• 3.6 本章小結(jié)47-48
• 第4章 FPGA遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)48-70
• 4.1 外圍硬件平臺(tái)搭建48-50
• 4.1.1 Zynq-7000芯片選型48-49
• 4.1.2 以太網(wǎng)模塊49-50
• 4.1.3 Flash模塊50
• 4.1.4 USB-UART轉(zhuǎn)換模塊50
• 4.2 AXI_Lite_JTAG IP核設(shè)計(jì)50-55
• 4.2.1 總線實(shí)例化模塊51-53
• 4.2.2 jtag_proc模塊53-55
• 4.3 處理器系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)55-58
• 4.3.1 Zynq模塊搭建55-58
• 4.3.2 系統(tǒng)生成58
• 4.4 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)58-69
• 4.4.1 移植FreeRTOS59-62
• 4.4.2 移植LwIP協(xié)議棧62-65
• 4.4.3 JTAG server實(shí)現(xiàn)65-67
• 4.4.4 JTAG數(shù)據(jù)處理函數(shù)67-69
• 4.5 本章小結(jié)69-70
• 第5章 系統(tǒng)功能測(cè)試及分析70-78
• 5.1 測(cè)試環(huán)境70-71
• 5.2 Zynq配置71
• 5.3 功能測(cè)試71-75
• 5.3.1 遠(yuǎn)程升級(jí)測(cè)試72-74
• 5.3.2 ChipScope調(diào)試74-75
• 5.4 性能測(cè)試75-77
• 5.4.1 速度測(cè)試75-76
• 5.4.2 穩(wěn)定性測(cè)試76-77
• 5.5 本章小結(jié)77-78
• 結(jié)論78-80
• 參考文獻(xiàn)80-83
• 致謝83-84
• 附錄A 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄84

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本文編號(hào)：773908