软件版本：VIVADO2017.4
操作系统：WIN10 64bit
硬件平台：适用米联客 ZYNQ系列开发板
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3.1 概述
本课讲解了使用芯片内部XADC采集片上电压以及温度的方法。
Xilinx 7系列的ADC是一个双12位分辨率的而且每秒一兆（MSPS, 1 Mega sample per second）采样速率的模数转换器，是一种通用的、高精度的模数转换器，双通道的ADC支持单极和差分输入工作模式，其最多可支持17路外部模拟输入通道。
上图为XADC的一个内部实现框图，从图中可以看出ADC分为12位的A和B两个，故称为双12位。其中ADC A可以对供电电压进行采样，供电电压包括VCCINT、VCCAUX、VCCBRAM，其中Zynq-7000系列的芯片还支持对VCCPINT、VCCPAUX和VCCO_DDR的采样，还包括温度的采样和外部模拟输入的采样。ADC B只能对外部模拟输入进行采样转换。
XADC内部包括16位的控制寄存器和状态寄存器，控制寄存器可以通过DRP（DynamicReconfiguration Port）进行读写操作，从而实现对XADC的初始化配置，而状态寄存器只能进行读取，ADC将采样转换后的值保存在对应的状态寄存器，通过DRP便可以将其读出，从而便可以用于FPGA外部的使用。
模拟输入管脚XADC可以采样的外部模拟输入包括一对差分专用模拟输入信号端（Dedicated Analog）和16对差分辅助模拟输入信号端（Auxiliary Analog），其中16对模拟信号端在XADC中不被使用时，可以当做普通IO口来使用。辅助模拟输入信号在Vivado和ISE中使用是不同的：在ISE中辅助模拟输入不需要任何的用户定义约束（包括管脚位置约束和IO电平约束），而在Vivado里，辅助模拟输入管脚必须加管脚位置约束，而且必须选择合适的IO电平约束。有些辅助输入管脚对7系列的某些芯片是不支持的，可以通过原理图来查看哪些管脚可以使用，我们的开发板只有核心板引出了16对差分辅助模拟输入信号端。而在底板上没有专门引出，所以开发板，无法直接做16对差分辅助模拟输入信号端的ADC实验。所以本实验仅仅对FPGA内部的温度，电压做采集。
在实际工程运用中，开发人员可以通过片上XDC测试芯片内部电压，判断系统是否正常工作或预警。
3.2 采集参数
使用ZYNQ的内嵌XADC采集ZYNQ内部的一些参数：
•VCCINT：内部PL核心电压
•VCCAUX：辅助PL电压
•VREFP：XADC正参考电压
•VREFN：XADC负参考电压
•VCCBram：PL BRAM电压
•VCCPInt：PS内部核心电压
•VCCPAux：PS辅助电压
•VCCDdr：DDR RAM的工作电压
3.3 搭建FPGA BD工程
Step1:新建一个名为为Miz_sys的工程。
Step2:创建一个BD文件，并命名为system，添加并且配置好ZYNQ IP。读者需要根据自己的硬件类型配置好输入时钟频率、内存型号、串口，连接时钟等。新手不清楚这些内容个，请参考“CH01 HelloWold/DDR/网口测试及固化”这一节课。
Step3:添加IP按钮，输入xadc，添加XADC的IP到BD文件。
Step4:需对XADC IP进行配置
采样方式采用AXI4Lite，连续采样模式，Channel Sequencer模式,DCLK设置100M
Sequencer模式为连续模式
报警部分采用默认设置
勾选我们需要采集的参数
Step5:直接单击run connection automation，选择OK，完成整体电路设计，自动运行后，软件自动添加了Processor System Reset IP和AXI Interconnect IP。
Step6:单击窗口上的运行按钮，运行程序。
3.6 测试结果
系统运行结果如下图所示：
3.7 函数分析
3.7.1 XAdcPs_LookupConfig函数
ConfigPtr = XAdcPs_LookupConfig(XPAR_AXI_XADC_0_DEVICE_ID)，这种库函数的调用都是xilinx SDK库函数标准套路，就是从系统中查下，是否有这个设备的定义。进入这个函数原型看下
| XAdcPs_Config *XAdcPs_LookupConfig(u16 DeviceId) { XAdcPs_Config *CfgPtr = NULL; u32 Index;
for (Index=0; Index < 1; Index++) { if (XAdcPs_ConfigTable[Index].DeviceId == DeviceId) { CfgPtr = &XAdcPs_ConfigTable[Index]; break; } } return CfgPtr; } |
可以看到这个函数原型，就是查表看是否有相关的设备描述XAdcPs_ConfigTable的定义如下，可以看到具备这个设备的描述，以及这个设备在ZYNQ 地址空间中的地址，这样就可以把地址复制给CfgPtr设备指针了。记住xilinx的库函数都是这个套路。
| XAdcPs_Config XAdcPs_ConfigTable[XPAR_XADCPS_NUM_INSTANCES] = { { XPAR_PS7_XADC_0_DEVICE_ID, XPAR_PS7_XADC_0_BASEADDR } }; |
