手把手課堂：在Zynq SoC上實現(xiàn)模擬混合信號

在Zynq SoC內(nèi)部使用XADC可以極大提高系統(tǒng)集成度，而且實現(xiàn)起來非常簡單直觀。

賽靈思Zynq?-7000 All Programmable SoC配套提供一個帶有2個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的XADC模塊。這兩個ADC的采樣率可高達每秒百萬次采樣(1MSPS)，具有理想的500kHz有效輸入信號帶寬（輔助輸入端信號帶寬為250kHz）。XADC多路復用17個輸入信號并測量一系列內(nèi)部電壓與溫度。如果您的設計無法為外部信號提供足夠的模擬輸入引腳，那么應對XADC加以配置，以驅(qū)動外部模擬多路復用器并按照要求的順序?qū)λ休斎脒M行排序。

XADC能夠?qū)崿F(xiàn)單極或雙極測量，因此器件的輸入均為差分輸入。17個差分輸入被劃分為一個專用對（稱為VP/VN）和16個輔助輸入（可以是模擬或數(shù)字I/O，被稱為VAUXP和VAUXN）。有效輸入信號帶寬視所用的差分輸入類型而定，如果使用專用對，則信號帶寬為500kHz，如果使用輔助輸入，則信號帶寬為250kHz。

XADC的混合信號性能非常好，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊顯示，其具有60dB的最低信噪比(SNR)和70dB的總諧波失真(THD)。根據(jù)器件所處溫度范圍（-55oC至125oC或-40oC至100oC）的不同，XADC的分辨率可以是10位或12位。這樣根據(jù)下面的等式計算得出的XADC有效位數(shù)是9.67。
ENOB = (SNR–1.76/6.02)

XADC具有16、64和256個采樣的平均計算法可供用戶選擇，用以降低輸入端噪聲。用戶還可以為每個所測量的內(nèi)部器件參數(shù)設置最大和最小告警等級。

XADCXADC適合哪些應用？
設計人員可將這種ADC用于從簡單的板載參數(shù)（電壓、電流和溫度）內(nèi)務處理遙測，到對觸摸傳感器、馬達控制或簡單的無線通信協(xié)議的支持等一系列應用。此外，還可以將其用在軍事或其他重要系統(tǒng)中，以檢測設備篡改。

XADC的重要優(yōu)勢之一是用來監(jiān)控一系列系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)，驗證設計方案的良好程度。此外，為了簡化設計初期的驗證工作，您可以在基于Zynq-7000 All Programmable SoC的系統(tǒng)中使用XADC來測量由片上溫度傳感器記錄的溫度以及后續(xù)的其他參數(shù)。

硬件實現(xiàn)
要想使用XADC，首先需要打開包含Zynq SoC實現(xiàn)方案的PlanAhead?項目（如果您不知道如何操作，請參考《賽靈思中國通訊》第47期的封面專題文章）。選擇您所創(chuàng)建的處理器子系統(tǒng)，并雙擊打開Xilinx Platform Studio (XPS)。您可以在XPS中修改處理系統(tǒng)。

XPS打開后，選擇項目窗口左側(cè)的IP Catalog標簽，并選擇模擬菜單下的AXI XADC。這時會出現(xiàn)提示，問您是否要向設計中添加IP。點擊是，顯示IP配置窗口，如圖1所示。這里沒有太多需要配置的內(nèi)容，除非您想對復雜的AXI總線接口進行優(yōu)化。

用戶標簽是主要的操控區(qū)域。您可以通過該標簽為處理器添加中斷，啟用溫度總線。您可以將啟用后的溫度總線連接至儲存器接口生成器（Memory Interface Generator），用以提供影響時序的溫度信息。在ISim中仿真XADC時使用的是仿真監(jiān)視文件。

如果您對XADC的配置比較滿意，就可以關閉IP配置窗口，同時XADC將被添加到處理系統(tǒng)中。如果您點擊System Assembly查看器的地址標簽，就會看到分配給XADC的地址范圍，然后通過勾選來鎖定地址范圍。

下一步是設置連接到XADC的外部端口數(shù)。在默認情況下，XADC可支持1個外部多路復用器、16個輔助模擬輸入、8個告警輸出和1個轉(zhuǎn)換開始，如圖2所示。

必要時您可以移除這些端口，只為ADC保留專用的模擬輸入Vp和Vn，以及連接監(jiān)視器的內(nèi)部信道。例如，ZedBoard只能在信道0和8上支持兩個輔助模擬輸入，同時提供四個XADC專用的GPIO。您可以根據(jù)需要將這些GPIO連接到告警輸出或多路復用器輸出?？稍赬PS內(nèi)選擇下拉菜單中的“不連接外部端口”選項來斷開外部I/O。

如果您希望使一些輔助輸入仍處于連接狀態(tài)（例如添加兩個ZedBoard輸入），可在系統(tǒng)內(nèi)部保留VAUXP和VAUXN信道，同時在RTL設計的頂層只連接信道0和信道8。如果希望連接輔助輸入但移除其他外部端口，需要右擊特定的I/O，然后選擇“無連接”選項，如圖3所示。

