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功能概述

    Xilinx FPGA器件特有的XADC(Xilinx Analog-to-Digital Converter)模块创新性的将模拟信号处理混合到FPGA器件中,便于对板级模拟信号采集、处理以及对板级温度、电源电压的监控。

XADC功能如图所示,内部有专门的温度传感器和供电传感器,用于监控FPGA器件本身的工作状态,也提供了1个独立的模拟电压输入通道(VP_0/VN_0)和16个复用的模拟电压输入通道(VAUXP/VAUXN)。内部的2个ADC有12bit位宽和1MSPS采样速率,可以外接精密基准电压源作为参考电压,基本能够满足一般应用。此外,也有专门的控制接口可以和FPGA逻辑互连,便于编程控制。供电电压监控的电压输入范围是0~3V,模拟电压输入通道的电压输入范围是0~1V。

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图 XADC功能框图

    集成XADC功能,需要例化XADC的IP核,然后通过访问XADC内部的寄存器实现模拟电压采集方式的设置,并读取转换后的模拟电压数据。XADC内部寄存器的映射如图所示。

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图 XADC内部寄存器映射关系截图

         在Zynq中,XADC模块通过AXI GP总线连接到PS。XADC相当于重新被封装为一个标准的AXI总线外设,它的寄存器映射关系也有所变化。在xilinx官方文档pg091-xadc-wiz.pdf中可以看到重新映射的寄存器地址。

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         关于Zynq的XADC应用,推荐大家参考xilinx下述3个文档。

●  pg091-xadc-wiz.pdf

●  ug480_7Series_XADC.pdf

●  ug585-Zynq-7000-TRM.pdf的Chapter 30 XADC Interface

本实例工程对应zstar_ex58。硬件上,XADC通过AXI接口连接到PS;PS编程读取XADC内部的温度和供电电压值,通过UART定时打印转换的最终温度和电压值。

 

2电压换算关系

模拟电压值换算

         对于1个独立的模拟电压输入通道(VP_0/VN_0)和16个复用的模拟电压输入通道(VAUXP/VAUXN),它的输入范围是0~1V,参考电压1V。因此它读出的数据和实际电压值之间的换算关系如下:

         对于12bit的ADC值,Vactual = Vdigital/4096

         对于16bit的ADC值,Vactual = Vdigital/65536

 

温度值换算

         从XADC的温度传感器读出的温度值,通过以下公式可以换算为实际的摄氏温度:

         对于12bit的ADC值,Tactual = Tdigital*503.975/4096 – 273.15

对于16bit的ADC值,Tactual = Tdigital*503.975/65536 – 273.15

 

供电电压的换算公式

         对于XADC中供电传感器读取的供电电压值,其量程范围是0~3V,参考电压3V。所以读取的值与实际电压之间的换算关系如下:

         对于12bit的ADC值,Vactual = Vdigital*3/4096

         对于16bit的ADC值,Vactual = Vdigital*3/65536

 

3 XADC IP添加与配置

在zstar_ex56工程实例的基础上,下面我们看看如何对XADC IP进行添加和配置。在Block Design的Diagram页面空白处单击右键,如图所示,点击Add IP…。

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         Search后输入关键词XADC,出现XADC Wizard IP,双击添加这个IP到Diagram中。

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         和前面的操作一样,输入关键词axi interconnect,将AXI Interconnect IP也添加到Diagram中。

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         新添加的2个IP模块如图所示。XADC无需多言,你懂得。这个AXI Interconnect的用处是将XADC的s_axi_lite接口转换到Zynq的AXI GP接口(AXI3),它相当于一个接口适配模块。

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双击axi_interconnect_0组件,如图所示,弹出属性菜单中修改Number of Slave Interfaces和Number of Master Interfaces都为1。

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双击xadc_wiz_0组件,弹出属性菜单中修改如下。

    ● 接口选项(Interface Options)选择AXI4Lite,通过AXI Interconnect可以连接Zynq。

    ● 时序模式(Timing Mode)选择Continuous Mode。

    ● 启动通道选择(Startup Channel Selection)勾选Channel Sequencer。

    ● 输入时钟频率(DCLK Frequency)输入100MHz。

    ● ADC转换率(ADC Conversion Rate)输入1000KSPS,即所支持的最高速率。

    ● 其它选项使用默认设置即可。

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         ADC Setup页面配置如图所示。

●  序列模式(Sequencer Mode)选择Continuous Mode,即对ADC通道进行连续采集。

●  通道平均(Channel Averaging)选择16,即XADC内部做16个连续采样值的均值滤波后输出。

●  其它选项使用默认设置即可。

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         Alarms页面如图所示,这里可以勾选需要进行监控的电压通道,并且可以设定报警闸值。

