[米联客-XILINX-H3_CZ08_7100] LINUX驱动篇连载-02 XADC

软件版本：vitis2021.1(vivado2021.1)

操作系统：WIN10 64bit

硬件平台：适用XILINX Z7/ZU系列FPGA

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1 概述

对于芯片内部温度，电压的监控，以及通过配置选通访问外部模拟接口，可以通过PS和PL的10bit片上ADC监控模块来处理。

实验目的：

• 了解SYSMON的硬件结构。
• 了解SYSMON的寄存器和工作模式。
• 了解PS如何访问SYSMON的方法。
• 掌握Linux端查询芯片各个状态的方法。
  

2 系统框图

3 介绍

3.1 SYSMON概述

ZYNQ MPSOC内置2个10bit 精度的ADC监控模块，分别是PL SYSMON和PS SYSMON.

PS SYSMON具1个1MHZ采样率的10BIT 精度ADC,有多个监控内部电压的节点和2个片上温度传感器，测量的电压范围为0~3V或者0~6V范围。PS PS SYSMON的温度传感器一个靠近RPU，另外一个在FPD(全功率域)靠近APU。PS SYSMON只能使用内部基准。

PL SYSMON具1个200KHZ采样率的10BIT 精度ADC,除了具有多个标准的电压监控节点外，还有4个用户可以定义的监控节点,此外可以监控一些在PS中的节点电压。PL SYSMON的电压测量范围为0~3V或者0~6V。PL SYSMON还具有一个片温度二极管。PL SYSMON内的ADC可以通过选通到外部PL IO用于测量外部电压。这些外部接口支持0~1V的无极性电压测量以及±0.5V的有极性电压测试。PL SYSMON的参考电压也是可以选择内部参考电压或者外部参考电压。

3.1.1: SYSMON的电源

SYSMON的参考电压可以使用外部基准或者使用内部的1.25V基准。如果要获得高精度的采样可以使用外部基准。

为了减少高频影响，可以选择在VCCAUX和XADC的VCCADC之间串接一个磁珠，以及在GND-XADC数字GND之间串接一个磁珠。

3.1.2:温度传感器

ZYNQ MPSOC 是属于ultrascale+系列，内部的是SYSMONE4。

当使用外部基准，温度传感器使用以下公式计算温度(仅PL的SYSMONE支持)

当使用内部基准，温度传感器使用以下公式计算温度

3.1.3:电源传感器

对于SYSMON 监控 VCCINT、VCCAUX、VCCBRAM、VCC_PSINTLP、VCC_PSINTFP 和 VCC_PSAUX的电压满量程是3FFH，因此对于VCCINT = 1V,输出值为：

1/3 x 1024 = 341 = 155h

        SYSMON也可以通过 VUSER[3:0]设置，检测VCCO , VCCO _ TOP , VCCO _ BOT , VCCINT , 或者VCCAUX电压。

        当SYSMON通过VUSER[3:0]设置检测VCCO，该VCCO是HR BANK或者HD BANK，那么满量程3FFH对应于6V,比如VCCO=3.3V

1/6x1024 = 563 = 233H

3.1.4:XADC外部采集接口

4-1:共模输入

ADC 的模拟输入使用差分采样方案来降低共模噪声信号的影响。下图显示了差分采样方案的优势，电源的噪声和地上的噪声相互抵消，从而提高采样精度。当采集外部模拟输入信号的时候，只需要把外部模拟信号接入到VP和VN.

4-2:单端输入解法

外部模拟信号如果是单端信号，可以通过电阻网络实现差分采样方式,如下图所示。R1 、R2通过电阻分压，把10V的电压分压到了1V，这样就在SYSMON的采样范围内。R5用于阻抗匹配。之后经过一个滤波器进入到ADC的采样P 和N端。

4-3:XADC无极性输入

当外部采集无极性的输入信号，需要对配置寄存器0设置，来选择工作于无极性模式。VN 上的共模信号可以在 0V 到 +0.5V 之间变化（相对于 GNDADC 测量）。由于差分输入范围为 0V 至 1.0V（VP 至 VN），因此 VP 上的最大信号为 1.5V。

