Xilinx-ZYNQ7000系列-学习笔记（1）：用XADC测外部温度值

Xilinx-ZYNQ7000系列-学习笔记（1）：用XADC测外部温度值

一、XADC简介

Zynq器件XADC模块包括2个12比特1 MIPS的模数转换器和相关的片上传感器，内置温度传感器和功耗传感器，可实时监测片内结温、各路电压数据，并可输出告警信号。
XADC模拟输入包括专用模拟输入VP/VN和16组复用模拟信号输入VAUX(15:0)；XADC转换结果可以通过动态重配接口（DRP）或者JTAG接口输出；告警信号可通过ALM(7:0)输出，并有专用的温度告警信号OT。
XADC还包括几个支持测量芯片上电源电压和模具温度的片上传感器。ADC转换数据存储在称为状态寄存器的专用寄存器中。这些寄存器可以通过FPGA互连访问，使用一个16位同步读写端口，称为动态重新配置端口(DRP)。ADC转换数据也可以通过JTAG TAP访问，可以在配置之前(预配置)，也可以在配置之后访问。对于JTAG TAP，用户不需要实例化XADC，因为它是一个专用接口，使用现有的FPGA JTAG基础结构。正如后面所讨论的，如果XADC没有在设计中实例化，则设备以预定义的模式(称为默认模式)运行，该模式监视芯片上的温度和电源电压。

具体的参考手册如下：

ug480：7Series_XADC.pdf
xapp795：driving-xadc.pdf
xapp554：xadc-layout-guidelines.pdf
xapp1203：post-proc-ip-zynq-xadc.pdf
xapp1183：zynq-xadc-axi.pdf
xapp1182：zynq_axi_xadc_mon.pdf
xapp1172：zynq_ps_xadc.pdf
pg019：axi_xadc.pdf
pg091：xadc-wiz.pdf
ug953：vivado-7series-libraries.pdf
ug585：Zynq-7000-TRM.pdf

二、XADC的配置方法

本文采用vivado编译环境对XADC进行配置。
在对XADC进行寄存器配置之前，首先要在vivado中进行硬件电路的搭建，这部分内容可以通过建立block块完成，具体配置方法请参考https://blog.csdn.net/taowei1314520/article/details/83656386。本文借助外部VPVN测量端口，通过搭建惠斯顿电桥进行温度的测量（具体方法后面会详细介绍到），所以需要在搭建硬件电路时引出VPVN和配置XDC管脚约束。

2.1 配置寄存器

在配置寄存器之前，首先要对两种寄存器进行解释说明。
控制寄存器：用于控制和确定处理器的操作模式以及当前执行任务的特性。
状态寄存器：用来存放两类信息，一类是体现当前指令执行结果的各种状态信息，另一类是存放控制信息。
1.配置控制寄存器Configuration register 0
通过写入C_BASEADDR + 0x300（基地址+偏移量）来定位到该寄存器的位置，下图为该寄存器的bit位对照图。

CAVG：这个比特位用于禁用计算校验系数的平均，使能为0，使能为1（平均固定在16个样本）。
AVG1、AVG0：这些位用于在单通道和序列模式下设置所选通道上的样本平均量。

MUX：这个比特位为外部多路复用，设置1即启动外部多路复用功能。（本文所采用的的VP/VN位专用PL端引脚，所以这里不进行多路复用）。
BU：这个比特位是进行单双极性的选择，双极性为1，单极性为0。本文采用的是模拟差分的输入方式，因为差分输入能够有效地降低干扰，实现数据更加稳定地传输。

EC：这个比特位用于为XADC采样模式，1为event-driven sampling mode，0为continuous sampling mode。
event-driven sampling mode：该工作模式下，采样瞬间和随后的转换过程由一个称谓转换开关的触发信号启动，当需要对采样的时刻进行精确控制时，采用该模式。在该模式下，DCLK必须始终存在。
continuous sampling mode：该工作模式下，ADC在当前转换周期结束时自动启动新的转换，adc持续对选定的模拟输入进行转换，模数转换过程由采集阶段和转换阶段两部分组成。
ACQ：在使用单通道模式时，该位用于将连续采样模式下的外部模拟输入的可用时间增加6次ADCCLK周期，如果没有设置ACQ位，则在收购的最后阶段允许使用4个ADCCLKs或150个ns。通过将此位设置为逻辑1，可以增加获取时间。
CH4~CH0：在单通道模式或外部多路复用模式下工作时，这些位用于选择ADC输入通道。

