一种基于ZYNQ7020的光束线扫描同步控制装置

一种基于zynq7020的光束线扫描同步控制装置
技术领域
1.本实用新型涉及光束线站领域，具体是一种基于zynq7020的光束线扫描同步控制装置。


背景技术：

2.在同步辐射光束线站控制领域，尤其是在扫描实验数据采集应用中，扫描执行装置和数据采集装置的同步性能是关系到扫描数据质量和实验效率的关键因素之一。传统实验光束线站扫描同步控制普遍采用软件处理模式，由于存在大量的死区时间，导致出现扫描时间过长、扫描效率低、同步精度差的问题。
3.采用硬件进行同步控制的技术可以有效提高同步时间精度，现有技术[1]采用zynq芯片发送指令给低速fpga芯片控制外部电路的方式，由于存在zynq芯片和低速fpga芯片之间的通讯和同步，调试难度大，设备成本高，在小型扫描实验中应用受到限制。


技术实现要素：

[0004]
本实用新型的目的在于提供一种基于zynq7020的光束线扫描同步控制装置，采用单片zynq实现常见的编码器编码格式(ssi编码、biss编码、增量编码等)以及编码器信号的直接输入输出，同时具备实时采集位置数据功能，并根据上位机控制的参数产生同步脉冲，以用于实现运动机构和实验数据采集机构之间的快速同步，适用于光束线站的快速步扫、飞扫实验等场合。
[0005]
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
[0006]
一种基于zynq7020的光束线扫描同步控制装置，包括zynq芯片、至少一个编码器控制单元、至少一个脉冲io单元、设备监控单元，所述zynq芯片的pl端与ps端通过axi总线互连，zynq芯片的ps端连接上位机，pl端包括有编码器控制模块、脉冲产生模块、接口配置模块以及设备监控模块，所述编码器控制模块与脉冲产生模块均连接有所述接口配置模块，所述编码器控制单元与编码器控制模块连接，脉冲io单元与脉冲发生模块连接，设备监控单元与设备监控模块连接。
[0007]
进一步的，所述zynq芯片的型号为xc7z020。
[0008]
进一步的，所述脉冲io单元包括信号转换配置模块、输入转换模块以及输出转换模块；所述信号转换配置模块用于根据zynq芯片发送的方向信号将ttl信号配置为输入或输出；所述输入转换模块用于在信号转换配置模块将ttl信号电平配置为输入时，将外部输入的脉冲进行电平转换后发送到所述zynq芯片的pl端；所述输出转换模块用于在信号转换配置模块将ttl信号电平配置为输出时，接收zynq芯片的pl端发送的脉冲信号，进行电平转换后对外输出脉冲。
[0009]
进一步的，所述信号转换配置模块的芯片型号为sn74lvc16t245pw，输入转换模块的芯片型号为fin1028mx，输出转换模块的芯片型号为fin1028mx。
[0010]
进一步的，所述编码器控制单元包括输入控制模块与输出控制模块，所述输入控
制模块、输出控制模块分别与zynq芯片的pl端连接并接收zypq芯片发送的控制信号，所述输入控制模块用于根据控制信号将外部输入的差分编码信号转换为单端信号并输出到zynq芯片，所述输出控制模块用于接收zynq芯片的单端信号并转换为编码信号输出到外部。
[0011]
进一步的，所述编码器控制单元、脉冲io单元、设备监控单元及zynq芯片均通过供电单元供电，所述供电单元包括第一dc/dc模块、第二dc/dc模块、第三dc/dc模块、第四dc/dc模块以及ldo模块，所述第一dc/dc模块的输入端与外部直流电源端连接，输出端输出第二电压输出信号；所述第二dc/dc模块的输入端与第二电压输出信号连接，输出端输出第三电压输出信号；所述ldo模块的输入端与所述第三电压输出信号连接，输出端输出第四电压输出信号；所述第三dc/dc模块的输入端与第二电压输出信号连接，输出端输出第五电压输出信号；所述第四dc/dc模块的输入端与第二电压输出信号连接，输出端输出第六电压输出信号。
[0012]
进一步的，所述第一dc/dc模块的芯片配置为lmt4613，第二dc/dc模块的芯片配置为tps62135，第三、第四dc/dc模块的芯片配置为mp2145；ldo模块的芯片配置为ams1117-1.8。
[0013]
