Xilinx 7系列FPGA内置ADC_fpga的xadc

 Xilinx 7系列FPGA全系内置了一个ADC，称之为XADC。这个XADC，内部是两个1mbps的ADC，可以采集模拟信号转为数字信号送给FPGA内部使用。

     XADC内部可以直接获取芯片结温和FPGA的若干供电电压（7系列不包括VCCO），用于监控FPGA内部状况。同时提供了17对差分管脚，其中一对专用的模拟差分输入，16对复用的模拟差分输入，不使用的时候可以作为普通的User I/O。

01

XADC Pinout Requirements模块管脚需求：

    所有的XADC模块的专用管脚都属于Bank0，所以都加上后缀_0，上图1-2表示了XADC的基本输入输出需求：上面有两种配置需求，左边使用的是Vccaux（1.8V）供电，并且使用外部的1.25V的参考源，使用外部参考源在精度和热漂移方面可以获得更好的性能，且使用一个磁珠用以隔离模拟地和数字地，以避免模拟和数字共地而把噪声带入模拟电路；右边使用的是片内的参考源，此时，VREFP脚必须按照图示连接到地。下表列出了XADC Package的管脚信息：

注：XADC模块有一专用的支持差分输入的模拟通道输入引脚(VP/VN)，另外还最多有16个辅助的模拟通道输入引脚（ADxP or ADxN，x为0到15）,Kintex-7不支持辅助通道6，7，13，14，15。Zynq-7000 AP SoC器件由于封装不通可能不会支持所有的辅助通道，具体要查询封装文件。

02  XADC模块的操作方式

    单通道模式，在这种模式下，用户必须通过写控制寄存器40H的CH4到CH0比特来选择一个要采样的通道。另外控制寄存器40H的BU(analog input mode) 和ACQ（settling time ）两个参数也必须设置。

    独立ADC模式，在这种模式下， ADC A是固定用来实现一个类似于缺省模式的“监控模式”，报警输出功能是有效的，用户必须设置正确的报警门限；ADC B只能用来测量外部的模拟输入。 

    Single Pass 模式，在这种模式下，按用户选择的采样顺序序列顺序采样一遍后停止ADC。采样顺序序列是由用户写序列通道选择寄存器48H和49H 来设定的。 

    Continuous Sequence 连续序列模式，这种模式和Single Pass 模式很相似，区别是采样完一遍后系统自动重新开始序列采样，故为连续采样。 

    模式选择是由控制寄存器41H 的SEQ3到SEQ0比特决定，具体如下图示：

03  IP核设置

Basic 设置

    关于XADC具体的结构，功能和各个参数的含义，需要注意的是：

    1.关于参考电压的设置，会影响误差范围及采样值的计算公式。

    2.模拟差分输入对模拟信号幅值有要求，需要外边模拟电路进行一定程度的转换。

    假设现在需要用XADC来获取几个模拟信号的信息，那么应该如何操作呢。下面解释一种设置方式。

    注意红框中的几点：

    1.使用DRP端口获取数字信号，这样控制似乎更简单一些。

    2.使用连续采样模式，ADC一直工作在数据采集模式，采集后就可以进行输出。

    3.使用Channel Sequencer模式，由于只有两个XADC而需要采样的数据过多，所以让XADC依次陆续进行采样。

    4.设置好DRP端口的时钟频率，50或100M都可以，无特殊要求。

ADC Setup 设置

    IP设置第二页，主要是设置Calibration、平均值和外部MUX。这几个可以暂时跳过，等熟悉XADC的使用后在进行深入了解。

Alarms 设置

    第三页设置告警参数，可以不用。如果需要的话，可以设置一下，便于使用。

channel 设置

    第四页设置需要使用的通道，这里选择温度和三个供电电压，并选择一个专用的模拟输入通道和前三个复用的模拟输入通道。

    最后一页是Summary，可以看看设置是否有问题，没有需要设置的地方。

    这个时候最基本的一个多通道获取数据的XADC设置好了，至于设置中没有细说的地方，可以等熟练使用之后进行研究，找出最合适的使用模式。

04

Port 例化

    下面是如何使用这个生成的IP。由于使用DRP端口来读取数据，所以需要设计一个DRP读写控制器。不过由于XADC本身就提供了一些信号，所以这个设计其实非常简单。

    余下四个DRP端口，两个输出两个输入。两个输出直接引出来，其中do_out就是最终需要的数据。这个端口是16bit，取高12bit即可（对应XADC中宣称的12位）。

    XADC的IP端口中还有两个，名为eoc_out和channel_out。将eoc_out连接到DRP端口的den_in端口，含义是当多路采样的某一路完成采样后，则启动DRP端口操作，开始进行读取数据。将channel_out补两位之后送入daddr_in作为DRP端口操作的地址信号。这样就完成了DRP的读写操作。

    不过这样输出的数据，会周期性的在几个端口数据之间变化。所以通常在后端加一个过滤设置，具体行为是，当代表DRP操作完成的drdy_out拉高的时候，根据channel_out的值来判断是哪一个通道的。

    关于每个采样通道的具体地址，可以参考手册：

    温度换算公式和曲线如下图所示：

    电压换算公式和变化曲线如下图所示：

    至于模拟差分输入Pin，直接送到顶层的相对应管脚即可。注意Vivado工具可能需要对复用的模拟Pin进行电平约束，根据VCCO的电压值选择相应的lvcmos即可，例如1.8V的VCCO就选择lvcmos18即可。

    这样就可以获取对应的模拟采样数据了。由于绝大部分情况下需要检测的模拟信号变化相对较慢，使用XADC是足够用于检测的。

    涉及到XADC的使用问题还有MIG IP。MIG是Memory Interface的IP，也就是DDR3之类的DDR存储器IP。由于此类接口一般速率过高，会需要温度信息对接口做一定的矫正。在MIG IP的配置中，会默认启动XADC。

    此时的XADC仅仅需要提供温度信息就可以了。当需要提供更多信息，就需要独立配置XADC，这样工程中就会生成两个XADC；或者例化了两个MIG IP，这样各自就会需要一个XADC。由于硬件中只有一个XADC模块，当发现工程中需要多个XADC模块的时候，工具就会提示出错。

    解决方案也非常简单，MIG IP中去掉XADC。然后在设计中独立例化XADC IP。根据上文的做法获取温度信息后送往MIG。MIG IP去掉XADC后会生成一个温度端口用来接收数据。这样就不会发生冲突。

    另外一个非常便捷的获取温度信息的方案就是使用Hardware Manager。在Hardware Manager中打开XADC就能看到温度信息。

    其实XADC所有通道数据都可以通过这个方法获取。

    可以看到上图界面温度信息Temp 60.3℃。