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一、XADC簡(jiǎn)介
Zynq器件XADC模塊包括2個(gè)12比特1 MIPS的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和相關(guān)的片上傳感器，內(nèi)置溫度傳感器和功耗傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)片內(nèi)結(jié)溫、各路電壓數(shù)據(jù)，并可輸出告警信號(hào)。
XADC模擬輸入包括專用模擬輸入VP/VN和16組復(fù)用模擬信號(hào)輸入VAUX(15:0)；XADC轉(zhuǎn)換結(jié)果可以通過(guò)動(dòng)態(tài)重配接口（DRP）或者JTAG接口輸出；告警信號(hào)可通過(guò)ALM(7:0)輸出，并有專用的溫度告警信號(hào)OT。
XADC還包括幾個(gè)支持測(cè)量芯片上電源電壓和模具溫度的片上傳感器。ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在稱為狀態(tài)寄存器的專用寄存器中。這些寄存器可以通過(guò)FPGA互連訪問(wèn)，使用一個(gè)16位同步讀寫(xiě)端口，稱為動(dòng)態(tài)重新配置端口(DRP)。ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)也可以通過(guò)JTAG TAP訪問(wèn)，可以在配置之前(預(yù)配置)，也可以在配置之后訪問(wèn)。對(duì)于JTAG TAP，用戶不需要實(shí)例化XADC，因?yàn)樗且粋€(gè)專用接口，使用現(xiàn)有的FPGA JTAG基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。正如后面所討論的，如果XADC沒(méi)有在設(shè)計(jì)中實(shí)例化，則設(shè)備以預(yù)定義的模式(稱為默認(rèn)模式)運(yùn)行，該模式監(jiān)視芯片上的溫度和電源電壓。
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具體的參考手冊(cè)如下：
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ug480：7Series_XADC.pdf
xapp795：driving-xadc.pdf
xapp554：xadc-layout-guidelines.pdf
xapp1203：post-proc-ip-zynq-xadc.pdf
xapp1183：zynq-xadc-axi.pdf
xapp1182：zynq_axi_xadc_mon.pdf
xapp1172：zynq_ps_xadc.pdf
pg019：axi_xadc.pdf
pg091：xadc-wiz.pdf
ug953：vivado-7series-libraries.pdf
ug585：Zynq-7000-TRM.pdf
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二、XADC的配置方法
本文采用vivado編譯環(huán)境對(duì)XADC進(jìn)行配置。
在對(duì)XADC進(jìn)行寄存器配置之前，首先要在vivado中進(jìn)行硬件電路的搭建，這部分內(nèi)容可以通過(guò)建立block塊完成，具體配置方法請(qǐng)參考https://blog.csdn.net/taowei1314520/article/details/83656386。本文借助外部VPVN測(cè)量端口，通過(guò)搭建惠斯頓電橋進(jìn)行溫度的測(cè)量（具體方法后面會(huì)詳細(xì)介紹到），所以需要在搭建硬件電路時(shí)引出VPVN和配置XDC管腳約束。
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2.1 配置寄存器
在配置寄存器之前，首先要對(duì)兩種寄存器進(jìn)行解釋說(shuō)明。
控制寄存器：用于控制和確定處理器的操作模式以及當(dāng)前執(zhí)行任務(wù)的特性。
狀態(tài)寄存器：用來(lái)存放兩類信息，一類是體現(xiàn)當(dāng)前指令執(zhí)行結(jié)果的各種狀態(tài)信息，另一類是存放控制信息。
1.配置控制寄存器Configuration register 0
通過(guò)寫(xiě)入C_BASEADDR + 0x300（基地址+偏移量）來(lái)定位到該寄存器的位置，下圖為該寄存器的bit位對(duì)照?qǐng)D。
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CAVG：這個(gè)比特位用于禁用計(jì)算校驗(yàn)系數(shù)的平均，使能為0，使能為1（平均固定在16個(gè)樣本）。
AVG1、AVG0：這些位用于在單通道和序列模式下設(shè)置所選通道上的樣本平均量。
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MUX：這個(gè)比特位為外部多路復(fù)用，設(shè)置1即啟動(dòng)外部多路復(fù)用功能。（本文所采用的的VP/VN位專用PL端引腳，所以這里不進(jìn)行多路復(fù)用）。
