基于ZYNQSoC的多轴运动控制系统资料
XILINX Zynq UltraScale+ MPSoC 数据手册概述(中文)
Zynq UltraScale+ MPSoC 数据手册概述一般说明Zynq®UltraScale+™MPSoC系列基于Xilinx®UltraScale™MPSoC架构。
该系列产品集成了功能丰富的64位四核或双核Arm®Cortex™-A53和基于双核Arm Cortex-R5的处理系统（PS）和Xilinx可编程逻辑（PL）UltraScale架构在单个器件中。
还包括片上存储器，多端口外部存储器接口和丰富的外设连接接口。
处理系统（PS）基于Arm Cortex-A53的应用处理单元（APU）•四核或双核•CPU频率：高达1.5GHz•可扩展的缓存一致性•Armv8-A架构o 64位或32位操作模式o TrustZone安全性o 64位模式下的A64指令集，A32 / T32指令设置为32位模式•NEON Advanced SIMD媒体处理引擎•单/双精度浮点单元（FPU）•CoreSight™和嵌入式跟踪宏单元（ETM）•加速器一致性端口（ACP）•AXI一致性扩展（ACE）•每个处理器内核的电源岛门控•定时器和中断o Arm通用定时器支持o两个系统级三重计时器计数器o一个看门狗定时器o一个全局系统计时器•缓存o 32KB 1级，2路组关联指令缓存，带奇偶校验（每个CPU独立）o 32KB 1级，4路组关联数据缓存，带ECC（独立于每个CPU）o带有ECC的1MB 16路组关联2级缓存（在CPU之间共享）基于双核Arm Cortex-R5实时处理单元（RPU）•CPU频率：高达600MHz•Armv7-R架构o A32 / T32指令集•单/双精度浮点单元（FPU）•CoreSight™和嵌入式跟踪宏单元（ETM）•锁步或独立操作•定时器和中断：o一个看门狗定时器o两个三重计时器计数器•缓存和紧耦合存储器（TCM）o 32KB 1级，4路组关联指令和带ECC的数据缓存（每个CPU独立）o带有ECC的128KB TCM（独立于每个CPU），可以在锁步模式下组合成256KB片上存储器•带有ECC的PS中的256KB片上RAM （OCM）•带有ECC的高达36Mb片上RAM （UltraRAM）•带有ECC的PL高达35Mb片上RAM （Block RAM）•PL中高达11Mb的片上RAM（分布式RAM）基于ARM Mali-400的GPU•支持OpenGL ES 1.1和2.0•支持OpenVG 1.1•GPU频率：高达667MHz•单几何处理器，两个像素处理器•像素填充率：2 Mpixels / sec / MHz•三角速率：0.11 Mtriangles / sec / MHz•64KB二级高速缓存•电力岛门控外部存储器接口•多协议动态内存控制器•DDR4，DDR3，DDR3L或LPDDR3存储器的32位或64位接口，以及32位LPDDR4内存的接口•64位和32位模式下的ECC支持•使用单列或双列8位，16位或32位宽存储器，最多32GB的地址空间•静态存储器接口o eMMC4.51托管NAND闪存支持o ONFI3.1具有24位ECC的NAND闪存o 1位SPI，2位SPI，4位SPI（Quad-SPI）或2个Quad-SPI（8位）串行NOR闪存8通道DMA控制器•两个DMA控制器，每个8通道•内存到内存，内存到外设，外设到内存和分散- 收集事务支持串行收发器•四个专用PS-GTR接收器和发送器支持高达6.0Gb/ s的数据速率o支持SGMII三速以太网PCIExpress®Gen2，串行ATA（SATA），USB3.0和DisplayPort专用I / O外设和接口•PCI Express - 符合PCIe®2.1基本规范o根复合体和端点配置Gen1或Gen2速率下的x1，x2和x4•SATA主机o SATA规范3.1版修订的1.5,3.0和6.0Gb / s数据速率o最多支持两个频道•DisplayPort控制器o速率高达5.4Gb / so最多两个TX通道（无RX支持）专用I / O外设和接口•PCI Express - 符合PCIe®2.1基本规范o根复合体和端点配置Gen1或Gen2速率下的x1，x2和x4•SATA主机o SATA规范3.1版修订的1.5,3.0和6.0Gb / s数据速率o最多支持两个频道•DisplayPort控制器o速率高达5.4Gb / so最多两个TX通道（无RX支持）•四个10/100/1000三速以太网MAC外设，支持IEEE Std 802.3和IEEE Std 1588 2.0版o Scatter-gather DMA功能o识别IEEE Std 1588 rev.2 PTP帧o GMII，RGMII和SGMII接口o巨型帧•两个USB 3.0 / 2.0设备，主机或OTG外围设备，每个外围设备最多支持12个端点o USB 3.0 / 2.0兼容设备IP核o超高速，高速，全速和低速模式o符合英特尔XHCI标准的USB主机•两个完全符合CAN 2.0B标准的CAN总线接口o符合CAN 2.0-A和CAN 2.0-B和ISO 118981-1标准•两个兼容SD / SDIO 2.0 / eMMC4.51的控制器•两个全双工SPI端口，具有三个外设芯片选择•两个高速UART（最高1Mb / s）•两个主从I2C接口•多达78个灵活多路复用I / O（MIO）（最多三组26个I / O），用于外设引脚分配•连接到PL的多达96个EMIO（最多三组32个I / O）互联•PS内和PS与PL之间的高带宽连接•ArmAMBA®AXI4为基础•QoS支持延迟和带宽控制•高速缓存一致性互连（CCI）系统内存管理•系统内存管理单元（SMMU）•Xilinx存储器保护单元（XMPU）平台管理单元•电源门PS外围设备，电源岛和电源域•时钟门PS外设用户固件选项配置和安全单元•Boots PS并配置PL•支持安全和非安全启动模式PS中的系统监视器•片内电压和温度检测可编程逻辑（PL）可配置逻辑块（CLB）•查找表（LUT）•触发器•可级联加法器36Kb Block RAM•真正的双端口•最大72位宽•可配置为双18KbUltraRAM•288Kb双端口•72位宽•错误检查和纠正DSP模块•27 x 18签名乘法•48位加法器/累加器•27位预加法器可编程I / O块•支持LVCMOS，LVDS和SSTL •1.0V至3.3V I / O.•可编程I / O延迟和SerDesJTAG边界扫描•IEEE Std 1149.1兼容测试接口PCI Express•支持Root complex和End Point配置•支持最高Gen3速度•选择设备中最多五个集成块100G以太网MAC / PCS•符合IEEE Std 802.3标准•CAUI-10（10x 10.3125Gb / s）或CAUI-4（4x 25.78125Gb / s）•CAUI-4配置中的RSFEC（IEEE Std 802.3bj）•选定设备中最多有四个集成块Interlaken•符合Interlaken规范1.2•64/67编码•12 x 12.5Gb / s或6 x 25Gb / s•选定设备中最多有四个集成块视频编码器/解码器（VCU）•适用于EV设备•可从PS或PL访问•同时编码和解码•支持H.264和H.265PL中的系统监视器•片内电压和温度检测•10位200KSPS ADC，最多17个外部输入功能摘要Zynq UltraScale + MPSoCsZynq UltraScale + MPSoC是一款全面的器件系列，提供单芯片，所有可编程异构多处理器，为设计人员提供软件，硬件，互连，电源，安全性和I / O可编程性。
zynq原理
zynq原理
Zynq是一款由Xilinx开发的可编程逻辑器件（FPGA）和ARM处理器（通常是Cortex-A9）集成在一起的系统级芯片（SoC）。
Zynq芯片结合了可编程逻辑的灵活性和ARM处理器的处理能力，使得它可以用于各种应用领域，包括通信、工业控制、嵌入式视觉等。
Zynq芯片采用了一种称为Programmable System Integration（PSI）的架构，该架构将FPGA和ARM处理器集成在一起，通过高速片内总线（AXI总线）进行通信。
Zynq芯片的主要组成部分是可编程逻辑部分和处理器系统部分。
可编程逻辑部分由Xilinx FPGA实现，可以根据用户的需求进行配置和重构。
处理器系统部分包括ARM Cortex-A9处理器、存储器控制器、高速IO接口等。
ARM Cortex-A9处理器是Zynq芯片的主处理器，它具有高性能和低功耗的特点。
它可以运行各种操作系统，如Linux和RTOS，提供强大的处理能力和丰富的软件支持。
Zynq芯片还包括一些外设接口，如以太网接口、USB接口、SD卡接口等，以便与外部设备进行通信和数据交换。
Zynq芯片的设计和开发可以使用Xilinx提供的开发工具套件，如Vivado 和SDSoC。
这些工具提供了完整的设计流程，包括硬件设计、软件开发和系统集成，使开发人员能够快速、高效地开发基于Zynq的应用系统。
zynq 方案
zynq 方案概述：Zynq 方案是一种采用 Xilinx 公司的 Zynq 系列 SoC（片上系统）的嵌入式硬件和软件设计解决方案。
该方案将硬件和软件结合在一个芯片上，既可运行实时的嵌入式应用程序，又可支持高级的硬件加速和可编程逻辑设计。
一、Zynq 架构Zynq 架构是由 ARM 处理器和 FPGA（现场可编程门阵列）组合而成的。
它结合了 ARM 处理器的灵活性和高性能以及 FPGA 的可编程性和并行计算能力。
1. ARM 处理器Zynq SoC 集成了 ARM Cortex-A9 处理器，它是一种高性能、低功耗的处理器，具有多级缓存和 NEON SIMD（单指令多数据流扩展指令集）加速器，可用于处理复杂的控制和实时任务。
2. FPGAZynq SoC 中的 FPGA 部分是 Xilinx 公司的 Artix 或 Kintex FPGA。
它具有灵活的可编程逻辑资源，可根据需求实现不同的硬件功能，如数字信号处理、图像处理和网络加速等。
二、Zynq 方案的应用领域Zynq 方案在各行各业的嵌入式系统设计中有广泛的应用，包括但不限于：1. 通信与网络Zynq 方案广泛应用于通信和网络设备中，例如高性能路由器、光纤通信系统和无线基站。
