Xilinx-ZYNQ7000:如何用XADC测外部温度值
一、xadc简介
zynq器件xadc模块包括2个12比特1 mips的模数转换器和相关的片上传感器，内置温度传感器和功耗传感器，可实时监测片内结温、各路电压数据，并可输出告警信号。
xadc模拟输入包括专用模拟输入vp/vn和16组复用模拟信号输入vaux(15:0)；xadc转换结果可以通过动态重配接口（drp）或者jtag接口输出；告警信号可通过alm(7:0)输出，并有专用的温度告警信号ot。
xadc还包括几个支持测量芯片上电源电压和模具温度的片上传感器。adc转换数据存储在称为状态寄存器的专用寄存器中。这些寄存器可以通过fpga互连访问，使用一个16位同步读写端口，称为动态重新配置端口(drp)。adc转换数据也可以通过jtag tap访问，可以在配置之前(预配置)，也可以在配置之后访问。对于jtag tap，用户不需要实例化xadc，因为它是一个专用接口，使用现有的fpga jtag基础结构。正如后面所讨论的，如果xadc没有在设计中实例化，则设备以预定义的模式(称为默认模式)运行，该模式监视芯片上的温度和电源电压。
具体的参考手册如下：
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编译环境对xadc进行配置。
在对xadc进行寄存器配置之前，首先要在vivado中进行硬件电路的搭建，这部分内容可以通过建立block块完成，具体配置方法请参考https://blog.csdn.net/taowei1314520/article/details/83656386。本文借助外部vpvn测量端口，通过搭建惠斯顿电桥进行温度的测量（具体方法后面会详细介绍到），所以需要在搭建硬件电路时引出vpvn和配置xdc管脚约束。
2.1 配置寄存器
在配置寄存器之前，首先要对两种寄存器进行解释说明。
控制寄存器：用于控制和确定处理器的操作模式以及当前执行任务的特性。
状态寄存器：用来存放两类信息，一类是体现当前指令执行结果的各种状态信息，另一类是存放控制信息。
1.配置控制寄存器configuration register 0
通过写入c_baseaddr + 0x300（基地址+偏移量）来定位到该寄存器的位置，下图为该寄存器的bit位对照图。
cavg：这个比特位用于禁用计算校验系数的平均，使能为0，使能为1（平均固定在16个样本）。
avg1、avg0：这些位用于在单通道和序列模式下设置所选通道上的样本平均量。
mux：这个比特位为外部多路复用，设置1即启动外部多路复用功能。（本文所采用的的vp/vn位专用pl端引脚，所以这里不进行多路复用）。
bu：这个比特位是进行单双极性的选择，双极性为1，单极性为0。本文采用的是模拟差分的输入方式，因为差分输入能够有效地降低干扰，实现数据更加稳定地传输。
ec：这个比特位用于为xadc采样模式，1为event-driven sampling mode，0为continuous sampling mode。
event-driven sampling mode：该工作模式下，采样瞬间和随后的转换过程由一个称谓转换开关的触发信号启动，当需要对采样的时刻进行精确控制时，采用该模式。在该模式下，dclk必须始终存在。
continuous sampling mode：该工作模式下，adc在当前转换周期结束时自动启动新的转换，adc持续对选定的模拟输入进行转换，模数转换过程由采集阶段和转换阶段两部分组成。
acq：在使用单通道模式时，该位用于将连续采样模式下的外部模拟输入的可用时间增加6次adcclk周期，如果没有设置acq位，则在收购的最后阶段允许使用4个adcclks或150个ns。通过将此位设置为逻辑1，可以增加获取时间。
ch4~ch0：在单通道模式或外部多路复用模式下工作时，这些位用于选择adc输入通道。
2. 配置控制寄存器configuration register 1
通过写入c_baseaddr + 0x304（基地址+偏移量）来定位到该寄存器的位置，下图为该寄存器的bit位对照图。
seq3~seq0：这些比特位用来使能通道序列。
