Πώς να φτιάξετε Ernie: 11 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:32

Αυτό είναι ένα σεμινάριο για το πώς να δημιουργήσετε το Ernie, το αυτόνομο ρομπότ ήχου σας, χρησιμοποιώντας έναν πίνακα Zybo. Θα καλύψει πώς: να δημιουργήσετε ένα έργο στο Vivado, να δημιουργήσετε σερβοκινητήρες τύπου PWM στο FPGA, να διασυνδέσετε δύο αισθητήρες ήχου, να δημιουργήσετε μια χρονική διαφορά στην IP άφιξης, να χρησιμοποιήσετε το freeRTOS και να εκτελέσετε το zybo από μια μπαταρία. Αυτό ήταν το τελευταίο μας έργο για μια τάξη λειτουργικών συστημάτων πραγματικού χρόνου (CPE 439) στο Cal Poly SLO.

Λίστα εξοπλισμού:

• 1 - Πίνακας Ανάπτυξης ZYBO Zynq 7000
• 2 - Servo συνεχούς περιστροφής Parallax
• 2 - Αισθητήρας ήχου (SparkFun Sound Detector)
• 1 - 5v μπαταρία ιόντων λιθίου USB (για πλακέτα)
• 4 - Μπαταρίες AA (για servos)
• 1 - Μπαταρία AA (με 4 υποδοχές μπαταρίας)
• 1 - Καλώδιο Micro USB
• 1 - Breadboard
• πολλά - αρσενικά σε αρσενικά καλώδια
• 1 - Σέρβο σασί

Απαιτήσεις λογισμικού:

• Xilinx Vivado Design Suite 2016.2
• Digilent Adept 2.16.1

Βήμα 1: Δημιουργία έργου στο Vivado για τον Έρνι

1. Θα εμφανιστεί ένας μάγος
2. Κάντε κλικ στο Επόμενο

3. Επόμενο όνομα του έργου

   1. Ποτέ μην χρησιμοποιείτε όνομα έργου ή διαδρομή καταλόγου που έχει κενά μέσα !!!!!
   2. Αυτό θα είναι ένα έργο RTL.
4. Δεν θέλουμε να καθορίσουμε πηγές

5. Πατώντας Επόμενο, φτάνουμε στη σελίδα Μέρος. Χρησιμοποιούμε ένα ZYNQ XC7Z010-1CLG400C.

   1. Το Vivado δεν διαθέτει το Zybo ως έναν από τους προκαθορισμένους πίνακες. Επιλέξτε: "μέρη" και στη συνέχεια αναζητήστε xc7z010clg400-1.
   2. Εάν επιλέξετε λάθος μέρος κατά λάθος, μπορείτε εύκολα να αλλάξετε μάρκες: Εργαλεία -> Ρυθμίσεις έργου -> Γενικά και κάντε κλικ στις κουκκίδες στα δεξιά του "Project Device"

6. Κάντε κλικ στην επιλογή Δημιουργία σχεδίου μπλοκ.

   Ονομάστε το design_1 προς το παρόν

7. Θα δείτε μια πράσινη γραμμή που λέει Προσθήκη IP, κάντε κλικ σε αυτήν.

8. Αναζήτηση για Zynq.

   1. Κάντε διπλό κλικ στο σύστημα επεξεργασίας ZYNQ7,
   2. Αυτό το μπλοκ θα εμφανιστεί στο σχεδιασμό του μπλοκ μας.
9. Θα δείτε μια πράσινη γραμμή που γράφει Εκτέλεση αυτοματοποίησης μπλοκ, κάντε κλικ σε αυτήν.
10. Κατεβάστε το zybo_zynq_def.xml παρακάτω.

11. Στο Vivado, κάντε κλικ στην επιλογή "Εισαγωγή ρυθμίσεων XPS" και επιλέξτε "zybo_zynq_def.xml"

    Αυτό συμπληρώνει τη διαμόρφωση μπλοκ Vivado με όλες τις ενσωματωμένες περιφερειακές συσκευές και τις εκχωρήσεις καρφιτσών του Zybo

12. Κάντε διπλό κλικ στο μπλοκ ZYNQ.