有益效果：本发明zynq芯片的ps端实现跟上位机进行通讯，并根据上位机地配置信息实时对pl端中各模块地参数配置，同时采集位置数及状态监控数据进行打包、存储、传输，zynq芯片的pl端具有扩展性强，逻辑实现效率高，实时性强的特点，通过把模块进行参数化配置，当需要对编码器接口、输入输出接口、脉冲产生逻辑进行改动的时候，只需要通过上位机发送对应的指令给zynq的ps端即可，这极大地提高了技术人员调试与测试效率。此外由于采用硬件直接对编码器进行解码的方式实现了位置数据的实时采集，可极大提高同步脉冲产生的时间精度和效率。
附图说明
[0014]
图1为本实用新型的整体框图；
[0015]
图2为本实用新型zynq芯片的连接框图；
[0016]
图3为本实用新型zynq芯片与编码器控制单元的连接框图；
[0017]
图4为本实用新型zynq芯片与脉冲io单元的连接框图；
[0018]
图5为本实用新型供电单元的原理框图；
[0019]
图6为本实用新型工作的流程图。
具体实施方式
[0020]
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0021]
参见图1-2，一种基于zynq7020的光束线扫描同步控制装置，包括zynq芯片、至少一个编码器控制单元、至少一个脉冲io单元、设备监控单元。其中，zynq芯片型号为xc7z020-2clg400，外接主要元器件为ddr3、qspi-flash、usb串口、sd卡、以太网phy。zynq芯
片包含ps端和pl端，ps端和pl端之间通过axi总线互连；pl端与编码器控制单元、脉冲io单元、设备监控单元通过电信号互联，提供基本输入输出控制；ps端网络接收外部的上位机发送的脉冲同步控制参数和数据采集要求，将位置数据上传上位机。
[0022]
如图3所示，编码器控制单元包括输入控制模块与输出控制模块，输入控制模块用于接收外部位置编码器的信号，根据不同的跳线设置识别输入编码器的类型进行外部端口的配置，接收外部端口的编码波形信号进行电平转换后输出至zynq芯片的pl端；输出控制模块用于根据跳线设置识别输出编码协议配置外部输出端口，接收zynq芯片的pl端输出的波形数据进行电平转换后输出至外部端口。
[0023]
具体地，输入控制模块包括74hc153d芯片以及多个sn75lbc175a芯片，输出控制模块包括74hc153d芯片以及多个max3485eesa芯片。其中74hc153d芯片用于与zynq芯片的pl端连接并接收zypq芯片发送的控制信号，从而对输入输出信号选择。sn75lbc175a芯片用于接收外部输入的差分编码信号，将其转换为单端信号并输出到zynq芯片。max3485eesa芯片用于接收zynq芯片的单端信号并转换为编码信号输出到外部。
[0024]
zynq芯片的pl端包括有编码器控制模块、脉冲产生模块、接口配置模块以及设备监控模块，ps端包括有位置采集模块、脉冲配置模块以及通讯控制模块，其中上位机与通讯控制模块连接。
[0025]
pl端的编码器控制模块用于跟编码器控制单元通讯，提供编码器控制单元控制信号、采集编码器波形数据解码得到位置数据；编码器控制模块同时可以根据位置数据产生编码信号送至编码器，此功能可用于编码器之间的级联及编码器控制模块的环路测试。
[0026]
如图4所示，脉冲io单元用于对外输入和输出同步脉冲，具体包括信号转换配置模块、输入转换模块以及输出转换模块。信号转换配置模块采用sn74lvc16t245pw进行ttl信号电平转换，根据zynq芯片发送的方向信号(dir)将ttl信号配置为输入或输出。当配置为输入状态时，输入转换模块将外部输入的单端或差分形式的脉冲信号进行电平转换后发送到zynq芯片的pl端，具体地，输入转换模块的芯片型号为fin1028mx，根据跳线设置将5v或者3.3v的ttl输入转换成3.3v的ttl送给zynq芯片。当配置为输出状态时，输出转换模块接收zynq芯片的pl端发送的脉冲信号，进行电平转换后对外输出单端或差分形式的脉冲，具体地，输出转换模块的芯片型号为fin1028mx，vccb根据跳线设置将zynq芯片接收到的3.3v的ttl转换成5v或者3.3v的ttl输出。
[0027]
