ZYNQ-XADC使用

article/2025/9/24 18:53:47

学习内容

本文首先介绍了ZYNQ的XADC的相关内容，并学习使用ZYNQ芯片中的XADC测量芯片内部的温度电压等参数，然后进行串口打印输出。

开发环境

vivado 18.3&SDK，PYNQ-Z2开发板。

XADC介绍

简介

Xilinx模拟信号转换模块，称为XADC，是一个硬核。它具有JTAG和DRP接口用于访问7系列FPGA中的XADC状态和控制寄存器。Zynq-7000 SoC器件添加了第三个接口，即PS-XADC接口，用于PS软件进行控制XADC。 ZYNQ器件将XADC与可编程逻辑融合，解决了对模拟数据采集和监视要求。

XADC具有两个12位的ADC，具有独立的跟踪和保持放大器，模拟多路复用器（最多17个外部模拟输入通道）以及片上散热和片上电压传感器。可以将两个ADC配置为同时采样两个外部输入模拟通道。采样保持放大器支持一系列模拟输入信号类型，包括单端输入，双端输入和差分输入。模拟输入可以支持信号带宽在1M SPS的采样率下为500 KHz。可以使用外部模拟多路复用器来增加支持的外部通道数量，无需额外的封装引脚。XADC可选地使用片上参考电路，从而无需外部有源元件，用于温度和电源轨的基本片上监控。实现12位的ADC的全部性能，建议使用外部1.25V作为参考电压。最新的测量结果（连同最大和最小读数）存储在专用寄存器。用户可以根据自己的需要进行自定义的警报阈值（例如80°C），可以自动指示温度过高事件和不可接受的电源变化，并启动软件控制的系统掉电。

控制方式

PS端可以通过以下两种方式之一与XADC通信：

  1. PS-XADC接口：PS互连上的32位APB从接口，该接口使用FIFO，并进行了串行化。
  2. 通过PS to PL AXI的主接口，此时要使用AXI XADC Logic IP核来控制XADC。

需要注意的是，对PS端控制ADC对性能要求较高的程序，要使用相关连接的逻辑IP连接到M_AXI_GP接口（并行数据路径）。使用PS_XADC接口时，FIFO用于命令和读取数据，以允许软件快速排队命令，而不必等待序列化，但是对于PS to PL AXI主接口访问，数据像PL-JTAG一样被序列化到XADC 中（串行数据路径），相对来说速度慢得多。

系统框图

PL-JTAG接口和内部PS-XADC接口不能同时使用。 这些接口之间的选择由devcfg.XADCIF_CFG [ENABLE]位控制。 XADC可以进行接口选择，即对（PL-JTAG或PS-XADC）和DRP接口之间进行仲裁选择。下图为XADC的系统框图。
在这里插入图片描述
由上图可知，XADC是通过硬逻辑实现的，并且位于PL电源域中。 PS-XADC接口是PS的一部分，所以无需编程PL就可以由PS APU访问。 但是必须打开PL的电源以配置PS-XADC接口，使用PL-JTAG或DRP接口以及操作XADC。同时由图上可以清楚看出对于PL-JTAG或PS-XADC这两个接口经过了一个二选一选择器，所以这两个不能同时进行驱动。

接口说明

XADC在DRP接口与PS-XADC或PL-JTAG接口之间进行仲裁。

PS-XADC Interface： PS-XADC接口是PS中运行的软件使用devcfg寄存器配置接口。 软件将命令写入接口，然后将其推入命令FIFO。 这些由DRP命令，地址和数据组成的32位写入被串行化，并以回送路径发送到XADC，该回送路径填充了软件读取的返回读取数据FIFO。

DRP Interface： DRP接口是一个并行的16位双向接口，可以使用AXI4-Lite接口通过AXI XADC IP核连接到主机上，以使处理器能够控制XADC。IP内核通过每个AXI4-Lite读/写事务接收16位数据。

