基于FPGA的二進制時鐘設(shè)計方案

本方案是一個基于FPGA的二進制時鐘，使用GPS作為時間參考。

歷史上準(zhǔn)確測量時間提出了許多挑戰(zhàn)。只有約翰哈里森設(shè)計了一個可靠的時鐘，它可以在格林威治子午線保持參考時間，從而能夠在1700年代進行準(zhǔn)確的導(dǎo)航以及繪制尚未開發(fā)的海洋和陸地的圖表。

今天，我們生活在日益互聯(lián)的世界中，準(zhǔn)確的時間參考同樣重要。如果沒有一個共同的時間參考，當(dāng)我們從一個信號塔傳遞到另一個信號塔時，信號塔就無法輕松同步代碼和切換呼叫。同樣，沒有共同時間參考的時間戳業(yè)務(wù)和銀行交易也可能具有挑戰(zhàn)性，并成為事件順序的仲裁噩夢。

當(dāng)然，可用的最準(zhǔn)確的時鐘是原子鐘，但遺憾的是，它們也是最昂貴的，這限制了機構(gòu)使用它們的能力。

然而，有一個時間參考精確到+/-10ns，可以從空中免費提取，這就是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)提供的時間參考。當(dāng)然，其中最著名的是全球定位系統(tǒng)（GPS），盡管有幾個，例如GLONASS和Galileo。

所有這些衛(wèi)星都包含原子鐘，這使我們能夠?qū)崿F(xiàn)跨系統(tǒng)的高度準(zhǔn)確的時間參考。

在這個項目中，我們將使用GPS接收器Pmod接收GPS信號并對其進行處理，以便我們可以在二進制時鐘上顯示時間。

為此，我們將使用Vivado和SDK，這將是我們使用SDK的最后一個項目，因為Vitis可用。

維瓦多設(shè)計

要開始設(shè)計，我們需要做的第一件事是安裝Digilent庫，使我們能夠配置PmodGPS/

該庫支持在Vivado和SDK的硬件和軟件開發(fā)中使用Pmod。

為此，請在我們的Vivado項目中選擇、項目選項并選擇IP并導(dǎo)航到新的IP存儲庫。

我們還需要一些東西來驅(qū)動NeoPixel顯示器，同樣對于之前的項目，我在這里將一個neopixelIP模塊推送到我的github

然后我們就可以創(chuàng)建一個Vivado項目，該項目將利用這些IP模塊與PmodGPS通信。

在新的Vivado項目中，我們需要以下IP

ZynqPS-為最小化配置

PmodGPS-將在軟件控制下與PmodGPS通信

AXIBRAM控制器-使ZynqPS能夠在PL中讀取和寫入BRAM

BRAM-雙端口BRAM包含Neo像素值

NeoPixelIP-驅(qū)動NeoPixel驅(qū)動信號

處理器重置塊-為系統(tǒng)提供重置

AXI互連-使多個AXI從設(shè)備能夠連接到單個PS主設(shè)備

需要配置PS才能提供

50MHz時的結(jié)構(gòu)時鐘

20MHz的結(jié)構(gòu)時鐘-用于為NeoPixelIP提供時鐘

GPMasterAXI接口

已啟用結(jié)構(gòu)中斷

這應(yīng)該會產(chǎn)生如下所示的框圖

在生成和導(dǎo)出位流之前，我們還需要設(shè)置引腳的IO位置。

我將在PmodGPS的Minized上使用Pmod2，在NeoPixel驅(qū)動器上使用Pmod1我們在XDC文件中執(zhí)行此操作，如下所示。

這樣我們就可以實現(xiàn)設(shè)計并將硬件設(shè)計導(dǎo)出到SDK以生成所需的軟件。

軟件設(shè)計

在SDK中，我們需要根據(jù)剛剛從Vivado導(dǎo)出的硬件設(shè)計創(chuàng)建一個新的應(yīng)用程序和BSP。

一旦在BSP中創(chuàng)建了它，我們應(yīng)該會在BSPMSS文件中看到Pmod驅(qū)動程序。

對于更改，我們的軟件應(yīng)用程序?qū)⑹侵袛囹?qū)動的。

我們的軟件解決方案將遵循的架構(gòu)是

配置和初始化PmodGPS

配置和初始化BRAM控制器

配置中斷控制器并啟用來自PmodGPSUART的中斷。

等待PmodGPS鎖定信號

從PmodGPS讀取位置和時間數(shù)據(jù)

