FPGA使用XADC测量外部模拟输入电压 |
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FPGA使用XADC测量外部模拟输入电压
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一、XADC简介
1.1、特性
Xilinx系列的FPGA中都包含了一个内置的XADC，我们可以通过这个XADC进行一些精度不高的外部模拟信号采样以及FPGA片内传感器信号采集。XADC的分辨率为12位，采样率为1MSPS。 1.2、结构框图 两片XADC，ADC A可用于片内传感器采集（温度、参考电源电压），也可用于外部模拟信号采集。ADC B只能用于外部模拟信号采集。1个专用模拟输入通道和16个复用模拟输入通道基准源可选：内部基准源和外部基准源对外接口DRP可通过JTAG或者FPGA内部逻辑进行控制
图1.1 XADC内部结构框图
1.3、XADC接口介绍
初始化接口：
图1.2 XADC初始化接口图
信号名方向功能描述di_in[15:0]inputDRP的输入数据总线。daddr_in[6:0]inputDRP的地址总线。den_ininputDPR的使能信号dwe_ininputDRP的写使能信号drdy_outoutputDRP的数据准备好信号do_out[15:0]outputDRP的输出数据总线dclk_ininputDRP的输入时钟reset_ininputXADC的复位信号，高电平有效vp_in/ vn_ininput专用模拟输入通道，可设计为差分模拟信号输入，当设计使用XADC功能但不用VP/VN时，应该将这两个引脚接地VAUXP[15:0]/VAUXN[15:0]input16个复用的模拟输入通道，可设计为差分模拟信号输入ot_outoutput过温报警输出信号channel_out[4:0]input通道选择输出信号。当前ADC转换的输入MUX通道选择，由该接口输出提供给用户查看。eoc_outoutputADC转换完成信号。当测量值被写入状态寄存器时，该信号在ADC完成转换之后拉高eos_outoutput时序结束信号。自动通道序列中，当最后一个通道的数据被写入状态寄存器时，该信号转为高电平。busy_outoutputADC忙信号。该信号在ADC转换时为一直为高电平。
寄存器接口： XADC一共有128个寄存器，前64个（00H ~ 3FH）为只读寄存器，后64个（40H~7FH）为可读写的控制寄存器。一般我们用前32个只读寄存器比较多。 
1.3 XADC寄存器接口图
ADC通道选择寄存器： 可以看到ADC模拟通道选择的值与对应通道存放数据的状态寄存器的地址相同。 XADC的所需要的基本外围电路如图所示。XADC的基准源可使用外步基准源来实现，基准源的电压为1.25V；也可以选择使用内部基准源，外围电路直接将VREFP和VREFN接地即可。 XADC模拟信号输入方式有单极性和双极性两种。XADC默认的方式为单极性输入，fpga片上所有传感器的工作模式为单极性输入。 单极性输入： 当使用单极性输入时，输入电压范围为0V ~ 1V，对应ADC编码范围为000h~FFFh，量化分辨率为1V / 212=244uV。
图2.2 单极性输入电压量化图
在单极性输入模式，Vp必须为正，Vn连接到模拟地或者共模信号。Vn连接到共模信号时，该信号电压范围应该为0V0.5V（即Vp与Vn的共模电压范围），由于Vp与Vn的差模电压范围为0V1V，所以在单极性输入模式下，Vp的输入电压最高可达1.5V。 
图2.3 单极性输入电压范围图
双极性输入： 当使用双极性输入时，差分输入电压范围为-0.5V ~ +0.5V，XADC编码采用补码格式，对应编码范围为800h ~ FFFh、000h ~ 7FFh。量化分辨率为1V/212=244uV。
图2.4 双极性输入电压量化图
在双极性输入模式，Vp-Vn差分模拟输入电压的范围±0.5V，Vn的共模电压应该不超过0.5V。
图2.5 双极性输入电压范围图
2.3、外部模拟输入电路
模拟通道输入为高输入，数据手册上推荐电路由分压电路和滤波电路组成，通过分压和滤波之后输入到XADC的模拟信号电压值应该不超过1V。 
图2.6 外部模拟输入电路图
图2.6中 R1与R2为分压电阻，R5用于与R1与R2的并联电阻匹配。R3、R4与C1构成抗混叠滤波器，建立时间计算参考手册ug480。
主要有电压采集和电压转换两个阶段。 
图3.1 连续采样模式的时序图
DRP时序图
主要用于XADC寄存器的数据读写。 当DEN为高电平时，信号DADDR[6:0]和信号DWE在DCLK的上升沿才会捕捉到，逻辑设计中通常将DEN仅维持一个DCLK时钟的高电平。当捕捉DWE为低电平时，表示读操作；捕捉DWE为高电平时，表示写操作。读操作时，DRDY拉高 表示DRP寄存器的数据已经放在总线DO[15:0]上了，用户可以直接读取；写操作时，DRDY拉高表示写的数据已经成功写入DRP寄存器里。在DRDY拉低之前，一个新的读写操作是不能进行的。
图3.2 DRP时序图
四、XADC的使用教程
4.1、目的
在ZYQN的pl端使用XADC，完成共6路模拟输入信号的电压采样。其中模拟输入通道包括1个Vp/Vn模拟输入通道和5个复用模拟输入通道VAUXP/VAUXN。 4.2、IP核设置 Basic界面 选择DRP接口，读写时序比较简单。continuous mode 意味着按照设定 ADC 采样率进行采样，event mode 意味着自行控制 ADC 采样率，但是不可超过设定的最大 ADC 采样率；通道选择为 channel sequencer，即多通道采样时按照指定的通道顺序进行扫描采样，通道号定义参考上文通道选择。通道序列时钟设置
ADC Setup界面 1.序列器模式选择 continuous 模式，会一直循环采样，通道平均次数可按实际情况来，实际采样率=ADC 设定采样率/平均次数。 2.采样数据平均次数。
Alarms界面 若不是用检测警告功能，该界面可以全部取消勾选。  Channel Sequencer界面 选择需要初始化的通道即可。这里使用的模拟通道为Vp/Vn、vauxp0/vauxn0、vauxp2/vauxn2、vauxp3/vauxn3、vauxp10/vauxn10、vauxp11/vauxn11。  Summary界面 
4.3、逻辑设计
top.v ------顶层文件
`timescale 1ns / 1ps
///
// Create Date: 2023/07/18 16:36:43
module top(
//时钟
input pl_clk,
//模拟输入
input vp_in,
input vn_in,
