Rpi SenseHAT與AMD-Xilinx Kria KR260和Petalinux的接口

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Clocking Wizard IP 簡化了為根據(jù)用戶時鐘要求定制的時鐘電路創(chuàng)建 HDL 源代碼包裝器的過程。該向?qū)е笇?dǎo)用戶為您的時鐘原語設(shè)置適當(dāng)?shù)膶傩?，并允許覆蓋任何向?qū)в嬎愕?a target='_blank' class='arckwlink_none'>參數(shù)。

AXI IIC 總線接口

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AXI IIC 總線接口連接到 AMBA? AXI 規(guī)范，并為大量流行設(shè)備提供低速、雙線、串行總線接口。本產(chǎn)品規(guī)范定義了 AXI IIC 總線接口模塊的架構(gòu)、硬件（信號）接口、軟件（寄存器）接口和參數(shù)化選項。

處理系統(tǒng)重置

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處理系統(tǒng)復(fù)位是一個軟 IP，它提供了一種機(jī)制來處理給定系統(tǒng)的復(fù)位條件。內(nèi)核在輸入端處理多種復(fù)位條件，并在輸出端生成適當(dāng)?shù)膹?fù)位。該內(nèi)核根據(jù)外部或內(nèi)部復(fù)位條件生成復(fù)位。

AXI互連

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AXI 互連 IP 將一個或多個 AXI 內(nèi)存映射主設(shè)備連接到一個或多個內(nèi)存映射從設(shè)備。AXI 互連內(nèi)核允許 AXI 主設(shè)備和從設(shè)備的任意組合連接到它，這些設(shè)備在數(shù)據(jù)寬度、時鐘域和 AXI 子協(xié)議（AXI4、AXI3 或 AXI4-Lite）方面可能各不相同。

塊設(shè)計-完整的塊設(shè)計

圖片：完整的 VIVADO 模塊設(shè)計

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Sense HAT - KR260 接頭對齊

圖片：Sense HAT - KR260 接頭對齊

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如上圖所示，Sense HAT 位于 KR260 上的 RPi 接頭上方。此對齊顯示了 40 個引腳的描述。傳感器通過使用引腳 3 和 5 的 I2C 進(jìn)行通信。

約束

KR260 上只有 2 個引腳（AE14 和 AE15）需要約束 I2C 才能工作。AE15 用于 SDA，AE14 用于 SCL。

set_property PACKAGE_PIN AE15 [get_ports {iic_sda_io}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {iic_sda_io}]
set_property PULLUP true [get_ports {iic_sda_io}]

set_property PACKAGE_PIN AE14 [get_ports {iic_scl_io}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {iic_scl_io}]
set_property PULLUP true [get_ports {iic_scl_io}]

但是，下圖可用作映射和約束所有其他引腳的參考。

圖片：使用 Raspberry Pi 40 針 GPIO 接頭（HAT 接頭）的詳細(xì)約束映射

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生成 XSA

• 從“文件”菜單中，選擇“導(dǎo)出”>“導(dǎo)出平臺”。
• 在平臺類型窗口中選擇硬件選項。

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• 選擇 Pre-Synthesis 狀態(tài)，并在 Platform State 窗口中選擇 Include bitstream 選項。

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• 更改所需的平臺屬性。

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• 輸入 XSA 的名稱并選擇要將 XSA 導(dǎo)出到的文件夾，然后選擇完成。

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Petalinux 流程：

Sense HAT 傳感器的驅(qū)動程序可用性

為了集成 SenseHAT 傳感器，我們必須擁有這些傳感器的 Petalinux 驅(qū)動程序或 linux 驅(qū)動程序。對于 SenseHAT，大多數(shù)傳感器的 C/C++ 驅(qū)動程序都可以從供應(yīng)商那里獲得。一些驅(qū)動程序也是由獨立開發(fā)人員編寫的。

濕度/溫度

• https://github.com/STMicroelectronics/hts221-pid

加速度計/陀螺儀和磁力計

• https://github.com/STMicroelectronics/lsm9ds1-pid

壓力/溫度

• https://github.com/ameltech/sme-lps25h-library
• https://github.com/kirananto/RaZorReborn/tree/master/drivers/sensors/pressure/lps25h