default mode：在这种操作模式下，xadc自动监控芯片上的传感器，并将结果存储在状态寄存器中。这两种adc都是在这种模式下校准的，所有传感器都使用平均16个样本。xadc在此模式下独立于任何其他控制寄存器设置操作。
single pass mode：在这种操作模式下，序列操作一次通过序列通道寄存器，然后停止。
continuous sequence mode：该模式相当于single pass mode的自动版，在一次操作结束后又会自动重新开始。
simultaneous sampling mode：在该模式下，测序器通过8对辅助模拟输入通道自动进行同步采样和转换，这在需要保留两个信号之间的相位关系的应用程序中非常有用，大部分用于多路复用情况下。
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：通常用于报警模式和监测模式，在这种模式下，警报输出使能，并且使用者必须正确地配置报警阈值。与默认的测序模式一样，平均值固定在16个采样点。
alm6~alm0：这些位用于禁用温度的单个警报输出，1为禁用报警输出。
cal3~cal0：这些位使校准系数应用于adc和片上供应传感器测量，1为使能校准，0位不使能。
ot：这个位用于禁用温度过高信号。通过将此位设置为逻辑1来禁用警报。
3. 配置控制寄存器configuration register 2
通过写入c_baseaddr + 0x308（基地址+偏移量）来定位到该寄存器的位置，下图为该寄存器的bit位对照图。
cd7~cd0：这些位用于选择adc的drp时钟（dclk）和低频率adc时钟（adcclk）之间的分频比。
drp：动态配置端口，可直接通过pl部分访问，也可以通过高级接口单元。
所有xadc计时同步到drp时钟(dclk)。adcclk是通过将dclk在配置寄存器2中分频得到的。
pd1、pd0：xadc的中断位。通过设置pd1 = pd0 = 1，可以永久关闭整个xadc块。
4. 配置序列寄存器sequence register 0：首先写入c_baseaddr + 0x320（基地址+偏移量）来定位到该寄存器的位置，再通过写bit位来选择序列通道，本文采用vpvn序列通道，所以给第12位置1（0000_1000_0000_0000），具体对应表如下。
5. 配置输出寄存器：通过写入c_baseaddr + 0x20c（基地址+偏移量）来定位到该寄存器的位置，在专用模拟输入通道(vp/vn)上a/d转换的12位msb验证结果存储在此寄存器中。
2.2 结果换算
定义和一些计算所应用到的数据位数为16位（unsigned short），而我们所用到的只有12位，所以需要将数据进行右移4位来保证12位msb验证结果能够完整的存储到寄存器中。
将adc的外部模拟输入通道配置为双极时，它们可以容纳真正的差分和双极模拟信号类型。双极模式下adc的输出编码是双极模式下的补码，用来表示vp上输入信号相对于vn的符号。设计代码转换发生在连续整数lsb值，也就是说，一个lsb、两个lsb、三个lsb等。伏特的lsb大小即1个数据位等于244uv。
2.3 温度采集
本文采用pt100热电阻作为外部温度测量器件，通过搭建惠斯顿电桥，实现温度的采集。
1、将xadc在pl端的vpvn引脚直接接在电桥上，利用pt100在不同温度下电阻值发生变化的原理，实现vp/vn电压差的改变，根据公式计算得出温度值，下图为惠斯顿电桥。
计算公式：
v=vp0−vn0 v = vp0 - vn0v=vp0−vn0
rpt=(13200+29000v)/(412.5−145v) rpt = (13200 + 29000v)/(412.5 - 145v)rpt=(13200+29000v)/(412.5−145v)
2、pt100 是电阻式温度传感器，测温的本质其实是测量传感器的电阻，通常是将电阻的变化转换成电压或电流等模拟信号，再将模拟信号转换成数字信号，再由处理器换算出相应温度。
通过查找表或公式计算的方法，将电阻值转换为对应的温度值，以下给出“pt100温度-电压”对照表和各种类型的接线法。
