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學(xué)習(xí)內(nèi)容

本文首先介紹了ZYNQ的XADC的相關(guān)內(nèi)容，并學(xué)習(xí)使用ZYNQ芯片中的XADC測量芯片內(nèi)部的溫度電壓等參數(shù)，然后進(jìn)行串口打印輸出。

開發(fā)環(huán)境

vivado 18.3&SDK，PYNQ-Z2開發(fā)板。

XADC介紹

簡介

Xilinx模擬信號轉(zhuǎn)換模塊，稱為XADC，是一個硬核。它具有JTAG和DRP接口用于訪問7系列FPGA中的XADC狀態(tài)和控制寄存器。Zynq-7000 SoC器件添加了第三個接口，即PS-XADC接口，用于PS軟件進(jìn)行控制XADC。ZYNQ器件將XADC與可編程邏輯融合，解決了對模擬數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視要求。

XADC具有兩個12位的ADC，具有獨立的跟蹤和保持放大器，模擬多路復(fù)用器（最多17個外部模擬輸入通道）以及片上散熱和片上電壓傳感器。可以將兩個ADC配置為同時采樣兩個外部輸入模擬通道。采樣保持放大器支持一系列模擬輸入信號類型，包括單端輸入，雙端輸入和差分輸入。模擬輸入可以支持信號帶寬在1M SPS的采樣率下為500 KHz。可以使用外部模擬多路復(fù)用器來增加支持的外部通道數(shù)量，無需額外的封裝引腳。XADC可選地使用片上參考電路，從而無需外部有源元件，用于溫度和電源軌的基本片上監(jiān)控。實現(xiàn)12位的ADC的全部性能，建議使用外部1.25V作為參考電壓。最新的測量結(jié)果（連同最大和最小讀數(shù)）存儲在專用寄存器。用戶可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行自定義的警報閾值（例如80°C），可以自動指示溫度過高事件和不可接受的電源變化，并啟動軟件控制的系統(tǒng)掉電。

控制方式

PS端可以通過以下兩種方式之一與XADC通信：

1. PS-XADC接口：PS互連上的32位APB從接口，該接口使用FIFO，并進(jìn)行了串行化。
2. 通過PS to PL AXI的主接口，此時要使用AXI XADC Logic IP核來控制XADC。

需要注意的是，對PS端控制ADC對性能要求較高的程序，要使用相關(guān)連接的邏輯IP連接到M_AXI_GP接口（并行數(shù)據(jù)路徑）。使用PS_XADC接口時，F(xiàn)IFO用于命令和讀取數(shù)據(jù)，以允許軟件快速排隊命令，而不必等待序列化，但是對于PS to PL AXI主接口訪問，數(shù)據(jù)像PL-JTAG一樣被序列化到XADC 中（串行數(shù)據(jù)路徑），相對來說速度慢得多。

系統(tǒng)框圖

PL-JTAG接口和內(nèi)部PS-XADC接口不能同時使用。這些接口之間的選擇由devcfg.XADCIF_CFG [ENABLE]位控制。XADC可以進(jìn)行接口選擇，即對（PL-JTAG或PS-XADC）和DRP接口之間進(jìn)行仲裁選擇。下圖為XADC的系統(tǒng)框圖。

由上圖可知，XADC是通過硬邏輯實現(xiàn)的，并且位于PL電源域中。PS-XADC接口是PS的一部分，所以無需編程PL就可以由PS APU訪問。但是必須打開PL的電源以配置PS-XADC接口，使用PL-JTAG或DRP接口以及操作XADC。同時由圖上可以清楚看出對于PL-JTAG或PS-XADC這兩個接口經(jīng)過了一個二選一選擇器，所以這兩個不能同時進(jìn)行驅(qū)動。

接口說明

XADC在DRP接口與PS-XADC或PL-JTAG接口之間進(jìn)行仲裁。

PS-XADC Interface： PS-XADC接口是PS中運行的軟件使用devcfg寄存器配置接口。軟件將命令寫入接口，然后將其推入命令FIFO。這些由DRP命令，地址和數(shù)據(jù)組成的32位寫入被串行化，并以回送路徑發(fā)送到XADC，該回送路徑填充了軟件讀取的返回讀取數(shù)據(jù)FIFO。

DRP Interface： DRP接口是一個并行的16位雙向接口，可以使用AXI4-Lite接口通過AXI XADC IP核連接到主機上，以使處理器能夠控制XADC。IP內(nèi)核通過每個AXI4-Lite讀/寫事務(wù)接收16位數(shù)據(jù)。

