特权同学玩转Zynq连载39——[ex58] 基于Zynq的XADC采集控制实例

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1 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。
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。
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 = Tdigital503.975/4096 – 273.15
对于16bit的ADC值，Tactual = Tdigital503.975/65536 – 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 = Vdigital3/4096
对于16bit的ADC值，Vactual = Vdigital3/65536

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。

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。

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。

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。

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。

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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