Xilinx 7FPGA XADC如何獲取模擬信號(hào)的信息

Xilinx 7系列FPGA全系內(nèi)置了一個(gè)ADC，稱呼為XADC。

這個(gè)XADC，內(nèi)部是兩個(gè)1mbps的ADC，可以采集模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)送給FPGA內(nèi)部使用。

XADC內(nèi)部可以直接獲取芯片結(jié)溫和FPGA的若干供電電壓（7系列不包括VCCO），用于監(jiān)控FPGA內(nèi)部狀況。同時(shí)提供了17對(duì)差分管腳，其中一對(duì)專(zhuān)用的模擬差分輸入，16對(duì)復(fù)用的模擬差分輸入，不使用的時(shí)候可以作為普通的User I/O。

關(guān)于XADC具體的結(jié)構(gòu)，功能和各個(gè)參數(shù)的含義，請(qǐng)參考相關(guān)文檔。這里不做詳細(xì)描述。另外有兩點(diǎn)需要注意。

1.關(guān)于參考電壓的設(shè)置，會(huì)影響誤差范圍及采樣值的計(jì)算公式。

2.模擬差分輸入對(duì)模擬信號(hào)幅值有要求，需要外邊模擬電路進(jìn)行一定程度的轉(zhuǎn)換。

更多關(guān)于參考電壓和外部模擬電路的實(shí)現(xiàn)，請(qǐng)參考設(shè)計(jì)文檔UG480：http://link.zhihu.com/?target=https%3A//www.xilinx.com/support/documenta...

假設(shè)現(xiàn)在需要用XADC來(lái)獲取幾個(gè)模擬信號(hào)的信息，那么應(yīng)該如何操作呢。下面解釋一種個(gè)人偏愛(ài)設(shè)置方式。

注意紅框中的幾點(diǎn)：

1.使用DRP端口獲取數(shù)字信號(hào)，這樣控制似乎更簡(jiǎn)單一些。

2.使用連續(xù)采樣模式，ADC一直工作在數(shù)據(jù)采集模式，采集后就可以進(jìn)行輸出。

3.使用Channel Sequencer模式，由于只有兩個(gè)XADC而需要采樣的數(shù)據(jù)過(guò)多，所以讓XADC依次陸續(xù)進(jìn)行采樣。

4.設(shè)置好DRP端口的時(shí)鐘頻率。

IP設(shè)置第二頁(yè)，主要是設(shè)置Calibration、平均值和外部MUX。這幾個(gè)可以暫時(shí)跳過(guò)，等熟悉XADC的使用后在進(jìn)行深入了解。

第三頁(yè)設(shè)置告警參數(shù)，可以不用。如果需要的話，可以設(shè)置一下，便于使用。

第四頁(yè)設(shè)置需要使用的通道，這里選擇溫度和三個(gè)供電電壓，并選擇一個(gè)專(zhuān)用的模擬輸入通道和前三個(gè)復(fù)用的模擬輸入通道。

最后一頁(yè)是Summary，可以看看設(shè)置是否有問(wèn)題，沒(méi)有需要設(shè)置的地方。

這個(gè)時(shí)候最基本的一個(gè)多通道獲取數(shù)據(jù)的XADC設(shè)置好了，至于設(shè)置中沒(méi)有細(xì)說(shuō)的地方，可以等熟練使用之后進(jìn)行研究，找出最合適的使用模式。

下面是如何使用這個(gè)生成的IP。由于使用DRP端口來(lái)讀取數(shù)據(jù)，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)DRP讀寫(xiě)控制器。不過(guò)由于XADC本身就提供了一些信號(hào)，所以這個(gè)設(shè)計(jì)其實(shí)非常簡(jiǎn)單。
.di_in(di_in),
.daddr_in(daddr_in),
.den_in(den_in),
.dwe_in(dwe_in),
.drdy_out(drdy_out),
.do_out(do_out),
.dclk_in(dclk_in),

首先理一下DRP端口，主要7個(gè)信號(hào)。由于僅僅是讀取數(shù)據(jù)，所以輸入部分沒(méi)有使用的必要。
.di_in (16'b0),
.dwe_in (1'b0),