LED驅(qū)動器

• https://github.com/jbroutier/LED2472G-驅(qū)動程序

Petalinux 開發(fā)：

先決條件

創(chuàng)建 petalinux 項目需要支持的 BSP，可從以下鏈接下載。也可以在沒有 BSP 的情況下創(chuàng)建項目，但不太方便。

• 從 Xilinx 下載為開發(fā)板下載支持的 BSP。
• 下載鏈接：https://www.xilinx.com/member/forms/download/xef.html? filename=xilinx-kr260-starterkit-v2022.2-10141622.bsp

創(chuàng)建、配置和構(gòu)建 Petalinux 項目

下面列出了創(chuàng)建 petalinux 項目的步驟。

● 創(chuàng)建一個文件夾并復(fù)制從Vivado 導(dǎo)出的平臺(XSA)。

● 同時復(fù)制 Vivado 生成的 BIN 文件，位于 /.runs/impl_1/.bin

● 在目錄中打開終端并獲取petalinux 腳本。

● 運行以下命令創(chuàng)建名為 的petalinux 項目。

petalinux-create --type project -s to-bsp> --name name>

● 運行以下命令配置項目。

petalinux-config --get-hw-description 

● 在項目配置窗口中，

○ 在 FPGA 管理器下啟用 FPGA 管理器。

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• 在圖像打包配置下，
• 將根文件系統(tǒng)類型更改為 INITRD
• 將 INITRAMFS/INITRD 映像名稱更改為 petalinux-initramfs-image
• 禁用 Copy final images to tftpbootUnder Image Packaging Configuration，

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• 保存并退出配置窗口。
• 運行以下命令來配置內(nèi)核。

petalinux-config -c kernel

• 在 Device Drivers > I2C support > I2C Hardware Bus support 下，啟用
• Cadence I2C 控制器
• 賽靈思 I2C 控制器

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• 保存并退出配置。
• 運行以下命令來配置根文件系統(tǒng)。

petalinux-config -c rootfs

• 在 Filesystem Packages > base > i2c-tools 下，啟用
• i2c-工具
• i2c-工具-dev

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• 在 Filesystem Packages > misc > python3 下，啟用
• 蟒蛇3
• 您需要的所有其他 python 模塊

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• 保存并退出配置。
• 運行petalinux-build來構(gòu)建項目。

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生成/創(chuàng)建可引導(dǎo)映像

• 運行以下命令以創(chuàng)建可引導(dǎo)的 WIC 映像。

petalinux-package --wic --images-dir images/linux/ --bootfiles "ramdisk.cpio.gz.u-boot, boot.scr, Image, system.dtb, system-zynqmp-sck-kr-g-revB.dtb" --disk-name "sda"

• 確保 dtb 文件存在于 /images/linux/ 目錄中。

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• 下載、安裝并運行 BalenEtcher。
• 在 images/linux 目錄中找到 WIC 映像。

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• 選擇目標(biāo)設(shè)備并選擇 Flash。

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準(zhǔn)備覆蓋：

生成設(shè)備樹覆蓋

• 在復(fù)制 XSA 的目錄中打開終端。在這里再次獲取 Petalinux 并運行xsct命令。
• 如果系統(tǒng)找不到 xsct 命令，請確保獲取 Vitis 或 PetaLinux shell 腳本。
• 如果在運行 Petalinux shell 腳本后 xsct 命令仍然缺失，請運行以下命令。

PATH="${XSCT_TOOLCHAIN}/bin:${PATH}"

• 運行以下“HSI”命令將在當(dāng)前目錄中提取 XSA 的內(nèi)容。

hsi::open_hw_design ./.xsa

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createdts -hw ./name>.xsa -zocl -platform-name platform-name> -git-branch  -overlay -compile -out ./name-is-better>

• 運行上面的命令將：
• 從 Xilinx 設(shè)備樹生成器 repo 克隆分支
• 在.////psu_cortexa53_0/device_tree_domain/bsp/ 目錄

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• 退出xsct外殼。

注意：以下命令可以在沒有 Petalinux 腳本源的常規(guī)終端中運行。

• 運行以下命令編譯設(shè)備樹。

dtc -@ -O dtb -o ./kr260.dtbo ./kr260_dt/kr260_dt/kr260/psu_cortexa53_0/device_tree_domain/bsp/pl.dtsi