    1. Διαμόρφωση MIO

       1. Ενεργοποίηση χρονοδιακόπτη 0 (στην ενότητα Επεξεργαστής εφαρμογών - img 1)
       2. Ενεργοποίηση Watchdog (στην ενότητα Επεξεργαστής εφαρμογών 1)
       3. Ενεργοποίηση GPIO-> GPIO MIO (στην ενότητα Επεξεργαστής εφαρμογών - img 2)
       4. Ενεργοποίηση GPIO-> ENET Reset (κάτω από I/O Peripherals- img 2)

    2. Διαμόρφωση ρολογιού

       Απενεργοποίηση FCLK0 (κάτω από PL Fabric Clocks - img 3)

13. Κάντε κλικ στο κουμπί Ok.

14. "Εκτέλεση αυτοματοποίησης αποκλεισμού" τώρα.

    Θα υπάρξουν κάποιες ερωτήσεις σχετικά με τα σήματα, πείτε ΟΚ

15. Κάντε κλικ στην επιλογή "Δημιουργία περιτυλίγματος HDL".

    Θα θέλουμε να αντιγράψουμε το δημιουργούμενο περιτύλιγμα για να επιτρέψουμε επεξεργασίες χρήστη

16. Κάντε κλικ στο OK.

Βήμα 2: Δημιουργία του PWM της Ernie στο Vivado

Αυτό το βήμα θα δημιουργήσει ένα PWM IP με εισόδους που αποστέλλονται μέσω της βιβλιοθήκης AXI.

1. Δημιουργήστε μπλοκ AXI GPIO κάνοντας δεξί κλικ στο φόντο και κάνοντας κλικ στην επιλογή "προσθήκη IP"

   πληκτρολογήστε "AXI_GPIO" στη γραμμή αναζήτησης και επιλέξτε αυτό το πακέτο

2. Προσαρμόστε ξανά την IP κάνοντας διπλό κλικ στο νέο μπλοκ axi_gpio_0

   1. στο GPIO, ορίστε το πλάτος GPIO στο 2. Αυτά τα δυαδικά ψηφία θα είναι το σήμα PWM_ON για την οδήγηση κάθε παρουσιαστικής μονάδας PWM.
   2. κάντε κλικ στην επιλογή "ενεργοποίηση διπλού καναλιού"
   3. στο GPIO 2, ορίστε το πλάτος GPIO στο 2. Αυτά τα δυαδικά ψηφία θα είναι το σήμα PWM_FW για να ορίσετε την κατεύθυνση κάθε παρουσιαστικής μονάδας PWM.

3. Κάντε δεξί κλικ στη θύρα εξόδου axi_gpio_0 με την ένδειξη GPIO και επιλέξτε "Make External"

   1. Κάντε κλικ στη νέα έξοδο με την ετικέτα GPIO και μεταβείτε στην καρτέλα "ιδιότητες" στην αριστερή γραμμή εργαλείων και αλλάξτε το όνομα σε PWM_ON
   2. Κάντε κλικ στη νέα έξοδο με την ετικέτα GPIO2 και μεταβείτε στην καρτέλα "ιδιότητες" στην αριστερή γραμμή εργαλείων και αλλάξτε το όνομα σε PWM_FW

4. Επιλέξτε Εκτέλεση αυτοματισμού σύνδεσης στο πράσινο banner πάνω από το διάγραμμα.

   Εάν συνδέσετε χειροκίνητα τις θύρες, οι διευθύνσεις AXI ενδέχεται να μην έχουν ρυθμιστεί, οδηγώντας σε προβλήματα επικοινωνίας αργότερα

5. Στο παράθυρο περιήγησης ροής, επιλέξτε διαχειριστής έργου -> Προσθήκη πηγών για να δημιουργήσετε ένα νέο προσαρμοσμένο μπλοκ IP

   1. επιλέξτε "προσθήκη ή δημιουργία πηγών σχεδίασης" και πατήστε το επόμενο
   2. κάντε κλικ στο "δημιουργία αρχείου", αλλάξτε τον τύπο αρχείου σε "SystemVerilog" και πληκτρολογήστε "pwm" στο πεδίο όνομα αρχείου και, στη συνέχεια, κάντε κλικ στο κουμπί OK
   3. κάντε κλικ στο Τέλος

   4. αγνοήστε το παράθυρο Define Module πατώντας OK (θα τα αντικαταστήσουμε αργότερα)