2. 配置控制寄存器Configuration register 1
通过写入C_BASEADDR + 0x304（基地址+偏移量）来定位到该寄存器的位置，下图为该寄存器的bit位对照图。

SEQ3~SEQ0：这些比特位用来使能通道序列。

Default mode：在这种操作模式下，XADC自动监控芯片上的传感器，并将结果存储在状态寄存器中。这两种adc都是在这种模式下校准的，所有传感器都使用平均16个样本。XADC在此模式下独立于任何其他控制寄存器设置操作。
Single Pass Mode：在这种操作模式下，序列操作一次通过序列通道寄存器，然后停止。
Continuous sequence mode：该模式相当于single pass mode的自动版，在一次操作结束后又会自动重新开始。
Simultaneous Sampling Mode：在该模式下，测序器通过8对辅助模拟输入通道自动进行同步采样和转换，这在需要保留两个信号之间的相位关系的应用程序中非常有用，大部分用于多路复用情况下。
Auxiliary analog channels 0 to 7 are assigned to ADC A and are nominated as A channels.
Auxiliary analog channels 8 to 15 are assigned to ADC B and are nominated as B channels
Independent ADC Mode：通常用于报警模式和监测模式，在这种模式下，警报输出使能，并且使用者必须正确地配置报警阈值。与默认的测序模式一样，平均值固定在16个采样点。
ALM6~ALM0：这些位用于禁用温度的单个警报输出，1为禁用报警输出。
CAL3~CAL0：这些位使校准系数应用于ADC和片上供应传感器测量，1为使能校准，0位不使能。

OT：这个位用于禁用温度过高信号。通过将此位设置为逻辑1来禁用警报。
3. 配置控制寄存器Configuration register 2
通过写入C_BASEADDR + 0x308（基地址+偏移量）来定位到该寄存器的位置，下图为该寄存器的bit位对照图。

CD7~CD0：这些位用于选择ADC的DRP时钟（DCLK）和低频率ADC时钟（ADCCLK）之间的分频比。
DRP：动态配置端口，可直接通过PL部分访问，也可以通过高级接口单元。
所有XADC计时同步到DRP时钟(DCLK)。ADCCLK是通过将DCLK在配置寄存器2中分频得到的。

PD1、PD0：XADC的中断位。通过设置PD1 = PD0 = 1，可以永久关闭整个XADC块。

4. 配置序列寄存器Sequence Register 0：首先写入C_BASEADDR + 0x320（基地址+偏移量）来定位到该寄存器的位置，再通过写bit位来选择序列通道，本文采用VPVN序列通道，所以给第12位置1（0000_1000_0000_0000），具体对应表如下。

5. 配置输出寄存器：通过写入C_BASEADDR + 0x20C（基地址+偏移量）来定位到该寄存器的位置，在专用模拟输入通道(Vp/Vn)上A/D转换的12位MSB验证结果存储在此寄存器中。

2.2 结果换算

定义和一些计算所应用到的数据位数为16位（unsigned short），而我们所用到的只有12位，所以需要将数据进行右移4位来保证12位MSB验证结果能够完整的存储到寄存器中。
将ADC的外部模拟输入通道配置为双极时，它们可以容纳真正的差分和双极模拟信号类型。双极模式下ADC的输出编码是双极模式下的补码，用来表示VP上输入信号相对于VN的符号。设计代码转换发生在连续整数LSB值，也就是说，一个LSB、两个LSB、三个LSB等。伏特的LSB大小即1个数据位等于244uV。

2.3 温度采集

本文采用PT100热电阻作为外部温度测量器件，通过搭建惠斯顿电桥，实现温度的采集。
1、将XADC在PL端的VPVN引脚直接接在电桥上，利用Pt100在不同温度下电阻值发生变化的原理，实现VP/VN电压差的改变，根据公式计算得出温度值，下图为惠斯顿电桥。