对于10BITADC，无极性的输入范围10’0h~12’h3FF，因此0V对于于10’h0,1V对应于10’h3FF

4-4:XADC有极性输入

当外部采集有极性的输入信号，需要对配置寄存器0设置，来选择工作于有极性模式。有极性模式下，VP 和VN的电压必须相对于GNDADC是正电压(不能输入负电压，差分信号的正负是相对信号的共模点来说的)，VP-VN的最大范围是±0.5V。下图中，VN=0.5V 因此最大的VP输入范围是±0.5V(当对于VN)

对于10BITADC，有极性的输入范围10’h200~10’h1FF，因此-0.5V对于于10’h200,+0.5V对应于10’h1FF

4-5:差分输入

无极性输入的应用也包括采集差分信号，差分输入信号是相对于VCM对称。VCM的范围为0.25V~0.75V

4-6:SYSMONE4的Common-N模式

SYSMONE4支持Common-N模式，可以把所有的外部ADC的N接到一起，节省IO

3.2 SYSMONE4的寄存器

可以看到以上寄存器中分状态寄存器和控制寄存器。状态寄存器比较容易理解主要是保存了ADC采集到的数值，以及ADC的当前工作状态，我们就不做分析了。

4 搭建工程

该实验使用默认的vivado工程生成的系统镜像，vivado工程文件在附件中可以找到。可以直接使用附件中的“BOOT”中的系统镜像。详细制作系统过程参考第一章。

4.1 vivado工程搭建

5 程序分析

temp.cpp

1. #include <iostream>
   
2. #include <stdio.h>
   
3. #include <stdlib.h>
   
4. #include <unistd.h>
   
5. using namespace std;
   
6. 
   
7. #define Vccint 0
   
8. #define Vccaux 1
   
9. #define Vccbram 2
   
10. #define Vccpint 3
    
11. #define Vccpaux 4
    
12. #define Vccoddr 5
    
13. #define Vrefp 6
    
14. #define Vrefn 7
    
15. #define Mode "/sys/bus/iio/devices/iio:device0/of_node/compatible"
    
16. #define TempPATH "/sys/bus/iio/devices/iio:device0/in_temp0_raw"
    
17. #define VccintPATH "/sys/bus/iio/devices/iio:device0/in_voltage0_vccint_raw"
    
18. #define VccauxPATH "/sys/bus/iio/devices/iio:device0/in_voltage1_vccaux_raw"
    
19. #define VccbramPATH "/sys/bus/iio/devices/iio:device0/in_voltage2_vccbram_raw"
    
20. #define VccpintPATH "/sys/bus/iio/devices/iio:device0/in_voltage3_vccpint_raw"
    
21. #define VccpauxPATH "/sys/bus/iio/devices/iio:device0/in_voltage4_vccpaux_raw"
    
22. #define VccoddrPATH "/sys/bus/iio/devices/iio:device0/in_voltage5_vccoddr_raw"
    
23. #define VrefpPATH "/sys/bus/iio/devices/iio:device0/in_voltage6_vrefp_raw"
    
24. #define VrefnPATH "/sys/bus/iio/devices/iio:device0/in_voltage7_vrefn_raw"
    
25. static const int TempDivisor = 1 << 12; //4096
    
26. static const int VccDivisor = 1 << 16;  //65536
    
27. 
    
28. float getTemp()
    
29. {
    
30.     FILE *stream;
    
31.     float val;
    
32.     float temp_value;
    
33.     char buf[20];
    
34.     if ((stream = fopen(TempPATH, "r")) == NULL)
    
35.     {
    
36.         cout << "Cannot open output file." << endl;
    
37.         return 1;
    
38.     }
    
39.     fseek(stream, SEEK_SET, 0);
    
40.     fread(buf, sizeof(char), sizeof(buf), stream);
    
41.     val = atof(buf);
    
42.     temp_value = ((val * 509.3140064) / TempDivisor) - 280.2308787;
    
43.     //cout << "The cpu temp is " << temp_value << "°C" << endl;
    
44.     fclose(stream);
    
45.     stream = NULL;
    
46.     return temp_value;
    
47. }
    
48. 
    
