Xilinx-ZYNQ7000系列-學習筆記（1）：用XADC測外部溫度值

Xilinx-ZYNQ7000系列-學習筆記（1）：用XADC測外部溫度值

一、XADC簡介

Zynq器件XADC模組包括2個12位元1 MIPS的模數轉換器和相關的片上感測器，內建溫度感測器和功耗感測器，可實時監測片內結溫、各路電壓資料，並可輸出告警訊號。
XADC模擬輸入包括專用模擬輸入VP/VN和16組複用模擬訊號輸入VAUX(15:0)；XADC轉換結果可以透過動態重配介面（DRP）或者JTAG介面輸出；告警訊號可透過ALM(7:0)輸出，並有專用的溫度告警訊號OT。
XADC還包括幾個支援測量晶片上電源電壓和模具溫度的片上感測器。ADC轉換資料儲存在稱為狀態暫存器的專用暫存器中。這些暫存器可以透過FPGA互連訪問，使用一個16位同步讀寫埠，稱為動態重新配置埠(DRP)。ADC轉換資料也可以透過JTAG TAP訪問，可以在配置之前(預配置)，也可以在配置之後訪問。對於JTAG TAP，使用者不需要例項化XADC，因為它是一個專用介面，使用現有的FPGA JTAG基礎結構。正如後面所討論的，如果XADC沒有在設計中例項化，則裝置以預定義的模式(稱為預設模式)執行，該模式監視晶片上的溫度和電源電壓。

具體的參考手冊如下：

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編譯環境對XADC進行配置。
在對XADC進行暫存器配置之前，首先要在vivado中進行硬體電路的搭建，這部分內容可以透過建立block塊完成，具體配置方法請參考 https://blog.csdn.net/taowei1314520/article/details/83656386。本文藉助外部VPVN測量埠，透過搭建惠斯頓電橋進行溫度的測量（具體方法後面會詳細介紹到），所以需要在搭建硬體電路時引出VPVN和配置XDC管腳約束。

2.1 配置暫存器

在配置暫存器之前，首先要對兩種暫存器進行解釋說明。
控制暫存器：用於控制和確定處理器的操作模式以及當前執行任務的特性。
狀態暫存器：用來存放兩類資訊，一類是體現當前指令執行結果的各種狀態資訊，另一類是存放控制資訊。
1.配置控制暫存器 Configuration register 0
透過寫入C_BASEADDR + 0x300（基地址+偏移量）來定位到該暫存器的位置，下圖為該暫存器的bit位對照圖。

CAVG：這個位元位用於禁用計算校驗係數的平均，使能為0，使能為1（平均固定在16個樣本）。
AVG1、AVG0：這些位用於在單通道和序列模式下設定所選通道上的樣本平均量。

MUX：這個位元位為外部多路複用，設定1即啟動外部多路複用功能。（本文所採用的的VP/VN位專用PL端引腳，所以這裡不進行多路複用）。
BU：這個位元位是進行單雙極性的選擇，雙極性為1，單極性為0。本文采用的是模擬差分的輸入方式，因為差分輸入能夠有效地降低干擾，實現資料更加穩定地傳輸。

EC：這個位元位用於為XADC取樣模式，1為event-driven sampling mode，0為continuous sampling mode。
event-driven sampling mode：該工作模式下，取樣瞬間和隨後的轉換過程由一個稱謂轉換開關的觸發訊號啟動，當需要對取樣的時刻進行精確控制時，採用該模式。在該模式下，DCLK必須始終存在。
continuous sampling mode：該工作模式下，ADC在當前轉換週期結束時自動啟動新的轉換，adc持續對選定的模擬輸入進行轉換，模數轉換過程由採集階段和轉換階段兩部分組成。
ACQ：在使用單通道模式時，該位用於將連續取樣模式下的外部模擬輸入的可用時間增加6次ADCCLK週期，如果沒有設定ACQ位，則在收購的最後階段允許使用4個ADCCLKs或150個ns。透過將此位設定為邏輯1，可以增加獲取時間。
CH4~CH0：在單通道模式或外部多路複用模式下工作時，這些位用於選擇ADC輸入通道。

2. 配置控制暫存器 Configuration register 1
透過寫入C_BASEADDR + 0x304（基地址+偏移量）來定位到該暫存器的位置，下圖為該暫存器的bit位對照圖。