其高度集成的特性和灵活的可编程性，使得设备可以满足不断变化的通信标准和需求。
2. 工业自动化Zynq 方案在工业自动化领域中发挥着重要作用，包括控制器、工厂自动化、机器视觉和运动控制系统等。
其硬件加速和实时性能使得工业设备能够高效地执行复杂的控制和监控任务。
3. 汽车电子Zynq 方案在汽车电子领域具有广泛的应用，包括车载信息娱乐系统、驾驶员辅助系统和汽车网络。
其高度自定义的硬件加速和嵌入式处理器的结合，能够提供更高的性能和更低的功耗。
4. 医疗设备Zynq 方案在医疗设备中被广泛使用，例如医疗成像、医疗监测和生命支持系统。
其灵活性和可编程性使得设备可以适应不同类型的医疗需求和算法。
《面向ZYNQ嵌入式平台的EtherCAT通信协议栈设计与实现》
《面向ZYNQ嵌入式平台的EtherCAT通信协议栈设计与实现》一、引言随着工业自动化和智能制造的快速发展，EtherCAT （Ethernet for Control Automation Technology）通信协议以其高速、实时、高效率的特性，在嵌入式系统领域得到了广泛应用。
ZYNQ嵌入式平台作为一款高性能、低功耗的SoC（System on a Chip）芯片，为EtherCAT通信协议的实现提供了理想的硬件基础。
本文将详细介绍面向ZYNQ嵌入式平台的EtherCAT通信协议栈的设计与实现。
二、EtherCAT通信协议概述EtherCAT是一种基于以太网的实时通信协议，主要用于工业自动化控制领域。
它通过优化数据传输和同步机制，实现了高速、实时、高效率的通信。
EtherCAT协议栈包括物理层、数据链路层、网络层和应用层等多个层次，其中物理层和数据链路层由硬件实现，应用层则由软件实现。
三、ZYNQ嵌入式平台简介ZYNQ嵌入式平台是一款基于Xilinx FPGA和ARM Cortex-A9处理器的SoC芯片，具有高性能、低功耗、可扩展等优点。
其硬件架构包括可编程逻辑（FPGA）和处理器系统（PS），为EtherCAT通信协议的实现提供了良好的硬件基础。
四、EtherCAT通信协议栈设计在ZYNQ嵌入式平台上实现EtherCAT通信协议栈，需要从硬件和软件两个方面进行设计。
1. 硬件设计：（1）选择合适的以太网控制器芯片，与ZYNQ嵌入式平台的处理器系统（PS）进行连接，实现物理层和数据链路层的通信。
（2）设计可编程逻辑（FPGA）电路，实现EtherCAT协议的编码和解码功能。
2. 软件设计：（1）设计应用层软件，实现EtherCAT协议的报文处理、数据传输和同步等功能。
（2）设计驱动程序，与硬件进行交互，实现数据的收发和通信功能的控制。
五、EtherCAT通信协议栈实现在实现EtherCAT通信协议栈时，需要遵循以下步骤：1. 配置以太网控制器芯片的参数，如IP地址、子网掩码等，建立与ZYNQ嵌入式平台的连接。
基于ZYNQ SoC的多轴运动控制系统
OpenHW12项目申请基于ZYNQ SoC的多轴运动控制系统安富利特别题目基于Zynq平台的伺服控制或运动控制系统项目成员：顾强牛盼情孙佳将马浩华中科技大学二〇一二年十一月目录1项目概述 (1)1.1工业应用 (1)1.2系统方案 (3)2工作原理介绍 (6)3项目系统框架图 (8)3.1ZYNQ硬件系统框架图 (8)3.2软件系统框架图 (9)3.3多轴控制器实现 (10)4项目设计预计效果 (11)5附录一：项目技术基础 (13)5.1软硬件协同设计架构 (13)5.2软件设计 (14)5.3总结 (16)6附录二：ZYNQ基础 (16)1项目概述1.1 工业应用运动控制系统广泛应用于工业自动化领域，包括机器人手臂、装配生产线、起重设备、数控加工机床等等。
并且随着高性能永磁材料的发展、电力电子技术的发展以及大规模集成电路和计算机技术的发展使得永磁同步电机（PMSM，Permanent Magnet Synchronous Motor）控制系统的设计开发难度降低、成本降低，同时PMSM在运动控制系统中作为执行器件的应用也越来越广泛。
大量运动控制器的设计与实现都是基于通用嵌入式处理器。
在此基础上，很多学者和研究人员对运动控制系统进行了大量的研究。
多轴控制的发展是为了满足工业机器人、工业传动等应用需求。
其主要包括两大方面，多轴串联控制和多轴同步控制。
当系统负载较大、传动精度要求很高、运行环境比较复杂的情况下，经常使用多轴串联的方式来解决，如图1.1所示。
（1）双电机齿条传动（2）NASA 70-m天线设备图1.1 多轴串联控制系统应用多轴串联控制器可以实现包括多轴力矩动态分配、传动补偿校正、多轴位置/速度同步等功能。
其主要应用场合包括立式车床回转台、复合车床对向主轴、龙门起重设备。
当前，主要驱动设备厂商都推出有支持多轴串联功能的产品。
例如Rockwell 1336 IMPACT AC Drive，其采用主从控制方案实现多轴串联功能。
Zynq SoC多处理器的两个ARMA9内核的通信与存储
Zynq SoC多处理器的两个ARMA9内核的通信与存
储
利用赛灵思Zynq SoC 上的两个ARM A9 内核可以显着提高您的系统性能。