49. float getVcc(int x)
    
50. {
    
51.     FILE *stream;
    
52.     int val;
    
53.     float vcc_value;
    
54.     char buf[20];
    
55.     switch (x)
    
56.     {
    
57.     case Vccint:
    
58.         stream = fopen(VccintPATH, "r");
    
59.         break;
    
60.     case Vccaux:
    
61.         stream = fopen(VccauxPATH, "r");
    
62.         break;
    
63.     case Vccbram:
    
64.         stream = fopen(VccbramPATH, "r");
    
65.         break;
    
66.     case Vccpint:
    
67.         stream = fopen(VccpintPATH, "r");
    
68.         break;
    
69.     case Vccpaux:
    
70.         stream = fopen(VccpauxPATH, "r");
    
71.         break;
    
72.     case Vccoddr:
    
73.         stream = fopen(VccoddrPATH, "r");
    
74.         break;
    
75.     case Vrefp:
    
76.         stream = fopen(VrefpPATH, "r");
    
77.         break;
    
78.     case Vrefn:
    
79.         stream = fopen(VrefnPATH, "r");
    
80.         break;
    
81.     default:
    
82.         break;
    
83.     }
    
84.     if (stream == NULL)
    
85.     {
    
86.         cout << "Cannot open output file." << endl;
    
87.         return 1;
    
88.     }
    
89.     fseek(stream, SEEK_SET, 0);
    
90.     fread(buf, sizeof(char), sizeof(buf), stream);
    
91.     val = atoi(buf);
    
92.     vcc_value = ((float)(val << 4) / VccDivisor) * 3;
    
93.     fclose(stream);
    
94.     stream = NULL;
    
95.     return vcc_value;
    
96. }
    
97. 
    
98. int RoundingADD(float i)
    
99. {
    
100.     return (i > 0.0) ? (i + 0.5) : (i - 0.5);
     
101. }
     
102. 
     
103. float Rounding(float i)
     
104. {
     
105.     return (float)RoundingADD(i * 100) / 100;
     
106. }
     
107. 
     
108. int main()
     
109. {
     
110.     while (1)
     
111.     {
     
112.         system("clear");
     
113.         cout << "---------------------------------" << endl;
     
114.         cout << "The cpu temp is " << Rounding(getTemp()) << "°C" << endl;
     
115.         cout << "The vccint is " << Rounding(getVcc(Vccint)) << "V" << endl;
     
116.         cout << "The vccaux is " << Rounding(getVcc(Vccaux)) << "V" << endl;
     
117.         cout << "The vccbram is " << Rounding(getVcc(Vccbram)) << "V" << endl;
     
118.         cout << "The vccpint is " << Rounding(getVcc(Vccpint)) << "V" << endl;
     
119.         cout << "The vccpaux is " << Rounding(getVcc(Vccpaux)) << "V" << endl;
     
120.         cout << "The vccoddr is " << Rounding(getVcc(Vccoddr)) << "V" << endl;
     
121.         cout << "The vrefp is " << Rounding(getVcc(Vrefp)) << "V" << endl;
     
122.         cout << "The vrefn is " << Rounding(getVcc(Vrefn)) << "V" << endl;
     
123.         cout << "---------------------------------" << endl;
     
124.         sleep(1);
     
125.     }
     
126.     return 0;
     
127. }

复制代码

第7行至66行，定义基本的路径和常量。

第70行至218行，定义了四个基本的函数，前两个分别为获取温度，获取电压的功能函数。

第220行至261行，向终端输出获取到的温度，电压等数据。

6 程序编译

因为并不需要编译驱动，可以直接在开发板上进行本地编译。

将文件上传至开发板。

由于是c++文件，在终端输入“c++ tempmp.cpp -o tempmp.out”

生成了可执行文件，准备工作完成。

7 演示

7.1 硬件准备

SD2.0 启动 01 而模式开关为 ON OFF（7100 需要先将系统烧录进qspi，然后才能从qspi启动sd卡，“[米联客-XILINX-H3_CZ08_7100] LINUX基础篇连载-04 从vitis移植Ubuntu实现二次开发”）

将 PS 端串口线连接电脑，如果要使用 ssh 登录，将网口线同样连接至电脑，最后给开发板通电。每次重新上电，需要重新插拔 PS 串口，否则会登录失败。

7.2 程序准备

在终端输入“ls”命令。确认当前所需文件，已经存在当前的文件夹内。

7.3 实验结果

运行程序。

终端成功输出数据。