input vauxp0,
input vauxn0,
input vauxp2,
input vauxn2,
input vauxp3,
input vauxn3,
input vauxp10,
input vauxn10,
input vauxp11,
input vauxn11
);
wire den_in;
wire dwe_in;
wire drdy_out; //数据有效输出
wire [15:0] di_in, do_out; //数据输入 数据输出
wire [6:0] daddr_in; //寄存器地址
wire [4:0] channel_out; // 通道选择输出
wire eoc_out; // 转换完成信号
wire eos_out; // 时序结束信号
wire alarm_out;
wire busy_out;
wire rst_n;
//模拟通道读取的ADC值
wire [11:0] vpvnData;
wire [11:0] vaux0Data, vaux2Data,vaux3Data,vaux10Data,vaux11Data;
//XADC IP例化
xadc_wiz_0 inst_xadc_wiz_0 (
.dclk_in(pl_clk), // input wire dclk_in
.di_in(di_in), // input wire [15 : 0] di_in
.daddr_in(daddr_in), // input wire [6 : 0] daddr_in
.den_in(den_in), // input wire den_in
.dwe_in(0), // input wire dwe_in 仅用到读操作，故一直设置为零
.drdy_out(drdy_out), // output wire drdy_out
.do_out(do_out), // output wire [15 : 0] do_out
.reset_in(0), // input wire reset_in 不用复位功能
.vp_in(vp_in), // input wire vp_in
.vn_in(vn_in), // input wire vn_in
.vauxp0(vauxp0), // input wire vauxp0
.vauxn0(vauxn0), // input wire vauxn0
.vauxp2(vauxp2), // input wire vauxp2
.vauxn2(vauxn2), // input wire vauxn2
.vauxp3(vauxp3), // input wire vauxp3
.vauxn3(vauxn3), // input wire vauxn3
.vauxp10(vauxp10), // input wire vauxp10
.vauxn10(vauxn10), // input wire vauxn10
.vauxp11(vauxp11), // input wire vauxp11
.vauxn11(vauxn11), // input wire vauxn11
.channel_out(channel_out), // output wire [4 : 0] channel_out
.eoc_out(eoc_out), // output wire eoc_out
.alarm_out(alarm_out), // output wire alarm_out
.eos_out(eos_out), // output wire eos_out
.busy_out(busy_out) // output wire busy_out
);
//对DRP接口操作，完成XADC寄存器数据的读取
xadc_capture inst_xadc_capture(
.dclk(pl_clk),
.rst_n(1), //不用复位功能
.di_in(di_in),
.daddr_in(daddr_in),
.den_in(den_in),
.dwe_in(dwe_in),
.drdy_out(drdy_out),
.eoc_out(eoc_out),
.do_out(do_out),
.channel_out(channel_out),
.xadc_vpvn_data(vpvnData),
.xadc_vaux0_data(vaux0Data),
.xadc_vaux2_data(vaux2Data),
.xadc_vaux3_data(vaux3Data),
.xadc_vaux10_data(vaux10Data),
.xadc_vaux11_data(vaux11Data)
);
endmodule
xadc_capture.v ------XADC的寄存器数据读取操作
`timescale 1ns / 1ps
///
// Create Date: 2023/07/18 16:36:13
module xadc_capture(
input dclk,
input rst_n,
//XADC IP 接口
output reg[15:0]di_in, // 写入xadc总线上的数据
output reg[6:0] daddr_in, // 读取xadc寄存器地址
output reg den_in, // 控制使能
output reg dwe_in, // 写使能
input drdy_out, // 数据有效输出
input eoc_out,
input [15:0] do_out, // 读取xadc总线上的数据
input [4:0] channel_out, // 通道选择输出
//内部逻辑接口
output reg[11:0] xadc_vpvn_data, //XADC 读出的 Vp/Vn 采样数据
output reg[11:0] xadc_vaux0_data, //XADC 读出的 vaux0 采样数据
output reg[11:0] xadc_vaux2_data, //XADC 读出的 vaux2 采样数据
output reg[11:0] xadc_vaux3_data, //XADC 读出的 vaux3 采样数据
output reg[11:0] xadc_vaux10_data, //XADC 读出的 vaux10 采样数据
output reg[11:0] xadc_vaux11_data //XADC 读出的 vaux11 采样数据
);
///
//产生 XADC 读时序
always @(posedge dclk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
den_in |
【本文地址】