      αν σας ρωτήσει αν είστε σίγουροι, κάντε κλικ στο Ναι

6. Στην καρτέλα πηγές, κάντε διπλό κλικ στο pwm.sv (βρίσκεται στο "Design Sources/design_1_wrapper")

   Αντιγράψτε/επικολλήστε ολόκληρο τον κώδικα SystemVerilog από το αρχείο pwm.txt που επισυνάπτεται παρακάτω

Βήμα 3: Δημιουργία του TDOA του Ernie στο Vivado

Αυτό το βήμα θα δημιουργήσει μια IP TDOA της οποίας η έξοδος μπορεί να διαβαστεί μέσω της βιβλιοθήκης AXI

1. Δημιουργήστε μπλοκ AXI GPIO κάνοντας δεξί κλικ στο φόντο και κάνοντας κλικ στην επιλογή "προσθήκη IP"

   πληκτρολογήστε "AXI_GPIO" στη γραμμή αναζήτησης και επιλέξτε αυτό το πακέτο

2. Προσαρμόστε ξανά την IP κάνοντας διπλό κλικ στο νέο μπλοκ axi_gpio_1

   1. κάτω από το GPIO, επιλέξτε το πλαίσιο "Όλες οι είσοδοι" και ορίστε το πλάτος GPIO στο 32. Αυτός ο δίαυλος θα είναι η διαφορά ώρας άφιξης μεταξύ των δύο αισθητήρων.
   2. μέσα στο μπλοκ axi_gpio_1, κάντε κλικ στο + δίπλα στη θύρα GPIO για να εμφανιστεί το gpio_io_i [31: 0].

3. Κάντε δεξί κλικ στη θύρα εξόδου axi_gpio_1 με την ένδειξη gpio_io_i [31: 0] και επιλέξτε "Make External"

   Κάντε κλικ στη νέα είσοδο με την ετικέτα gpio_io_i [31: 0] και μεταβείτε στην καρτέλα "ιδιότητες" στην αριστερή γραμμή εργαλείων και αλλάξτε το όνομα σε TDOA_val

4. Επιλέξτε Εκτέλεση αυτοματισμού σύνδεσης στο πράσινο banner πάνω από το διάγραμμα.

   Εάν συνδέσετε χειροκίνητα τις θύρες, οι διευθύνσεις AXI ενδέχεται να μην έχουν ρυθμιστεί, οδηγώντας σε προβλήματα επικοινωνίας αργότερα

5. Στο παράθυρο περιήγησης ροής, επιλέξτε διαχειριστής έργου -> Προσθήκη πηγών για να δημιουργήσετε ένα νέο προσαρμοσμένο μπλοκ IP

   1. επιλέξτε "προσθήκη ή δημιουργία πηγών σχεδίασης" και πατήστε επόμενο
   2. κάντε κλικ στο "δημιουργία αρχείου", αλλάξτε τον τύπο αρχείου σε "SystemVerilog" και πληκτρολογήστε "tdoa" στο πεδίο όνομα αρχείου και, στη συνέχεια, κάντε κλικ στο κουμπί OK
   3. κάντε κλικ στο Τέλος

   4. αγνοήστε το παράθυρο Define Module πατώντας OK (θα τα αντικαταστήσουμε αργότερα)

      αν σας ρωτήσει αν είστε σίγουροι, κάντε κλικ στο Ναι

6. Στην καρτέλα πηγές, κάντε διπλό κλικ στο tdoa.sv (βρίσκεται στο "Design Sources/design_1_wrapper")

   Αντιγράψτε/επικολλήστε ολόκληρο τον κώδικα SystemVerilog από το αρχείο tdoa.txt που επισυνάπτεται παρακάτω

Βήμα 4: Περιτύλιγμα και εξαγωγή της Ernie

1. Βεβαιωθείτε ότι το μπλοκ διάγραμμα μοιάζει με το συνημμένο στιγμιότυπο οθόνης

2. Στην καρτέλα πηγές, κάντε δεξί κλικ στο design_1.bd και επιλέξτε "Δημιουργία περιτυλίγματος HDL …"

