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一、XADC簡介
XADC模擬輸入包括專用模擬輸入VP/VN和16組復用模擬信號輸入VAUX(15:0)；XADC轉換結果可以通過動態重配接口（DRP）或者JTAG接口輸出；告警信號可通過ALM(7:0)輸出，并有專用的溫度告警信號OT。
XADC還包括幾個支持測量芯片上電源電壓和模具溫度的片上傳感器。ADC轉換數據存儲在稱為狀態寄存器的專用寄存器中。這些寄存器可以通過FPGA互連訪問，使用一個16位同步讀寫端口，稱為動態重新配置端口(DRP)。ADC轉換數據也可以通過JTAG TAP訪問，可以在配置之前(預配置)，也可以在配置之后訪問。對于JTAG TAP，用戶不需要實例化XADC，因為它是一個專用接口，使用現有的FPGA JTAG基礎結構。正如后面所討論的，如果XADC沒有在設計中實例化，則設備以預定義的模式(稱為默認模式)運行，該模式監視芯片上的溫度和電源電壓。
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具體的參考手冊如下：
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ug480：7Series_XADC.pdf
xapp795：driving-xadc.pdf
xapp554：xadc-layout-guidelines.pdf
xapp1203：post-proc-ip-zynq-xadc.pdf
xapp1183：zynq-xadc-axi.pdf
xapp1182：zynq_axi_xadc_mon.pdf
xapp1172：zynq_ps_xadc.pdf
pg019：axi_xadc.pdf
pg091：xadc-wiz.pdf
ug953：vivado-7series-libraries.pdf
ug585：Zynq-7000-TRM.pdf
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二、XADC的配置方法
本文采用vivado編譯環境對XADC進行配置。
在對XADC進行寄存器配置之前，首先要在vivado中進行硬件電路的搭建，這部分內容可以通過建立block塊完成，具體配置方法請參考https://blog.csdn.net/taowei1314520/article/details/83656386。本文借助外部VPVN測量端口，通過搭建惠斯頓電橋進行溫度的測量（具體方法后面會詳細介紹到），所以需要在搭建硬件電路時引出VPVN和配置XDC管腳約束。
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2.1 配置寄存器
在配置寄存器之前，首先要對兩種寄存器進行解釋說明。
控制寄存器：用于控制和確定處理器的操作模式以及當前執行任務的特性。
狀態寄存器：用來存放兩類信息，一類是體現當前指令執行結果的各種狀態信息，另一類是存放控制信息。
1.配置控制寄存器Configuration register 0
通過寫入C_BASEADDR + 0x300（基地址+偏移量）來定位到該寄存器的位置，下圖為該寄存器的bit位對照圖。
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CAVG：這個比特位用于禁用計算校驗系數的平均，使能為0，使能為1（平均固定在16個樣本）。
AVG1、AVG0：這些位用于在單通道和序列模式下設置所選通道上的樣本平均量。
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MUX：這個比特位為外部多路復用，設置1即啟動外部多路復用功能。（本文所采用的的VP/VN位專用PL端引腳，所以這里不進行多路復用）。
BU：這個比特位是進行單雙極性的選擇，雙極性為1，單極性為0。本文采用的是模擬差分的輸入方式，因為差分輸入能夠有效地降低干擾，實現數據更加穩定地傳輸。
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EC：這個比特位用于為XADC采樣模式，1為event-driven sampling mode，0為continuous sampling mode。
event-driven sampling mode：該工作模式下，采樣瞬間和隨后的轉換過程由一個稱謂轉換開關的觸發信號啟動，當需要對采樣的時刻進行精確控制時，采用該模式。在該模式下，DCLK必須始終存在。
continuous sampling mode：該工作模式下，ADC在當前轉換周期結束時自動啟動新的轉換，adc持續對選定的模擬輸入進行轉換，模數轉換過程由采集階段和轉換階段兩部分組成。
ACQ：在使用單通道模式時，該位用于將連續采樣模式下的外部模擬輸入的可用時間增加6次ADCCLK周期，如果沒有設置ACQ位，則在收購的最后階段允許使用4個ADCCLKs或150個ns。通過將此位設置為邏輯1，可以增加獲取時間。
CH4~CH0：在單通道模式或外部多路復用模式下工作時，這些位用于選擇ADC輸入通道。
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2. 配置控制寄存器Configuration register 1
