FPGA使用XADC测量外部模拟输入电压

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]	input	DRP的输入数据总线。
daddr_in[6:0]	input	DRP的地址总线。
den_in	input	DPR的使能信号
dwe_in	input	DRP的写使能信号
drdy_out	output	DRP的数据准备好信号
do_out[15:0]	output	DRP的输出数据总线
dclk_in	input	DRP的输入时钟
reset_in	input	XADC的复位信号，高电平有效
vp_in/ vn_in	input	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]	input	16个复用的模拟输入通道，可设计为差分模拟信号输入
ot_out	output	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_out	output	ADC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_out	output	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_out	output	ADC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。

二、硬件电路

2.1、基准电源

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。

图2.1 基准电源外围电路

2.2、模拟输入通道

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0V_{0.5V（即Vp与Vn的共模电压范围），由于Vp与Vn的差模电压范围为0V}1V，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。

三、时序图

3.1、连续采样模式的时序图

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

1. 选择DRP接口，读写时序比较简单。
2. 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。
3. 通道序列
4. 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 16:36:43module 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 16:36:13module 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) beginif(!rst_n) begin den_in <= 1'b0; dwe_in <= 1'b0;        daddr_in <= 7'd0;di_in <= 7'd0;endelse if(eoc_out) begindaddr_in <= {2'b00, channel_out}; //XADC 数据读取寄存器地址 直接连接到通道选择输出channel_out[4:0]den_in <= 1'b1;                   //产生den_in一个时钟周期的高电平     endelse begindaddr_in <= 7'd0;den_in <= 1'b0;endend  ///  
//读 XADC 输出数据   
always @(posedge dclk or negedge rst_n) beginif(!rst_n) begin xadc_vpvn_data  <= 0;xadc_vaux0_data <= 0;       xadc_vaux2_data <= 0;xadc_vaux3_data <= 0;xadc_vaux10_data <= 0;xadc_vaux11_data <= 0;end   else if(drdy_out) begincase(channel_out[4:0])5'h03: beginxadc_vpvn_data <= do_out[15:4];               end5'h10: beginxadc_vaux0_data <= do_out[15:4];               end5'h12: beginxadc_vaux2_data <= do_out[15:4];               end5'h13: beginxadc_vaux3_data <= do_out[15:4];               end5'h1a: beginxadc_vaux10_data <= do_out[15:4];               end5'h1b: beginxadc_vaux11_data <= do_out[15:4];               enddefault: beginendendcaseendendendmodule

• xadc.xdc ------约束文件

#时钟物理约束
set_property PACKAGE_PIN AD20 [get_ports pl_clk]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports pl_clk]#时钟周期约束
create_clock -name clk -period 10 [get_ports pl_clk ]

提示： 当使用复用模拟通道时(VAUXP[15:0]和VAUXN[15:0])，在fpga逻辑设计中不需要对相应的引脚进行约束，只用在顶层模块中调用IP例化模块，并连接到顶层的信号输入即可，这样该引脚就可以作为模拟输入通道。在约束文件中仅对时钟进行了约束。

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参考文档

• ug480_7Series_XADC；

• XADC Wizard v3.3；

• 百度网盘连接：
  https://pan.baidu.com/s/1GgqPdtemoABWpRRT-owCpQ
  提取码：216p