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Xilinx IP核(3)XADC IP核

article 2024/11/22 9:26:57

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文章目录

1. XADC介绍
2.输入要求
3.输出
4.XADC IP核使用
5.传送门

1. XADC介绍

xadc在所有的7系列器件上都有支持，通过将高质量模拟模块与可编程逻辑的灵活性相结合，可以为各种应用打造定制的模拟接口，XADC 包括双 12 位、每秒 1 兆样本 (MSPS) ADC 和片上传感器。其中12位指的是ADC转换的精度，1MSPS说的是采样速率。如图所示，是XADC在FPGA内部电路的逻辑示意，注意区别于IP核形成的电路。
在这里插入图片描述 1.图中1部分是温度传感器和电压传感器，可监测如图所示的多组电压。
2.图中2部分是FPGA bank上的引脚。可以用来接模拟源，总共有17对差分组。其中VP-0与VAUXP有所区别，VP-0在不用来接模拟源时要接地，VAUXP在不用做模拟时，可与普通的数字IO一样使用。支持模拟输入的 FPGA I/O 在封装文件名中包含_ADxP_ 和 ADxN 标识，例如 IO_L1P_T0_ AD0P 35 是模拟辅助通道 VAUXP[0] 的输入引脚。 IO_L1N_T0 AD0N _35 为模拟辅助通道 VAUXN[0] 的输入引脚。Kintex-7 设备不支持辅助通道 6、7、13、14 和 15。可以在 I/O 组中启用任意数量的辅助模拟输入，并将剩余的用作数字 I/O。如果一个组中混合有模拟和数字 I/O，则该 I/O 组必须由满足所用数字 I/O 标准规范所需的电源供电。在这种情况下，模拟输入信号不应超过 I/O Bank 电源电压 (V CCO )。
3.图中3部分是ADC部分所需的模拟电压的基准源，可以选择外部基准源，基准源电压是1.25V，也可以选择内部基准源，这时VRE管脚要接地。
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4.图中4部分是两个12位精度的ADC模数转换器。其中ADC A接内部的温度、电压传感器，ADC B主要接外部输入的模拟源。
5.图中5部分是对外的接口，可以使用JTAG或者FPGA内部逻辑通过访问DRP接口来读写内部的控制寄存器和读取状态寄存器。

2.输入要求

ADC 的标称模拟输入范围为 0V 至 1V。在单极模式（默认）下，当输入电压为 1V 时，ADC 的模拟输入会产生FFFh （12 位）的满量程代码。在双极性模式下，ADC 使用二进制补码编码，并在 +0.5V 输入时产生7FFh的满量程代码，在 –0.5V 输入时产生800h的满量程代码。
如下图所示，是xilinx推荐的模拟源的外部电路示意。阻器 R1 和 R2 将 10V 电源分压至 1V，以便与 XADC 配合使用。 R5 已与 R1 和 R2 的并联电阻进行阻抗匹配。模拟输入是高阻抗差分输入。差分输入方案可以抑制任何外部应用的模拟输入信号上的共模噪声。由于每个输入（例如 V P和 V N ）的高阻抗，输入交流阻抗通常由传感器、驱动电路的输出阻抗或其他外部组件确定。
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3.输出

基于上述的了解，我们得出结论，配置好电路之后，AD转换之后的结果将会存在相应的寄存器中。然后通过专用的引脚去读寄存器就可以了。如图所示，温度传感器的寄存器地址为00h。但是温度需要一个转换的过程，例如读出的ADC采样的值为997h,他所对应的值应该是25℃。因为要符合用以下公式转换。
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需要注意，读出的寄存器位宽16bit，但只有12bit数据有效，12 位数据对应于 16 位状态寄存器中的 12 个 MSB（最高有效位）。

DRP时序
如果DWE为逻辑低，则执行DRP读操作。当 DRDY 变高时，该读操作的数据在 DO 总线上有效。因此，应使用 DRDY 来捕获 DO 总线。对于写操作，DWE 信号为逻辑高电平，DI 总线和 DRP 地址 (DADDR) 在 DCLK 的下一个上升沿被捕获。当数据成功写入 DRP 寄存器时，DRDY 信号变为逻辑高电平。在 DRDY 信号变低之前，无法启动新的读或写操作。
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4.XADC IP核使用

可以使用原语来读取ADC转换后的值，也可以使用IP核。本文实现使用XADC IP核读取FPGA内部温度。
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A.选择DRP接口，如果不需要读出具体的AD转换之后的数值，则选择none；IP核的实际电路比上述XADC的电路多了AXI-Lite用于配置寄存器。在没有软核和PS端时，用DRP更为方便。
B.选择连续采样模式，包括了电压采集和电压转换两个阶段。在连续采样模式下，ADC 在当前转换周期结束时自动启动新的转换。在事件采样模式下，您必须在当前转换周期结束后使用 CONVST 或 CONVSTCLK 输入启动下一次转换，适用于精准时刻采集。
C.通道选择，这里选择单一通道，只工作在单一通道监测温度即可。° Simultaneous Selection允许同时监测两个通道。° Independent ADC独立监视外部通道，同时监测温度和电压。Channel Sequencer 任意监视多个通道。
其余关于DRP的配置、是否勾选AXI-Stream、以及复位信号的选择保持默认即可。
第二页配置一些ADC的增益、补偿、没有深入研究，保持默认。Alarms页配置相关通道的报警信息，本次演示不需要，只看到温度值即可，这里不勾选。由于前面选了单一配置，这里channel页也无需配置直接生成IP即可。
如下图所示为实测结果，在den_in有效时向地址为0的寄存器下发读取指令，在drdy_out为高时，do_out输出有效，可以看到寄存器中16bit的值为39392，右移4为的值2462带入上述温度转换的式子得到当前FPGA温度值为29.77摄氏度。

部分代码如下，有每个引脚含义的注释可供参考

reg [31:0]tim_cnt;
always @(posedge clk_100 or negedge clk_rst) begin
    if(!clk_rst)begin
        tim_cnt <= 0;
        den_in <= 0;
    end
    else begin
        den_in <= 0;
        tim_cnt <= tim_cnt + 1;
        if(tim_cnt == 32'd100_000_000)begin
            tim_cnt <= 0;
            den_in <= 1;
        end
    end
end

xadc_wiz_0 xadc_fun (
  .di_in(di_in),              //  Input data bus for the dynamic reconfiguration port (DRP).
  .daddr_in(daddr_in),        // input wire [6 : 0] daddr_in
  .den_in(den_in),            // Enable signal for the dynamic reconfiguration port.
  .dwe_in(dwe_in),            // Write enable for the dynamic reconfiguration port.
  .drdy_out(drdy_out),        // Data ready signal for the dynamic reconfiguration port.
  .do_out(do_out),            // Output data bus for the dynamic reconfiguration port.
  .dclk_in(clk_100),          // input wire dclk_in
  .reset_in(~clk_rst),        // input wire reset_in
  .vp_in(vp_in),              // input wire vp_in
  .vn_in(vn_in),              // input wire vn_in
  .channel_out(channel_out),  // Channel selection outputs. 只是正在采样的通道
  .eoc_out(eoc_out),          // End of Conversion signal.
  .alarm_out(alarm_out),      // output wire alarm_out
  .eos_out(eos_out),          // End of Sequence
  .busy_out(busy_out)        // ADC busy signal
);