脉冲产生模块用于与脉冲io单元通讯，提供脉冲io单元控制信号、采集脉冲io的输入脉冲信号；脉冲产生模块可以根据上位机的脉冲控制的需求，配置同步脉冲产生脉冲数、脉冲宽度、脉冲频率、脉冲触发条件等参数，对pl端的逻辑进行动态配置，产生脉冲信号输出至脉冲io单元。
[0028]
设备监控单元用于采集设备内各类工作电压的状态以及风扇转速和温度数据，通过iic或者spi总线跟zynq芯片的pl端相连接。设备监控单元采用电压监测芯片ltc2991对内部的24v、5v、3.3v、1.8v电压进行监控，并通过iic总线跟zynq芯片相连接；采用lm75aim作为温度传感器进行温度监测，通过iic总线跟zynq芯片相连接；风扇转速信号通过分压后送至zynq芯片，用于进行风扇的转速监测。
[0029]
接口配置模块用于接收ps端通过axi总线发送的控制需求和数据采集需要，对编码器控制模块和脉冲产生模块提供接口配置参数控制，收集编码器控制模块的位置数据和
设备监控模块的监控数据，进行数据打包通过axi总线送给ps端。ps端的位置采集模块采集pl端采集的位置数据进行数据进一步打包，将数据发送给通讯控制模块。通讯控制模块通过以太网络芯片对外和上位机通讯，接收上位机的控制指令，将采集的数据上传至上位机。
[0030]
上述zynq芯片、编码器控制单元、脉冲io单元以及设备监控单元均通过供电单元供电。供电单元接收外部直流电压输入，输出电压供其他单元使用，电源工作状态通过设备监控单元监测。
[0031]
如图5所示，供电单元包括第一dc/dc模块、第二dc/dc模块、第三dc/dc模块、第四dc/dc模块以及ldo模块。其中，第一dc/dc模块的芯片信号可以配置为lmt4613，其输入端与外部直流电源端连接，接收24v电源输入，输出端输出第二电压输出信号，将24v转为5v输出。第二dc/dc模块的芯片型号可以配置为tps62135，其输入端与第二电压输出信号连接，输出端输出第三电压输出信号，将5v转成3.3v输出。ldo模块的芯片型号可以配置为ams1117-1.8，其输入端与第三电压输出信号连接，输出端输出第四电压输出信号，将3.3v转成1.8v输出。第三dc/dc模块的芯片型号可以配置为mp2145，其输入端与第二电压输出信号连接，输出端输出第五电压输出信号，将5v转成1.0v输出。第四dc/dc模块的芯片型号可以配置为mp2145，其输入端与第二电压输出信号连接，输出端输出第六电压输出信号，将5v转成1.5v输出。
[0032]
如图6所示，光束线扫描同步控制装置的工作流程包括以下步骤：
[0033]
(1)装置上电自检；在上电之后，装置从sd卡上加载软固件程序，随后对软硬件状态检查，zynq的ps侧实时读取设备监控单元的信息，通过本地提供的tcp服务将信息发送至上位机客户端，自检作为独立线程，在设备上电后一直运行，以便对设备状态进行实时的监控；
[0034]
(2)判断是否更新配置参数；ps端监测用户操作，根据上位机指令判断是否要进行配置参数的更新，如果需要进行更新参数则进入步骤(4)，不需要更新则进入步骤(3)
[0035]
(3)读取上次配置信息；ps端读取最后一次有效配置参数，更新为当前工作参数；
[0036]
(4)更新配置参数；装置根据上位机配置的参数，分别进行编码器配置、脉冲参数配置操作
[0037]
(5)执行脉冲产生逻辑；zynq的pl侧根据脉冲配置模块的参数，自动捕获脉冲产生条件，产生同步脉冲；
[0038]
(6)记录位置数据；zynq的pl侧根据位置获取的配置参数，同步解码编码器数据，并通过dma方式发送给ps端的位置采集模块；
[0039]
(7)数据发送；将步骤(5)处理的位置数据通过ps端的通讯控制模块传至上位机；
[0040]
(8)通知完成；全部脉冲产生完成，通知上位机完成扫描。
[0041]
虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
[0042]
故以上所述仅为本技术的较佳实施例，并非用来限定本技术的实施范围；即凡依本技术的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本技术权利要求的保护范围。