• 確保編輯 pl.dtsi 的路徑。
• 此命令將在當(dāng)前目錄中生成 kr260.dtbo。
• 如果 dtc 拋出“ dtc: invalid option -- '@'”錯誤，則需要自己編譯 dtc。

編譯故障碼

• 運行以下命令。

git clone https://git.kernel.org/pub/scm/utils/dtc/dtc.git
cd dtc
make

• 如果遇到“cc1: all warnings being treated as errors”，編輯 dtc 目錄中的 Makefile 并從 CFLAGS 中刪除 -Werror 標(biāo)志。

make install

• 運行上面的命令將在 $HOME/bin.. 中安裝 dtc

重試編譯設(shè)備樹

• 運行 cd../ 移出 dtc 目錄
• dtc -@ -O dtb -o./kr260.dtbo./kr260_dt/kr260_dt/kr260/psu_cortexa53_0/device_tree_domain/bsp/pl.dtsi

將文件傳輸?shù)皆O(shè)備

• 運行以下命令創(chuàng)建 shell.json。

echo '{ "shell_type" : "XRT_FLAT", "num_slots": "1" }' > shell.json

• 將 Vivado 實現(xiàn)目錄中的 bin 文件重命名為您命名 dtbo 的相同名稱。
• 我已將它們重命名為 kr260.bit.bin 和 kr260.dtbo。
• 將 Sense HAT 連接到 KR260 接頭。
• 現(xiàn)在啟動設(shè)備并登錄。
• 用戶名和密碼默認(rèn)為petalinux 。
• 在設(shè)備主目錄中創(chuàng)建一個目錄。

mkdir ~/<any-directory-name>

• 將您的設(shè)備連接到路由器并通過運行 ifconfig 命令查找 IP 地址。如果您在路由器設(shè)置中為設(shè)備分配靜態(tài) IP 會更好。
• 在主機(jī)上運行 scp 命令以將文件傳輸?shù)皆O(shè)備。

scp ./kr260.bit.bin ./kr260.dtbo ./shell.json petalinux@:~/

圖片：帶有 KR260 連接的 SenseHAT

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在 I2C 總線上加載覆蓋和檢測設(shè)備

• 將包含 kr260.bit.bin、kr260.dtbo 和 shell.json 的目錄移動到 /lib/firmware/xilinx/。

sudo mv ./ /lib/firmware/xilinx/

• 列出設(shè)備上存在的應(yīng)用程序。

sudo xmutil listapps

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• 卸載當(dāng)前應(yīng)用程序。

sudo xmutil unloadapp

• 加載您的應(yīng)用程序（在本例中為 kr260）。

sudo xmutil loadapp kr260

• 檢查 XIIC 是否在系統(tǒng)中被列為 I2C 總線。

i2cdetect -l

• 這將列出系統(tǒng)中的所有 I2C 總線（在本例中為 i2c-7）。

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• 檢查 XIIC 總線上的設(shè)備。

I2cdetect -y -r <i2c-bus-number>

• 這將顯示連接到 I2C 總線的傳感器的地址。
• 如果 Sense Hat 正在工作，它應(yīng)該顯示以下地址。
• 以下 I2C 總線 7 的地址映射顯示了來自 Sense HAT 的所有傳感器地址。這些地址也在表 1 中列出。

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使用 Python 與傳感器通信

要使用 python 與連接到總線的傳感器進(jìn)行通信，需要安裝 python 包。

安裝 pip，Python 的包安裝程序

要安裝所需的包，需要 pip。由于 petalinux 沒有啟用 pip 的選項，因此應(yīng)手動安裝。

值得慶幸的是，安裝 pip 非常容易。按照以下步驟操作。

• 在終端中運行以下任何命令以下載 get-pip.py python 腳本。

wget https://bootstrap.pypa.io/get-pip.py
curl https://bootstrap.pypa.io/get-pip.py -o get-pip.py

