谭学林

摘 要：为解决物联网和工业设备不同接口无法直接进行数据交互的问题，设计了一种基于ZYNQ7035的多接口交换板。该接口板具备多种常用工业接口，可实现不同接口之间数据透传，试图解决物联网、工业设备不同接口数据交互的痛点。

关键词：ZYNQ7035;FPGA;接口交换;工业接口;物联网

0 引言

目前存在的大量工业设备中，硬件接口多种多样，通信方式和软件协议各不相同。仅常用的接口形式就包括Ethernet、CAN、USB、PCI、PCIE、光纤、高速LVDS、TTL、异步422/485/232串口、同步422、模拟信号等。通信协议更是数不胜数，通信速率难以兼容，这些问题已成为阻碍工业设备数据交互的痛点。而为了解决这个痛点，定制化的数据交互设备往往因为量少价高，系统难以兼容、协议复杂等，无法最终解决实际问题，反而造成维护成本高昂。

1 硬件详细设计

本文以Xilinx的ZYNQ7035为核心器件，ZYNQ7035是以ARM核（简称PS）为处理器，以高性能FPGA（简称PL）为接口和逻辑处理器。其中ARM核装载linux开源系统，FPGA实现接口处理和逻辑处理。下图1为硬件原理图的简化框图。从图中可以看出，虚线方框内为子板，通过高速连接器与下面的母板相连，为了匹配不同接口的项目，只需要增加母板的接口芯片和接口数量就可以任意扩展，从而最大限度满足场景需求。

2 软件详细设计

ARM内核运行Linux内核，上电自动运行应用程序，并接收上位机软件控制，执行PS端功能程序，其中主要功能包括定时控制、协议解析、数据流控制、多种运算等，并通过AXI总线实时与PL端进行信息交互。PL端程序完成逻辑运算、时序控制、数据采集、接口匹配、数据缓存、组包解包等功能。

2.1 ARM软件详细设计

ARM软件包括应用程序、Linux系统、Linux下接口驱动。ARM与FPGA软件的交互通过Xilinx的AXI总线进行数据交互，需要FPGA进行PS、AXI、PL相互的接口配置。ARM软件的软件层级图如图2所示：

2.2 FPGA软件详细设计

FPGA软件功能强大，具有大量的IP核可以使用，Ethernet、GTX、PCIE、PCI、RAM、FIFO、CAN等，可用于实现接口匹配。图3为PL端功能接口框图。FPGA不仅可以实现接口匹配及协议解析转换等，还可以进行逻辑运算、计算、时序控制、数据采集和处理等功能。

2.3 上位机软件详细设计

上位机软件是安装在计算机上的应用软件，拥有图形化界面和控制界面，负责完成与本板进行控制信息交互、故障反馈、图形化显示、数据存储等功能。上位机软件可安装在linux或winxp以上操作系统中，采用VC6.0、VS2010、QT或Python编写，通过网络、串口或PCIE与本板通信。

3 结语

该多接口转换板具有良好的硬件接口适配性扩展性，软件功能可重构性。该设计极大地简化了硬件接口兼容的问题，子板和母板的组合形式极大地方便了硬件的可扩展可定制，从而针对特定使用场景进行优化，减少了整个项目开发的周期和成本。同時，不同接口形式、通信速率、通信协议的相关转换，通过上位机加载配置文件下发到本板PS端应用程序，由PS端驱动PL端的接口处理和逻辑处理，从而实现物联网和工业设备不同接口之间直接透明地进行数据交互。

参考文献：

[1]何宾，张艳辉.Xilinx Zynq-7000嵌入式系统设计与实现[M].电子工业出版社，2016.