BU：這個(gè)比特位是進(jìn)行單雙極性的選擇，雙極性為1，單極性為0。本文采用的是模擬差分的輸入方式，因?yàn)椴罘州斎肽軌蛴行У亟档透蓴_，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定地傳輸。
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EC：這個(gè)比特位用于為XADC采樣模式，1為event-driven sampling mode，0為continuous sampling mode。
event-driven sampling mode：該工作模式下，采樣瞬間和隨后的轉(zhuǎn)換過(guò)程由一個(gè)稱謂轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的觸發(fā)信號(hào)啟動(dòng)，當(dāng)需要對(duì)采樣的時(shí)刻進(jìn)行精確控制時(shí)，采用該模式。在該模式下，DCLK必須始終存在。
continuous sampling mode：該工作模式下，ADC在當(dāng)前轉(zhuǎn)換周期結(jié)束時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)新的轉(zhuǎn)換，adc持續(xù)對(duì)選定的模擬輸入進(jìn)行轉(zhuǎn)換，模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程由采集階段和轉(zhuǎn)換階段兩部分組成。
ACQ：在使用單通道模式時(shí)，該位用于將連續(xù)采樣模式下的外部模擬輸入的可用時(shí)間增加6次ADCCLK周期，如果沒(méi)有設(shè)置ACQ位，則在收購(gòu)的最后階段允許使用4個(gè)ADCCLKs或150個(gè)ns。通過(guò)將此位設(shè)置為邏輯1，可以增加獲取時(shí)間。
CH4~CH0：在單通道模式或外部多路復(fù)用模式下工作時(shí)，這些位用于選擇ADC輸入通道。
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2. 配置控制寄存器Configuration register 1
通過(guò)寫(xiě)入C_BASEADDR + 0x304（基地址+偏移量）來(lái)定位到該寄存器的位置，下圖為該寄存器的bit位對(duì)照?qǐng)D。
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SEQ3~SEQ0：這些比特位用來(lái)使能通道序列。
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Default mode：在這種操作模式下，XADC自動(dòng)監(jiān)控芯片上的傳感器，并將結(jié)果存儲(chǔ)在狀態(tài)寄存器中。這兩種adc都是在這種模式下校準(zhǔn)的，所有傳感器都使用平均16個(gè)樣本。XADC在此模式下獨(dú)立于任何其他控制寄存器設(shè)置操作。
Single Pass Mode：在這種操作模式下，序列操作一次通過(guò)序列通道寄存器，然后停止。
Continuous sequence mode：該模式相當(dāng)于single pass mode的自動(dòng)版，在一次操作結(jié)束后又會(huì)自動(dòng)重新開(kāi)始。
Simultaneous Sampling Mode：在該模式下，測(cè)序器通過(guò)8對(duì)輔助模擬輸入通道自動(dòng)進(jìn)行同步采樣和轉(zhuǎn)換，這在需要保留兩個(gè)信號(hào)之間的相位關(guān)系的應(yīng)用程序中非常有用，大部分用于多路復(fù)用情況下。
Auxiliary analog channels 8 to 15 are assigned to ADC B and are nominated as B channels
Independent ADC Mode：通常用于報(bào)警模式和監(jiān)測(cè)模式，在這種模式下，警報(bào)輸出使能，并且使用者必須正確地配置報(bào)警閾值。與默認(rèn)的測(cè)序模式一樣，平均值固定在16個(gè)采樣點(diǎn)。
ALM6~ALM0：這些位用于禁用溫度的單個(gè)警報(bào)輸出，1為禁用報(bào)警輸出。
CAL3~CAL0：這些位使校準(zhǔn)系數(shù)應(yīng)用于ADC和片上供應(yīng)傳感器測(cè)量，1為使能校準(zhǔn)，0位不使能。
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OT：這個(gè)位用于禁用溫度過(guò)高信號(hào)。通過(guò)將此位設(shè)置為邏輯1來(lái)禁用警報(bào)。
3. 配置控制寄存器Configuration register 2
通過(guò)寫(xiě)入C_BASEADDR + 0x308（基地址+偏移量）來(lái)定位到該寄存器的位置，下圖為該寄存器的bit位對(duì)照?qǐng)D。
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CD7~CD0：這些位用于選擇ADC的DRP時(shí)鐘（DCLK）和低頻率ADC時(shí)鐘（ADCCLK）之間的分頻比。