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         Channel Sequencer页面需要勾选TEMPERATURE、VCCINT、VCCAUX、VCCBRAM、VCCPINT、VCCPAUX、VCCDDRO和VP/VN,表示开启这些通道的ADC转换功能。

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         完成XADC的配置后,将axi_interconnect_0、xadc_wiz_0和processing_system7_0这3个模块连接如图所示。注意Vp_Vn是XADC的外部输入引脚,需要引出,若使用了XADC的16个复用通道,也一样要引出到顶层模块做引脚申明,并手动配置引脚号。

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         在Address Editor中,点击Auto Assign Address,确认xadc_wiz_0已经分配了相应的地址空间如图所示。

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    完成配置,生成新的PS系统后,更新顶层模块的接口,主要是XADC相关的几个新的接口,做相应连接(可以参考工程源码),然后重新编译整个Vivado工程。

 

4嵌入式软件编程

    参考文档《玩转Zynq-工具篇:导出PS硬件配置和新建SDK工程.pdf》导出PS硬件工程,并打开EDK新建一个HelloWorld的模板工程。

    重新编辑helloworld.c源码如下。在系统初始化(init_platform)后,依次读取XADC的温度采样值并转成实际温度值打印、读取XADC的VCCINT采样值并转成实际电压值打印、读取XADC的VCCAUX采样值并转成实际电压值打印、读取XADC的VP/VN采样值并转成实际电压值打印、读取XADC的VBRAM采样值并转成实际电压值打印。每隔5s做一次读取打印操作。

#include <stdio.h>

#include "platform.h"

#include "xil_printf.h"

#include "sleep.h"

#include "xil_io.h"

 

#define XPAR_AXI_GP0_BASEADDR   0x43c00000

#define XPAR_XADC_TEMPERATURE   0x200

#define XPAR_XADC_VCCINT        0x204

#define XPAR_XADC_VCCAUX        0x208

#define XPAR_XADC_VPVN          0x20c

#define XPAR_XADC_VBRAM         0x218

 

int main()

{

    u32 temp;

    float voltage;

 

init_platform();

 

printf("XADC TEST\n\r");

 

while(1)

    {

printf("\n\r");

    temp = Xil_In32(XPAR_AXI_GP0_BASEADDR + XPAR_XADC_TEMPERATURE);

    temp = temp*503.975/65535 - 273.15;

printf("Temperature is %d degree\n\r",temp);

 

        voltage = Xil_In32(XPAR_AXI_GP0_BASEADDR + XPAR_XADC_VCCINT);

    voltage = voltage/65536*3;

printf("VCCINT is %f\n\r",voltage);

 

        voltage = Xil_In32(XPAR_AXI_GP0_BASEADDR + XPAR_XADC_VCCAUX);

    voltage = voltage/65536*3;

printf("VCCAUX is %f\n\r",voltage);

 

        voltage = Xil_In32(XPAR_AXI_GP0_BASEADDR + XPAR_XADC_VPVN);

    voltage = voltage/65536;

printf("VPVN is %f\n\r",voltage);

 

        voltage = Xil_In32(XPAR_AXI_GP0_BASEADDR + XPAR_XADC_VBRAM);

    voltage = voltage/65536*3;

printf("VBRAM is %f\n\r",voltage);

 

    sleep(5);

    }

 

cleanup_platform();

    return 0;

}  

 

5板级调试

         在Zstar板子上,设置跳线帽P3为JTAG模式,即PIN2-3短接。

         连接好串口线(USB线连接PC的USB端口和Zstar板的UART接口)和Xilinx下载线(下载器连接PC的USB端口和Zstar板的JTAG插座)。使用5V电源给板子供电。

         接着参考《玩转Zynq-工具篇:SDK在线运行裸跑程序.pdf》将zstar.bit文件和helloworld.elf文件烧录到Zynq中运行起来。

         打开Putty,并设置好串口,可以看到如图缩回,每隔5s不断的打印采样到的当前温度和电压值。温度传感器在FPGA器件内部,因此采样到的Temperature值达到了52°C。

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