手把手课堂：在Zynq SoC上实现模拟混合信号 Taylor, 工程师, 中国, 文章, 课堂

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作者：Adam Taylor，
特许工程师，
aptaylor@theiet.org
在Zynq SoC内部使用XADC可以极大提高系统集成度，而且实现起来非常简单直观。
本文是Adam Taylor计划编写的Zynq-7000 All Programmable SoC系列实际操作教程的第四篇。前三篇已分别发表在《赛灵思中国通讯》的第47、48和49期。Adam是《赛灵思中国通讯》的长期撰稿人，本期杂志中还有他的一篇有关设计调试的文章。另外Adam还在All Programmable星球社区上撰写博客( www.programmableplanet.com )。
赛灵思Zynq®-7000 All Programmable SoC配套提供一个带有2个12位模数转换器(ADC)的XADC模块。这两个ADC的采样率可高达每秒百万次采样(1MSPS)，具有理想的500kHz有效输入信号带宽（辅助输入端信号带宽为250kHz）。XADC多路复用17个输入信号并测量一系列内部电压与温度。如果您的设计无法为外部信号提供足够的模拟输入引脚，那么应对XADC加以配置，以驱动外部模拟多路复用器并按照要求的顺序对所有输入进行排序。
XADC能够实现单极或双极测量，因此器件的输入均为差分输入。17个差分输入被划分为一个专用对（称为VP/VN）和16个辅助输入（可以是模拟或数字I/O，被称为VAUXP和VAUXN）。有效输入信号带宽视所用的差分输入类型而定，如果使用专用对，则信号带宽为500kHz，如果使用辅助输入，则信号带宽为250kHz。
XADC的混合信号性能非常好，根据数据手册显示，其具有60dB的最低信噪比(SNR)和70dB的总谐波失真(THD)。根据器件所处温度范围（-55oC至125oC或-40oC至100oC）的不同，XADC的分辨率可以是10位或12位。这样根据下面的等式计算得出的XADC有效位数是9.67。
ENOB = (SNR–1.76/6.02)
（参考《赛灵思中国通讯》第45期中《ADC和DAC的FPGA工程师使用指南》，了解这些器件的更多理论详情。）
XADC具有16、64和256个采样的平均计算法可供用户选择，用以降低输入端噪声。用户还可以为每个所测量的内部器件参数设置最大和最小告警等级。
XADCXADC适合哪些应用？
设计人员可将这种ADC用于从简单的板载参数（电压、电流和温度）内务处理遥测，到对触摸传感器、马达控制或简单的无线通信协议的支持等一系列应用。此外，还可以将其用在军事或其他重要系统中，以检测设备篡改。
XADC的重要优势之一是用来监控一系列系统内部参数，验证设计方案的良好程度。此外，为了简化设计初期的验证工作，您可以在基于Zynq-7000 All Programmable SoC的系统中使用XADC来测量由片上温度传感器记录的温度以及后续的其他参数。


硬件实现
要想使用XADC，首先需要打开包含Zynq SoC实现方案的PlanAhead™项目（如果您不知道如何操作，请参考《赛灵思中国通讯》第47期的封面专题文章）。选择您所创建的处理器子系统，并双击打开Xilinx Platform Studio (XPS)。您可以在XPS中修改处理系统。
XPS打开后，选择项目窗口左侧的IP Catalog标签，并选择模拟菜单下的AXI XADC。这时会出现提示，问您是否要向设计中添加IP。点击是，显示IP配置窗口，如图1所示。这里没有太多需要配置的内容，除非您想对复杂的AXI总线接口进行优化。


用户标签是主要的操控区域。您可以通过该标签为处理器添加中断，启用温度总线。您可以将启用后的温度总线连接至储存器接口生成器（Memory Interface Generator），用以提供影响时序的温度信息。在ISim中仿真XADC时使用的是仿真监视文件。
如果您对XADC的配置比较满意，就可以关闭IP配置窗口，同时XADC将被添加到处理系统中。如果您点击System Assembly查看器的地址标签，就会看到分配给XADC的地址范围，然后通过勾选来锁定地址范围。
下一步是设置连接到XADC的外部端口数。在默认情况下，XADC可支持1个外部多路复用器、16个辅助模拟输入、8个告警输出和1个转换开始，如图2所示。


必要时您可以移除这些端口，只为ADC保留专用的模拟输入Vp和Vn，以及连接监视器的内部信道。例如，ZedBoard只能在信道0和8上支持两个辅助模拟输入，同时提供四个XADC专用的GPIO。您可以根据需要将这些GPIO连接到告警输出或多路复用器输出。可在XPS内选择下拉菜单中的“不连接外部端口”选项来断开外部I/O。
如果您希望使一些辅助输入仍处于连接状态（例如添加两个ZedBoard输入），可在系统内部保留VAUXP和VAUXN信道，同时在RTL设计的顶层只连接信道0和信道8。如果希望连接辅助输入但移除其他外部端口，需要右击特定的I/O，然后选择“无连接”选项，如图3所示。


