基于ZYNQ+AD9361的软件无线电平台设计与实现
Posted 专注DSP+ARM+FPGA
tags:
篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了基于ZYNQ+AD9361的软件无线电平台设计与实现相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
所谓软件无线电，它是一种以通用硬件平台为基础，以自定义软件为核心，来实现各种无线通信系统功能的一种体系和技术。从字面上看，“软件无线电”这个词并不深奥。“无线电”是指采用电磁波空间传播来实现信息收发的通信技术；软件原始定义为控制计算机系统的一系列命令。因此也可以这么说，软件无线电系统就是专用于通信的计算机系统。
AD9361是ADI公司生产的一款高性能的射频收发模块，它也是业界第一款高度集成的捷变收发器。传统的射频模块由分立元件来搭建，无论是研发、调试、应用和升级都存在着诸多弥端。而作为一款高度集成芯片，在一块芯片上包括了所有的、滤波、放大、增益控制、频率合成器等模块，不仅使得射频收发模块的体积、功耗、成本都降到最低，而且在性能上，完全可以满足当前所有通信制式的需求，它的工作频率范围为70MHz至6.0GHz，工作带宽为200KHz至56MHz，它可以应用于各种通信系统的通信和数据采集等方向。
图2 ZYNQ+AD9361总体设计框架
由上图所给出的，本平台的射频部分，拟采用ADI公司的AD9361收发器。
AD9361通过FMC接口与ZYNQ平台相连，具有无缝FPGA连接能力。该器件集RF前端与灵活的混合信号基带部分为一体，通过该集成收发器上预留的SPI接口，就可以完成整个射频模块的参数配置。该平台已经为客户幵发好了驱动模块，使用该驱动模块，即可完成ZYNQ与AD9361的信息交互，诸如配置射频参数和读取状态信息等。
ZYNQ是基于全可编程的可扩展处理平台结构，该结构在单芯片内集成了具有丰富特点的双核ARM9多核处理器的处理系统和可编程逻辑。可编程逻辑部分主要开发了上层数字信号处理算法库、用于射频模块配置的SPI接口、ZYNQ与AD9361之间的数据交互接口和用于内部数据交互的AXI接口。在ARM处理系统部分幵发了与之相对应的驱动模块，最后提供给客户的API即是在ARM侧的底层接口驱动和算法库的封装。所有在PL部分开发的模块，都会在部分幵发相应的驱动。
ZYNQ的PS部分作为总控制单元和算法库的调用中心，需要系统来支撑。而LINUX系统是ARM嵌入式系统开发的首选，所以本项目釆用该系统来调度管理的软硬件资源。下文将阐述如何在侧移植嵌入式系统，以及为了节省嵌入式资源，采取的相应措施。比如，关闭界面、关闭进程等。ZYNQ本质上是以ARM为核心的可扩展FPGA芯片，该平台的启动分了多个阶段，主要包括裸机启动，系统启动和启动。用户在使用该软件无线电平台时，若使用了资源来开发处理模块，则需重新编译文件，若只是釆用资源，则无需任何附加步骤，只需在平台启动完成后，运行编写的软件模块即可。基于跨平台的编程环境，编写控制界面。这一部分，主要完成了调用底层接口驱动来配置射频模块参数，同时对基带信号做频谱分析和星座图演示。
1 评估板简介
信迈科技 XM-ZYNQ7045-EVM 是一款基Xilinx Zynq-7000 系列 XC7Z045/XC7Z100 高性能处理器设计的高端异构多核 SoC 评估板，处理器集成 PS 端双核 ARM Cortex-A9 + PL 端 Kintex-7 架构 28nm 可编程逻辑资源，评估板由核心板与评估底板组成。核心板经过专业的 PCB Layout 和高低温测试验证，稳定可靠，可满足各种工业应用环境。
评估板接口资源丰富，引出双路千兆网口、四路 SFP+光口、CameraLink、HDMI、F
MC HPC、GTX、PCIe、USB、Micro SD 等接口，方便用户快速进行产品方案评估与技术
预研。
图 1 Xilinx Zynq-7000 处理器功能框图
图2
图3
图4
图5
2 典型应用领域
- 软件无线电
- 雷达探测
- 光电探测
- 视频追踪
- 图像处理
- 水下探测
- 定位导航
- 深度学习
3 软硬件参数
3.1 硬件参数
表1
| CPU | CPU：Xilinx Zynq-7000 XC7Z045/XC7Z100-2FFG900I |
