2、 主要模塊設(shè)計

2.1 超聲波測距模塊
該模塊基本工作原理是：通過超聲波發(fā)射探頭，發(fā)射頻率為40kHz的超聲波信號；當(dāng)超聲波信號遇到障礙物時，會發(fā)生反射；當(dāng)超聲波接收探頭接收到40kHz頻率附近的聲波信號時，經(jīng)過信號調(diào)理電路；再通過系統(tǒng)計算接收與發(fā)射之間的時間差計算障礙物距離。

圖3測距模塊

設(shè)計中共使用到了三個相同測距模塊，分別測量三個不同的方向上障礙物距離。測距模塊分為超聲波發(fā)射部分和接收部分，模塊的電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。具體是采用HC?SR04超聲波測距模塊，進(jìn)行硬件設(shè)計[6]。該電路的對外接口為觸發(fā)（TRIG）控制端和回響（ECHO）信號接收端。通過I/O口TRIG觸發(fā)測距，提供了一個10ms以上的高電平觸發(fā)信號，該模塊將發(fā)出8個40kHz的方波用于探測，并自動檢測是否有回波信號。一旦檢測到有回波信號則通過I/O口ECHO輸出一個高電平回響信號，且回響信號的高電平時間tH（單位：ms）即高電平持續(xù)的時間與所測的距離S成正比。其對應(yīng)關(guān)系為：

式中：S為測試距離；tH為高電平時間（單位：s）；v為聲速340m/s。

發(fā)射部分：利用串口轉(zhuǎn)換芯片的升壓功能，采用MAX232將輸入JN1和JN2的3.3VTTL電平轉(zhuǎn)換，得到5V電平。它激勵超聲波發(fā)射探頭的信號壓差為10V， 發(fā)出40kHz的超聲波。如圖4所示。

圖4 發(fā)射電路

接收部分：對回波信號進(jìn)行濾波、放大處理。接收電路圖如圖5所示。其中NET9為控制接收電路工作的使能端口，NET10為接收電路工作且接收到了回波信號時的響應(yīng)信號。

圖5： 接收電路圖

2.2 IP核設(shè)計
使用Xilinx的設(shè)計工具XPS（XilinxPlatformStudio） 建立IP的流程，新建一個Ultrasonic（超聲波）IP核模塊。該IP核的模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示中的超聲波處理外設(shè)部分，其中Triggercounter，Clockgen和Echocounter使用VerilogHDL實(shí)現(xiàn)。根據(jù)超聲波測距模塊的測距時序要求，設(shè)計觸發(fā)和回響信號的邏輯，由Triggercounter和Echocounter實(shí)現(xiàn)。最終將測量到的數(shù)據(jù)放到AXI4定義的寄存器中，使處理器能從AXI總線上讀取數(shù)據(jù)。本IP核有4個寄存器（reg0~reg3），與AXI4總線相連，用戶可以通過這4個寄存器控制發(fā)射超聲波，獲取測量的距離。其中，reg0的功能是使能一次測距以及三個方向上測量完畢標(biāo)志，圖6為reg0寄存器映射表；reg1~reg3為計數(shù)后計算得到的三個方向上超聲波測量到的距離數(shù)值。將設(shè)計的IP核添加到XPS工程中去，分配得到的地址空間為0x6E000000~0x6E00FFFF。

圖6：reg0寄存器映射表

2.3 Linux驅(qū)動設(shè)計
Linux設(shè)備驅(qū)動分為三類：字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò) 設(shè)備。在這里需要編寫的是一個字符設(shè)備[5]。另外，編寫的設(shè)備將通過模塊化的方式加載到操作系統(tǒng)中，而不是靜態(tài)編譯到內(nèi)核中。驅(qū)動程序在交叉編譯環(huán)境下，進(jìn) 行模塊化編譯。得到以.ko為擴(kuò)展名的驅(qū)動文件，使用 insmod和rmmod進(jìn)行加載或者卸載，同時也可以通過lsmod查看是否已被加載。

建立一個ultrasonic_driver.c文件，使用交叉編譯環(huán) 境進(jìn)行編譯，得到對應(yīng)的可加載文件ultrasonic_driver.ko。在ultrasonic_driver.c中聲明設(shè)備名稱和模塊的物理地址，該物理地址對應(yīng)于XPS中建立的嵌入式系統(tǒng)的地址。具體如下：
#defineDEVICE_NAME"ULTRASONIC_MOUDLE"#defineULTRASONIC_MOUDLE_PHY_ADDR0x6E000000

該設(shè)備驅(qū)動的主要函數(shù)有：設(shè)備初始化ultrason?ic_driver_module_init（）；三個方向上的距離測量函數(shù)，sys_ultrasonic_front_get（），sys_ultrasonic_right_get（）和sys_ultrasonic_left_get（）；設(shè)備注銷ultrasonic_driv? er_module_exit（）。

（1）設(shè)備初始化函數(shù)，完成注冊信息，當(dāng)進(jìn)行ins?mod操作時，操作系統(tǒng)會自動調(diào)用初始化函數(shù)，完成各 項信息的注冊。而設(shè)備注銷操作，與它相反，不做贅述。該初始化函數(shù)中，需要完成如下工作[4]：內(nèi)核注冊設(shè)備驅(qū)動；創(chuàng)建ultrasonic_driver設(shè)備類；為ultrasonic_driver設(shè)備類創(chuàng)建一個ultrasonic_driver_device設(shè)備；為設(shè)備創(chuàng)建以下幾個文件：dev_attr_ultrasonic_trigger，dev_attr_ultra?sonic_front，dev_attr_ultrasonic_right，dev_attr_ultrason?ic_left，分別對應(yīng)三個方向上的距離數(shù)值；將模塊的物理基地址映射到虛擬地址上；同時將其他幾個寄存器地址計算得到虛擬地址；打印調(diào)試信息，表明完成初始化工作。

