CN209731277U - 基于zynq的智能实验室网关 - Google Patents

Abstract

基于ZYNQ的智能实验室网关，ZYNQ芯片包括作为PS端的PS ARM Cortex‑A9处理系统和作为PL端的PL FPGA可编程逻辑模块，PS端和PL端之间通过AXI4接口协议互联，PS端连接SPI接口、GPIO、RS232串口、HDMI接口、Zigbee无线收发模块和USB接口、WIFI无线收发模块和以太网接口；PL端连接摄像头视频输出模块和门禁显示模块、JTAG接口、蓝牙模块、红外线模块和温湿度感应模块。本实用新型的基于ZYNQ的智能实验室网关，采用ZYNQ芯片对智能实验室进行控制和物理量的显示，它具有ARM芯片的优点，并且FPGA可编程逻辑模块可以通过编程连接开发板上不具备的模块，若在PL端连接显示设备，测试结果清晰直观，ZYNQ系列芯片可以极大地发挥好其网关的作用，对智能实验室进行操作和监控。

Description

基于ZYNQ的智能实验室网关

技术领域

本实用新型涉及互联网通信技术领域。

背景技术

传统实验室管理效率低下、方式繁琐、浪费大量的人力物力资源，而且物品的流动性、实时性与安全性无法得到保障，因此对实验室的智能化管理显得十分必要。在目前的智能实验室控制系统的设计中，大多采用上位机客户端与实验室主控连接，实验室主控大多采用ARM芯片或单片机，以及RFID技术，RFID技术虽然有非接触识别等突出的优势，但是管理员要了解设备的使用情况等信息必须在上位机控制软件，操作较繁琐。

目前市场相关产品大多使用在比较独立的应用场景中，比如独立的门禁系统，独立的设备管理系统，独立的安防监控系统等。独立系统不方便整体操控，并且会耗费一些人力。

实用新型内容

为了解决现有智能实验室控制系统存在的上述问题，本实用新型提供了一种基于ZYNQ的智能实验室网关。

本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：基于ZYNQ的智能实验室网关，ZYNQ芯片包括作为PS端的PS ARM Cortex-A9处理系统和作为PL端的PL FPGA可编程逻辑模块，PS端和PL端之间通过AXI4接口协议互联，PS端连接SPI接口、GPIO接口、WIFI无线收发模块和以太网接口；PL端连接摄像头视频输出模块和门禁显示模块。

所述PS端还连接RS232串口、HDMI接口、Zigbee无线收发模块和USB接口。

所述PL端还连接JTAG接口、蓝牙模块、红外线模块和温湿度感应模块。

本实用新型的基于ZYNQ的智能实验室网关，采用ZYNQ芯片对智能实验室进行控制和物理量的显示，它具有ARM芯片的优点，并且FPGA可编程逻辑模块可以通过编程连接开发板上不具备的模块，若在PL端连接显示设备，测试结果清晰直观，对于功能显示复杂的智能实验室，ZYNQ系列芯片可以极大地发挥好其网关的作用，对智能实验室进行操作和监控。

附图说明

图1是本实用新型基于ZYNQ的智能实验室网关原理图。

具体实施方式

ZYNQ系列芯片是Xilinx公司推出的兼具高性能和低功耗的可扩展处理器平台，ZYNQ系列中每个芯片都包含两个部分：一是PS ARM Cortex-A9处理系统，由Xilinx厂家嵌入代码，嵌入式的程序可通过不同接口电路与用户设备对接，达到用户的不同需求；二是PLFPGA可编程逻辑模块，用户可设计出满足多样化需求的开发板上不存在的外设接口模块，极大地扩大了用户的使用范围。

PS端与PL端由AXI4接口协议互联，AXI4兼容性好、延时较低、传输速度快、开发难度低，解决了主设备PS与设备PL不能直接通信的问题。ZYNQ系列芯片软硬件协同工作，在功能强、成本低的ARM结构的基础上增加了FPGA硬件可编程逻辑，使ZYNQ系列芯片的功能更强大，应用场合更加广泛。

本实用新型的基于ZYNQ的智能实验室网关原理如图1所示，ZYNQ系列芯片与外设连接关系如下：

(1)PS端，PS端是ZYNQ系列芯片的嵌入式智能网关，负责与终端的双向通信与下属接口连接：

SPI接口：是一种同步串行外设接口，为全双工通信，其四条信号线可直接与PS端相连，实现主机与从机的数据通信。

GPIO接口：是一种通用目的输入/输出端口，一个GPIO端口至少需要两个寄存器，“通用IO端口控制寄存器”起控制作用，“通用I/O端口数据寄存器”用来存放数据。数据寄存器的每一位与GPIO的硬件引脚对应，数据的传递方向通过控制寄存器来设置，每一位引脚的数据流向由控制寄存器设置。GPIO接口可传输PS端的信号或者接受终端信号并传输至PS端。