外部连接设置好后，运行设计规则检查（DRC）。如果DRC未显示任何错误，即可退出XPS并返回到PlanAhead中，并在此生成比特流。如果您查看一下综合结果，就会发现资源列表中已含有XADC。
编写软件
硬件设计已经完成，此时您需要将硬件再次导入到软件开发套件(SDK)中，以便升级板支持包。在PlanAhead中选择文件->导出->导出硬件到SDK选项。这时会出现提示，警告我们将覆盖已有的硬件定义。点击“是”并覆盖。
如果SDK打开，您会收到一个提示介绍硬件规范文件的变更情况。如果SDK没有打开，那么会在下次打开的时候收到此提示。
点击SDK提示中的“是”选项，硬件定义就会被更新，同时您的项目将被重建。假设设计没有错误，那么您将开始执行代码修改工作。
打开system.xml或xparameters.h文件，您不仅会看到设计中所有其他外设的地址范围，还能看到刚刚添加到XPS内的XADC的地址范围。
打开system.mss文件会显示板支持包(BSP)的整体细节。这里我们真正感兴趣的是外设驱动程序，此处您可以看到xai_adc_0（或您在XPS中对XADC的任意命名）。接下来，您会看到用于打开文档和实例的热链接。
为了缩短开发时间，赛灵思在报头文件中提供了一系列驱动程序，便于我们使用这些器件。您需要在代码中访问这些驱动程序。为此需要添加BSP更新过程中所生成的以下报头文件。
#include "xadcps.h"
该文件包含对于XADC寄存器、采样平均选项、信道顺序选项和省电模式等内容的定义。另外还包含一系列可在系统中使用的类型定义、宏命令和函数。
集中在一起
举一个简单的实例：我将读取系统的内部温度和电压参数，并通过RS232链路将它们输出。
在编写代码时首先要做的是查询将要进行初始化的XADC的配置，这里要用到XAdcPs_Config类型的指针。利用XAdcPs_LookupConfig()函数调用以及从更新的xparameters.h文件中获得的器件ID将配置信息（器件ID和XADC的基地址）存储在指针内。初始化流程的下一步是使用此前获取并存储在配置指针中的信息，该步骤需要一个XAdcPs类型的指针。
Status_ADC = XAdcPs_CfgInitialize (XADCInstPtr,ConfigPtr,ConfigPtr->BaseAddress)
我将配置指针命名为ConfigPtr，将实例化指针命名为XADCInstPtr。XADC的初始化完成后，按照实例要求对其进行配置。以下是配置流程：
1.        采用XAdcPs_SelfTest()函数运行自测试，以确认器件没有问题。
2.        利用XAdcPs_SetSequencerMode()函数将定序器设置为单通道，从而停止定序器当前操作。
3.        利用XAdcPs_SetAlarmEnables()函数禁用所有告警。
4.        利用XAdcPs_SetSeqInputMode()函数重启定序器并让其按我所要求的顺序排序。
5.        利用XAdcPs_SetSeqChEnables()函数配置信道，使之能根据我的要求采样。
完成以上步骤后就可以使用ADC并从XADC接收数据。只需调用XAdcPs_GetAdcData()函数即可从XADC读取采样。对于内部温度和电压参数，然后我使用两个提供的宏命令（XAdcPs_原始ToTemperature()和XAdcPs_原始ToVoltage()）将原始的XADC数值转换为实际的温度或电压值。
实际值和原始数据随后都通过RS232链路输出。图4给出了仅器件温度进行采样的初始结果。


当我将采样范围扩大至内部电源轨和温度时，会返回如下结果：
• 原始温度40696, 实际温度39.805603
• 原始VccInt 21677, 实际VccInt 0.992294
• 原始VccAux 39431, 实际VccAux 1.805008
• 原始VccBram 21691, 实际VccBram 0.992935
• 原始VccPInt 21649, 实际VccPInt 0.991013
• 原始VccPAux 39402, 实际VccPAux 1.803680
• 原始VccDDR 32014, 实际VccDDR 1.465485
所有这些参数都在Zynq SoC运行可接受的限值内，但需要Zynq SoC在实验室条件下工作。
正如您所看到的，在Zynq SoC中实现和使用模拟混合信号非常简单直观。XADC可以提高All Programmable系统的集成度和功能性。