赛灵思Zynq®-7000 全可编程SoC 的众多优势之一就是拥有两个ARM® Cortex ™ -A9板载处理器。
不过，很多裸机应用和更为简单的操作系统只使用Zynq SoC 处理系统（PS）中两个ARM 内核中的一个，这种设计方案可能会限制系统性能。
根据所开发的应用类型不同，可能需要这两个处理器都运行裸机应用，或者需要在每个处理器上运行不同的操作系统。
例如，其中一个处理器执行关键计算任务，从而运行裸机/RTOS 应用，同时第二个处理器通过Linux 提供HMI 和通信功能。
什幺是多处理？
这两种方案都属于多处理。
简单定义：多处理就是在一个系统中使用一个以上的处理器。
多处理架构可允许一次执行多个指令，但并非必须如此。
基于zynq处理器的实时飞控导航系统及方法
基于zynq处理器的实时飞控导航系统及方法一、引言在当今飞控导航系统领域，基于Zynq处理器的实时飞控导航系统及方法正逐渐受到更多关注。
Zynq处理器作为一种嵌入式处理器，在飞行控制系统中展现出了许多优势。
本文将深入探讨基于Zynq处理器的实时飞控导航系统及方法，包括其原理、设计、应用和未来发展方向。
二、Zynq处理器简介1. Zynq处理器概述Zynq处理器是由赛灵思（Xilinx）公司推出的一种嵌入式处理器，它集成了ARM处理器和可编程逻辑器件（PL）。
这种特殊的结构使得Zynq处理器在飞行控制系统中具有较高的灵活性和性能。
2. Zynq处理器的特点Zynq处理器具有低功耗、高性能、可编程性强等特点，这使得它在实时飞控导航系统中得到了广泛应用。
Zynq处理器还支持多种通信接口和数据处理能力，为飞控导航系统提供了良好的硬件基础。
三、实时飞控导航系统原理1. 飞控导航系统概述实时飞控导航系统是指能够在飞行过程中实时获取飞行姿态、位置信息，并实现飞行轨迹的控制系统。
它通常包括传感器采集、数据处理、控制算法等多个模块。
2. 基于Zynq处理器的实时飞控导航系统基于Zynq处理器的实时飞控导航系统利用Zynq处理器的强大计算能力和灵活性，将传感器采集的数据实时传输至处理器进行处理，并通过控制算法实现对飞行器的准确控制和导航。
四、设计与应用1. 实时飞控导航系统设计实时飞控导航系统的设计包括硬件设计和软件设计两部分。
在硬件设计中，Zynq处理器作为核心部件，与传感器、通信模块等硬件设备进行接口连接。
在软件设计中，应用开发人员利用Zynq处理器的可编程特性，编写控制算法和数据处理程序。
2. 实时飞控导航系统应用实时飞控导航系统广泛应用于各类飞行器中，包括民用和军用无人机、航空器等。
通过基于Zynq处理器的实时飞控导航系统，飞行器能够实现更加精准和安全的飞行控制和导航。
五、未来发展方向基于Zynq处理器的实时飞控导航系统在未来将呈现出更多的发展方向。
赛灵思 Zynq器件要点
找PFGA上赛灵思半导体（深圳）赛灵思Zynq器件要点目前赛灵思zynq器件刮起了一阵SoC风，正在全国如火如荼的推行。
Zynq-7000 系列处理基于赛灵思的可扩展处理平台Extensible ProcessingPlatform，EPP）结构，该结构在单芯片内集成了基于具有丰富特点的双核ARMCortex-A9 MPCore 多核处理器的处理系统（Processing System，PS）和赛灵思可编程逻辑（Programmable Logic，PL）。
其中，Cortex-A9 双核处理器是整个架构的核心，外部存储器接口、及丰富的外设资源（PL可看做完全可编程的外设）都挂载在ARM上。
1 ZYNQ 处理器概述从Zynq 处理器的结构框图（图1-1）可以看到PS位于整个架构的核心，PL 通过各数据互联接口与PS进行交互。
1.1 处理器系统（PS）处理器系统主要由应用处理单元（APU）、通用外设、时钟复位系统及互联接口构成。
1.1.1 应用处理单元（APU）应用处理单元（APU）包括：（1）两个独立的ARM Cortex-A9（ARMv7）处理器内核与两个Neon 协处理器，他们共享512KB 的L2 缓存。
各处理的L1 级缓存是独立的，因此两个处理器可以单独运行各自的任务。
Neon技术主要用于加速多媒体和信号处理算法（如视频编解码、3D图形、图像处理技术、游戏加速等），Neon可认为是128bit矢量DSP，可执行打包的SIMD 指令，最高支持64bit单精度浮点运算。
（2）8 通道DMA 控制器。
64bit位宽，支持M-toM，其中四个通道支持PL请求。
（3）L1 和L2 级Cache。
512KB L2 级Cache为两个处理器共有，32KB D-Cache 和I-Cache 为每个处理器私有。
（4）GIC（Generic Interrupt Controller）。
管理95 中断信号，需要注意的是，PL-PS 的中断有对应各自处理器的快速中断和普通的F2P IRQ。
Zynq-7000 All Programmable SoC工业自动化方案
Ｐ ｒ ｏ ｇ ｒ ａ ｍ ｍ ａ ｂ ｌ ｅ解 决 方 案 ，以应 对 高 赛 灵 思 与其 联 盟 汁 划 成 员 ＱＤＥ Ｓ ＹＳ 以太 网套件结 合使 用 ，开发 出业 界一