a.二线制接法：如图4(a)所示，这种接法不考虑pt100 电缆的导线电阻，将a/d 采样端与电流源的正极输出端接在一起，这种接法由于没有考虑测温电缆的电阻，因此只能适用于测温距离较近的场合。
b.三线制接法：如图4(b)所示,这种接法增加了用于a/d 采样的补偿线，三线制接法消除了连接导线电阻引起的测量误差，这种接法适用于中等测温距离的场合。
c.四线制接法：如图4©所示，这种接法不仅增加了a/d 采样补偿线，还加了一条a/d对地的补偿线，这样可以近一步的减小测量误差，可以用于测温距离较远的场合。如果只从精度上考虑，采用四线制接法效果最好。
三、下载与调试
调试完成后，接下来就是将程序固化到板子中，我大致介绍一下程序固化方法和启动流程。
3.1 程序的固化方法
一般在调试程序的过程中fpga用的是jtag模式，不需要片外配置芯片，是直接将我们编写的程序下载到fpga的片内ram中，掉电不保留数据。而固化的目的是使板卡掉电不丢失程序，通常在调试阶段需要多次启动，每次上电都重新下载程序是一件很麻烦的事情，所以将程序固化进去会方便很多，下面是固化程序的参考流程。
https://blog.csdn.net/wmyan/article/details/79292778
如果大家觉得步骤很复杂的话，我用框图的形式总结了一下，可能会清楚点。
3.2 程序的启动流程
zynq7000 soc芯片可以从flash启动，也可以从sd卡里启动。zynq7000 soc芯片上电后，先运行的是arm系统（ps端）。然后通过arm系统软件部分加载fpga的比特流文件.bit至fpga（pl端），启动fpga逻辑功能。
boot rom：开发板上电，z7000会先执行片内boot rom 代码，boot rom代码读取boot mode寄存器决定哪一种启动方式（sd card/qspi flash/jtag）。
确定好启动方式后，boot rom从相应的启动设备中（sd card/qspi flash）加载到first stage bootloader （fsbl）到on chip memory（ocm）ram，并将执行权交给fsbl。
fsbl：（a）初始化cpu，初始化串口。（b）ps一些控制器初始化。（c）禁止l1 data cache。（d）注册arm中断向量。（e）通过boot mode寄存器判断启动方式。
3.3 程序的测试
通过uart串口输出，借助串口调试助手可以看到实时的温度数值，完成测试。
四、总结
大致归纳一下xadc用到的基本知识（仅针对个人的学习笔记总结）。
1、轮询模式：cpu重复检查设备的状态寄存器，直到寄存器的值表明i/o操作已经完成。
2、多路复用器mux：能够接收多个信号，按每个信号可恢复方式合成单个输出信号。
3、xadc也需要参考电压，参考电压由芯片内部或外部决定。
4、vp/vn在多路复用通道外（xadc有17个通道），即pl引脚复用。
5、xadc模块的引脚封装均在bank0中。
6、用vp/vn能够有效减小干扰，噪声相减则抵消。
7、vp-vn的电压输出范围是-0.5v ~ +0.5v，vp与vn相对于gndadc电压必须大于0。
8、模拟信号通道在管脚配置时不需要加电压，数字信号通道在管脚配置时需要加电压，电压相当于一个标准（fpga有1.8v 2.5v 3.3v），例如3.3v控制时，达到3.3v就相当于逻辑1，0v就相当于逻辑0。
9、掩码：是一串二进制代码对目标字段进行位与运算，屏蔽当前的输入位。
10、状态寄存器只能查看工作状态（read only），控制寄存器可以配置（read and write）。
11、没有jtag一般用anolog-input mode（4ch and 4dh）配置。
通过实现利用xadc对温度的采集，我学习到了如何配置寄存器（直接用地址写寄存器的方式），学习到了什么是固化程序以及如何将程序固化到fpga板卡中，这同时用到了vivado和sdk编译环境，理解了温度传感器的工作原理，最重要的是能够系统地对一项工程进行梳理，这对于学习fpga有很大的帮助，希望以后能够通过学习和写博客的这种方式慢慢进步。