DRP：動(dòng)態(tài)配置端口，可直接通過(guò)PL部分訪問(wèn)，也可以通過(guò)高級(jí)接口單元。
所有XADC計(jì)時(shí)同步到DRP時(shí)鐘(DCLK)。ADCCLK是通過(guò)將DCLK在配置寄存器2中分頻得到的。
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PD1、PD0：XADC的中斷位。通過(guò)設(shè)置PD1 = PD0 = 1，可以永久關(guān)閉整個(gè)XADC塊。
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4. 配置序列寄存器Sequence Register 0：首先寫(xiě)入C_BASEADDR + 0x320（基地址+偏移量）來(lái)定位到該寄存器的位置，再通過(guò)寫(xiě)bit位來(lái)選擇序列通道，本文采用VPVN序列通道，所以給第12位置1（0000_1000_0000_0000），具體對(duì)應(yīng)表如下。
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5. 配置輸出寄存器：通過(guò)寫(xiě)入C_BASEADDR + 0x20C（基地址+偏移量）來(lái)定位到該寄存器的位置，在專用模擬輸入通道(Vp/Vn)上A/D轉(zhuǎn)換的12位MSB驗(yàn)證結(jié)果存儲(chǔ)在此寄存器中。
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2.2 結(jié)果換算
定義和一些計(jì)算所應(yīng)用到的數(shù)據(jù)位數(shù)為16位（unsigned short），而我們所用到的只有12位，所以需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行右移4位來(lái)保證12位MSB驗(yàn)證結(jié)果能夠完整的存儲(chǔ)到寄存器中。
將ADC的外部模擬輸入通道配置為雙極時(shí)，它們可以容納真正的差分和雙極模擬信號(hào)類型。雙極模式下ADC的輸出編碼是雙極模式下的補(bǔ)碼，用來(lái)表示VP上輸入信號(hào)相對(duì)于VN的符號(hào)。設(shè)計(jì)代碼轉(zhuǎn)換發(fā)生在連續(xù)整數(shù)LSB值，也就是說(shuō)，一個(gè)LSB、兩個(gè)LSB、三個(gè)LSB等。伏特的LSB大小即1個(gè)數(shù)據(jù)位等于244uV。
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2.3 溫度采集
本文采用PT100熱電阻作為外部溫度測(cè)量器件，通過(guò)搭建惠斯頓電橋，實(shí)現(xiàn)溫度的采集。
1、將XADC在PL端的VPVN引腳直接接在電橋上，利用Pt100在不同溫度下電阻值發(fā)生變化的原理，實(shí)現(xiàn)VP/VN電壓差的改變，根據(jù)公式計(jì)算得出溫度值，下圖為惠斯頓電橋。
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計(jì)算公式：
V=VP0?VN0 V = VP0 - VN0V=VP0?VN0
Rpt=(13200+29000V)/(412.5?145V) Rpt = (13200 + 29000V)/(412.5 - 145V)Rpt=(13200+29000V)/(412.5?145V)
2、Pt100 是電阻式溫度傳感器，測(cè)溫的本質(zhì)其實(shí)是測(cè)量傳感器的電阻，通常是將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號(hào)，再將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再由處理器換算出相應(yīng)溫度。
通過(guò)查找表或公式計(jì)算的方法，將電阻值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的溫度值，以下給出“PT100溫度-電壓”對(duì)照表和各種類型的接線法。
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a.二線制接法：如圖4(a)所示，這種接法不考慮Pt100 電纜的導(dǎo)線電阻，將A/D 采樣端與電流源的正極輸出端接在一起，這種接法由于沒(méi)有考慮測(cè)溫電纜的電阻，因此只能適用于測(cè)溫距離較近的場(chǎng)合。
b.三線制接法：如圖4(b)所示,這種接法增加了用于A/D 采樣的補(bǔ)償線，三線制接法消除了連接導(dǎo)線電阻引起的測(cè)量誤差，這種接法適用于中等測(cè)溫距離的場(chǎng)合。
c.四線制接法：如圖4?所示，這種接法不僅增加了A/D 采樣補(bǔ)償線，還加了一條A/D對(duì)地的補(bǔ)償線，這樣可以近一步的減小測(cè)量誤差，可以用于測(cè)溫距離較遠(yuǎn)的場(chǎng)合。如果只從精度上考慮，采用四線制接法效果最好。
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三、下載與調(diào)試
調(diào)試完成后，接下來(lái)就是將程序固化到板子中，我大致介紹一下程序固化方法和啟動(dòng)流程。
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3.1 程序的固化方法
