學習內容

本文首先介紹了ZYNQ的XADC的相關內容，并學習使用ZYNQ芯片中的XADC測量芯片內部的溫度電壓等參數，然后進行串口打印輸出。

開發環境

vivado 18.3&SDK，PYNQ-Z2開發板。

XADC介紹

簡介

Xilinx模擬信號轉換模塊，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軟件進行控制XADC。ZYNQ器件將XADC與可編程邏輯融合，解決了對模擬數據采集和監視要求。

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用器來增加支持的外部通道數量，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控。實現12位的ADC的全部性能，建議使用外部1.25V作為參考電壓。最新的測量結果（連同最大和最小讀數）存儲在專用寄存器。用戶可以根據自己的需要進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，要使用相關連接的邏輯IP連接到M_AXI_GP接口（并行數據路徑）。使用PS_XADC接口時，FIFO用于命令和讀取數據，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，數據像PL-JTAG一樣被序列化到XADC 中（串行數據路徑），相對來說速度慢得多。

系統框圖

PL-JTAG接口和內部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可以進行接口選擇，即對（PL-JTAG或PS-XADC）和DRP接口之間進行仲裁選擇。下圖為XADC的系統框圖。

由上圖可知，XADC是通過硬邏輯實現的，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這兩個接口經過了一個二選一選擇器，所以這兩個不能同時進行驅動。

接口說明

XADC在DRP接口與PS-XADC或PL-JTAG接口之間進行仲裁。

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，地址和數據組成的32位寫入被串行化，并以回送路徑發送到XADC，該回送路徑填充了軟件讀取的返回讀取數據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內核通過每個AXI4-Lite讀/寫事務接收16位數據。

PL JTAG Interface： XADC使用完整的JTAG接口擴展到DRP接口。這允許通過現有的片上JTAG基礎結構對XADC DRP進行讀/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進行編程控制，下面給出相關操作的編程指導步驟。

通過PS-XADC接口初始化XADC

對通道和XADC進行復位操作，并刷新FIFO，操作順序如下：

1. 復位串行通訊通道。  先后把1和0到devcfg.XADCIF_MCTL[RESET]寄存器位中；
2. 復位XADC。 把16位任意值寫入DRP地址0x03（復位寄存器）。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。最后一個命令應該是NOOP（虛擬寫入），最后讀取讀取數據FIFO，直到為空。

命令準備

準備要寫入XADC寄存器的數據配置順序：本示例格式化了用于寫入XADC配置寄存器1的數據，以將XADC設置為獨立模式。

1. DRP數據。將XADC設置為獨立模式的數據為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。

準備從XADC寄存器讀取的數據配置順序：本示例格式化了用于讀取XADC VCCPAUX狀態寄存器0x0E的數據。

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

讀寫FIFO數據

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. 準備命令。執行上面的命令準備的部分，寫入具有所需閾值的XADC VCCPAUX警報上限閾值寄存器（0x5A）。
2. 用數據填充命令FIFO。將步驟1中格式化的數據寫入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狀態寄存器讀取當前VCCPAUX值順序如下：

1. 準備命令。執行上面的命令準備的部分，讀取XADC VCCPAUX狀態寄存器（0x0E）。
2. 將數據寫入命令FIFO。將步驟1中格式化的數據寫入devcfg.XADCIF_CMDFIFO寄存器。
3. 等待命令FIFO變空。等待，直到devcfg.XADCIF_MSTS [CFIFOE] = 1。
4. 從讀取數據FIFO讀取偽數據。讀取devcfg.XADCIF_RDFIFO寄存器。
5. 格式化數據。執行上面的命令準備的部分，以使其不進行任何操作。
6. 將數據寫入命令FIFO。將步驟5中的格式化數據寫入devcfg.XADCIF_CMDFIFO寄存器。
7. 讀取讀取數據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. 準備命令。執行上面的命令準備的部分，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設置為獨立模式。
2. 將命令寫入命令FIFO。將步驟1中準備的命令寫到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接口的啟動并設置各種接口參數，并包括中斷和數據傳輸的步驟如下。

1. 完成初始化XADC；
2. 配置PS-XADC接口：對配置寄存器進行編程。將80001114h寫入devcfg.XADCIF_CFG寄存器：使用默認的最小空閑間隙，[IGAP] = 14h（20個串行時鐘）。使用默認的XADC串行時鐘頻率為PCAP_2x時鐘頻率的1/4，[TCKRATE] = 01。使用默認的FIFO串行讀取捕獲邊沿（上升），[REDGE] = 1。使用默認的FIFO串行寫啟動邊沿（下降），[WEDGE] = 0。使用默認的讀取數據FIFO閾值級別，[DFIFOTH] = 0x0。使用默認的命令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數據；
4. 數據傳輸到XADC。

系統框圖

根據本次工程，畫出相應的系統框圖，如下圖所示：

本次工程，使用了UART和XADC部分，使用XADC對芯片內部的電壓和溫度進行檢測，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測試工程下進行開發搭建，直接保存即可。新建步驟如下，首先新建工程，創建 block design。添加ZYNQ7 ip，根據本次工程需要對IP進行配置。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。硬件系統構建完成如下：

然后我們進行generate output product 然后生成HDL封裝。這里用到了UART，是MIO引腳，所以不需要進行管腳分配，XADC測量是內部的電壓信息，并且使用的是PS_XADC接口。點擊導出硬件資源（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中可以打開相關參考文檔輔助設計。

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_ID	XPAR_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);
	}
	return0;
}

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!\n");
	}
	//設置啟動模式
	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("============================\n");
	printf("Current Temperature:%0.4fC\n",TempData);
	printf("Maximum Temperature:%0.4fC\n",TempmaxData);
	printf("Minimum Temperature:%0.4fC\n",TempminData);
	printf("           VccPSint:%0.4fV\n",VccPintData);
	printf("           VccPSaux:%0.4fV\n",VccPauxData);
	printf("           VccPSdro:%0.4fV\n",VccPdroData);
	printf("          VccPSBram:%0.4fV\n",VccBramData);
	printf("============================\n");
}

整體代碼比較簡單，主要還是使用相關的函數進行開發設計，這里打印了相關溫度和電壓信息。

運行效果

在SDK的串口終端中正確顯示各個參數信息。

Reference

1. UG585
2. 正點原子開發視頻教程