ZYNQ的XADC的相关内容

 

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学习内容

本文首先介绍了ZYNQ的XADC的相关内容，并学习使用ZYNQ芯片中的XADC测量芯片内部的温度电压等参数，然后进行串口打印输出。

开发环境

vivado 18.3&SDK，PYNQ-Z2开发板。

XADC介绍

简介

Xilinx模拟信号转换模块，称为XADC，是一个硬核。它具有JTAG和DRP接口用于访问7系列FPGA中的XADC状态和控制寄存器。Zynq-7000 SoC器件添加了第三个接口，即PS-XADC接口，用于PS软件进行控制XADC。ZYNQ器件将XADC与可编程逻辑融合，解决了对模拟数据采集和监视要求。

XADC具有两个12位的ADC，具有独立的跟踪和保持放大器，模拟多路复用器（最多17个外部模拟输入通道）以及片上散热和片上电压传感器。可以将两个ADC配置为同时采样两个外部输入模拟通道。采样保持放大器支持一系列模拟输入信号类型，包括单端输入，双端输入和差分输入。模拟输入可以支持信号带宽在1M SPS的采样率下为500 KHz。可以使用外部模拟多路复用器来增加支持的外部通道数量，无需额外的封装引脚。XADC可选地使用片上参考电路，从而无需外部有源元件，用于温度和电源轨的基本片上监控。实现12位的ADC的全部性能，建议使用外部1.25V作为参考电压。最新的测量结果（连同最大和最小读数）存储在专用寄存器。用户可以根据自己的需要进行自定义的警报阈值（例如80°C），可以自动指示温度过高事件和不可接受的电源变化，并启动软件控制的系统掉电。

控制方式

PS端可以通过以下两种方式之一与XADC通信：

1. PS-XADC接口：PS互连上的32位APB从接口，该接口使用FIFO，并进行了串行化。
2. 通过PS to PL AXI的主接口，此时要使用AXI XADC Logic IP核来控制XADC。

需要注意的是，对PS端控制ADC对性能要求较高的程序，要使用相关连接的逻辑IP连接到M_AXI_GP接口（并行数据路径）。使用PS_XADC接口时，FIFO用于命令和读取数据，以允许软件快速排队命令，而不必等待序列化，但是对于PS to PL AXI主接口访问，数据像PL-JTAG一样被序列化到XADC 中（串行数据路径），相对来说速度慢得多。

系统框图

PL-JTAG接口和内部PS-XADC接口不能同时使用。这些接口之间的选择由devcfg.XADCIF_CFG [ENABLE]位控制。XADC可以进行接口选择，即对（PL-JTAG或PS-XADC）和DRP接口之间进行仲裁选择。下图为XADC的系统框图。

由上图可知，XADC是通过硬逻辑实现的，并且位于PL电源域中。PS-XADC接口是PS的一部分，所以无需编程PL就可以由PS APU访问。但是必须打开PL的电源以配置PS-XADC接口，使用PL-JTAG或DRP接口以及操作XADC。同时由图上可以清楚看出对于PL-JTAG或PS-XADC这两个接口经过了一个二选一选择器，所以这两个不能同时进行驱动。

接口说明

XADC在DRP接口与PS-XADC或PL-JTAG接口之间进行仲裁。

PS-XADC Interface： PS-XADC接口是PS中运行的软件使用devcfg寄存器配置接口。软件将命令写入接口，然后将其推入命令FIFO。这些由DRP命令，地址和数据组成的32位写入被串行化，并以回送路径发送到XADC，该回送路径填充了软件读取的返回读取数据FIFO。

DRP Interface： DRP接口是一个并行的16位双向接口，可以使用AXI4-Lite接口通过AXI XADC IP核连接到主机上，以使处理器能够控制XADC。IP内核通过每个AXI4-Lite读/写事务接收16位数据。

PL JTAG Interface： XADC使用完整的JTAG接口扩展到DRP接口。这允许通过现有的片上JTAG基础结构对XADC DRP进行读/写访问。通过JTAG访问DRP接口不需要实例化。边界扫描指令（6位指令= 110111）称为XADC_DRP，已添加到7系列FPGA中，允许通过JTAG TAP访问DRP。所有XADC JTAG指令均为32位宽。

PS-XADC接口编程指南

本文主要使用的是PS-XADC接口对XADC进行编程控制，下面给出相关操作的编程指导步骤。

通过PS-XADC接口初始化XADC

对通道和XADC进行复位操作，并刷新FIFO，操作顺序如下：

1. 复位串行通讯通道。  先后把1和0到devcfg.XADCIF_MCTL[RESET]寄存器位中；
2. 复位XADC。 把16位任意值写入DRP地址0x03（复位寄存器）。接着写08030000h到devcfg.XADCIF_CMDFIFO寄存器中；
3. 刷新FIFO。 这里刷新FIFO没有复位信号，而是将15个NOOP写入到FIFO；然后等待命令FIFO清空。最后一个命令应该是NOOP（虚拟写入），最后读取读取数据FIFO，直到为空。