（2）距離測量函數(shù)，以前向（front）測距為例，另外兩個方向（right，left）上類似。Linux中，sysfs是一種基于ram的文件系統(tǒng)，它提供了一種用于向用戶空間展現(xiàn)內(nèi)核空間里的對象、屬性和鏈接。sysfs與kobject層次緊密相連，它將kobject層次關(guān)系表現(xiàn)出來，使得用戶空間 可以看見這些層次關(guān)系。可以通過CAT和ECHO接口命令來讀/寫sysfs。使用函數(shù)宏DEVICE_ATTR創(chuàng)建接口如下：
staticDEVICE_ATTR（ultrasonic_front，S_IRUSR|S_IWUSR，NULL，sys_ultrasonic_front_get）；

DEVICE_ATTR宏聲明有4個參數(shù)，分別是名稱、權(quán) 限位、讀函數(shù)、寫函數(shù)。其中讀函數(shù)和寫函數(shù)是讀/寫功能函數(shù)的函數(shù)名。這樣對ultrasonic_front創(chuàng)建一個寫函 數(shù)sys_ultrasonic_front_get，其流程圖如圖7所示。

?

圖7：sys_ultrasonic_front_get流程圖

進(jìn)入函數(shù)，首先會打印一條調(diào)試信息；然后向reg0（ultrasonic_trigger_addr）上寫入使能，使開始發(fā)射超聲波；循環(huán)檢測reg0的bit1，查看數(shù)據(jù)是否有效；如果數(shù)據(jù)有效，則讀取出reg1（ultrasonic_front_addr）上的數(shù)據(jù)值，并打印出來。完成一次讀取操作。 完成以上設(shè)備驅(qū)動設(shè)計后，使用配置好的交叉編譯環(huán)境，將該驅(qū)動代碼編譯為ultrasonic_driver.ko文件。將該文件放入啟動的SD卡中。

3系統(tǒng)測試

對XPS構(gòu)建的系統(tǒng)，建立U?Boot引導(dǎo)，編譯配置內(nèi) 核源碼，編譯設(shè)備樹，并制作根文件系統(tǒng)，制作ramdisk鏡像文件，得到所有的文件zImage，devicetreee.dtb，ram?disk8M.img.gz，BOOT.BIN。放入Zedboard板的SD卡中，同時也將ultrasonic_driver.ko文件放入SD卡，上電啟動，直至完成。

在連接到Zedboard串口的超級終端下，掛載SD，執(zhí)行如下步驟：
mount/dev/mmcblk0p1/mnt //掛載SD卡
cd/mnt//進(jìn)入SD卡目錄
insmod./ultrasonic_driver.ko//加載ultrasonic_driver.ko模塊
dmesg//查看加載打印信息lsmod//查看加載的模塊
cd/sys/class/ultrasonic_driver/ultrasonic_driver
//進(jìn)入創(chuàng)建的設(shè)備目錄，sysfs下
catultrasonic_front//讀取一次前向超聲波測量距離
catultrasonic_right//讀取一次右邊超聲波測量距離
catultrasonic_left//讀取一次左邊超聲波測量距離

系統(tǒng)測試后可以在終端里看到打印的加載信息“ul?trasonicdriverinitialsuccessfully!”和讀取到的測量距離數(shù)值。調(diào)整超聲波探頭前方障礙物距離，還可以得到不同的距離值，最終，實(shí)現(xiàn)的距離測量能夠達(dá)到2cm~4.5m 的范圍，精度可達(dá)0.2cm。

4結(jié)語

本文基于FPGA業(yè)界最先進(jìn)的芯片Zynq以及開發(fā)平臺Zedboard，融合軟硬件設(shè)計，從底層的各功能電路設(shè)計，VerilogHDL代碼編寫，VerilogIP核設(shè)計，到Linux設(shè)備驅(qū)動設(shè)計，完成了整個設(shè)計流程，在智能小車平臺上實(shí)現(xiàn)了在Linux系統(tǒng)中利用超聲波測距的功能，達(dá)到2cm~ 4.5m的測距范圍，精度達(dá)0.2cm，為上層應(yīng)用提供了支撐服務(wù)。該系統(tǒng)設(shè)計對基于Zynq?7000FPGA上的開發(fā)的多個方面（例如，對ARM+FPGA應(yīng)用設(shè)計的理解、軟硬件結(jié)合的設(shè)計方法；Xilinx下AXI4?lite總線的IP核設(shè)計；Linux字符設(shè)備驅(qū)動設(shè)計）有指導(dǎo)性意義。

參 考 文 獻(xiàn)
[1]XilinxInc.Zynq?7000allprogrammableSoCtechnicalreference manual，v1.6.1[DB/OL].[2013?04?17].http：//www.xilinx.com/sup? port/documentation/user_guides/ug585?Zynq?7000?TRM.pdf.
[2]陸佳華，江舟，馬岷.嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計實(shí)戰(zhàn)指南：基于XilinxZynq[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.
[3]李洪濤，顧陳，朱曉華.FPGA技術(shù)開發(fā)（高級篇）[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013.
[4]章立生，韓承德.SoC芯片設(shè)計方法及標(biāo)準(zhǔn)化[J].計算機(jī)研究與 發(fā)展，2002，39（1）：1?8.
[5]KROAH?HARTMANCR.Linux設(shè)備驅(qū)動程序[M].魏永明，耿 岳，鐘書毅，譯.3版.北京：中國電力出版社，2005.
[6]深圳市捷深科技有限公司.HC?SR04超聲波測距模塊說明書 [DB/OL].[2014?04?10].