计算公式：
$V=VP0-VN0$
$Rpt=(13200+29000V)/(412.5-145V)$
2、Pt100 是电阻式温度传感器，测温的本质其实是测量传感器的电阻，通常是将电阻的变化转换成电压或电流等模拟信号，再将模拟信号转换成数字信号，再由处理器换算出相应温度。
通过查找表或公式计算的方法，将电阻值转换为对应的温度值，以下给出“PT100温度-电压”对照表和各种类型的接线法。

a.二线制接法：如图4(a)所示，这种接法不考虑Pt100 电缆的导线电阻，将A/D 采样端与电流源的正极输出端接在一起，这种接法由于没有考虑测温电缆的电阻，因此只能适用于测温距离较近的场合。
b.三线制接法：如图4(b)所示,这种接法增加了用于A/D 采样的补偿线，三线制接法消除了连接导线电阻引起的测量误差，这种接法适用于中等测温距离的场合。
c.四线制接法：如图4©所示，这种接法不仅增加了A/D 采样补偿线，还加了一条A/D对地的补偿线，这样可以近一步的减小测量误差，可以用于测温距离较远的场合。如果只从精度上考虑，采用四线制接法效果最好。

三、下载与调试

调试完成后，接下来就是将程序固化到板子中，我大致介绍一下程序固化方法和启动流程。

3.1 程序的固化方法

一般在调试程序的过程中FPGA用的是JTAG模式，不需要片外配置芯片，是直接将我们编写的程序下载到FPGA的片内RAM中，掉电不保留数据。而固化的目的是使板卡掉电不丢失程序，通常在调试阶段需要多次启动，每次上电都重新下载程序是一件很麻烦的事情，所以将程序固化进去会方便很多，下面是固化程序的参考流程。

https://blog.csdn.net/wmyan/article/details/79292778

如果大家觉得步骤很复杂的话，我用框图的形式总结了一下，可能会清楚点。

3.2 程序的启动流程

1. ZYNQ7000 SOC芯片可以从FLASH启动，也可以从SD卡里启动。ZYNQ7000 SOC芯片上电后，先运行的是ARM系统（PS端）。然后通过ARM系统软件部分加载FPGA的比特流文件.bit至FPGA（PL端），启动FPGA逻辑功能。
2. BOOT ROM：开发板上电，Z7000会先执行片内BOOT ROM 代码，BOOT ROM代码读取BOOT mode寄存器决定哪一种启动方式（SD card/QSPI flash/JTAG）。
3. 确定好启动方式后，BOOT ROM从相应的启动设备中（SD card/QSPI flash）加载到First Stage Bootloader （FSBL）到On Chip Memory（OCM）RAM，并将执行权交给FSBL。
4. FSBL：（a）初始化CPU，初始化串口。（b）PS一些控制器初始化。（c）禁止L1 Data Cache。（d）注册ARM中断向量。（e）通过Boot mode寄存器判断启动方式。

3.3 程序的测试

通过UART串口输出，借助串口调试助手可以看到实时的温度数值，完成测试。

四、总结

大致归纳一下XADC用到的基本知识（仅针对个人的学习笔记总结）。

1、轮询模式：CPU重复检查设备的状态寄存器，直到寄存器的值表明I/O操作已经完成。
2、多路复用器mux：能够接收多个信号，按每个信号可恢复方式合成单个输出信号。
3、XADC也需要参考电压，参考电压由芯片内部或外部决定。
4、VP/VN在多路复用通道外（XADC有17个通道），即PL引脚复用。
5、XADC模块的引脚封装均在BANK0中。
6、用VP/VN能够有效减小干扰，噪声相减则抵消。
7、VP-VN的电压输出范围是-0.5V ~ +0.5V，VP与VN相对于GNDADC电压必须大于0。
8、模拟信号通道在管脚配置时不需要加电压，数字信号通道在管脚配置时需要加电压，电压相当于一个标准（FPGA有1.8V 2.5V 3.3V），例如3.3V控制时，达到3.3V就相当于逻辑1，0V就相当于逻辑0。
9、掩码：是一串二进制代码对目标字段进行位与运算，屏蔽当前的输入位。
10、状态寄存器只能查看工作状态（read only），控制寄存器可以配置（read and write）。
11、没有JTAG一般用Anolog-Input Mode（4Ch and 4Dh）配置。

通过实现利用XADC对温度的采集，我学习到了如何配置寄存器（直接用地址写寄存器的方式），学习到了什么是固化程序以及如何将程序固化到FPGA板卡中，这同时用到了vivado和sdk编译环境，理解了温度传感器的工作原理，最重要的是能够系统地对一项工程进行梳理，这对于学习FPGA有很大的帮助，希望以后能够通过学习和写博客的这种方式慢慢进步。