一般在調(diào)試程序的過(guò)程中FPGA用的是JTAG模式，不需要片外配置芯片，是直接將我們編寫(xiě)的程序下載到FPGA的片內(nèi)RAM中，掉電不保留數(shù)據(jù)。而固化的目的是使板卡掉電不丟失程序，通常在調(diào)試階段需要多次啟動(dòng)，每次上電都重新下載程序是一件很麻煩的事情，所以將程序固化進(jìn)去會(huì)方便很多，下面是固化程序的參考流程。
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https://blog.csdn.net/wmyan/article/details/79292778
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如果大家覺(jué)得步驟很復(fù)雜的話，我用框圖的形式總結(jié)了一下，可能會(huì)清楚點(diǎn)。
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3.2 程序的啟動(dòng)流程
ZYNQ7000 SOC芯片可以從FLASH啟動(dòng)，也可以從SD卡里啟動(dòng)。ZYNQ7000 SOC芯片上電后，先運(yùn)行的是ARM系統(tǒng)（PS端）。然后通過(guò)ARM系統(tǒng)軟件部分加載FPGA的比特流文件.bit至FPGA（PL端），啟動(dòng)FPGA邏輯功能。
BOOT ROM：開(kāi)發(fā)板上電，Z7000會(huì)先執(zhí)行片內(nèi)BOOT ROM 代碼，BOOT ROM代碼讀取BOOT mode寄存器決定哪一種啟動(dòng)方式（SD card/QSPI flash/JTAG）。
確定好啟動(dòng)方式后，BOOT ROM從相應(yīng)的啟動(dòng)設(shè)備中（SD card/QSPI flash）加載到First Stage Bootloader （FSBL）到On Chip Memory（OCM）RAM，并將執(zhí)行權(quán)交給FSBL。
FSBL：（a）初始化CPU，初始化串口。（b）PS一些控制器初始化。（c）禁止L1 Data Cache。（d）注冊(cè)ARM中斷向量。（e）通過(guò)Boot mode寄存器判斷啟動(dòng)方式。
3.3 程序的測(cè)試
通過(guò)UART串口輸出，借助串口調(diào)試助手可以看到實(shí)時(shí)的溫度數(shù)值，完成測(cè)試。
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四、總結(jié)
大致歸納一下XADC用到的基本知識(shí)（僅針對(duì)個(gè)人的學(xué)習(xí)筆記總結(jié)）。
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1、輪詢模式：CPU重復(fù)檢查設(shè)備的狀態(tài)寄存器，直到寄存器的值表明I/O操作已經(jīng)完成。
2、多路復(fù)用器mux：能夠接收多個(gè)信號(hào)，按每個(gè)信號(hào)可恢復(fù)方式合成單個(gè)輸出信號(hào)。
3、XADC也需要參考電壓，參考電壓由芯片內(nèi)部或外部決定。
4、VP/VN在多路復(fù)用通道外（XADC有17個(gè)通道），即PL引腳復(fù)用。
5、XADC模塊的引腳封裝均在BANK0中。
6、用VP/VN能夠有效減小干擾，噪聲相減則抵消。
7、VP-VN的電壓輸出范圍是-0.5V ~ +0.5V，VP與VN相對(duì)于GNDADC電壓必須大于0。
8、模擬信號(hào)通道在管腳配置時(shí)不需要加電壓，數(shù)字信號(hào)通道在管腳配置時(shí)需要加電壓，電壓相當(dāng)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)（FPGA有1.8V 2.5V 3.3V），例如3.3V控制時(shí)，達(dá)到3.3V就相當(dāng)于邏輯1，0V就相當(dāng)于邏輯0。
9、掩碼：是一串二進(jìn)制代碼對(duì)目標(biāo)字段進(jìn)行位與運(yùn)算，屏蔽當(dāng)前的輸入位。
10、狀態(tài)寄存器只能查看工作狀態(tài)（read only），控制寄存器可以配置（read and write）。
11、沒(méi)有JTAG一般用Anolog-Input Mode（4Ch and 4Dh）配置。
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通過(guò)實(shí)現(xiàn)利用XADC對(duì)溫度的采集，我學(xué)習(xí)到了如何配置寄存器（直接用地址寫(xiě)寄存器的方式），學(xué)習(xí)到了什么是固化程序以及如何將程序固化到FPGA板卡中，這同時(shí)用到了vivado和sdk編譯環(huán)境，理解了溫度傳感器的工作原理，最重要的是能夠系統(tǒng)地對(duì)一項(xiàng)工程進(jìn)行梳理，這對(duì)于學(xué)習(xí)FPGA有很大的幫助，希望以后能夠通過(guò)學(xué)習(xí)和寫(xiě)博客的這種方式慢慢進(jìn)步。
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工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論