RS232串口：是应用广泛的一种串行接口，当PS端与设备之间的通讯距离不大于15米，传输速率不超过为20kB/s时可与终端设备进行通信。RS232的电平逻辑与PS端不同，可通过MAX232电平转换芯片将电平转换至TTL电平，再与PS端相连，实现与PS端的串行通信。

HDMI接口：是一种高清晰度多媒体接口，可同时传送音频和影像信号，无需在信号传送前进行数/模或者模/数转换，极大提高了传输效率。HDMI有四种不同的接口，可根据终端设备的需求配置相应的接口，接收端和发射端根据需求连接到PS端与终端设备。

WIFI无线收发模块：是一种将串口数据转换成无线网络数据的串口，WIFI串口模块采用UART接口，支持串口透明数据传输模式，从而连接串口设备到无线网络。WIFI串口模块和PS端直接连接，可将PS端和设备与无线网络相连。

Zigbee无线收发模块：是一种无线传输模块，支持标准的75米到数百米的传输距离，将其与PS端连接，可实现PS端与设备的无线通信。

USB接口：是一种通用串行总线，广泛应用于计算机与其他设备的通信。USB接口有多种类型，可根据外设的需求配置相应的类型，将USB接口与PS端相连，可实现PS端与终端的数据通信。

以太网接口：是一种网络数据连接的端口，实现了网络上无线电系统多个节点发送信息的想法，每个节点必须获取电缆或者信道的才能传送信息。以太网网络有不同的接口类型，可通过适配器与PS端相连从而实现数据的传输。

(2)PL端，PL端是ZYNQ系列芯片的硬件可编程部分，用户可自行设计出具有不同功能的外部接口，接口如下：

摄像头视频输出模块：用户编程对摄像头信号进行处理，在PL端连接视频显示器，可复现输入的摄像头数据。

JTAG接口：是一种国际标准测试接口，主要用于芯片内部测试。将JTAG接口与PL端相连，在FPGA编程后，可检测该芯片是否存在问题。

蓝牙模块：在PL端编程后，通过蓝牙模块和终端设备相连，实现用户设备数据和PS端数据的通信。

红外线模块：PL端接收PS端的控制信号，通过PL端编程，输出使目的设备发出红外线的信号，在终端设备连接红外线传感器，可以在接收红外线信号后执行已编程好的程序动作。

门禁显示模块：当用户使用门禁卡时，PL端通过编写好的程序判断门禁卡是否为正确的门禁卡，结果显示在与PL端相连的视频显示器上，如果正确，门禁打开，提示用户可以进入实验室。

温湿度感应模块：实验室内的温湿度由温湿度仪表测得，通过传感器可将信息传送至PL端，PL端编程后对这些信息进行整合，通过连接在PL端的数字显示器显示实验室的温度和湿度。

ZYNQ系列芯片PS端网关通过与接口相连进而和终端实现数据通信，PL端通过编程可将不同的信息转化，并显示在与之相连的显示器模块中。

本实用新型在ARM芯片基础上加入FPGA可编程逻辑，扩展了芯片的使用范围。ARM芯片运行速度快、指令格式固定、传输速率高、体积小、成本低、功耗少的特点，被广泛应用在各领域中。ZYNQ中的FPGA可编程逻辑的加入，完成了ARM不能完成的任务，即通过硬件编程出用户需要的函数模块，再通过显示器等显示结果。ZYNQ系列芯片是对ARM芯片的拓展延伸，对于复杂的系统比如智能实验室，基于ZYNQ系列芯片的设计是一个很大的进步。无线通信技术避免了复杂的长距离接线，使用射频传递数据信息，而不是使用线缆传输息，具有配置灵活，易扩展，且易安装，成本低等特点，能够使实验室更加智能化。

Claims (3)

1.基于ZYNQ的智能实验室网关，其特征在于：ZYNQ芯片包括作为PS端的PS ARMCortex-A9处理系统和作为PL端的PL FPGA可编程逻辑模块，PS端和PL端之间通过AXI4接口协议互联，PS端连接SPI接口、GPIO接口、WIFI无线收发模块和以太网接口；PL端连接摄像头视频输出模块和门禁显示模块。

2.根据权利要求1所述的基于ZYNQ的智能实验室网关，其特征在于：所述PS端还连接RS232串口、HDMI接口、Zigbee无线收发模块和USB接口。

3.根据权利要求1所述的基于ZYNQ的智能实验室网关，其特征在于：所述PL端还连接JTAG接口、蓝牙模块、红外线模块和温湿度感应模块。