级 运 动 控 制 、实 时 工 业 网 络 、机 器 公 司 提 供 了 基 于 Ｚ ｙ ｎ ｑ ． ７ ０ ０ ０ Ａｌ ｌ 流的双 核锁步 马达控 制应 用的企 业 。 视 觉 以及 其 他 新 一 代 工 业 自动 化 应 Ｐ ｒ ｏ ｇ ｒ ａ ｍｍａ ｂ ｌ ｅ Ｓ ｏ Ｃ智能 驱动 平 台 的 该 应 用 将 帮 助 设 计 者 实 现 其 系 统 的 用 的 挑 战。 赛 灵 思 以 Ｚ ｙ ｎ ｑ － ７ ０ ０ ０ Ａｌ 高性能运 动控 制应用 ，可 以实 现千 兆 Ｉ ｌ Ｅ Ｃ６ １ ５ ０ ８功能安全认证 。
随 着设 备综合效 率 （ ＯＥ Ｅ）的 模 型 （ Ｃ ＯＭ）接 口的支持下 ，设计 人 计 ，可加 速工业 嵌入式 控制 系统 的设 不 断提 高 ，工业 自动化 市场需 要实现 员能对运动系统进行深入分析和控制 ， 计与 实现进程 。该平 台非常适 合要 求 Ｓ Ｐ解决方 案而 言实 单芯 片高性能 马达控 制和 工业 网络功 更高生产 力 ，降低总拥 有成本 ，同时 相对于传 统 的 ＡＳ 还 需要提 高安 全性和 系统功 能 。要满 现了性能的提 升。 足上述 要求 ，系统 的计 算性能 必须 更 能的设 计。赛灵思提 供 Ｚ ｙ ｎ ｑ － ７ ０ ０ ０ Ａ ｌ ｌ
Ｐ ｒ ｏ ｇ ｒ ａ ｍｍａ ｂ ｌ ｅ Ｓ ｏ Ｃ为 核 心 的系统 开 位 以太 网紧密 集成 网络 、采用 创新型
赛 灵 思 与 其 联 盟 成 员共 同 推 出
发软 ／ 硬 件技 术 ，不 仅能 加 速设 计生 低 Ｅ ＭＩ 功率调制 方案 的高级 马达和运 的 新 Ｚ ｙ ｎ ｑ 一 ７ ０ ０ ０ Ａｌ ｌ Ｐ ｏｇ ｒ ｒ ａ ｍｍａ ｂ ｌ ｅ 产 力 ，同时还 可通 过单 芯片系统 集成 动控制 。在面 向 Ｗｉ ｎ ｄ ｏ ｗｓ 应用 的图形 Ｓ ｏ Ｃ智能驱 动器平 台提供 了必要 的硬 提升 系统 的性能和安全性 。 用户 界面 （ ＧＵ Ｉ ）和 强大 的组 件 对 象 件 、设计 工具 、马达 、Ｉ Ｐ核和 参考 设
zynq原理 gpio
zynq原理gpioZYNQ（Zynq-7000）是一款ARM+FPGA的SoC芯片，它将ARM处理器和FPGA 集成在单个芯片中。
在ZYNQ中，GPIO（General-Purpose Input/Output）是一个非常重要的外设，它可以被配置为输入或输出模式，用于实现各种数字信号的输入/输出操作。
在ZYNQ中，GPIO被分为两部分：MIO（Multi-Purpose I/O）和EMIO（Expansion Multi-Purpose I/O）。
MIO用于连接PS（Processing System）端的引脚，而EMIO用于连接PL（Programmable Logic）端的引脚。
MIO和EMIO都可以配置为32位或16位模式，并且可以独立编程。
在ZYNQ中，MIO和EMIO的GPIO都可以通过寄存器进行配置和控制。
每个GPIO引脚都有一个对应的寄存器，用于配置引脚的模式、输出类型、输出速度等参数。
此外，通过读取GPIO寄存器的值，可以检测引脚的电平状态，从而实现对外部信号的读取。
同时，通过写入不同的值到GPIO寄存器，可以控制引脚的电平状态，实现对外围设备的控制。
在开发ZYNQ应用时，可以使用SDK（Software Development Kit）提供的库函数来操作GPIO。
这些库函数提供了方便的接口，可以方便地配置GPIO、读取引脚状态和控制引脚输出。
通过合理地使用这些库函数，可以方便地实现各种数字信号的处理和控制功能。
总之，ZYNQ的GPIO是一个强大的外设，可以实现各种数字信号的处理和控制功能。
通过合理地使用SDK提供的库函数，可以方便地实现各种应用场景下的数字信号处理和控制功能。
步进电机多轴运动控制系统的研究
步进电机多轴运动控制系统的研究1. 本文概述随着现代工业自动化和精密控制技术的快速发展，步进电机因其高精度、易于控制等特点，在多轴运动控制系统中扮演着至关重要的角色。
本文旨在深入研究步进电机在多轴运动控制系统中的应用，探讨其控制策略、系统设计及性能优化等方面的问题。
本文将概述步进电机的基本原理和工作特性，分析其在多轴运动控制中的优势。
接着，将重点探讨步进电机在多轴控制系统中的控制策略，包括开环控制和闭环控制，以及这两种控制策略在实际应用中的优缺点比较。
本文还将详细讨论多轴运动控制系统的设计与实现，包括硬件选型、软件编程及系统集成等方面。
特别关注步进电机与控制器之间的接口技术、运动控制算法的实现，以及系统在实际工作环境中的稳定性和可靠性。
本文将探讨步进电机多轴运动控制系统的性能优化方法，包括速度、精度和效率等方面的提升策略。
通过实验验证和数据分析，评估不同优化策略的实际效果，为步进电机在多轴运动控制系统中的应用提供理论指导和实践参考。
本文将从原理分析、控制策略、系统设计到性能优化等多个方面，全面深入研究步进电机在多轴运动控制系统中的应用，旨在为相关领域的研究和实践提供有益的参考和指导。
2. 步进电机原理及特性步进电机是一种特殊的电机类型，其运动不是连续的，而是按照固定的步长进行。
这种电机的特性使其非常适合需要精确控制位置和速度的应用场景。