PL JTAG Interface： XADC使用完整的JTAG接口擴展到DRP接口。這允許通過現(xiàn)有的片上JTAG基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對XADC DRP進(jìn)行讀/寫訪問。通過JTAG訪問DRP接口不需要實例化。邊界掃描指令（6位指令= 110111）稱為XADC_DRP，已添加到7系列FPGA中，允許通過JTAG TAP訪問DRP。所有XADC JTAG指令均為32位寬。

PS-XADC接口編程指南

本文主要使用的是PS-XADC接口對XADC進(jìn)行編程控制，下面給出相關(guān)操作的編程指導(dǎo)步驟。

通過PS-XADC接口初始化XADC

對通道和XADC進(jìn)行復(fù)位操作，并刷新FIFO，操作順序如下：

1. 復(fù)位串行通訊通道。 ?先后把1和0到devcfg.XADCIF_MCTL[RESET]寄存器位中；
2. 復(fù)位XADC。 把16位任意值寫入DRP地址0x03（復(fù)位寄存器）。接著寫08030000h到devcfg.XADCIF_CMDFIFO寄存器中；
3. 刷新FIFO。 這里刷新FIFO沒有復(fù)位信號，而是將15個NOOP寫入到FIFO；然后等待命令FIFO清空。最后一個命令應(yīng)該是NOOP（虛擬寫入），最后讀取讀取數(shù)據(jù)FIFO，直到為空。

命令準(zhǔn)備

準(zhǔn)備要寫入XADC寄存器的數(shù)據(jù)配置順序：本示例格式化了用于寫入XADC配置寄存器1的數(shù)據(jù)，以將XADC設(shè)置為獨立模式。

1. DRP數(shù)據(jù)。將XADC設(shè)置為獨立模式的數(shù)據(jù)為8000h。
2. DRP地址。XADC配置寄存器1的地址為0x41。
3. 編寫命令。寫入操作的命令為0010b。在XADC配置寄存器1（0x41）中寫入8000h的命令為08418000h。

準(zhǔn)備從XADC寄存器讀取的數(shù)據(jù)配置順序：本示例格式化了用于讀取XADC VCCPAUX狀態(tài)寄存器0x0E的數(shù)據(jù)。

1. DRP數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可以是用于讀取操作（0）的任何任意數(shù)據(jù)。
2. DRP地址。XADC VCCPAUX狀態(tài)寄存器的地址為0x0E。
3. 編寫命令。讀取操作的命令為0001b。讀取XADC VCCPAUX狀態(tài)寄存器0x0E的命令為040E0000h。

讀寫FIFO數(shù)據(jù)

向XADC寫入命令以下編程順序為寫入XADC 電壓警報上限閾值寄存器。

1. 準(zhǔn)備命令。執(zhí)行上面的命令準(zhǔn)備的部分，寫入具有所需閾值的XADC VCCPAUX警報上限閾值寄存器（0x5A）。
2. 用數(shù)據(jù)填充命令FIFO。將步驟1中格式化的數(shù)據(jù)寫入devcfg.XADCIF_CMDFIFO寄存器。
3. 等待命令FIFO變空。等待，直到devcfg.XADCIF_MSTS [CFIFOE] = 1。

從XADC讀取VCCPAUX值:從XADC VCCPAUX狀態(tài)寄存器讀取當(dāng)前VCCPAUX值順序如下：

1. 準(zhǔn)備命令。執(zhí)行上面的命令準(zhǔn)備的部分，讀取XADC VCCPAUX狀態(tài)寄存器（0x0E）。
2. 將數(shù)據(jù)寫入命令FIFO。將步驟1中格式化的數(shù)據(jù)寫入devcfg.XADCIF_CMDFIFO寄存器。
3. 等待命令FIFO變空。等待，直到devcfg.XADCIF_MSTS [CFIFOE] = 1。
4. 從讀取數(shù)據(jù)FIFO讀取偽數(shù)據(jù)。讀取devcfg.XADCIF_RDFIFO寄存器。
5. 格式化數(shù)據(jù)。執(zhí)行上面的命令準(zhǔn)備的部分，以使其不進(jìn)行任何操作。
6. 將數(shù)據(jù)寫入命令FIFO。將步驟5中的格式化數(shù)據(jù)寫入devcfg.XADCIF_CMDFIFO寄存器。
7. 讀取讀取數(shù)據(jù)FIFO。讀取devcfg.XADCIF_RDFIFO寄存器。