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xadc模拟输入包括专用模拟输入vp/vn和16组复用模拟信号输入vaux(15:0)；xadc转换结果可以通过动态重配接口（drp）或者jtag接口输出；告警信号可通过alm(7:0)输出，并有专用的温度告警信号ot。
xadc还包括几个支持测量芯片上电源电压和模具温度的片上传感器。adc转换数据存储在称为状态寄存器的专用寄存器中。这些寄存器可以通过fpga互连访问，使用一个16位同步读写端口，称为动态重新配置端口(drp)。adc转换数据也可以通过jtag tap访问，可以在配置之前(预配置)，也可以在配置之后访问。对于jtag tap，用户不需要实例化xadc，因为它是一个专用接口，使用现有的fpga jtag基础结构。正如后面所讨论的，如果xadc没有在设计中实例化，则设备以预定义的模式(称为默认模式)运行，该模式监视芯片上的温度和电源电压。
具体的参考手册如下：
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
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二、xadc的配置方法
本文采用vivado编译环境对xadc进行配置。
在对xadc进行寄存器配置之前，首先要在vivado中进行硬件电路的搭建，这部分内容可以通过建立block块完成，具体配置方法请参考https://blog.csdn.net/taowei1314520/article/details/83656386。本文借助外部vpvn测量端口，通过搭建惠斯顿电桥进行温度的测量（具体方法后面会详细介绍到），所以需要在搭建硬件电路时引出vpvn和配置xdc管脚约束。
2.1 配置寄存器
在配置寄存器之前，首先要对两种寄存器进行解释说明。
控制寄存器：用于控制和确定处理器的操作模式以及当前执行任务的特性。
状态寄存器：用来存放两类信息，一类是体现当前指令执行结果的各种状态信息，另一类是存放控制信息。
1.配置控制寄存器configuration register 0
通过写入c_baseaddr + 0x300（基地址+偏移量）来定位到该寄存器的位置，下图为该寄存器的bit位对照图。
cavg：这个比特位用于禁用计算校验系数的平均，使能为0，使能为1（平均固定在16个样本）。
avg1、avg0：这些位用于在单通道和序列模式下设置所选通道上的样本平均量。
mux：这个比特位为外部多路复用，设置1即启动外部多路复用功能。（本文所采用的的vp/vn位专用pl端引脚，所以这里不进行多路复用）。
bu：这个比特位是进行单双极性的选择，双极性为1，单极性为0。本文采用的是模拟差分的输入方式，因为差分输入能够有效地降低干扰，实现数据更加稳定地传输。
ec：这个比特位用于为xadc采样模式，1为event-driven sampling mode，0为continuous sampling mode。
event-driven sampling mode：该工作模式下，采样瞬间和随后的转换过程由一个称谓转换开关的触发信号启动，当需要对采样的时刻进行精确控制时，采用该模式。在该模式下，dclk必须始终存在。
continuous sampling mode：该工作模式下，adc在当前转换周期结束时自动启动新的转换，adc持续对选定的模拟输入进行转换，模数转换过程由采集阶段和转换阶段两部分组成。
acq：在使用单通道模式时，该位用于将连续采样模式下的外部模拟输入的可用时间增加6次adcclk周期，如果没有设置acq位，则在收购的最后阶段允许使用4个adcclks或150个ns。通过将此位设置为逻辑1，可以增加获取时间。
ch4~ch0：在单通道模式或外部多路复用模式下工作时，这些位用于选择adc输入通道。
2. 配置控制寄存器configuration register 1
通过写入c_baseaddr + 0x304（基地址+偏移量）来定位到该寄存器的位置，下图为该寄存器的bit位对照图。
seq3~seq0：这些比特位用来使能通道序列。