外部連接設置好后，運行設計規(guī)則檢查（DRC）。如果DRC未顯示任何錯誤，即可退出XPS并返回到PlanAhead中，并在此生成比特流。如果您查看一下綜合結(jié)果，就會發(fā)現(xiàn)資源列表中已含有XADC。

編寫軟件
硬件設計已經(jīng)完成，此時您需要將硬件再次導入到軟件開發(fā)套件(SDK)中，以便升級板支持包。在PlanAhead中選擇文件->導出->導出硬件到SDK選項。這時會出現(xiàn)提示，警告我們將覆蓋已有的硬件定義。點擊“是”并覆蓋。

如果SDK打開，您會收到一個提示介紹硬件規(guī)范文件的變更情況。如果SDK沒有打開，那么會在下次打開的時候收到此提示。

點擊SDK提示中的“是”選項，硬件定義就會被更新，同時您的項目將被重建。假設設計沒有錯誤，那么您將開始執(zhí)行代碼修改工作。

打開system.xml或xparameters.h文件，您不僅會看到設計中所有其他外設的地址范圍，還能看到剛剛添加到XPS內(nèi)的XADC的地址范圍。

打開system.mss文件會顯示板支持包(BSP)的整體細節(jié)。這里我們真正感興趣的是外設驅(qū)動程序，此處您可以看到xai_adc_0（或您在XPS中對XADC的任意命名）。接下來，您會看到用于打開文檔和實例的熱鏈接。

為了縮短開發(fā)時間，賽靈思在報頭文件中提供了一系列驅(qū)動程序，便于我們使用這些器件。您需要在代碼中訪問這些驅(qū)動程序。為此需要添加BSP更新過程中所生成的以下報頭文件。
#include "xadcps.h"

該文件包含對于XADC寄存器、采樣平均選項、信道順序選項和省電模式等內(nèi)容的定義。另外還包含一系列可在系統(tǒng)中使用的類型定義、宏命令和函數(shù)。

集中在一起
舉一個簡單的實例：我將讀取系統(tǒng)的內(nèi)部溫度和電壓參數(shù)，并通過RS232鏈路將它們輸出。

在編寫代碼時首先要做的是查詢將要進行初始化的XADC的配置，這里要用到XAdcPs_Config類型的指針。利用XAdcPs_LookupConfig()函數(shù)調(diào)用以及從更新的xparameters.h文件中獲得的器件ID將配置信息（器件ID和XADC的基地址）存儲在指針內(nèi)。初始化流程的下一步是使用此前獲取并存儲在配置指針中的信息，該步驟需要一個XAdcPs類型的指針。

Status_ADC = XAdcPs_CfgInitialize (XADCInstPtr,ConfigPtr,ConfigPtr->BaseAddress)

我將配置指針命名為ConfigPtr，將實例化指針命名為XADCInstPtr。XADC的初始化完成后，按照實例要求對其進行配置。以下是配置流程：
1. 采用XAdcPs_SelfTest()函數(shù)運行自測試，以確認器件沒有問題。
2. 利用XAdcPs_SetSequencerMode()函數(shù)將定序器設置為單通道，從而停止定序器當前操作。
3. 利用XAdcPs_SetAlarmEnables()函數(shù)禁用所有告警。
4. 利用XAdcPs_SetSeqInputMode()函數(shù)重啟定序器并讓其按我所要求的順序排序。
5. 利用XAdcPs_SetSeqChEnables()函數(shù)配置信道，使之能根據(jù)我的要求采樣。

完成以上步驟后就可以使用ADC并從XADC接收數(shù)據(jù)。只需調(diào)用XAdcPs_GetAdcData()函數(shù)即可從XADC讀取采樣。對于內(nèi)部溫度和電壓參數(shù)，然后我使用兩個提供的宏命令（XAdcPs_原始ToTemperature()和XAdcPs_原始ToVoltage()）將原始的XADC數(shù)值轉(zhuǎn)換為實際的溫度或電壓值。

實際值和原始數(shù)據(jù)隨后都通過RS232鏈路輸出。圖4給出了僅器件溫度進行采樣的初始結(jié)果。

當我將采樣范圍擴大至內(nèi)部電源軌和溫度時，會返回如下結(jié)果：
? 原始溫度40696, 實際溫度39.805603
? 原始VccInt 21677, 實際VccInt 0.992294
? 原始VccAux 39431, 實際VccAux 1.805008
? 原始VccBram 21691, 實際VccBram 0.992935
? 原始VccPInt 21649, 實際VccPInt 0.991013
? 原始VccPAux 39402, 實際VccPAux 1.803680
? 原始VccDDR 32014, 實際VccDDR 1.465485

所有這些參數(shù)都在Zynq SoC運行可接受的限值內(nèi)，但需要Zynq SoC在實驗室條件下工作。

正如您所看到的，在Zynq SoC中實現(xiàn)和使用模擬混合信號非常簡單直觀。XADC可以提高All Programmable系統(tǒng)的集成度和功能性。