通過寫入C_BASEADDR + 0x304（基地址+偏移量）來定位到該寄存器的位置，下圖為該寄存器的bit位對照圖。
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SEQ3~SEQ0：這些比特位用來使能通道序列。
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Default mode：在這種操作模式下，XADC自動監控芯片上的傳感器，并將結果存儲在狀態寄存器中。這兩種adc都是在這種模式下校準的，所有傳感器都使用平均16個樣本。XADC在此模式下獨立于任何其他控制寄存器設置操作。
Single Pass Mode：在這種操作模式下，序列操作一次通過序列通道寄存器，然后停止。
Continuous sequence mode：該模式相當于single pass mode的自動版，在一次操作結束后又會自動重新開始。
Simultaneous Sampling Mode：在該模式下，測序器通過8對輔助模擬輸入通道自動進行同步采樣和轉換，這在需要保留兩個信號之間的相位關系的應用程序中非常有用，大部分用于多路復用情況下。
Auxiliary analog channels 8 to 15 are assigned to ADC B and are nominated as B channels
Independent ADC Mode：通常用于報警模式和監測模式，在這種模式下，警報輸出使能，并且使用者必須正確地配置報警閾值。與默認的測序模式一樣，平均值固定在16個采樣點。
ALM6~ALM0：這些位用于禁用溫度的單個警報輸出，1為禁用報警輸出。
CAL3~CAL0：這些位使校準系數應用于ADC和片上供應傳感器測量，1為使能校準，0位不使能。
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OT：這個位用于禁用溫度過高信號。通過將此位設置為邏輯1來禁用警報。
3. 配置控制寄存器Configuration register 2
通過寫入C_BASEADDR + 0x308（基地址+偏移量）來定位到該寄存器的位置，下圖為該寄存器的bit位對照圖。
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CD7~CD0：這些位用于選擇ADC的DRP時鐘（DCLK）和低頻率ADC時鐘（ADCCLK）之間的分頻比。
DRP：動態配置端口，可直接通過PL部分訪問，也可以通過高級接口單元。
所有XADC計時同步到DRP時鐘(DCLK)。ADCCLK是通過將DCLK在配置寄存器2中分頻得到的。
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PD1、PD0：XADC的中斷位。通過設置PD1 = PD0 = 1，可以永久關閉整個XADC塊。
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4. 配置序列寄存器Sequence Register 0：首先寫入C_BASEADDR + 0x320（基地址+偏移量）來定位到該寄存器的位置，再通過寫bit位來選擇序列通道，本文采用VPVN序列通道，所以給第12位置1（0000_1000_0000_0000），具體對應表如下。
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5. 配置輸出寄存器：通過寫入C_BASEADDR + 0x20C（基地址+偏移量）來定位到該寄存器的位置，在專用模擬輸入通道(Vp/Vn)上A/D轉換的12位MSB驗證結果存儲在此寄存器中。
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2.2 結果換算
定義和一些計算所應用到的數據位數為16位（unsigned short），而我們所用到的只有12位，所以需要將數據進行右移4位來保證12位MSB驗證結果能夠完整的存儲到寄存器中。
將ADC的外部模擬輸入通道配置為雙極時，它們可以容納真正的差分和雙極模擬信號類型。雙極模式下ADC的輸出編碼是雙極模式下的補碼，用來表示VP上輸入信號相對于VN的符號。設計代碼轉換發生在連續整數LSB值，也就是說，一個LSB、兩個LSB、三個LSB等。伏特的LSB大小即1個數據位等于244uV。
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2.3 溫度采集
本文采用PT100熱電阻作為外部溫度測量器件，通過搭建惠斯頓電橋，實現溫度的采集。
1、將XADC在PL端的VPVN引腳直接接在電橋上，利用Pt100在不同溫度下電阻值發生變化的原理，實現VP/VN電壓差的改變，根據公式計算得出溫度值，下圖為惠斯頓電橋。
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計算公式：
V=VP0?VN0 V = VP0 - VN0V=VP0?VN0
Rpt=(13200+29000V)/(412.5?145V) Rpt = (13200 + 29000V)/(412.5 - 145V)Rpt=(13200+29000V)/(412.5?145V)