步进电机通常被用在开环控制系统中，因为它们不需要持续的反馈信号来调整其运动。
步进电机的工作原理基于电磁学。
电机内部包含一系列电磁极，当电流通过这些电磁极时，它们会产生磁场。
这些磁场与电机内部的永磁体相互作用，产生旋转力矩，从而使电机转动。
通过控制电流的方向和顺序，可以控制电机的旋转方向和步长。
步进电机的主要特性包括其步距角、定位精度和动态性能。
步距角是电机每接收一个脉冲信号所转动的角度，这个角度通常很小，可以在5到8之间。
定位精度是指电机能够准确到达的目标位置，这主要取决于电机的制造精度和控制系统的精度。
基于Zynq SoC的EtherCAT主站设计及实现
No. 7Jul ・ 2020第7期2020年7月组合机床与自动化加工技术Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Techinnue文章编号 #1001 -2265（2020）07 -0122 -05DOI : 10.13462/j. cnki. mmtamt. 2020. 07. 028基于Zynq SoC 的EtterCAT 主站设计及实现*收稿日期#2019 -08 -24*基金项目：广东省重点领域研发计划项目（2019B090918002）;高档数控机床与基［制造装备（2018ZX04006001 - 010）作者简介:马平（1968-），男，湖南汨罗人，广东工业大学教授，博士，研究方向为高速数控机床关键技术、超精密驱动进给技术，（E-mail ） pingma@gdue edu. cn ;通讯作者:苏攀杰（1994—）,男，广东湛江人，广东工业大学硕士研究生，研究方向为嵌人式系统、工业现场通信,（E- mail ） vickers_su@ 163. com#马 平1 #苏攀杰1,刘胜旺1,邓龙军2（1.广东工业大学机电工程学院，广州510006；2.广州数控设备有限公司，广州510535）摘要#为了在高端数控系统中实施高性能的Ether/AT 总线，提出了一种基于Zynq-7000 SoC 的Eth- rCAT 主站构建方案。
首先基于Zynq-7000硬件平台，运用系统模块化设计方法对Ether/AT 主站 进行总体方案规划，然后基于电子设计平台Vivado 设计主站的硬件工程，接着在CPU0上搭建Far eRTOS 操作系统，在此基础上移植了开源主站库！ SOEM-1.3.3）并对网卡驱动进行优化，最后建立了 Ether/AT 主站测试系统。
实验结果表明，该主站的周期通信时间约为40&#通信抖动为纳秒级, 具有较高的实时性和稳定性。
ZYNQSOC入门基础（二）MIO实验
ZYNQSOC入门基础（二）MIO实验1.1 GPIO简介ZYNQ7000 系列芯片有54个MIO（multiuse I/O），它们分配在ＧPIO的Bank0和NBank1 隶属于PS的部分，这些IO与PS直接相连。
不需要添加引脚约束，MIO信号对PL部分是透明的，不可见。
所以对MIO的操作可以看是对纯PS的操作。
GPIO的控制和状态寄存器的基地址为：0xE000_A000,在SDK下对软件操作底层都是对应于内存地址空间的操作。
可以看到 bank0和bank1属于MIO，一共有54个端口。
bank2和bank3属于EMIO，一共有64个端口。
Bank0：MIO[31:0]Bank1: MIO[53:32]Bank2: EMIO[31:0]Bank3: EMIO[63:32]其中Bank0有32个GPIO引脚，Bank1有22个GPIO引脚，共54个GPIO引脚直接通过MIO连接到PS上，每个引脚可以通过寄存器设置来确定该引脚为输入、输出或者中断。
因为54个MIO引脚直接连接到PS上，像其他普通ARM一样可以直接通过SDK进行编程。
Bank2和Bank3通过EMIO接口将CPU的GPIO连接到PL部分的引脚上，其中每个Bank各有32个引脚。
通过EMIO扩展的GPIO 连接到Pl上，可以在PL部分进行逻辑设计，进行特定功能的IP核定制。
然后在PS部分，想控制普通的MIO一样进行编程。
ui那次，使用EMIO引脚必须通过Block Dedign 金总设计，然后再PS部分使用SDK进行编程控制1.2 MIO内部构造分析DATA_R0: DATA_R0 寄存器是读取GPIO引脚值寄存器，不论该GPIO引脚配置为输入还是输出，都能正确的读取该GPIO引脚值。
如果该引脚的功能没有配置为GPIO功能，读取的值为随机值，因为该寄存器只能读取GPIO引脚值。
DATA：当GPIO引脚配置为输出时，DATA寄存器的值是要输出到GPIO引脚上的数值。
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OpenHW12项目申请基于ZYNQ SoC的多轴运动控制系统安富利特别题目基于Zynq平台的伺服控制或运动控制系统项目成员：顾强牛盼情孙佳将马浩华中科技大学二〇一二年十一月目录1项目概述 (1)1.1工业应用 (1)1.2系统方案 (3)2工作原理介绍 (6)3项目系统框架图 (8)3.1ZYNQ硬件系统框架图 (8)3.2软件系统框架图 (9)3.3多轴控制器实现 (10)4项目设计预计效果 (11)5附录一：项目技术基础 (13)5.1软硬件协同设计架构 (13)5.2软件设计 (14)5.3总结 (16)6附录二：ZYNQ基础 (16)1项目概述1.1 工业应用运动控制系统广泛应用于工业自动化领域，包括机器人手臂、装配生产线、起重设备、数控加工机床等等。