default mode：在这种操作模式下，xadc自动监控芯片上的传感器，并将结果存储在状态寄存器中。这两种adc都是在这种模式下校准的，所有传感器都使用平均16个样本。xadc在此模式下独立于任何其他控制寄存器设置操作。
single pass mode：在这种操作模式下，序列操作一次通过序列通道寄存器，然后停止。
continuous sequence mode：该模式相当于single pass mode的自动版，在一次操作结束后又会自动重新开始。
simultaneous sampling mode：在该模式下，测序器通过8对辅助模拟输入通道自动进行同步采样和转换，这在需要保留两个信号之间的相位关系的应用程序中非常有用，大部分用于多路复用情况下。
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：通常用于报警模式和监测模式，在这种模式下，警报输出使能，并且使用者必须正确地配置报警阈值。与默认的测序模式一样，平均值固定在16个采样点。
alm6~alm0：这些位用于禁用温度的单个警报输出，1为禁用报警输出。
cal3~cal0：这些位使校准系数应用于adc和片上供应传感器测量，1为使能校准，0位不使能。
ot：这个位用于禁用温度过高信号。通过将此位设置为逻辑1来禁用警报。
3. 配置控制寄存器configuration register 2
通过写入c_baseaddr + 0x308（基地址+偏移量）来定位到该寄存器的位置，下图为该寄存器的bit位对照图。
cd7~cd0：这些位用于选择adc的drp时钟（dclk）和低频率adc时钟（adcclk）之间的分频比。
drp：动态配置端口，可直接通过pl部分访问，也可以通过高级接口单元。
所有xadc计时同步到drp时钟(dclk)。adcclk是通过将dclk在配置寄存器2中分频得到的。
pd1、pd0：xadc的中断位。通过设置pd1 = pd0 = 1，可以永久关闭整个xadc块。
4. 配置序列寄存器sequence register 0：首先写入c_baseaddr + 0x320（基地址+偏移量）来定位到该寄存器的位置，再通过写bit位来选择序列通道，本文采用vpvn序列通道，所以给第12位置1（0000_1000_0000_0000），具体对应表如下。
5. 配置输出寄存器：通过写入c_baseaddr + 0x20c（基地址+偏移量）来定位到该寄存器的位置，在专用模拟输入通道(vp/vn)上a/d转换的12位msb验证结果存储在此寄存器中。
2.2 结果换算
定义和一些计算所应用到的数据位数为16位（unsigned short），而我们所用到的只有12位，所以需要将数据进行右移4位来保证12位msb验证结果能够完整的存储到寄存器中。
将adc的外部模拟输入通道配置为双极时，它们可以容纳真正的差分和双极模拟信号类型。双极模式下adc的输出编码是双极模式下的补码，用来表示vp上输入信号相对于vn的符号。设计代码转换发生在连续整数lsb值，也就是说，一个lsb、两个lsb、三个lsb等。伏特的lsb大小即1个数据位等于244uv。
2.3 温度采集
本文采用pt100热电阻作为外部温度测量器件，通过搭建惠斯顿电桥，实现温度的采集。
1、将xadc在pl端的vpvn引脚直接接在电桥上，利用pt100在不同温度下电阻值发生变化的原理，实现vp/vn电压差的改变，根据公式计算得出温度值，下图为惠斯顿电桥。
计算公式：
v=vp0−vn0 v = vp0 - vn0v=vp0−vn0
rpt=(13200+29000v)/(412.5−145v) rpt = (13200 + 29000v)/(412.5 - 145v)rpt=(13200+29000v)/(412.5−145v)
2、pt100 是电阻式温度传感器，测温的本质其实是测量传感器的电阻，通常是将电阻的变化转换成电压或电流等模拟信号，再将模拟信号转换成数字信号，再由处理器换算出相应温度。
通过查找表或公式计算的方法，将电阻值转换为对应的温度值，以下给出“pt100温度-电压”对照表和各种类型的接线法。
a.二线制接法：如图4(a)所示，这种接法不考虑pt100 电缆的导线电阻，将a/d 采样端与电流源的正极输出端接在一起，这种接法由于没有考虑测温电缆的电阻，因此只能适用于测温距离较近的场合。