| 2x ARM Cortex-A9，主频 800MHz，2.5DMIPS/MHz Per Core | |
| 1x Kintex-7 架构可编程逻辑资源 | |
| ROM | PS 端：8GByte eMMC |
| PS 端：128/256Mbit SPI NOR FLASH | |
| RAM | PS：单通道 32bit DDR 总线，1GByte DDR3 |
| PL：单通道 32bit DDR 总线，1/2GByte DDR3 | |
| Logic Cell | XC7Z045：350K，XC7Z100：444K |
| OSC | PS 端：33.33MHz |
| B2B Connector | 2x 140pin 公座高速 B2B 连接器，2x 140pin 母座高速 B2B 连接器，共 560pin， 间距 0.5mm，合高 7.0mm |
| LED | 2x 电源指示灯（核心板 1 个，评估底板 1 个） |
| 1x PL 端 DONE 灯（核心板 1 个） | |
| 3x PS 端用户可编程指示灯（核心板 2 个，评估底板 1 个） | |
| 2x PL 端用户可编程指示灯（评估底板 2 个） | |
| KEY | 1x 电源复位按键 |
| 1x 系统复位按键 | |
| 1x PS 端用户输入按键 | |
| 1x PL 端用户输入按键 | |
| SD | 1x Micro SD 接口（PS 端） |
| XADC | 1x 排针接口，2x 2pin 规格，2.54mm 间距，单通道专用差分输入，1MSPS |
| Ethernet | 1x PS RGMII，RJ45 接口，10/100/1000M 自适应（PHY 位于核心板上） |
| 1x PL RGMII，RJ45 接口，10/100/1000M 自适应 | |
| Watchdog | 1x Watchdog，3pin 排针方式，2.54mm 间距，通过跳线帽配置 |
| UART | 1x Debug UART，Micro USB 接口（PS 端） |
| 1x RS232 UART，DB9 接口（PL 端） | |
| 1x RS485 UART，3pin 3.81mm 绿色端子方式（PL 端） | |
| CAN | 2x CAN，3pin 3.81mm 绿色端子方式（PL 端） |
| USB | 4x USB 2.0 HOST 接口，使用 HUB 扩展（PHY 位于核心板上） |
| PCIe | 1x PCIe，由两组 GTX 引出，共两通道，x4 金手指连接方式（PL 端） |
| IO | 1x 400pin FMC 连接器，1.27mm 间距，HPC 标准 |
| SATA | 1x 7pin SATA 接口，150MHz LVDS 差分时钟（PL 端） |
| HDMI | 1x HDMI OUT（PL 端） |
| 1x HDMI IN（PL 端） | |
| DISPLAY | 1x LCD RES 电阻触摸屏，40pin FFC 连接器，间距 0.5mm（PL 端） |
| CAMERA | 2x CAMERA，2x 10pin 排母方式，间距 2.54mm（PL 端） |
| CameraLink | 2x CameraLink Base 接口，支持 Full 模式（PL 端） |
| SFP+ | 4x SFP+光口，支持万兆光模块，由高速串行收发器(GTX)引出 |
| LVDS | 1x 排针接口，2x 15pin 规格，可接通用 LVDS 显示屏，间距 2.00mm（PL 端） |
| SMA | 1x GTX CLK |
| 1x GTX RX | |
| 1x GTX TX | |
| RTC | 1x RTC 座，适配纽扣电池 ML2032（3V 可充）、CR2032（3V 不可充） |
| FAN | 1x FAN，3pin 排针端子，12V 供电，间距 2.54mm |
| JTAG | 1x 14pin JTAG 接口，间距 2.0mm |
| BOOT SET | 1x 6bit 启动方式选择拨码开关 |
| SWITCH | 1x 电源摆动开关 |
| POWER | 1x 12V6A 直流输入 DC-005 电源接口，可接外径 5.5mm、内径 2.1mm 电源插头 |