SEQ3~SEQ0：這些位元位用來使能通道序列。

Default mode：在這種操作模式下，XADC自動監控晶片上的感測器，並將結果儲存在狀態暫存器中。這兩種adc都是在這種模式下校準的，所有感測器都使用平均16個樣本。XADC在此模式下獨立於任何其他控制暫存器設定操作。
Single Pass Mode：在這種操作模式下，序列操作一次透過序列通道暫存器，然後停止。
Continuous sequence mode：該模式相當於single pass mode的自動版，在一次操作結束後又會自動重新開始。
Simultaneous Sampling Mode：在該模式下，測序器透過8對輔助模擬輸入通道自動進行同步取樣和轉換，這在需要保留兩個訊號之間的相位關係的應用程式中非常有用，大部分用於多路複用情況下。
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：通常用於報警模式和監測模式，在這種模式下，警報輸出使能，並且使用者必須正確地配置報警閾值。與預設的測序模式一樣，平均值固定在16個取樣點。
ALM6~ALM0：這些位用於禁用溫度的單個警報輸出，1為禁用報警輸出。
CAL3~CAL0：這些位使校準係數應用於ADC和片上供應感測器測量，1為使能校準，0位不使能。

OT：這個位用於禁用溫度過高訊號。透過將此位設定為邏輯1來禁用警報。
3. 配置控制暫存器 Configuration register 2
透過寫入C_BASEADDR + 0x308（基地址+偏移量）來定位到該暫存器的位置，下圖為該暫存器的bit位對照圖。

CD7~CD0：這些位用於選擇ADC的DRP時鐘（DCLK）和低頻率ADC時鐘（ADCCLK）之間的分頻比。
DRP：動態配置埠，可直接透過PL部分訪問，也可以透過高階介面單元。
所有XADC計時同步到DRP時鐘(DCLK)。ADCCLK是透過將DCLK在配置暫存器2中分頻得到的。

PD1、PD0：XADC的中斷位。透過設定PD1 = PD0 = 1，可以永久關閉整個XADC塊。

4. 配置序列暫存器Sequence Register 0：首先寫入C_BASEADDR + 0x320（基地址+偏移量）來定位到該暫存器的位置，再透過寫bit位來選擇序列通道，本文采用VPVN序列通道，所以給第12位置1（0000_1000_0000_0000），具體對應表如下。

5. 配置輸出暫存器：透過寫入C_BASEADDR + 0x20C（基地址+偏移量）來定位到該暫存器的位置，在專用模擬輸入通道(Vp/Vn)上A/D轉換的12位MSB驗證結果儲存在此暫存器中。

2.2 結果換算

定義和一些計算所應用到的資料位數為16位（unsigned short），而我們所用到的只有12位，所以需要將資料進行右移4位來保證12位MSB驗證結果能夠完整的儲存到暫存器中。
將ADC的外部模擬輸入通道配置為雙極時，它們可以容納真正的差分和雙極模擬訊號型別。雙極模式下ADC的輸出編碼是雙極模式下的補碼，用來表示VP上輸入訊號相對於VN的符號。設計程式碼轉換髮生在連續整數LSB值，也就是說，一個LSB、兩個LSB、三個LSB等。伏特的LSB大小即1個資料位等於244uV。

2.3 溫度採集 xinyang/

本文采用PT100熱電阻作為外部溫度測量器件，透過搭建惠斯頓電橋，實現溫度的採集。
1、將XADC在PL端的VPVN引腳直接接在電橋上，利用Pt100在不同溫度下電阻值發生變化的原理，實現VP/VN電壓差的改變，根據公式計算得出溫度值，下圖為惠斯頓電橋。

計算公式：
$V=VP0-VN0$
$Rpt=(13200+29000V)/(412.5-145V)$
2、Pt100 是電阻式溫度感測器，測溫的本質其實是測量感測器的電阻，通常是將電阻的變化轉換成電壓或電流等模擬訊號，再將模擬訊號轉換成數字訊號，再由處理器換算出相應溫度。
透過查詢表或公式計算的方法，將電阻值轉換為對應的溫度值，以下給出“PT100溫度-電壓”對照表和各種型別的接線法。

a.二線制接法：如圖4(a)所示，這種接法不考慮Pt100 電纜的導線電阻，將A/D 取樣端與電流源的正極輸出端接在一起，這種接法由於沒有考慮測溫電纜的電阻，因此只能適用於測溫距離較近的場合。
b.三線制接法：如圖4(b)所示,這種接法增加了用於A/D 取樣的補償線，三線制接法消除了連線導線電阻引起的測量誤差，這種接法適用於中等測溫距離的場合。
c.四線制接法：如圖4©所示，這種接法不僅增加了A/D 取樣補償線，還加了一條A/D對地的補償線，這樣可以近一步的減小測量誤差，可以用於測溫距離較遠的場合。如果只從精度上考慮，採用四線制接法效果最好。