• 運行 python get-pip.py 并等待它完成。
• 如果上述命令不起作用，請運行 python3 get-pip.py。

安裝 SMBus

要安裝 SMBus，請運行pip install smbus。SMBus 通過 i2c-dev 為 Linux SMBus 訪問提供 python 綁定。

編寫一個粗糙的 python 應(yīng)用程序

為了與傳感器通信，我們需要一個 SMBus 類的對象，它為我們提供了使通信更容易的各種功能。我們通過傳遞傳感器所連接的 I2C 總線編號來創(chuàng)建 SMBus 類的新實例。

bus = smbus.SMBus(<i2c-bus-number>)

使用總線對象，我們可以訪問以下功能，幫助我們從/向傳感器寄存器讀取/寫入數(shù)據(jù)。

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為了從傳感器獲取數(shù)據(jù)，我們將特定字節(jié)數(shù)據(jù)寫入控制寄存器，以啟用/禁用設(shè)備中的某些功能。最重要的一步是將傳感器置于活動模式，這將開始感應(yīng)并將結(jié)果存儲在其內(nèi)部寄存器中。然后我們可以讀取這些寄存器并使用也存儲在其他寄存器中的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。

校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)部非易失性存儲器中，并在開機(jī)時寫入校準(zhǔn)寄存器。

有關(guān)寄存器及其描述的詳細(xì)信息，請查看傳感器的數(shù)據(jù)表。

與傳感器通信的通用方式

設(shè)備上的所有傳感器都遵循類似的配置和校準(zhǔn)方法。

• 設(shè)置輸出數(shù)據(jù)速率和平均
• 輸出數(shù)據(jù)速率指定更新輸出數(shù)據(jù)的頻率
• 平均給出所選樣本數(shù)量的平均值
• 激活傳感器
• 讀取并存儲校準(zhǔn)數(shù)據(jù)
• 讀取輸出值并應(yīng)用校準(zhǔn)

代碼片段

# HTS221 Sensor Initialization

def HTS221_Init():
temp = bus.read_byte_data(HTS221_ADDRESS, HTS221_CTRL1)
temp |= HTS221_CTRL1_MASK
bus.write_byte_data(HTS221_ADDRESS, HTS221_CTRL1, temp)

# Reading Temperature from Sensor

def HTS221_T_ReadTemp():
buffer = bus.read_i2c_block_data(HTS221_ADDRESS, HTS221_T0_C_8 | 0x80, 2)
tmp = bus.read_byte_data(HTS221_ADDRESS, HTS221_T1_T0)
T0_degC_x8_u16 = ((tmp & 0x03) << 8) | buffer[0]
T1_degC_x8_u16 = ((tmp & 0x0C) << 6) | buffer[1]
T0_degC = twos_complement(bin_str((T0_degC_x8_u16 >> 3), 16), 16)
T1_degC = twos_complement(bin_str((T1_degC_x8_u16 >> 3), 16), 16)
buffer = bus.read_i2c_block_data(HTS221_ADDRESS, HTS221_T0_OUT | 0x80, 4)
T0_out = twos_complement(bin_str(((buffer[1] << 8) | buffer[0]), 16), 16)
T1_out = twos_complement(bin_str(((buffer[3] << 8) | buffer[2]), 16), 16)
buffer = bus.read_i2c_block_data(
HTS221_ADDRESS, HTS221_TEMP_OUT_L | 0x80, 2)
T_out = twos_complement(bin_str(((buffer[1] << 8) | buffer[0]), 16), 16)
temperature = (T_out - T0_out) * (T1_degC - T0_degC) / \
(T1_out - T0_out) + T0_degC
return temperature

傳感器的輸出

HTS221 傳感器的溫度和濕度讀數(shù)

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LPS25H 傳感器的溫度和壓力讀數(shù)

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LSM9DS1 傳感器的加速度、磁力計和陀螺儀讀數(shù)

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本教程的VIVADO、Petalinux工程源碼和Python源碼查看：Github【Git分支：SenseHAT-Sensors】

您可以在您的 PC 上通過以下命令克隆 Git Branch：

git clone -b SenseHAT-Sensors https://github.com/logictronix/kr260-sensehat-petalinux

感謝 Frank Shrestha [frank_shrestha@logictronix.com] 創(chuàng)建了這個“深入”教程！