3.7.2 XAdcPs_CfgInitialize函数
Status_ADC = XAdcPs_CfgInitialize(XADCInstPtr,ConfigPtr,ConfigPtr->BaseAddress)，根据前面找到的设备地址空间，可以对设备的寄存进行配置，这个也是XILINX标准的套路。
| int XAdcPs_CfgInitialize(XAdcPs *InstancePtr, XAdcPs_Config *ConfigPtr, u32 EffectiveAddr) { u32 RegValue; /* * Assert the input arguments. */ Xil_AssertNonvoid(InstancePtr != NULL); Xil_AssertNonvoid(ConfigPtr != NULL); /* * Set the values read from the device config and the base address. */ InstancePtr->Config.DeviceId = ConfigPtr->DeviceId; InstancePtr->Config.BaseAddress = EffectiveAddr;
/* Write Unlock value to Device Config Unlock register */ XAdcPs_WriteReg(XPAR_XDCFG_0_BASEADDR, XADCPS_UNLK_OFFSET, XADCPS_UNLK_VALUE);
/* Enable the PS access of xadc and set FIFO thresholds */
RegValue = XAdcPs_ReadReg((InstancePtr)->Config.BaseAddress, XADCPS_CFG_OFFSET);
RegValue = RegValue | XADCPS_CFG_ENABLE_MASK | XADCPS_CFG_CFIFOTH_MASK | XADCPS_CFG_DFIFOTH_MASK;
XAdcPs_WriteReg((InstancePtr)->Config.BaseAddress, XADCPS_CFG_OFFSET, RegValue);
/* Release xadc from reset */
XAdcPs_WriteReg((InstancePtr)->Config.BaseAddress, XADCPS_MCTL_OFFSET, 0x00); /* * Indicate the instance is now ready to use and * initialized without error. */ InstancePtr->IsReady = XIL_COMPONENT_IS_READY;
return XST_SUCCESS; } |
以上函数，我们先看第一个
XAdcPs_WriteReg(XPAR_XDCFG_0_BASEADDR,XADCPS_UNLK_OFFSET, XADCPS_UNLK_VALUE);
这个函数的3个参数如下：
#define XPAR_XDCFG_0_BASEADDR 0xF8007000U
#define XADCPS_UNLK_OFFSET 0x034 /**< Unlock Register */
#define XADCPS_UNLK_VALUE 0x757BDF0D /**< Unlock Value */
我们看下ug585这个寄存器的说明，大概意思是该寄存器用于保护DEVCI配置寄存器免受ROM代码损坏。说明这个寄存器配置还是很重要的，那么在代码启动完成后，需要UNLOCK。写入0X757BDF0D可以解锁。
接下来首先读取XADCIF_CFG的值, XADCIF_CFG的寄存器描述如下。
RegValue = XAdcPs_ReadReg((InstancePtr)->Config.BaseAddress,
XADCPS_CFG_OFFSET);
之后重新设置XADCIF_CFG寄存器。
#define XADCPS_CFG_ENABLE_MASK 0x80000000 /**< Enable access from PS mask */
#define XADCPS_CFG_CFIFOTH_MASK 0x00F00000 /**< Command FIFO Threshold mask */
#define XADCPS_CFG_DFIFOTH_MASK 0x000F0000 /**< Data FIFO Threshold mask */
RegValue = RegValue | XADCPS_CFG_ENABLE_MASK |XADCPS_CFG_CFIFOTH_MASK | XADCPS_CFG_DFIFOTH_MASK;
XAdcPs_WriteReg((InstancePtr)->Config.BaseAddress,ADCPS_CFG_OFFSET, RegValue);
最后复位XADC XAdcPs_WriteReg((InstancePtr)->Config.BaseAddress,XADCPS_MCTL_OFFSET, 0x00);
3.7.3 XAdcPs_SetSequencerMode函数