技术特征：
1.一种基于zynq7020的光束线扫描同步控制装置，其特征在于，包括zynq芯片、至少一个编码器控制单元、至少一个脉冲io单元、设备监控单元，所述zynq芯片的pl端与ps端通过axi总线互连，zynq芯片的ps端连接上位机，pl端包括有编码器控制模块、脉冲产生模块、接口配置模块以及设备监控模块，所述编码器控制模块与脉冲产生模块均连接有所述接口配置模块，所述编码器控制单元与编码器控制模块连接，脉冲io单元与脉冲发生模块连接，设备监控单元与设备监控模块连接。2.根据权利要求1所述的一种基于zynq7020的光束线扫描同步控制装置，其特征在于，所述zynq芯片的型号为xc7z020。3.根据权利要求1或2所述的一种基于zynq7020的光束线扫描同步控制装置，其特征在于，所述脉冲io单元包括信号转换配置模块、输入转换模块以及输出转换模块；所述信号转换配置模块用于根据zynq芯片发送的方向信号将ttl信号配置为输入或输出；所述输入转换模块用于在信号转换配置模块将ttl信号电平配置为输入时，将外部输入的脉冲进行电平转换后发送到所述zynq芯片的pl端；所述输出转换模块用于在信号转换配置模块将ttl信号电平配置为输出时，接收zynq芯片的pl端发送的脉冲信号，进行电平转换后对外输出脉冲。4.根据权利要求3所述的一种基于zynq7020的光束线扫描同步控制装置，其特征在于，所述信号转换配置模块的芯片型号为sn74lvc16t245pw，输入转换模块的芯片型号为fin1028mx，输出转换模块的芯片型号为fin1028mx。5.根据权利要求1所述的一种基于zynq7020的光束线扫描同步控制装置，其特征在于，所述编码器控制单元包括输入控制模块与输出控制模块，所述输入控制模块、输出控制模块分别与zynq芯片的pl端连接并接收zypq芯片发送的控制信号，所述输入控制模块用于根据控制信号将外部输入的差分编码信号转换为单端信号并输出到zynq芯片，所述输出控制模块用于接收zynq芯片的单端信号并转换为编码信号输出到外部。6.根据权利要求1所述的一种基于zynq7020的光束线扫描同步控制装置，其特征在于，所述编码器控制单元、脉冲io单元、设备监控单元及zynq芯片均通过供电单元供电，所述供电单元包括第一dc/dc模块、第二dc/dc模块、第三dc/dc模块、第四dc/dc模块以及ldo模块，所述第一dc/dc模块的输入端与外部直流电源端连接，输出端输出第二电压输出信号；所述第二dc/dc模块的输入端与第二电压输出信号连接，输出端输出第三电压输出信号；所述ldo模块的输入端与所述第三电压输出信号连接，输出端输出第四电压输出信号；所述第三dc/dc模块的输入端与第二电压输出信号连接，输出端输出第五电压输出信号；所述第四dc/dc模块的输入端与第二电压输出信号连接，输出端输出第六电压输出信号。7.根据权利要求6所述的一种基于zynq7020的光束线扫描同步控制装置，其特征在于，所述第一dc/dc模块的芯片配置为lmt4613，第二dc/dc模块的芯片配置为tps62135，第三、第四dc/dc模块的芯片配置为mp2145；ldo模块的芯片配置为ams1117-1.8。

技术总结
本实用新型公开了光束线站领域的一种基于ZYNQ7020的光束线扫描同步控制装置，包括包括ZYNQ芯片、至少一个编码器控制单元、至少一个脉冲IO单元、设备监控单元，所述ZYNQ芯片的PL端与PS端通过AXI总线互连，ZYNQ芯片的PS端连接上位机，PL端包括有编码器控制模块、脉冲产生模块、接口配置模块以及设备监控模块，所述编码器控制模块与脉冲产生模块均连接有所述接口配置模块，所述编码器控制单元与编码器控制模块连接，脉冲IO单元与脉冲发生模块连接，设备监控单元与设备监控模块连接。本实用新型极大地提高了技术人员调试与测试效率，还可提高同步脉冲产生的时间精度和效率。可提高同步脉冲产生的时间精度和效率。可提高同步脉冲产生的时间精度和效率。


技术研发人员：陈留国 张天哲 刘功发
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：2023.03.29
技术公布日：2023/9/1