時(shí)鐘信號(hào)連接DRP所使用的時(shí)鐘即可，注意頻率需要和XADC IP中的設(shè)置一樣。
.daddr_in ({2'b00,CHANNEL_OUT}),
.den_in (EOC_OUT),
.do_out (DO_OUT),
.drdy_out (DRDY_OUT),

.eoc_out (EOC_OUT),
.channel_out (CHANNEL_OUT),

余下四個(gè)DRP端口，兩個(gè)輸出兩個(gè)輸入。兩個(gè)輸出直接引出來(lái)，其中do_out就是最終需要的數(shù)據(jù)。這個(gè)端口是16bit，取高12bit即可（對(duì)應(yīng)XADC中宣稱的12位）。

XADC的IP端口中還有兩個(gè)，名為eoc_out和channel_out。將eoc_out連接到DRP端口的den_in端口，含義是當(dāng)多路采樣的某一路完成采樣后，則啟動(dòng)DRP端口操作，開(kāi)始進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)。將channel_out補(bǔ)兩位之后送入daddr_in作為DRP端口操作的地址信號(hào)。這樣就完成了DRP的讀寫(xiě)操作。

不過(guò)這樣輸出的數(shù)據(jù)，會(huì)周期性的在幾個(gè)端口數(shù)據(jù)之間變化。所以通常在后端加一個(gè)過(guò)濾設(shè)置，具體行為是，當(dāng)代表DRP操作完成的drdy_out拉高的時(shí)候，根據(jù)channel_out的值來(lái)判斷是哪一個(gè)通道的。
always @(posedge clk)begin
if(DRDY_OUT == 1'b1 && CHANNEL_OUT ==5'd0)begin
Temperature end else begin
Temperature end
end

關(guān)于每個(gè)采樣通道的具體地址，可以參考手冊(cè)

至于模擬差分輸入Pin，直接送到頂層的相對(duì)應(yīng)管腳即可。注意Vivado工具可能需要對(duì)復(fù)用的模擬Pin進(jìn)行電平約束，根據(jù)VCCO的電壓值選擇相應(yīng)的lvcmos即可，例如1.8V的VCCO就選擇lvcmos18即可。

這樣就可以獲取對(duì)應(yīng)的模擬采樣數(shù)據(jù)了。由于絕大部分情況下需要檢測(cè)的模擬信號(hào)變化相對(duì)較慢，使用XADC是足夠用于檢測(cè)的。

涉及到XADC的使用問(wèn)題還有MIG IP。MIG是Memory Interface的IP，也就是DDR3之類(lèi)的DDR存儲(chǔ)器IP。由于此類(lèi)接口一般速率過(guò)高，會(huì)需要溫度信息對(duì)接口做一定的矯正。在MIG IP的配置中，會(huì)默認(rèn)啟動(dòng)XADC。

此時(shí)的XADC僅僅需要提供溫度信息就可以了。當(dāng)需要提供更多信息，就需要獨(dú)立配置XADC，這樣工程中就會(huì)生成兩個(gè)XADC；或者例化了兩個(gè)MIG IP，這樣各自就會(huì)需要一個(gè)XADC。由于硬件中只有一個(gè)XADC模塊，當(dāng)發(fā)現(xiàn)工程中需要多個(gè)XADC模塊的時(shí)候，工具就會(huì)提示出錯(cuò)。

解決方案也非常簡(jiǎn)單，MIG IP中去掉XADC。然后在設(shè)計(jì)中獨(dú)立例化XADC IP。根據(jù)上文的做法獲取溫度信息后送往MIG。MIG IP去掉XADC后會(huì)生成一個(gè)溫度端口用來(lái)接收數(shù)據(jù)。這樣就不會(huì)發(fā)生沖突。

另外一個(gè)非常便捷的獲取溫度信息的方案就是使用Hardware Manager。在Hardware Manager中打開(kāi)XADC就能看到溫度信息。

其實(shí)XADC所有通道數(shù)據(jù)都可以通過(guò)這個(gè)方法獲取。

更多的使用細(xì)節(jié)，可以參考UG480文檔。

編輯：hfy