   1. Επιλέξτε "Αντιγραφή παραγόμενης εξόδου για να επιτρέπονται οι επεξεργασίες χρήστη" και, στη συνέχεια, πατήστε "OK"
   2. Αντιγράψτε τον κώδικα από το design_1_wrapper.txt που επισυνάπτεται παρακάτω και επικολλήστε τον στη θέση του δημιουργημένου κώδικα design_1_wrapper.v
   3. αποθήκευση design_1_wrapper.v

3. Στην καρτέλα πηγές, κάντε διπλό κλικ στο αρχείο ZYBO_Master.xdc στην περιοχή Περιορισμοί/constrs1

   1. Αντιγράψτε τον κωδικό από το ZYBO_Master.txt που επισυνάπτεται παρακάτω και επικολλήστε τον στη θέση του υπάρχοντος κωδικού ZYBO_Master.xdc

   2. Σημειώστε τις ακόλουθες ακίδες εισόδου/εξόδου:

      1. L15: Σήμα PWM για τον αριστερό κινητήρα (Pmod JA2 στο Zybo)
      2. L14: Σήμα PWM για τον σωστό κινητήρα (Pmod JA8 στο Zybo)
      3. V12: είσοδος πύλης από τον αισθητήρα ήχου 1 (Pmod JE1 στο Zybo)
      4. K16: είσοδος πύλης από αισθητήρα ήχου 2 (Pmod JE2 στο Zybo)

4. Στο παράθυρο περιήγησης ροής, κάντε κλικ στην επιλογή "Δημιουργία Bitstream" στην ενότητα Πρόγραμμα και εντοπισμός σφαλμάτων

   αν νομίζετε ότι έγινε αμέσως, μάλλον δεν είναι. σοβαρά, φτιάξτε λίγο τσάι

5. Κάντε κλικ στο Αρχείο-> Εξαγωγή-> Δημιουργία υλικού

   Επιλέξτε "Συμπερίληψη Bitstream" και πατήστε OK

6. Κάντε κλικ στο Αρχείο-> Εκκίνηση SDK

Βήμα 5: Χτίζοντας την Έρνι

1. Τοποθετήστε τα servos στο σερβο σασί.

2. Ακολουθώντας το φύλλο δεδομένων για τα servos, κάντε τα εξής:

   1. συνδέστε τη γείωση των servos με τις ακίδες γείωσης στο Zybo's JA Pmod (δείτε συνημμένη εικόνα pinout)
   2. συνδέστε τον ακροδέκτη τροφοδοσίας των servos στη μπαταρία AA

      Διαπιστώσαμε ότι όταν τα servos συνδέονται με το Vdd του Zybo, η πλακέτα αντλεί πολύ ρεύμα, προκαλώντας συνεχόμενη επαναφορά της πλακέτας

   3. συνδέστε τις ακίδες σήματος εισόδου στις κατάλληλες ακίδες εξόδου του Zybo (αριστερά: JA2, δεξιά: JA8)
3. τοποθετήστε τους αισθητήρες ήχου στο μπροστινό μέρος του πλαισίου, στραμμένοι προς τα εμπρός, διατηρώντας τους όσο το δυνατόν πιο κοντά μεταξύ τους

4. χρησιμοποιήστε τον οδηγό σύνδεσης του αισθητήρα ήχου για να ενσωματώσετε τους αισθητήρες ήχου

   1. συνδέστε τη γείωση και τις καρφίτσες Vdd κάθε αισθητήρα ήχου στη γείωση και καρφίτσες Vdd στο JE Pmod του Zybo (δείτε συνημμένη εικόνα pinout)
   2. συνδέστε τον πείρο πύλης του αριστερού αισθητήρα ήχου σε JE1
   3. συνδέστε τον πείρο της πύλης του δεξιού αισθητήρα ήχου σε JE2

Βήμα 6: Το πρώτο BSP της Ernie

1. Δημιουργήστε ένα BSP για να ολοκληρώσετε την πλατφόρμα που μόλις δημιουργήσαμε.

   Μπορείτε να το αποκτήσετε μέσω Αρχείου -> Νέο -> Πακέτο υποστήριξης πίνακα

2. Θα εμφανιστεί ένας οδηγός που θα σας βοηθήσει να δημιουργήσετε το BSP.