中斷

配置和管理Alarm5（VCCPAUX）本示例將XADC寄存器配置為設(shè)置警報閾值，操作模式并啟用PS-XADC接口中的警報5（VCCPAUX）中斷。

1. 準(zhǔn)備命令。執(zhí)行上面的命令準(zhǔn)備的部分，寫入XADC硬宏警報閾值寄存器（VCCPAUX Upper-0x5A和VCCPAUX具有所需閾值的低0x5E）和XADC Config_Reg1（0x41）來將XADC設(shè)置為獨立模式。
2. 將命令寫入命令FIFO。將步驟1中準(zhǔn)備的命令寫到devcfg.XADCIF_CMDFIFO寄存器。
3. 在PS-XADC接口中啟用Alarm5中斷。寫devcfg.XADCIF_INT_MASK[M_ALM] = 7Eh。
4. 檢查是否觸發(fā)了Alarm5。devcfg.XADCIF_INT_STS [M_ALM] = 1的輪詢。
5. 清除Alarm5中斷。寫入devcfg.XADCIF_INT_STS [M_ALM] = 1。
6. 禁用Alarm0中斷。寫入devcfg.XADCIF_INT_MASK [M_ALM] = 7Fh

通過PS-XADC接口的啟動順序

通過PS-XADC接口的啟動并設(shè)置各種接口參數(shù)，并包括中斷和數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟襟E如下。

1. 完成初始化XADC；
2. 配置PS-XADC接口：對配置寄存器進(jìn)行編程。將80001114h寫入devcfg.XADCIF_CFG寄存器：使用默認(rèn)的最小空閑間隙，[IGAP] = 14h（20個串行時鐘）。使用默認(rèn)的XADC串行時鐘頻率為PCAP_2x時鐘頻率的1/4，[TCKRATE] = 01。使用默認(rèn)的FIFO串行讀取捕獲邊沿（上升），[REDGE] = 1。使用默認(rèn)的FIFO串行寫啟動邊沿（下降），[WEDGE] = 0。使用默認(rèn)的讀取數(shù)據(jù)FIFO閾值級別，[DFIFOTH] = 0x0。使用默認(rèn)的命令FIFO閾值級別，[CFIFOTH] = 0。啟用XADC的PS訪問。將0x1寫入devcfg.XADCIF_CFG [ENABLE]。
3. 配置中斷：中斷用于管理來自XADC和操作FIFO/讀取FIFO數(shù)據(jù)；
4. 數(shù)據(jù)傳輸?shù)絏ADC。

系統(tǒng)框圖

根據(jù)本次工程，畫出相應(yīng)的系統(tǒng)框圖，如下圖所示：



本次工程，使用了UART和XADC部分，使用XADC對芯片內(nèi)部的電壓和溫度進(jìn)行檢測，并用串口打印輸出。

硬件平臺搭建

因為不需要使用其他資源，可以在原來的UART測試工程下進(jìn)行開發(fā)搭建，直接保存即可。新建步驟如下，首先新建工程，創(chuàng)建 block design。添加ZYNQ7 ip，根據(jù)本次工程需要對IP進(jìn)行配置。勾選本次工程使用的資源。
這里只要勾選UART資源即可，取消多余資源，然后點擊OK。硬件系統(tǒng)構(gòu)建完成如下：

然后我們進(jìn)行g(shù)enerate output product 然后生成HDL封裝。這里用到了UART，是MIO引腳，所以不需要進(jìn)行管腳分配，XADC測量是內(nèi)部的電壓信息，并且使用的是PS_XADC接口。點擊導(dǎo)出硬件資源（可以不包含bit流文件，因為只用到了PS資源），接著launch SDK。

SDK軟件部分

打開SDK后，新建application project。在system.mss中可以打開相關(guān)參考文檔輔助設(shè)計。

參考給出的示例，在main.c中寫入以下代碼：

#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;
//芯片溫度、最大、最小溫度
float TempData;
float TempmaxData;
float TempminData;
//內(nèi)核各部分電壓值
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);
//自測
status = XAdcPs_SelfTest(&XAdc_Inst);
if (status != XST_SUCCESS) {
xil_printf("xadc selftest failed!
");
}
//設(shè)置啟動模式
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("============================
");
}

整體代碼比較簡單，主要還是使用相關(guān)的函數(shù)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計，這里打印了相關(guān)溫度和電壓信息。

運行效果

在SDK的串口終端中正確顯示各個參數(shù)信息。

Reference

1. UG585
2. 正點原子開發(fā)視頻教程

審核編輯 ：李倩

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