PL JTAG Interface： XADC使用完整的JTAG接口扩展到DRP接口。 这允许通过现有的片上JTAG基础结构对XADC DRP进行读/写访问。 通过JTAG访问DRP接口不需要实例化。 边界扫描指令（6位指令= 110111）称为XADC_DRP，已添加到7系列FPGA中，允许通过JTAG TAP访问DRP。 所有XADC JTAG指令均为32位宽。

PS-XADC接口编程指南

本文主要使用的是PS-XADC接口对XADC进行编程控制，下面给出相关操作的编程指导步骤。

通过PS-XADC接口初始化XADC

对通道和XADC进行复位操作，并刷新FIFO，操作顺序如下：

  1. 复位串行通讯通道。 先后把1和0到devcfg.XADCIF_MCTL[RESET]寄存器位中；
  2. 复位XADC。 把16位任意值写入DRP地址0x03（复位寄存器）。接着写08030000h到devcfg.XADCIF_CMDFIFO寄存器中；
  3. 刷新FIFO。 这里刷新FIFO没有复位信号，而是将15个NOOP写入到FIFO；然后等待命令FIFO清空。 最后一个命令应该是NOOP（虚拟写入），最后读取读取数据FIFO，直到为空。

命令准备

准备要写入XADC寄存器的数据配置顺序：
本示例格式化了用于写入XADC配置寄存器1的数据，以将XADC设置为独立模式。

  1. DRP数据。 将XADC设置为独立模式的数据为8000h。
  2. DRP地址。 XADC配置寄存器1的地址为0x41。
  3. 编写命令。 写入操作的命令为0010b。 在XADC配置寄存器1（0x41）中写入8000h的命令为08418000h。

准备从XADC寄存器读取的数据配置顺序：
本示例格式化了用于读取XADC VCCPAUX状态寄存器0x0E的数据。

  1. DRP数据。 数据可以是用于读取操作（0）的任何任意数据。
  2. DRP地址。 XADC VCCPAUX状态寄存器的地址为0x0E。
  3. 编写命令。 读取操作的命令为0001b。 读取XADC VCCPAUX状态寄存器0x0E的命令为040E0000h。

读写FIFO数据

向XADC写入命令
以下编程顺序为写入XADC 电压警报上限阈值寄存器。

  1. 准备命令。 执行上面的命令准备的部分，写入具有所需阈值的XADC VCCPAUX警报上限阈值寄存器（0x5A）。
  2. 用数据填充命令FIFO。 将步骤1中格式化的数据写入devcfg.XADCIF_CMDFIFO寄存器。
  3. 等待命令FIFO变空。 等待，直到devcfg.XADCIF_MSTS [CFIFOE] = 1。

从XADC读取VCCPAUX值:
从XADC VCCPAUX状态寄存器读取当前VCCPAUX值顺序如下：

  1. 准备命令。执行上面的命令准备的部分，读取XADC VCCPAUX状态寄存器（0x0E）。
  2. 将数据写入命令FIFO。将步骤1中格式化的数据写入devcfg.XADCIF_CMDFIFO寄存器。
  3. 等待命令FIFO变空。等待，直到devcfg.XADCIF_MSTS [CFIFOE] = 1。
  4. 从读取数据FIFO读取伪数据。读取devcfg.XADCIF_RDFIFO寄存器。
  5. 格式化数据。执行上面的命令准备的部分，以使其不进行任何操作。
  6. 将数据写入命令FIFO。将步骤5中的格式化数据写入devcfg.XADCIF_CMDFIFO寄存器。
  7. 读取读取数据FIFO。读取devcfg.XADCIF_RDFIFO寄存器。