并且随着高性能永磁材料的发展、电力电子技术的发展以及大规模集成电路和计算机技术的发展使得永磁同步电机（PMSM，Permanent Magnet Synchronous Motor）控制系统的设计开发难度降低、成本降低，同时PMSM在运动控制系统中作为执行器件的应用也越来越广泛。
大量运动控制器的设计与实现都是基于通用嵌入式处理器。
在此基础上，很多学者和研究人员对运动控制系统进行了大量的研究。
多轴控制的发展是为了满足工业机器人、工业传动等应用需求。
其主要包括两大方面，多轴串联控制和多轴同步控制。
当系统负载较大、传动精度要求很高、运行环境比较复杂的情况下，经常使用多轴串联的方式来解决，如图1.1所示。
（1）双电机齿条传动（2）NASA 70-m天线设备图1.1 多轴串联控制系统应用多轴串联控制器可以实现包括多轴力矩动态分配、传动补偿校正、多轴位置/速度同步等功能。
其主要应用场合包括立式车床回转台、复合车床对向主轴、龙门起重设备。
当前，主要驱动设备厂商都推出有支持多轴串联功能的产品。
例如Rockwell 1336 IMPACT AC Drive，其采用主从控制方案实现多轴串联功能。
SIEMENS SINUMERIK 840D则采用交叉耦合控制（CCC, cross couple control）方案。
FANUC、ABB、Mitsubishi electric都有类似功能的驱动产品。
国内外也有众多学者进行了大量的研究。
在20世纪70年代，主从控制方案由于系统结构简单、调试方便被广泛用于这类应用中。
然而，主从控制方案未能充分发挥各单轴驱动的性能，系统带宽与响应速度十分有限。
受限于当时单轴驱动与主从控制器的性能，当系统运行在环境复杂，转速、转矩响应要求较高的场合，主从控制方案难以满足应用需求。
如何充分利用单轴运行状态，建立多轴间状态关系？如何设计控制器，对整个系统进行控制补偿，实现多轴之间的协调同步。
针对上述问题，Y. Koren于1980年提出了交叉耦合控制方案，并逐步应用于多轴串联控制系统中。
随着电机驱动技术和嵌入式技术的不断发展，交叉耦合控制方案得到了不断的完善。
多位学者针对不同应用对交叉耦合控制方案进行了深入的分析，并设计控制算法对各个轴的位置、速度、转矩信号进行补偿和协调。
所设计的交叉耦合控制器已在不同的数字处理器平台中得到实现，取得了良好的控制效果。
随着数控技术等的发展，高精度的多轴同步控制系统的发展也越来越快，需求也在逐渐增大。
例如在多轴加工机床、多轴雕刻机、贴片机手臂等系统上的应用。
在这些工业应用中，对多台电机运动控制协调的精度需求也不断增加。
上述的应用和研究方案，大多采用多个驱动单元分布式安装控制，通过工业以太网或者现场总线通信。
串联协同和同步控制的计算处理主要在上位机中完成。
这种方案灵活可靠，应用广泛，特别适合于大型分布式系统，如自动化生产线、重型机床。
然而，当以下情况发生时，上述方案的局限性就会突显出来。
（1）设备集成度较高，对驱动电路的体积有一定限制；（2）系统需采用不同通信接口的驱动设备，难以购买成套设备；（3）当设备数量和设备间通信的信息量增加时，将对系统通信模块的设计带来巨大挑战。
（4）上位机负担了大量的计算、通信和实时人机交互任务。
上位机的成本会随着系统的复杂程度不断提高。
本方案针对上述问题，依托ZYNQ SoC丰富灵活的资源配置，将单电机驱动控制算法、多轴控制算法、实时人机交互集成于ZYNQ SoC 中。
系统集成化程度得到全面的提升，配置更加灵活，可以实现不同设备间的互联。
系统设备数量成倍降低，并且可以实现分布式管理。
上位机不用负担计算任务，硬件成本进一步降低。
1.2 系统方案传统数字处理器实现多轴串联控制器的方案存在诸多限制。
交叉耦合控制器设计难度大，实现困难。
为了实现各个电机驱动间的连接，使得系统可以运用于不同的场合，系统需要匹配不同的电机驱动接口。
为了实现转矩的动态分配和传动补偿，需要实时观测各个电机的工作情况。
由于多轴同步控制器参数整定比较复杂，需要控制器拥有较强的处理计算能力，甚至可以支持在线动态参数整定。
上述这些功能的实现，需要复杂的硬件设计、强大的实时计算能力、昂贵的系统配置和较高的系统功耗。
针对上述需求，如何通过改进系统结构，采用高效的开发方法和工具实现多轴串联控制系统，具有重要的应用价值和学术研究价值。
本设计通过齿轮传动，将多台PMSM电机装配在一起，为系统提供更大的力矩输出和更高的带宽。
我们通过设计多轴串联控制系统，将不同的电机驱动连接起来，控制各个驱动器保持实时协调同步。
并且，该系统还将包括多轴串联控制器辅助调试和可视化人机交互接口等一系列功能。
我们将双轴PMSM电机共同连接在一个较大的齿轮盘上，并在齿轮中央同轴安装一台PMSM电机。
实现大齿轮盘与中间同轴电机的旋转同步。
系统实现3D效果图如下图1.3所示。