   1. Θέλουμε να συνδέσουμε αυτό το BSP με την πλατφόρμα μας που μόλις δημιουργήσαμε, έτσι
   2. Η πλατφόρμα υλικού θα πρέπει να ευθυγραμμιστεί με αυτήν που μόλις δημιουργήσαμε (δείτε img 1)
   3. Η CPU μας θα είναι η _0 CPU.
   4. Κάντε κλικ στο Τέλος
   5. Βεβαιωθείτε ότι έχετε απενεργοποιήσει το lwip141 για συμπερίληψη με το bsp σας στο παράθυρο που εμφανίζεται (δείτε εικόνα 2)

Βήμα 7: FreeRTOS'ing Ernie

1. Κατεβάστε την τελευταία έκδοση του FreeRTOS από το Sourceforge.

   Εάν η λήψη είναι εκτελέσιμη, εκτελέστε την για να εξαγάγετε τα αρχεία FreeRTOS στον κατάλογο του έργου σας

2. Κρατήστε το SDK ανοιχτό και κάντε κλικ στο Αρχείο -> Εισαγωγή.
3. Θέλουμε να κάνουμε κλικ στην επιλογή Γενικά-> Από έναν υπάρχοντα χώρο εργασίας και, στη συνέχεια, θα θέλουμε να μεταβούμε στο σημείο όπου κατεβάσαμε το FreeRTOS.

4. Το demo μας θα βρίσκεται στο FreeRTOS/Demo/CORTEX_A9_Zynq_ZC702. Με την επιλογή αυτού του φακέλου, θα πρέπει να δούμε τρία έργα να εμφανίζονται (ο κωδικός μας (λειτουργικό σύστημα), είναι το BSP και η πλατφόρμα HW).

   ΜΟΝΟ Εισαγωγή RTOSDemo στον τρέχοντα χώρο εργασίας σας

5. Σε όλα τα έργα "μπλε" φακέλων αλλάξτε το αναφερόμενο BSP

   1. Κάντε δεξί κλικ και επιλέξτε "Αλλαγή αναφερόμενου BSP".
   2. Επιλέξτε το BSP που μόλις δημιουργήσατε για το Zybo σας
   3. Η επεξεργασία κώδικα στους φακέλους SDK Blue της Xilinx είναι τα πραγματικά έργα κώδικα.

Βήμα 8: Εισαγωγή του κώδικα C της Ernie

1. Στον κατάλογο RTOSDemo/src, αντικαταστήστε το υπάρχον main.c με το αρχείο main.c προσαρτημένο εδώ.
2. Αντιγράψτε το αρχείο main_sound.c στον κατάλογο RTOSDemo/src.

Βήμα 9: Αποσφαλμάτωση Ernie

1. Επιλέξτε Εκτέλεση -> Διαμορφώσεις εντοπισμού σφαλμάτων
2. Στο αριστερό παράθυρο δημιουργήστε μια νέα εκτέλεση εντοπισμού σφαλμάτων συστήματος

3. Στην καρτέλα Ρύθμιση στόχου,

   επιλέξτε "Επαναφορά ολόκληρου του συστήματος" έτσι ώστε να είναι επιλεγμένα τόσο αυτό όσο και το ps7_init

4. Τώρα επιλέξτε την καρτέλα Εφαρμογή.

   1. Επιλέξτε "λήψη εφαρμογής"
   2. Ορίστε τον πυρήνα cortexa9_0 σε "διακοπή κατά την εισαγωγή προγράμματος"
   3. Κάντε κλικ στην επιλογή Εφαρμογή και εντοπισμός σφαλμάτων.
5. Βεβαιωθείτε ότι δεν υπάρχουν σφάλματα στη διαδικασία εντοπισμού σφαλμάτων
6. Κρατώντας προσεκτικά το ρομπότ, πατήστε το κουμπί Συνέχιση μέχρι να εκτελεστεί το πρόγραμμα χωρίς να χτυπήσετε σημεία διακοπής
7. Το ρομπότ πρέπει τώρα να γυρίσει και να κινηθεί προς δυνατούς θορύβους. Ναι!

Βήμα 10: Κάνοντας την Ernie αυτόνομη

1. Μόλις το έργο σας είναι έτοιμο για εκτέλεση (μπορείτε να εκτελέσετε χωρίς προβλήματα μέσω του εντοπισμού σφαλμάτων) είστε έτοιμοι να το φορτώσετε στη μνήμη flash στον πίνακα σας.