XAdcPs_SetSequencerMode(XADCInstPtr,XADCPS_SEQ_MODE_SINGCHAN)在这个函数中，首先读取XADCPS_CFR1_OFFSET读取寄存器的值，然后设置这个寄存器，让XADC停止顺序模式。
RegValue = XAdcPs_ReadInternalReg(InstancePtr,
XADCPS_CFR1_OFFSET);
RegValue &= (~ XADCPS_CFR1_SEQ_VALID_MASK);
RegValue |= ((SequencerMode << XADCPS_CFR1_SEQ_SHIFT) &
XADCPS_CFR1_SEQ_VALID_MASK);
XAdcPs_WriteInternalReg(InstancePtr, XADCPS_CFR1_OFFSET,
RegValue);
/*
* XADC Configuration Registers
*/
#define XADCPS_CFR0_OFFSET 0x40 /**< Configuration Register 0 */
#define XADCPS_CFR1_OFFSET 0x41 /**< Configuration Register 1 */
#define XADCPS_CFR2_OFFSET 0x42 /**< Configuration Register 2 */
在ug480中这里有三个寄存器需要介绍下
以上代码只涉及到了reg 0x41，如下表所示，可以看到关于报警、校准、通道模式，的设置都是这个寄存器控制的。
再看下XADCPS_CFR1_OFFSET函数展开后
| u32 XAdcPs_ReadInternalReg(XAdcPs *InstancePtr, u32 RegOffset) { u32 RegData; RegData = XAdcPs_FormatWriteData(RegOffset, 0x0, FALSE); /* Read cmd to FIFO*/ XAdcPs_WriteFifo(InstancePtr, RegData); /* Do a Dummy read */ RegData = XAdcPs_ReadFifo(InstancePtr); /* Do a Dummy write to get the actual read */ XAdcPs_WriteFifo(InstancePtr, RegData); /* Do the Actual read */ RegData = XAdcPs_ReadFifo(InstancePtr); return RegData; } |
这个地方完全难以理解，实际上和下面的图有关系，为了读取到寄存器的值，首先需要通过命令FIFO把需要读取读取寄存器的命令发送到cmd FIFO ,然后在读取 Data FIFO里面读取到的数。这个操作起来感觉好麻烦，XILINX datasheet资料上也没写清楚，由于全部提供的库函数，我们使用者，也不需要了解那么多。
所以我们要读写XADC的寄存器值，都需要通过命令FIFO 和数据FIFO。感觉好麻烦，幸好这个库函数都帮我们做好了。
再来看看XAdcPs_WriteInternalReg
| void XAdcPs_WriteInternalReg(XAdcPs *InstancePtr, u32 RegOffset, u32 Data) { u32 RegData; /* * Write the Data into the FIFO Register. */ RegData = XAdcPs_FormatWriteData(RegOffset, Data, TRUE); XAdcPs_WriteFifo(InstancePtr, RegData); /* Read the Read FIFO after any write since for each write * one location of Read FIFO gets updated */ XAdcPs_ReadFifo(InstancePtr); } |
下面还有一张表格，是关于XADC寄存器的，理解了这些，我们下面分析函数就要简单一些了。
3.7.4 XAdcPs_SetAlarmEnables
XAdcPs_SetSeqInputMode(XADCInstPtr, XADCPS_SEQ_MODE_SAFE);在这个函数中，首先读取XADCPS_CFR1_OFFSET读取寄存器的值，然后设置这个寄存器，让XADC停止报警。
#define XADCPS_CFR1_ALM_ALL_MASK 0x0F0F /**< Mask for all alarms */
RegValue = XAdcPs_ReadInternalReg(InstancePtr, XADCPS_CFR1_OFFSET);
RegValue &= (u32)~XADCPS_CFR1_ALM_ALL_MASK;
RegValue |= (~AlmEnableMask & XADCPS_CFR1_ALM_ALL_MASK);
/*
* Enable/disables the alarm enables for the specified alarm bits in the
* Configuration Register 1.