本设计拟将多轴控制系统从底层驱动至上位机人机交互等一整套完整的功能，通过分层实现的方法逐一实现PMSM驱动、驱动级协同、基于操作系统的人机交互等层次设计。
在进一步提高系统效率和通用性、降低硬件成本的基础上，保证系统的完整性，为用户调试和使用提供方便。
图1.3 系统整体测试台效果图ZED开发系统采用Xilinx Zynq-7000系列处理器。
Zynq-7000系列处理器基于Xilinx可扩展处理平台。
单片处理器拥有双核ARM Cortex- A9处理系统和28nm Xilinx 7系列可编程逻辑单元。
其可编程逻辑单元通过动态可重配置可以实现不同电机驱动接口的连接。
高速片内总线实现信息在Zynq-7000处理单元间的无缝传递。
丰富的外部设备接口保证Zynq-7000处理器对系统状态的实时观测。
Zynq-7000处理器强大的处理能力、丰富的计算手段可以实现多轴串联控制器参数的在线整定。
在此基础上，双核ARM Cortex-A9处理系统可以实现系统任务实时管理与人机交互。
相比数字信号处理器（DSP, digital signal processor）和工控机（IPC，industry personal computer），基于可编程逻辑单元的控制器可以发挥其并行处理的优势，在更短的时间实现复杂的控制算法。
这样，基于Xilinx Zynq-7000系列处理器的ZED开发系统可以实现一整套多轴同步控制系统。
从底层的多轴串联控制算法，到系统上层的人机交互与基于模型的计算机辅助调试功能，都可以在一块芯片中完成。
因此，整个系统的低功耗和电路的可复用性也可以实现。
同时，上述方案与ASIC（application-specific integrated circuit）相比，该方案通用性优势明显，且系统成本大幅度降低。
所以，采用ZED开发系统设计多轴同步控制系统，不仅对多轴控制系统的发展、推广有重要的工程应用价值。
同时，将有助于多轴控制系统的理论分析与工程设计相结合，具有学术研究价值。
与此同时，本项目将采用嵌入式软/硬件协同设计的方式进行开发，借助ZED开发系统的技术支撑，力求在开发效率、开发成本和系统性能等方面得到全面的优化。
2工作原理介绍图2.1 系统工作原理图借助于ZED开发板强大的性能和完善的设计软件，可以实现快速、高效的系统开发。
系统工作原理如图2.1所示。
前期系统模型和分析利用Matlab完成。
通过Matlab与Xilinx产品的相互支持，设计者可以快速确定控制器方案和具体实施细节，包括多轴串联控制器、多轴同步控制器、状态观测器等。
控制信号通过标准接口传递给各个电机驱动，控制各轴的运动。
各轴的实时状态也通过接口反馈到上位机，并可以传递给Matlab进行数据分析和参数调试。
针对多轴串联控制器，本设计采用交叉耦合结构，在线监测各轴工作状态，以此自适应调整各个单轴控制器和多轴控制器。
多轴串联控制器对各个单轴驱动器进行实时补偿。
并实现同步控制器协同中央电机和两个大齿轮驱动电机的协同旋转。
详细系统框图如图2.2所示。
图2.2 多轴控制系统框图3项目系统框架图3.1 ZYNQ硬件系统框架图图3.1 系统顶层设计系统设计结构图如图3.1 所示。
主要包括高密度数据处理、控制算法以及基于操作系统的人机交互和任务管理系统等。
多个电机驱动使用ZYNQ的PL逻辑部分完全实现。
ZYNQ系统框架如图3.2所示。
ARM Cortex-A9处理核心主要负责人机交互、系统通信、任务管理和部分实时控制任务。
其分别安装通用操作系统（GPOS, general purpose operating system）和实时操作系统（RTOS, real-time operating system）。
通用操作系统主要用于管理人机交互任务和系统通信，可实现本系统与上位机设备的连接。
实时操作系统主要管理系统的控制任务，合理分配系统资源。
并通过与Zynq可编程逻辑的数据交换，实现系统高速并行处理。
除此之外，本设计针对系统硬件进行了存储扩展，以提高系统的存储控制和运行速度。
并在此基础上，ZYNQ可编程逻辑单元负责大量的控制算法和信号处理计算，包括系统辨识、多轴控制算法等。
利用可重配置标准接口，系统可以实现控制不同类型的电机驱动。
图3.2 硬件系统框架图3.2 软件系统框架图本项目将采用软/硬件协同设计的方式进行开发。
项目针对系统需求进行软/硬件协同划分。
在硬件开发的同时进行软件设计与实现，并及时进行协同和调整。
详细软件系统框架如图3.3所示。
Cortex-A9 CPU1搭载Linux操作系统，主要负责信息交互与高性能处理设备扩展。
Cortex-A9 CPU2搭载TOPPERS/ASP实时操作系统，负责传感器信息采集、通用外设调度以及与ZYNQ SoC可编程逻辑单元的信息交互。
图3.3 软件系统框架3.3 多轴控制器实现控制器实现对多个电机闭环控制系统的协同，使用模糊控制器等实现多电机同步算法。
模糊控制是利用模糊数学的基本思想和理论的控制方法，由于在多轴控制之中，虽然能对各个电机建立模型，但对于多个电机之间存在耦合关系之后，模型的建立相当困难，并且控制器要求的输入变量较多，所以使用模糊数学处理该控制器较为方便。