命令准备

准备要写入XADC寄存器的数据配置顺序：本示例格式化了用于写入XADC配置寄存器1的数据，以将XADC设置为独立模式。

1. DRP数据。将XADC设置为独立模式的数据为8000h。
2. DRP地址。XADC配置寄存器1的地址为0x41。
3. 编写命令。写入操作的命令为0010b。在XADC配置寄存器1（0x41）中写入8000h的命令为08418000h。

准备从XADC寄存器读取的数据配置顺序：本示例格式化了用于读取XADC VCCPAUX状态寄存器0x0E的数据。

1. DRP数据。数据可以是用于读取操作（0）的任何任意数据。
2. DRP地址。XADC VCCPAUX状态寄存器的地址为0x0E。
3. 编写命令。读取操作的命令为0001b。读取XADC VCCPAUX状态寄存器0x0E的命令为040E0000h。

读写FIFO数据

向XADC写入命令以下编程顺序为写入XADC 电压警报上限阈值寄存器。

1. 准备命令。执行上面的命令准备的部分，写入具有所需阈值的XADC VCCPAUX警报上限阈值寄存器（0x5A）。
2. 用数据填充命令FIFO。将步骤1中格式化的数据写入devcfg.XADCIF_CMDFIFO寄存器。
3. 等待命令FIFO变空。等待，直到devcfg.XADCIF_MSTS [CFIFOE] = 1。

从XADC读取VCCPAUX值:从XADC VCCPAUX状态寄存器读取当前VCCPAUX值顺序如下：

1. 准备命令。执行上面的命令准备的部分，读取XADC VCCPAUX状态寄存器（0x0E）。
2. 将数据写入命令FIFO。将步骤1中格式化的数据写入devcfg.XADCIF_CMDFIFO寄存器。
3. 等待命令FIFO变空。等待，直到devcfg.XADCIF_MSTS [CFIFOE] = 1。
4. 从读取数据FIFO读取伪数据。读取devcfg.XADCIF_RDFIFO寄存器。
5. 格式化数据。执行上面的命令准备的部分，以使其不进行任何操作。
6. 将数据写入命令FIFO。将步骤5中的格式化数据写入devcfg.XADCIF_CMDFIFO寄存器。
7. 读取读取数据FIFO。读取devcfg.XADCIF_RDFIFO寄存器。

中断

配置和管理Alarm5（VCCPAUX）本示例将XADC寄存器配置为设置警报阈值，操作模式并启用PS-XADC接口中的警报5（VCCPAUX）中断。

1. 准备命令。执行上面的命令准备的部分，写入XADC硬宏警报阈值寄存器（VCCPAUX Upper-0x5A和VCCPAUX具有所需阈值的低0x5E）和XADC Config_Reg1（0x41）来将XADC设置为独立模式。
2. 将命令写入命令FIFO。将步骤1中准备的命令写到devcfg.XADCIF_CMDFIFO寄存器。
3. 在PS-XADC接口中启用Alarm5中断。写devcfg.XADCIF_INT_MASK[M_ALM] = 7Eh。
4. 检查是否触发了Alarm5。devcfg.XADCIF_INT_STS [M_ALM] = 1的轮询。
5. 清除Alarm5中断。写入devcfg.XADCIF_INT_STS [M_ALM] = 1。
6. 禁用Alarm0中断。写入devcfg.XADCIF_INT_MASK [M_ALM] = 7Fh

通过PS-XADC接口的启动顺序

通过PS-XADC接口的启动并设置各种接口参数，并包括中断和数据传输的步骤如下。

1. 完成初始化XADC；
2. 配置PS-XADC接口：对配置寄存器进行编程。将80001114h写入devcfg.XADCIF_CFG寄存器：使用默认的最小空闲间隙，[IGAP] = 14h（20个串行时钟）。使用默认的XADC串行时钟频率为PCAP_2x时钟频率的1/4，[TCKRATE] = 01。使用默认的FIFO串行读取捕获边沿（上升），[REDGE] = 1。使用默认的FIFO串行写启动边沿（下降），[WEDGE] = 0。使用默认的读取数据FIFO阈值级别，[DFIFOTH] = 0x0。使用默认的命令FIFO阈值级别，[CFIFOTH] = 0。启用XADC的PS访问。将0x1写入devcfg.XADCIF_CFG [ENABLE]。
3. 配置中断：中断用于管理来自XADC和操作FIFO/读取FIFO数据；
4. 数据传输到XADC。