3.2 软件参数
表 2
| ARM 端软件支持 | 裸机，FreeRTOS，Linux-4.9.0 | |
| Vivado 版本号 | 2017.4 | |
| 软件开发套件提供 | PetaLinux-2017.4，Xilinx SDK 2017.4，Xilinx HLS 2017.4 | |
| 驱动支持 | SPI NOR FLASH | DDR3 |
| USB 2.0 | eMMC | |
| LED | KEY | |
| RS485 | MMC/SD | |
| Ethernet | CAN | |
| 7in Touch Screen LCD(Res) | XADC | |
| I2C | USB 4G | |
| USB WIFI | RS232 | |
4 开发资料
（1）提供核心板引脚定义、可编辑底板原理图、可编辑底板 PCB、芯片 Datasheet，缩短
硬件设计周期；
（2）提供系统固化镜像、内核驱动源码、文件系统源码，以及丰富的 Demo 程序；
（3）提供完整的平台开发包、入门教程，节省软件整理时间，让应用开发更简单；
（4）提供详细的 PS + PL SoC 架构通信教程，完美解决异构多核开发瓶颈。
开发案例主要包括： Ø
- 基于 Linux 的开发例程
- 基于裸机的开发案例
- 基于 FreeRTOS 的开发案例
- 基于 PS + PL 的异构多核开发案例
- 基于 OpenAMP 的 Linux + 裸机/FreeRTOS 双核 ARM 通信开发案例
- 基于 PL 端的 HDL、HLS 开发案例
- Qt 开发案例
- CameraLink、SDI、HDMI、PAL 视频输入/输出案例
- 高速 AD(AD9613)采集 + 高速 DA(AD9706)输出案例
- AD9361 软件无线电案例
- UDP(10G)光口通信案例
- Aurora 光口通信案例
- PCIe 通信案例
5 电气特性
工作环境
| 环境参数 | 最小值 | 典型值 | 最大值 |
| 核心板工作温度 | -40°C | / | 85°C |
| 核心板工作电压 | / | 5.0V | / |
| 评估板工作电压 | / | 12.0V | / |
功耗测试
| 类别 | 工作状态 | 电压典型值 | 电流典型值 | 功耗典型值 |
| 核心板 | 状态 1 | 5.0v | 0.40A | 2.00W |
| 状态 2 | 5.0v | 1.85A | 9.25W | |
| 评估板 | 状态 1 | 12.0v | 0.43A | 5.16W |
| 状态 2 | 12.0v | 1.19A | 14.28W |
备注：功耗基于 CPU 为 XC7Z045 的核心板测得。功耗测试数据与具体应用场景有关，测试数据仅供参考。
状态 1：评估板不接入外接模块，PS 端启动系统，不执行额外应用程序；PL 端运行 LED 测试程序。
状态 2：评估板不接入外接模块，PS 端启动系统，运行 DDR 压力读写测试程序，2 个 ARM Cortex-A9核心的资源使用率约为 100%；PL 端运行 IFD 综合测试程序。
图 11 状态 2 资源使用率
6机械尺寸
表 4
| 核心板 | 评估底板 | |
| PCB 尺寸 | 62mm*100mm | 142.75mm*260mm |
| PCB 层数 | 14 层 | 8 层 |
| PCB 板厚 | 1.6mm | 1.6mm |
| 安装孔数量 | 4 | 4 |
图 12 核心板机械尺寸图
图 13 评估底板机械尺寸图
7技术服务
- 协助底板设计和测试，减少硬件设计失误；
- 协助解决按照用户手册操作出现的异常问题；
- 协助产品故障判定；
- 协助正确编译与运行所提供的源代码；
- 协助进行产品二次开发；
- 提供长期的售后服务。
8增值服务
- 主板定制设计
- 核心板定制设计
- 嵌入式软件开发
- 项目合作开发
- 技术培训
更多信息，请联系深圳信迈科技。
以上是关于基于ZYNQ+AD9361的软件无线电平台设计与实现的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
FMC子卡设计资料原理图：FMC177-基于AD9361的双收双发射频FMC子卡