xilinx FPGA的XADC功能测试笔记

Xilinx 7系列FPGA内置了一个模数转换模块，称为XADC。XADC内部集成了两个最高1MHz采样率，1Vpp的ADC模块，可以采集FPGA外部输入的模拟信号并转为数字信号。

 

XADC不需要外接任何输入信号，就可以测量FPGA内部的温度、VCCINT、VCCBRAM、VCCAUX电压。另外，还可以测量多达17路的外部差分输入模拟信号的幅度，包括专用差分信号输入信号VP/N以及VAUXP/N[15:0]。

 

所有的待测量信号均通过XADC内部的两个12bit-1MSPS的ADC模块(ADC_A和ADC_B)测量，并将转换结果存入状态寄存器(Status Registers)，用户通过DRP接口可以在FPGA内部读取这些数据，也可以在vivado软件的调试界面中用JTAG获得这些数据。

 

另外ADC工作的配置参数由用户提供，用户将参数可以实时在线写入控制寄存器(Control Registers)，从而实时控制ADC的工作状态，用户也可以在初始化配置XADC后将参数固定，不用实时配置，用户只需等待XADC初始化完成后，不断读取状态寄存器中的值即可。如下图1所示为XADC的功能模块图：

图1：XADC的功能模块图

 

1，硬件工作环境

FPGA：kintex-7。供电：12V/4A 直流电源。该板卡最多外接32通道2Vpp模拟信号以及20路外部触发信号。数据传输接口方式有千兆以太网接口、高速光纤接口以及低速USB串口。

图2：硬件PCB

 

2，逻辑开发环境

Vivado2017.4。

 

3，测试工程的逻辑框图介绍

如下图3所示为逻辑实现框图，由于硬件电路在设计时并没有考虑外部输入模拟电压的应用需求，因此本次测试针对的是FPGA内部的工作温度、内核电压VCCINT、VCCBRAM以及辅助电压VCCAUX这4个工作参数。

 

图3：逻辑测试框图

 

4，实现方法介绍

实现上就是对Dynamic Reconfiguration Port (DRP) 的时序进行读写操作，XADC的源语参数确定后，只需要对DRP端口进行读操作，就ok了。时序上并不复杂，其ug480官方文档给出的时序图如下图4所示，我们按照该时序控制信号就行了。

 

图4：DRP读写时序

如果我们连时序图都懒得看，也有其它办法。其官方给出了片上温度测量、VCCINT、VCCBRAM、VCCAUX以及4路VAUXP/N[3:0]的代码例程，ug480的第83页开始给出了应用例程和仿真测试时序，直接copy到我们的工程就可以了，DRP控制时序上非常简单，小青菜哥哥在这里就不一一介绍DRP端口信号的时序了，可以直接仿真看更清晰。

 

5，板级测试

我们copy了官方提供的代码并修改配置参数为只测试片上温度测量、VCCINT、VCCBRAM、VCCAUX这4路信号，并利用图3的框图建立工程，在线测试了温度和电压的功能。如图5所示为ILA在线监测的片上温度测量、VCCINT、VCCBRAM、VCCAUX这4路信号的时序图：其中EOC为每次ADC完成1路信号转换指示信号，EOS为每4路信号完成转换的指示信号。每个EOC指示信号的时间间隔为100个DRP时钟周期，因此可以推断出ADC的采样率为1MSPS。每次EOS拉高后，就表示用户可以从状态寄存器中读取4路信号的值了。

 

图5：4路信号整体测试时序图

 

如图6所示为读取这4路信号的更细节时序图，可以看到连续连续写入4个Daddr地址后，随后会出现drdy信号4次拉高，每次拉高时我们取出数据即可，共取4次，从而完成片上温度测量、VCCINT、VCCBRAM、VCCAUX这4路信号的取数。

 

图6：4路信号测试细节时序图

 

从图7可以更明显的观察到，每次drdy拉高时，对应读取了1路信号。拉高4次，完成4路信号的一次读取过程，之后再监测EOS信号，只要它再次拉高，就又在状态寄存器中读取这4路信号的值，如此循环往复。

 

图7：drdy信号拉高时取数

 

将取出来的4路数据通过网络接口发送到计算机，通过编写上位机软件就可以实时显示FPGA的温度和和电压了，如图8所示：FPGA的工作温度在49°附近波动，VCCINT为~1V，VCCBRAM也为~1V，VCCAUX为~1.8V，和实际FPGA的供电电压一致。

 

图8：上位机温度、电压监视界面

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