通過查找表或公式計算的方法，將電阻值轉換為對應的溫度值，以下給出“PT100溫度-電壓”對照表和各種類型的接線法。
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a.二線制接法：如圖4(a)所示，這種接法不考慮Pt100 電纜的導線電阻，將A/D 采樣端與電流源的正極輸出端接在一起，這種接法由于沒有考慮測溫電纜的電阻，因此只能適用于測溫距離較近的場合。
b.三線制接法：如圖4(b)所示,這種接法增加了用于A/D 采樣的補償線，三線制接法消除了連接導線電阻引起的測量誤差，這種接法適用于中等測溫距離的場合。
c.四線制接法：如圖4?所示，這種接法不僅增加了A/D 采樣補償線，還加了一條A/D對地的補償線，這樣可以近一步的減小測量誤差，可以用于測溫距離較遠的場合。如果只從精度上考慮，采用四線制接法效果最好。
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三、下載與調試
調試完成后，接下來就是將程序固化到板子中，我大致介紹一下程序固化方法和啟動流程。
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3.1 程序的固化方法
一般在調試程序的過程中FPGA用的是JTAG模式，不需要片外配置芯片，是直接將我們編寫的程序下載到FPGA的片內RAM中，掉電不保留數據。而固化的目的是使板卡掉電不丟失程序，通常在調試階段需要多次啟動，每次上電都重新下載程序是一件很麻煩的事情，所以將程序固化進去會方便很多，下面是固化程序的參考流程。
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https://blog.csdn.net/wmyan/article/details/79292778
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如果大家覺得步驟很復雜的話，我用框圖的形式總結了一下，可能會清楚點。
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3.2 程序的啟動流程
ZYNQ7000 SOC芯片可以從FLASH啟動，也可以從SD卡里啟動。ZYNQ7000 SOC芯片上電后，先運行的是ARM系統（PS端）。然后通過ARM系統軟件部分加載FPGA的比特流文件.bit至FPGA（PL端），啟動FPGA邏輯功能。
BOOT ROM：開發板上電，Z7000會先執行片內BOOT ROM 代碼，BOOT ROM代碼讀取BOOT mode寄存器決定哪一種啟動方式（SD card/QSPI flash/JTAG）。
確定好啟動方式后，BOOT ROM從相應的啟動設備中（SD card/QSPI flash）加載到First Stage Bootloader （FSBL）到On Chip Memory（OCM）RAM，并將執行權交給FSBL。
3.3 程序的測試
通過UART串口輸出，借助串口調試助手可以看到實時的溫度數值，完成測試。
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四、總結
大致歸納一下XADC用到的基本知識（僅針對個人的學習筆記總結）。
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1、輪詢模式：CPU重復檢查設備的狀態寄存器，直到寄存器的值表明I/O操作已經完成。
2、多路復用器mux：能夠接收多個信號，按每個信號可恢復方式合成單個輸出信號。
3、XADC也需要參考電壓，參考電壓由芯片內部或外部決定。
4、VP/VN在多路復用通道外（XADC有17個通道），即PL引腳復用。
5、XADC模塊的引腳封裝均在BANK0中。
6、用VP/VN能夠有效減小干擾，噪聲相減則抵消。
7、VP-VN的電壓輸出范圍是-0.5V ~ +0.5V，VP與VN相對于GNDADC電壓必須大于0。
8、模擬信號通道在管腳配置時不需要加電壓，數字信號通道在管腳配置時需要加電壓，電壓相當于一個標準（FPGA有1.8V 2.5V 3.3V），例如3.3V控制時，達到3.3V就相當于邏輯1，0V就相當于邏輯0。
9、掩碼：是一串二進制代碼對目標字段進行位與運算，屏蔽當前的輸入位。
10、狀態寄存器只能查看工作狀態（read only），控制寄存器可以配置（read and write）。
11、沒有JTAG一般用Anolog-Input Mode（4Ch and 4Dh）配置。
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通過實現利用XADC對溫度的采集，我學習到了如何配置寄存器（直接用地址寫寄存器的方式），學習到了什么是固化程序以及如何將程序固化到FPGA板卡中，這同時用到了vivado和sdk編譯環境，理解了溫度傳感器的工作原理，最重要的是能夠系統地對一項工程進行梳理，這對于學習FPGA有很大的幫助，希望以后能夠通過學習和寫博客的這種方式慢慢進步。
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工商網監
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