將時間轉(zhuǎn)換為二進制元素進行顯示

更新NeoPixel顯示

為了使用PmodGPS和AXIBRAM控制器，我們可以使用PmodGPS.h和xbram.h中提供的API

雖然可以使用xscugic.h提供的API配置中斷控制器

intSetupInterruptSystem（PmodGPS*InstancePtr，u32interruptDeviceID，u32interruptID）{

intResult;

u16Options;

INTC*IntcInstancePtr=&intc;

XScuGic_Config*IntcConfig;

IntcConfig=XScuGic_LookupConfig（interruptDeviceID）;

if（NULL==IntcConfig）{

returnXST_FAILURE;

}

Result=XScuGic_CfgInitialize（IntcInstancePtr，IntcConfig，

IntcConfig-》CpuBaseAddress）;

if（Result！=XST_SUCCESS）{

returnXST_FAILURE;

}

XScuGic_SetPriorityTriggerType（IntcInstancePtr，interruptID，0xA0，0x3）;

Result=XScuGic_Connect（IntcInstancePtr，interruptID，

（Xil_ExceptionHandler）XUartNs550_InterruptHandler，

&InstancePtr-》GPSUart）;

if（Result！=XST_SUCCESS）{

returnResult;

}

XScuGic_Enable（IntcInstancePtr，interruptID）;

XUartNs550_SetHandler（&InstancePtr-》GPSUart，（void*）GPS_intHandler，

InstancePtr）;

Xil_ExceptionInit（）;

Xil_ExceptionRegisterHandler（XIL_EXCEPTION_ID_INT，

（Xil_ExceptionHandler）INTC_HANDLER，IntcInstancePtr）;

Xil_ExceptionEnable（）;

Options=XUN_OPTION_DATA_INTR|XUN_OPTION_FIFOS_ENABLE;

XUartNs550_SetOptions（&InstancePtr-》GPSUart，Options）;

returnXST_SUCCESS;

}

我想做的第一件事是確保PmodGPS能夠鎖定信號并為我提供準(zhǔn)確的位置。

當(dāng)此代碼在Pmod2連接到PmodGPS的Minized上執(zhí)行時，我們會在終端上看到以下輸出，為我提供了一個位置。

為了檢查這是正確的位置，將它輸入到谷歌地圖中可以以合理的精度提供我辦公室的位置。

由于能夠鎖定GPS信號，因此更新了代碼以提供時間。這個時間被稱為協(xié)調(diào)世界時或簡稱UTC，UTC參考格林威治標(biāo)準(zhǔn)時間，目前也恰好與英國的時間相同。

時間作為浮點數(shù)從PmodGPS輸出，如下面的終端輸出所示。

為了能夠創(chuàng)建一個二進制時鐘，我們需要將其分解為以下內(nèi)容

小時幾十

小時單位

分十

分鐘單位

秒十

秒單位

這將使我們能夠使用NeoPixelArray繪制時間。

二進制時鐘顯示時間如下

在NeoPixel上，我將在陣列中間使用6x4LED陣列。

但首先我們需要將UTC時間轉(zhuǎn)換為所需的格式，我們可以使用以下方法將時間（例如153400）拆分為正確的小時、分鐘和秒分組。

然后我們可以根據(jù)二進制時間顯示的需要將每個元素分成十位和單位。

一旦我們分離了數(shù)字，我們就需要將值轉(zhuǎn)換為二進制值，為此我創(chuàng)建了一個簡單的子例程

這個函數(shù)返回一個代表二進制數(shù)的四位向量，對于這個例子，我們不需要超過4位。

由于NeoPixel陣列被視為一個長64NeoPixel元素，因此對于每個計數(shù)位置，我們只需要更改LED偏移位置。

根據(jù)該位是否已設(shè)置，LED的顏色是否會發(fā)生變化，設(shè)置的位為綠色，否則為藍色。

我使用下面的代碼來確定設(shè)置LED的值，因為二進制轉(zhuǎn)換函數(shù)返回一個指針。

當(dāng)我把所有這些放在一起時，一旦PmodGPS鎖定信號，二進制時鐘就會按預(yù)期運行。

確認(rèn)

對于許多人來說，讀取二進制時鐘可能與傳統(tǒng)時鐘不同。因此，通過終端查看NeoPixel顯示和UTC時間輸出，我們可以驗證顯示是否正確。

解碼后的時間看起來是正確的。

結(jié)論

該項目演示了我們?nèi)绾屋p松快速地將GPS用于導(dǎo)航以外的系統(tǒng)，并創(chuàng)建一個有趣的示例，該示例可用作顯示器等。