*/
XAdcPs_WriteInternalReg(InstancePtr, XADCPS_CFR1_OFFSET,
RegValue);
3.7.5 XAdcPs_SetSeqInputMode
XAdcPs_SetSeqInputMode(XADCInstPtr, XADCPS_SEQ_MODE_SAFE);在这个函数中，设置XADC的ADC通道是双极性或者单极性采样.这里设置的为0所以为单极性采样。
#define XADCPS_SEQ04_OFFSET 0x4C /**< Seq Reg 04 Adc Input Mode Select */
#define XADCPS_SEQ05_OFFSET 0x4D /**< Seq Reg 05 Adc Input Mode Select */
另外注意当使用外部模拟输入信号的收，这连个寄存器和0X48 X049具备一样的功能。这个具体可以查阅ug480 本课程没有连接到外部。
XAdcPs_WriteInternalReg(InstancePtr,XADCPS_SEQ04_OFFSET,
(InputModeChMask & XADCPS_SEQ04_CH_VALID_MASK));
XAdcPs_WriteInternalReg(InstancePtr,XADCPS_SEQ05_OFFSET,
(InputModeChMask >> XADCPS_SEQ_CH_AUX_SHIFT) &XADCPS_SEQ05_CH_VALID_MASK);
3.7.6 XAdcPs_SetSeqChEnables
XAdcPs_SetSeqChEnables(XADCInstPtr,XADCPS_CH_TEMP|XADCPS_CH_VCCINT|XADCPS_CH_VCCAUX|XADCPS_CH_VBRAM|XADCPS_CH_VCCPINT| XADCPS_CH_VCCPAUX|XADCPS_CH_VCCPDRO); 设置需要采样的端口，可以看到实际这个位置把2个XADC都设置了。
#define XADCPS_SEQ00_OFFSET 0x48 /**< Seq Reg 00 Adc Channel Selection */
#define XADCPS_SEQ01_OFFSET 0x49 /**< Seq Reg 01 Adc Channel Selection */
XAdcPs_WriteInternalReg(InstancePtr,
XADCPS_SEQ00_OFFSET,
(ChEnableMask & XADCPS_SEQ00_CH_VALID_MASK));
XAdcPs_WriteInternalReg(InstancePtr,
XADCPS_SEQ01_OFFSET,
(ChEnableMask >> XADCPS_SEQ_CH_AUX_SHIFT) &
XADCPS_SEQ01_CH_VALID_MASK);
具体对应的通道如下表所示
3.7.7 XAdcPs_GetAdcData
这个函数就是读取具体的ADC通道的数值。
| TempRawData = XAdcPs_GetAdcData(XADCInstPtr, XADCPS_CH_TEMP); TempData = XAdcPs_RawToTemperature(TempRawData);
VccIntRawData= XAdcPs_GetAdcData(XADCInstPtr, XADCPS_CH_VCCINT); VccIntData = XAdcPs_RawToVoltage(VccIntRawData);
VccAuxRawData = XAdcPs_GetAdcData(XADCInstPtr, XADCPS_CH_VCCAUX); VccAuxData = XAdcPs_RawToVoltage(VccAuxRawData);
VBramRawData = XAdcPs_GetAdcData(XADCInstPtr, XADCPS_CH_VBRAM); VBramData = XAdcPs_RawToVoltage(VBramRawData);
VccPIntRawData = XAdcPs_GetAdcData(XADCInstPtr, XADCPS_CH_VCCPINT); VccPIntData = XAdcPs_RawToVoltage(VccPIntRawData);
VccPAuxRawData = XAdcPs_GetAdcData(XADCInstPtr, XADCPS_CH_VCCPAUX); VccPAuxData = XAdcPs_RawToVoltage(VccPAuxRawData);
VDDRRawData = XAdcPs_GetAdcData(XADCInstPtr, XADCPS_CH_VCCPDRO); VDDRData = XAdcPs_RawToVoltage(VDDRRawData);
|
XAdcPs_GetAdcData函数读取通道的数据，函数原型如下
| u16 XAdcPs_GetAdcData(XAdcPs *InstancePtr, u8 Channel) { u32 RegData; /* * Assert the arguments. */ Xil_AssertNonvoid(InstancePtr != NULL); Xil_AssertNonvoid(InstancePtr->IsReady == XIL_COMPONENT_IS_READY); Xil_AssertNonvoid((Channel <= XADCPS_CH_VBRAM) || ((Channel >= XADCPS_CH_VCCPINT) && (Channel <= XADCPS_CH_AUX_MAX))); RegData = XAdcPs_ReadInternalReg(InstancePtr, (XADCPS_TEMP_OFFSET + Channel)); return (u16) RegData; } |