系统框图

根据本次工程，画出相应的系统框图，如下图所示：



本次工程，使用了UART和XADC部分，使用XADC对芯片内部的电压和温度进行检测，并用串口打印输出。

硬件平台搭建

因为不需要使用其他资源，可以在原来的UART测试工程下进行开发搭建，直接保存即可。新建步骤如下，首先新建工程，创建 block design。添加ZYNQ7 ip，根据本次工程需要对IP进行配置。勾选本次工程使用的资源。
这里只要勾选UART资源即可，取消多余资源，然后点击OK。硬件系统构建完成如下：

然后我们进行generate output product 然后生成HDL封装。这里用到了UART，是MIO引脚，所以不需要进行管脚分配，XADC测量是内部的电压信息，并且使用的是PS_XADC接口。点击导出硬件资源（可以不包含bit流文件，因为只用到了PS资源），接着launch SDK。

SDK软件部分

打开SDK后，新建application project。在system.mss中可以打开相关参考文档辅助设计。

参考给出的示例，在main.c中写入以下代码：

#include "xparameters.h"
#include "xadcps.h"
#include "stdio.h"
#include "xil_printf.h"
#include "sleep.h"
#define XADC_DEVICE_IDXPAR_XADCPS_0_DEVICE_ID
static XAdcPs XAdc_Inst;
u32 Temp_RawData;
//芯片温度、最大、最小温度
float TempData;
float TempmaxData;
float TempminData;
//内核各部分电压值
float VccPintData;
float VccPauxData;
float VccPdroData;
float VccBramData;
void Xadc_init();
void Xadc_test();
int main(){
//初始化XADC
Xadc_init();
while(1){
Xadc_test();
sleep(2);
}
return 0;
}

void Xadc_init(){
int status;
XAdcPs_Config *ConfigPtr;
ConfigPtr = XAdcPs_LookupConfig(XADC_DEVICE_ID);
XAdcPs_CfgInitialize(&XAdc_Inst, ConfigPtr,ConfigPtr->BaseAddress);
//自测
status = XAdcPs_SelfTest(&XAdc_Inst);
if (status != XST_SUCCESS) {
xil_printf("xadc selftest failed!
");
}
//设置启动模式
XAdcPs_SetSequencerMode(&XAdc_Inst, XADCPS_SEQ_MODE_SAFE);
}
void Xadc_test(){

Temp_RawData = XAdcPs_GetAdcData(&XAdc_Inst, XADCPS_CH_TEMP);
TempData = XAdcPs_RawToTemperature(Temp_RawData);
Temp_RawData = XAdcPs_GetMinMaxMeasurement(&XAdc_Inst, XADCPS_MAX_TEMP);
TempmaxData = XAdcPs_RawToTemperature(Temp_RawData);
Temp_RawData = XAdcPs_GetMinMaxMeasurement(&XAdc_Inst, XADCPS_MIN_TEMP);
TempminData = XAdcPs_RawToTemperature(Temp_RawData);

Temp_RawData = XAdcPs_GetAdcData(&XAdc_Inst, XADCPS_CH_VCCPINT);
VccPintData = XAdcPs_RawToVoltage(Temp_RawData);
Temp_RawData = XAdcPs_GetAdcData(&XAdc_Inst, XADCPS_CH_VCCPAUX);
VccPauxData = XAdcPs_RawToVoltage(Temp_RawData);
Temp_RawData = XAdcPs_GetAdcData(&XAdc_Inst, XADCPS_CH_VCCPDRO);
VccPdroData = XAdcPs_RawToVoltage(Temp_RawData);
Temp_RawData = XAdcPs_GetAdcData(&XAdc_Inst, XADCPS_CH_VBRAM);
VccBramData = XAdcPs_RawToVoltage(Temp_RawData);
printf("============================
");
printf("Current Temperature:%0.4fC
",TempData);
printf("Maximum Temperature:%0.4fC
",TempmaxData);
printf("Minimum Temperature:%0.4fC
",TempminData);
printf("           VccPSint:%0.4fV
",VccPintData);
printf("           VccPSaux:%0.4fV
",VccPauxData);
printf("           VccPSdro:%0.4fV
",VccPdroData);
printf("          VccPSBram:%0.4fV
",VccBramData);
printf("============================
");
}

整体代码比较简单，主要还是使用相关的函数进行开发设计，这里打印了相关温度和电压信息。

运行效果

在SDK的串口终端中正确显示各个参数信息。

Reference

1. UG585
2. 正点原子开发视频教程

审核编辑 ：李倩