b.三线制接法：如图4(b)所示,这种接法增加了用于a/d 采样的补偿线，三线制接法消除了连接导线电阻引起的测量误差，这种接法适用于中等测温距离的场合。
c.四线制接法：如图4©所示，这种接法不仅增加了a/d 采样补偿线，还加了一条a/d对地的补偿线，这样可以近一步的减小测量误差，可以用于测温距离较远的场合。如果只从精度上考虑，采用四线制接法效果最好。
三、下载与调试
调试完成后，接下来就是将程序固化到板子中，我大致介绍一下程序固化方法和启动流程。
3.1 程序的固化方法
一般在调试程序的过程中fpga用的是jtag模式，不需要片外配置芯片，是直接将我们编写的程序下载到fpga的片内ram中，掉电不保留数据。而固化的目的是使板卡掉电不丢失程序，通常在调试阶段需要多次启动，每次上电都重新下载程序是一件很麻烦的事情，所以将程序固化进去会方便很多，下面是固化程序的参考流程。
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如果大家觉得步骤很复杂的话，我用框图的形式总结了一下，可能会清楚点。
3.2 程序的启动流程
zynq7000 soc芯片可以从flash启动，也可以从sd卡里启动。zynq7000 soc芯片上电后，先运行的是arm系统（ps端）。然后通过arm系统软件部分加载fpga的比特流文件.bit至fpga（pl端），启动fpga逻辑功能。
boot rom：开发板上电，z7000会先执行片内boot rom 代码，boot rom代码读取boot mode寄存器决定哪一种启动方式（sd card/qspi flash/jtag）。
确定好启动方式后，boot rom从相应的启动设备中（sd card/qspi flash）加载到first stage bootloader （fsbl）到on chip memory（ocm）ram，并将执行权交给fsbl。
fsbl：（a）初始化cpu，初始化串口。（b）ps一些控制器初始化。（c）禁止l1 data cache。（d）注册arm中断向量。（e）通过boot mode寄存器判断启动方式。
3.3 程序的测试
通过uart串口输出，借助串口调试助手可以看到实时的温度数值，完成测试。
四、总结
大致归纳一下xadc用到的基本知识（仅针对个人的学习笔记总结）。
1、轮询模式：cpu重复检查设备的状态寄存器，直到寄存器的值表明i/o操作已经完成。
2、多路复用器mux：能够接收多个信号，按每个信号可恢复方式合成单个输出信号。
3、xadc也需要参考电压，参考电压由芯片内部或外部决定。
4、vp/vn在多路复用通道外（xadc有17个通道），即pl引脚复用。
5、xadc模块的引脚封装均在bank0中。
6、用vp/vn能够有效减小干扰，噪声相减则抵消。
7、vp-vn的电压输出范围是-0.5v ~ +0.5v，vp与vn相对于gndadc电压必须大于0。
8、模拟信号通道在管脚配置时不需要加电压，数字信号通道在管脚配置时需要加电压，电压相当于一个标准（fpga有1.8v 2.5v 3.3v），例如3.3v控制时，达到3.3v就相当于逻辑1，0v就相当于逻辑0。
9、掩码：是一串二进制代码对目标字段进行位与运算，屏蔽当前的输入位。
10、状态寄存器只能查看工作状态（read only），控制寄存器可以配置（read and write）。
11、没有jtag一般用anolog-input mode（4ch and 4dh）配置。
通过实现利用xadc对温度的采集，我学习到了如何配置寄存器（直接用地址写寄存器的方式），学习到了什么是固化程序以及如何将程序固化到fpga板卡中，这同时用到了vivado和sdk编译环境，理解了温度传感器的工作原理，最重要的是能够系统地对一项工程进行梳理，这对于学习fpga有很大的帮助，希望以后能够通过学习和写博客的这种方式慢慢进步。
ADAS+智慧出行，自动驾驶两手都要抓
Visual Studio Code 1.70现已发布
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