Zynq片內XADC應用筆記

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標籤:xilinx zynq   xadc   設計應用   高溫保護   

Zynq片內XADC應用筆記

Hello,panda

應用筆記簡要描述Xilinx Zynq XADC的相關資源及若干種應用。參考文檔:

u    ug480:7Series_XADC.pdf;

u    xapp795:driving-xadc.pdf

u    xapp554:xadc-layout-guidelines.pdf

u    xapp1203:post-proc-ip-zynq-xadc.pdf

u    xapp1183:zynq-xadc-axi.pdf

u    xapp1182:zynq_axi_xadc_mon.pdf

u    xapp1172:zynq_ps_xadc.pdf

u    pg019:axi_xadc.pdf

u    pg091:xadc-wiz.pdf

u    ug953:vivado-7series-libraries.pdf

u    ug585:Zynq-7000-TRM.pdf

1 XADC概述

XADC是位於Zynq系列器件Pakage正中心位置的12bit 1MSPS,內建溫度感應器,可即時監測片內結溫,各路電壓資料並可輸出警示訊號。圖1是XADC原語結構。


圖1 XADC原語結構

由圖1可以看出,XADC類比輸入包括專用類比輸入VP/VN和16組複用類比訊號輸入VAUX(15:0);XADC轉換結果可以通過動態重配介面(DRP)或者JTAG介面輸出;警示訊號可通過ALM(7:0)輸出,並有專用的溫度警示訊號OT。

因此,控制XADC和獲得結果資料最終方式必然是通過DRP或JTAG介面,無論它外面作了何種介面的封裝,但最終都要轉換為DRP或JTAG實現和XADC直接相連。

應用筆記僅討論對XADC的控制和讀取結果編程的內容,其他內容請參照:

①   使用者手冊:UG480;

②   前端類比驅動電路設計:xapp795;

③   PCB Layout設計:xapp554。

2  XADC訪問

XADC訪問路徑結構2所示,使用者可以通過PL-JTAG、PS-XADC和AXI-GP Master介面訪問XADC,前面兩個在PL邏輯中無需調用XADC原語即可直接存取,後者需要調用XADC IP核。


圖2 XADC互聯路徑圖

2,PS-XADC將DRP命令序列化後發送給XADC模組,它和PL-JTAG二選其一,通過寄存器位devcfg.XADCIF_CFG[31]來選擇,DRP介面總是有效。

2.1  通過PL-JTAG訪問

這種方式為系統預設,可以直接在Vivado的Hardware Manager中獲得溫度電壓曲線等,3所示。


圖3 工具讀取XADC繪製曲線介面

2.2  通過PS-XADC訪問

通過PS-XADC訪問先要將devcfg.XADCIF_CFG[31]置1來選擇PS-XADC路徑,讓後將按照指定的命令格式組織“Command Register”的DRP地址和資料寫到“devcfg.XADCIF_CMD_FIFO”中;讀資料通過讀取“devcfg.XADCIF_RDFIFO”即可,低16bit即為DRP寄存器的值。詳細參見gu585第“30.3 PS-XADC InterfaceDescription”的描述。

針對這種訪問方式,Xilinx提供了完整的SDK包,Linux驅動和基於Webserver的GUI圖形介面。

①   SDK包資源(2015.2):在../SDK/2015.2\data\embeddedsw

\XilinxProcessorIPLib\drivers\xadcps_v2_2路徑下;

②    Linux驅動和Webserver GUI參見應用文檔XAPP1172。

2.3 通過AXI-GP Master訪問

這種訪問方式其實是將AXI介面裝換為DRP介面訪問XADC,需要調用邏輯IP XADC_WIZ,Vivado 2015.2的版本是V1.0,使用者手冊和DataSheet分別參見Xilinx官方文檔:

①   pg091:xadc-wiz.pdf;

②   pg019:axi_xadc.pdf。

 

  通過AXI介面訪問Xilinx官方提供了兩種模型,一種是資料和命令都通過同一個AXI_GP介面讀出;一個是控制命令通過AXI介面下發,資料通過AXI Stream介面直接DMA到DDR中。

2.3.1   資料和命令通過同一AXI介面

這種實現方式Xilinx提供了官方參考應用XAPP1182,實現的系統架構4所示。


圖4 同一AXI介面實現架構

該架構通過AXI GP介面下髮指令和擷取AD轉換結果,並通過千兆網將Webserver GUI結果在PC機上顯示。

針對這種訪問方式,Xilinx提供了完整的SDK包,Linux驅動和基於Webserver的GUI圖形介面。

①   SDK包資源(2015.2):在../SDK/2015.2\data\embeddedsw

\XilinxProcessorIPLib\drivers\ sysmon_v7_1路徑下;

②   Linux驅動和Webserver GUI參見應用文檔XAPP1182。

2.3.2  資料和命令通過不同AXI介面

這種實現方式Xilinx提供了官方參考應用XAPP1183,實現的系統架構5所示。


圖5不同AXI介面實現架構

該架構通過AXI GP0 Master控制XADC IP核,AXI DMA IP核等,AD轉換結果通過一系列演算法運算後資料通過DMA寫到DDR中。最後計算的結果通過串口發送到“AMS101 evaluator GUI”顯示。這種串連方式的好處是可以對AD轉換資料進行一些列的處理後再寫入到DDR。

針對這種訪問方式,Xilinx提供了完整Linux驅動和基於built-in LabView的GUI圖形介面。

Linux驅動和GUI應用參見文檔XAPP1183。

2.4  片上感應器應用簡要

本節描述片上感應器與AD裝換結果碼之間的關係及關鍵寄存器設定的注意事項。

2.4.1  片上感應器轉換關係

片上溫度感應器和電壓感應器的轉換對應關係如表1所示。

                       表1 片上感應器結果對應關係

感應器

AD轉換結果換算

備忘

溫度感應器

T  = (ADC Code * 503.975)/4096 – 273.15

 

電壓感應器

V  = (ADC Code / 4096)*3

 

2.4.2   自動關機保護

XADC具有自動關機保護功能,使用這項功能必須:

①   寄存器使能:OT upperalarm register(53H)的低四位必須是0011b;

②   設定門限:OT upperalarm register(53H)和OT lower alarm register(57H);

③   使能訊號:設定ConfigurationRegister 1(41H)的OT位為0,或使用約束:

set_property  BITSTREAM.CONFIG.OVERTEMPPOWERDOWN Enable  [current_design]

 自動關機保護的原理是:當溫度超過高溫門限時,等待10ms後進入關機序列,並將GHIGH(參見UG470)訊號置高,當溫度低於OT lower時,GHIGH置低,同時進入啟動重配狀態,系統重新載入重啟。

 當進入高溫保護狀態後,XADC自動使用內部晶振產生時鐘,但其他的狀態不變。為提升INL和SNR效能,可以使用約束語句來實現:

set_property  BITSTREAM.GENERAL.XADCENHANCEDLINEARITY  On  [current_design]

3  總結

總結XADC的三種訪問方式,通過PL-JTAG介面訪問可以在開發工具上直接得到裝換結果曲線,調試用著很方便;通過PS-XADC介面訪問,無需任何額外的邏輯資源即可直接得到結果,但速度相對較慢,適合系統檢測擷取溫度電壓等低速資料;通過AXI介面訪問可以獲得更高的訪問效率,並且可以在AXI介面輸出資料端添加一些列的數字訊號處理演算法後再將最終結果輸出,可以得到最優的實現方案。

使用XADC還具有高溫自動關機保護功能,能有效保護器件高溫燒毀。


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