X射线探测器读出电子学FPGA的远程升级及调试

发布时间：2017-09-01 19:15

  本文关键词：X射线探测器读出电子学FPGA的远程升级及调试

  更多相关文章： X射线探测器 FPGA JTAG TCP/IP XVC协议 Zynq-7000 远程升级与调试

【摘要】：X射线二维硅像素探测器是针对北京同步辐射光源对X射线探测器的重大技术需求所研制的新型仪器。该探测器系统主要由五部分组成,分别为：硅传感器阵列、前端读出电子学、前端系统结构及封装、实时数据传输及处理和后端数据采集系统。其中,前端读出电子学PCB板上包含用于数据缓冲处理的现场可编程门阵列(Field programmable gate array, FPGA)。整个探测器工作在辐射环境中,且前端电子学部分被放置在密封的冷却容器中。本文即针对前端电子学的FPGA设计远程升级方案,使得在不打开冷却容器的情况下,脱离专用的(USB-JTAG Universal serial bus-joint test action group)下载线缆对FPGA进行灵活可靠的远程升级和调试。本文基于传统的以ARM微处理器为主控的设计思想,采用Xilinx的一种新型全可编程片上系统(All programmble System-on-Chip, AP SoC)架构的Zynq-7000可拓展处理平台作为主控芯片,针对FPGA的JTAG接口配置方式进行远程升级系统的设计。Zynq-7000单芯片集成了ARM和FPGA硬件资源,整体设计包括硬件和软件两部分。硬件部分包括芯片的选择、原理图和PCB的设计、Zynq处理器系统的模块化搭建以及JTAG模拟驱动器的IP核代码设计。软件部分首先需要移植FreeRTOS操作系统和LwIP协议栈,然后使用C语言基于Xilinx虚拟线缆(Xilinx visual cable, XVC)协议编写JTAG Server程序,最终实现升级系统与上位机软件的TCP/IP数据通信。文章最后对远程升级系统进行了功能和性能测试,结果表明本系统能够实现灵活可靠的基于网络的FPGA的远程更新和调试。本文设计的FPGA远程升级系统优势明显。首先,使用的Zynq芯片集ARM和FPGA的功能与优势于一体,在提高系统性能的同时,大大降低了硬件设计的复杂度。其次,本设计基于XVC协议,直接针对TCP/IP网络和FPGA的JTAG接口进行应用程序设计,无需额外开发基于TCP/IP的上位机应用软件,提高了系统的灵活性和可拓展性。再次,基于网络的数据通信可靠性高,基于JTAG接口的配置方式还支持多片FPGA的串行配置。因此,本文的远程升级系统对基于FPGA的系统设计和维护方式的进一步发展有非常重要的实际意义,尤其是对恶劣环境下的联网设备的维护等。同时也为AP SoC技术的应用推广提供了很好的参考方案。
【关键词】：X射线探测器 FPGA JTAG TCP/IP XVC协议 Zynq-7000 远程升级与调试
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN791;TL816.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-14
• 第1章 绪论14-21
• 1.1 课题研究背景14-17
• 1.1.1 同步辐射光源14-15
• 1.1.2 先进X射线二维像素阵列探测器15-16
• 1.1.3 探测器读出板FPGA远端升级必要性16-17
• 1.2 FPGA远程升级发展现状17-18
• 1.3 研究内容及意义18-19
• 1.4 结构安排19-20
• 1.5 本章小结20-21
• 第2章 以太网JTAG协议及嵌入式网络技术21-37
• 2.1 JTAG协议21-24
• 2.1.1 JTAG边界扫描电路21-22
• 2.1.2 TAP控制器及状态机22-24
• 2.1.3 JTAG配置FPGA24
• 2.2 XVC协议24-27
• 2.2.1 XVC协议内容25-26
• 2.2.2 JTAG Server实现原理26-27
• 2.3 嵌入式网络通信27-31
• 2.3.1 嵌入式网络通信系统研究现状27-28
• 2.3.2 TCP/IP协议28-30
• 2.3.3 嵌入式操作系统30-31
• 2.4 Zynq-7000全可编程片上系统31-36
• 2.4.1 Zynq-7000 AP SOC架构32-35
• 2.4.2 Zynq-7000优势35-36
• 2.5 本章小结36-37
• 第3章 系统方案设计37-48
• 3.1 FPGA配置接口选择37-38
• 3.2 TCP/IP实现方案38-41
• 3.2.1 TCP/IP实现方法38-40
• 3.2.2 TCP/IP协议栈选择40-41
• 3.3 RTOS选择41-43
• 3.4 硬件设计与分析43-47
• 3.4.1 Zynq的选择43-44
• 3.4.2 JTAG驱动模拟方案44-46
• 3.4.3 系统硬件平台搭建方案46-47
• 3.5 系统总体方案47
• 3.6 本章小结47-48
• 第4章 FPGA远程升级系统实现48-70
• 4.1 外围硬件平台搭建48-50
• 4.1.1 Zynq-7000芯片选型48-49
• 4.1.2 以太网模块49-50
• 4.1.3 Flash模块50
• 4.1.4 USB-UART转换模块50
• 4.2 AXI_Lite_JTAG IP核设计50-55
• 4.2.1 总线实例化模块51-53
• 4.2.2 jtag_proc模块53-55
• 4.3 处理器系统模块化设计55-58
• 4.3.1 Zynq模块搭建55-58
• 4.3.2 系统生成58
• 4.4 系统软件实现58-69
• 4.4.1 移植FreeRTOS59-62
• 4.4.2 移植LwIP协议栈62-65
• 4.4.3 JTAG server实现65-67
• 4.4.4 JTAG数据处理函数67-69
• 4.5 本章小结69-70
• 第5章 系统功能测试及分析70-78
• 5.1 测试环境70-71
• 5.2 Zynq配置71
• 5.3 功能测试71-75
• 5.3.1 远程升级测试72-74
• 5.3.2 ChipScope调试74-75
• 5.4 性能测试75-77
• 5.4.1 速度测试75-76
• 5.4.2 稳定性测试76-77
• 5.5 本章小结77-78
• 结论78-80
• 参考文献80-83
• 致谢83-84
• 附录A 攻读学位期间发表的学术论文目录84

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本文编号：773908