中断

配置和管理Alarm5（VCCPAUX）
本示例将XADC寄存器配置为设置警报阈值，操作模式并启用
PS-XADC接口中的警报5（VCCPAUX）中断。

  1. 准备命令。执行上面的命令准备的部分，写入XADC硬宏警报阈值寄存器（VCCPAUX Upper-0x5A和VCCPAUX具有所需阈值的低0x5E）和XADC Config_Reg1（0x41）来将XADC设置为独立模式。
  2. 将命令写入命令​​FIFO。将步骤1中准备的命令写到devcfg.XADCIF_CMDFIFO寄存器。
  3. 在PS-XADC接口中启用Alarm5中断。写devcfg.XADCIF_INT_MASK[M_ALM] = 7Eh。
  4. 检查是否触发了Alarm5。 devcfg.XADCIF_INT_STS [M_ALM] = 1的轮询。
  5. 清除Alarm5中断。写入devcfg.XADCIF_INT_STS [M_ALM] = 1。
  6. 禁用Alarm0中断。写入devcfg.XADCIF_INT_MASK [M_ALM] = 7Fh

通过PS-XADC接口的启动顺序

通过PS-XADC接口的启动并设置各种接口参数，并包括中断和数据传输的步骤如下。

  1. 完成初始化XADC；
  2. 配置PS-XADC接口：
    对配置寄存器进行编程。将80001114h写入devcfg.XADCIF_CFG寄存器：
    使用默认的最小空闲间隙，[IGAP] = 14h（20个串行时钟）。
    使用默认的XADC串行时钟频率为PCAP_2x时钟频率的1/4，[TCKRATE] = 01。
    使用默认的FIFO串行读取捕获边沿（上升），[REDGE] = 1。
    使用默认的FIFO串行写启动边沿（下降），[WEDGE] = 0。
    使用默认的读取数据FIFO阈值级别，[DFIFOTH] = 0x0。
    使用默认的命令FIFO阈值级别，[CFIFOTH] = 0。
    启用XADC的PS访问。将0x1写入devcfg.XADCIF_CFG [ENABLE]。
  3. 配置中断：中断用于管理来自XADC和操作FIFO/读取FIFO数据；
  4. 数据传输到XADC。

系统框图

根据本次工程，画出相应的系统框图，如下图所示：
在这里插入图片描述
本次工程，使用了UART和XADC部分，使用XADC对芯片内部的电压和温度进行检测，并用串口打印输出。

硬件平台搭建

因为不需要使用其他资源，可以在原来的UART测试工程下进行开发搭建，直接保存即可。
新建步骤如下，首先新建工程，创建 block design。添加ZYNQ7 ip，根据本次工程需要对IP进行配置。勾选本次工程使用的资源。
在这里插入图片描述
这里只要勾选UART资源即可，取消多余资源，然后点击OK。
硬件系统构建完成如下：
在这里插入图片描述
然后我们进行generate output product 然后生成HDL封装。这里用到了UART，是MIO引脚，所以不需要进行管脚分配，XADC测量是内部的电压信息，并且使用的是PS_XADC接口。点击导出硬件资源（可以不包含bit流文件，因为只用到了PS资源），接着launch SDK。

SDK软件部分

打开SDK后，新建application project。
在system.mss中可以打开相关参考文档辅助设计。
在这里插入图片描述
参考给出的示例，在main.c中写入以下代码：

#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;
//芯片温度、最大、最小温度
float TempData;
float TempmaxData;
float TempminData;
//内核各部分电压值
float VccPintData;
float VccPauxData;
float VccPdroData;
float VccBramData;
void Xadc_init();
void Xadc_test();
int main(){//初始化XADCXadc_init();while(1){Xadc_test();sleep(2);}return 0;
}void Xadc_init(){int status;XAdcPs_Config *ConfigPtr;ConfigPtr = XAdcPs_LookupConfig(XADC_DEVICE_ID);XAdcPs_CfgInitialize(&XAdc_Inst, ConfigPtr,ConfigPtr->BaseAddress);//自测status = XAdcPs_SelfTest(&XAdc_Inst);if (status != XST_SUCCESS) {xil_printf("xadc selftest failed!\n");}//设置启动模式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");
}

整体代码比较简单，主要还是使用相关的函数进行开发设计，这里打印了相关温度和电压信息。

运行效果

在SDK的串口终端中正确显示各个参数信息。
在这里插入图片描述

Reference

  1. UG585
  2. 正点原子开发视频教程

http://chatgpt.dhexx.cn/article/xQE3xkKO.shtml

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