三、下載與除錯

除錯完成後，接下來就是將程式固化到板子中，我大致介紹一下程式固化方法和啟動流程。

3.1 程式的固化方法

一般在除錯程式的過程中FPGA用的是JTAG模式，不需要片外配置晶片，是直接將我們編寫的程式下載到FPGA的片內RAM中，掉電不保留資料。而固化的目的是使板卡掉電不丟失程式，通常在除錯階段需要多次啟動，每次上電都重新下載程式是一件很麻煩的事情，所以將程式固化進去會方便很多，下面是固化程式的參考流程。

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

如果大家覺得步驟很複雜的話，我用框圖的形式總結了一下，可能會清楚點。

3.2 程式的啟動流程

1. ZYNQ7000 SOC晶片可以從FLASH啟動，也可以從SD卡里啟動。ZYNQ7000 SOC晶片上電後，先執行的是ARM系統（PS端）。然後透過ARM系統軟體部分載入FPGA的位元流檔案.bit至FPGA（PL端），啟動FPGA邏輯功能。
2. BOOT ROM：開發板上電，Z7000會先執行片內BOOT ROM 程式碼，BOOT ROM程式碼讀取BOOT mode暫存器決定哪一種啟動方式    （SD card/QSPI flash/JTAG）。
3. 確定好啟動方式後，BOOT ROM從相應的啟動裝置中（SD card/QSPI flash）載入到First Stage Bootloader （FSBL）到On Chip Memory（OCM）RAM，並將執行權交給FSBL。
4. FSBL：（a）初始化CPU，初始化串列埠。（b）PS一些控制器初始化。（c）禁止L1 Data Cache。（d）註冊ARM中斷向量。（e）透過Boot mode暫存器判斷啟動方式。

3.3 程式的測試

透過UART串列埠輸出，藉助串列埠除錯助手可以看到實時的溫度數值，完成測試。

四、總結 puyang/

大致歸納一下XADC用到的基本知識（僅針對個人的學習筆記總結）。

1、輪詢模式：CPU重複檢查裝置的狀態暫存器，直到暫存器的值表明I/O操作已經完成。
2、多路複用器mux：能夠接收多個訊號，按每個訊號可恢復方式合成單個輸出訊號。
3、XADC也需要參考電壓，參考電壓由晶片內部或外部決定。
4、VP/VN在多路複用通道外（XADC有17個通道），即PL引腳複用。
5、XADC模組的引腳封裝均在BANK0中。

6、用VP/VN能夠有效減小干擾，噪聲相減則抵消。
7、VP-VN的電壓輸出範圍是-0.5V ~ +0.5V，VP與VN相對於GNDADC電壓必須大於0。
8、模擬訊號通道在管腳配置時不需要加電壓，數字訊號通道在管腳配置時需要加電壓，電壓相當於一個標準（FPGA有1.8V 2.5V 3.3V），例如3.3V控制時，達到3.3V就相當於邏輯1，0V就相當於邏輯0。
9、掩碼：是一串二進位制程式碼對目標欄位進行位與運算，遮蔽當前的輸入位。
10、狀態暫存器只能檢視工作狀態（read only），控制暫存器可以配置（read and write）。
11、沒有JTAG一般用Anolog-Input Mode（4Ch and 4Dh）配置。

透過實現利用XADC對溫度的採集，我學習到了如何配置暫存器（直接用地址寫暫存器的方式），學習到了什麼是固化程式以及如何將程式固化到FPGA板卡中，這同時用到了vivado和sdk編譯環境，理解了溫度感測器的工作原理，最重要的是能夠系統地對一項工程進行梳理，這對於學習FPGA有很大的幫助，希望以後能夠透過學習和寫部落格的這種方式慢慢進步。