x射线探测器读出电子学fpga的远程升级及调试电子科学与技术专业论文.docxVIP

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x射线探测器读出电子学fpga的远程升级及调试电子科学与技术专业论文

x射线探测器读出电子学FPGA的远端升级摘 x射线探测器读出电子学FPGA的远端升级 摘 要 x射线二维硅像素探测器是针对北京同步辐射光源对X射线探测器的重大技 术需求所研制的新型仪器。该探测器系统主要由五部分组成,分别为:硅传感器 阵列、前端读出电子学、前端系统结构及封装、实时数据传输及处理和后端数据 采集系统。其中,前端读出电子学PCB板上包含用于数据缓冲处理的现场可编程 门阵列(Field programmable gate array,FPGA)。整个探测器工作在辐射环境中,且 前端电子学部分被放置在密封的冷却容器中。本文即针对前端电子学的FPGA设 计远程升级方案,使得在不打开冷却容器的情况下,脱离专用的(USB.JTAG Universal serial bus—ioint test action group)下载线缆对FPGA进行灵活可靠的远 程升级和调试。 本文基于传统的以ARM微处理器为主控的设计思想,采用Xilinx的一种新 型全可编程片上系统(A11 programmble System—on-Chip,AP SoC)架构的Zynq-7000 可拓展处理平台作为主控芯片,针对FPGA的JTAG接口配置方式进行远程升级 系统的设计。Zynq.7000单芯片集成了ARM和FPGA硬件资源,整体设计包括硬 件和软件两部分。硬件部分包括芯片的选择、原理图和PCB的设计、Zynq处理 器系统的模块化搭建以及JTAG模拟驱动器的IP核代码设计。软件部分首先需要 移植FreeRTOS操作系统和LwlP协议栈,然后使用C语言基于Xilinx虚拟线缆 (Xilinx visual cable,xvc)协议编写JTAG Server程序,最终实现升级系统与上位 机软件的TCP/IP数据通信。文章最后对远程升级系统进行了功能和性能测试,结 果表明本系统能够实现灵活可靠的基于网络的FPGA的远程更新和调试。 本文设计的FPGA远程升级系统优势明显。首先,使用的Zynq芯片集ARM 和FPGA的功能与优势于一体,在提高系统性能的同时,大大降低了硬件设计的 复杂度。其次,本设计基于XVC协议,直接针对TCP/IP网络和FPGA的JTAG 接口进行应用程序设计,无需额外开发基于TCP/IP的上位机应用软件,提高了系 统的灵活性和可拓展性。再次,基于网络的数据通信可靠性高,基于JTAG接口 的配置方式还支持多片FPGA的串行配置。因此,本文的远程升级系统对基于 FPGA的系统设计和维护方式的进一步发展有非常重要的实际意义,尤其是对恶 劣环境下的联网设备的维护等。同时也为AP SoC技术的应用推广提供了很好的 参考方案。 关键字:x射线探测器,FPGA,JTAG,TCP/IP,XVC协议,Zynq一7000,远程 升级与调试 II 万方数据 AbstractX·-ray Abstract X·-ray two·-dimensional silicon pixel detector is a new device designed for the maj or technical requirements for X—ray detection of Beij ing synchrotron radiation light source.The detector system consists of five parts:silicon sensor array,front.end readout electronics,front-end system architecture and packaging,real.time data transmission and processing,back-end data acquisition system.Wherein the front.end readout electronics PCB board contains the Field-programmable Gate Array(FPGA) for data buffering and processing.The whole detector will work in a radiation environment,and the front—end electronics readout boards are placed in a sealed cooling container.This paper aims to design a remote updating program for front—end FPGA,SO we can remotely upgrade and debug FPGA without

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