2. Δημιουργήστε αυτό που ονομάζεται έργο "πρώτο στάδιο εκκίνησης" (FSBL) και περιέχει όλες τις οδηγίες που θα χρειαστεί ο πίνακας για να φορτώσει τα αρχεία του έργου σας (ροή bit και λειτουργικό σύστημα) κατά την εκκίνηση.

   1. Επιλέξτε: Αρχείο-> Νέο-> Εφαρμογή Έργου και πρέπει να εμφανιστεί το ακόλουθο παράθυρο.
   2. Ονομάστε το όπως θέλετε (δηλαδή "FSBL")
   3. Βεβαιωθείτε ότι η πλατφόρμα υλικού είναι αυτή με την οποία εργάζεστε
   4. Πατήστε επόμενο (Μην πατήσετε Τέλος)
   5. Επιλέξτε το πρότυπο Zynq FSBL
   6. Κάντε κλικ στο τέλος.
3. Μόλις ολοκληρωθεί η διαδικασία δημιουργίας, θα γνωρίζετε εάν όλα λειτούργησαν εάν δείτε τους ακόλουθους δύο νέους φακέλους στο παράθυρο Project Explorer.

4. Δημιουργία εικόνας εκκίνησης Τώρα θα χρειαστεί να δημιουργήσετε την εικόνα εκκίνησης.

   1. Κάντε δεξί κλικ στο φάκελο του έργου σας (σε αυτήν την περίπτωση ο δικός μου ονομάζεται "RTOSDemo")
   2. Κάντε κλικ στην επιλογή "Δημιουργία εικόνας εκκίνησης" από το αναπτυσσόμενο μενού

   3. Εάν όλα είναι σωστά συνδεδεμένα, το έργο θα γνωρίζει ποια αρχεία χρειάζεται και το παρακάτω παράθυρο θα φαίνεται όπως βλέπετε παρακάτω (το βασικό είναι ότι έχετε 3 διαμερίσματα στην ενότητα Boot image, το bootloader, το αρχείο bit σας και το αρχείο.elf των έργων σας).

      Εάν αυτό δεν συμβαίνει, πιθανότατα κάτι δεν πάει καλά με τη σύνδεση του έργου σας. Βεβαιωθείτε ότι οι φάκελοι του έργου είναι συνδεδεμένοι με τα αντίστοιχα BSP τους

   4. Κάντε κλικ στο κουμπί "Δημιουργία εικόνας"

5. Το τελευταίο βήμα για να εκτελέσετε λογισμικό είναι να αναβοσβήνετε τώρα την εικόνα που δημιουργήσατε προηγουμένως στη μνήμη του πίνακα

   1. Επιλέξτε από την κύρια γραμμή εργαλείων του SDK, επιλέξτε Xilinx Tools-> Program Flash Memory
   2. Βεβαιωθείτε ότι έχει επιλεγεί η σωστή πλατφόρμα υλικού και ότι η διαδρομή του αρχείου εικόνας δείχνει σωστά το αρχείο. BIN που δημιουργήθηκε στο προηγούμενο βήμα.
   3. Επιλέξτε "qspi single" από τον τύπο Flash
   4. Επιλέξτε το "Επαλήθευση μετά το φλας" για να διασφαλίσετε την ακεραιότητα, αλλά δεν είναι απαραίτητο
6. Διαμόρφωση της πλακέτας σας Τέλος, πρέπει να βεβαιωθείτε ότι ο βραχυκυκλωτήρας προγραμματισμού πλακέτας (JP5) έχει ρυθμιστεί σωστά για να επιλέγει την εκκίνηση από το qspi (το οποίο περιέχει αυτό που μόλις λάμπατε) όταν εκτελείται το BootROM.
7. Τώρα απλώς ενεργοποιήστε τον κύκλο τροφοδοσίας της συσκευής και βεβαιωθείτε ότι το "Logic Configuration Done LED" (LED 10) είναι αναμμένο πράσινο.

Βήμα 11: Κάνοντας την Ernie Cute

1. Γούνα
2. Πολλή γούνα
3. Μεγάλα μάτια!
4. … Καπέλο