[米联客-XILINX-H3_CZ08_7100] FPGA_SDK高级篇连载-08DAQ7606 波形显示方案(DMA+VDMA)

本帖最后由 FPGA课程于 2024-9-30 11:23 编辑

软件版本：VIVADO2021.1
操作系统：WIN10 64bit
硬件平台：适用 XILINX A7/K7/Z7/ZU/KU 系列 FPGA
实验平台：米联客-MLK-H3-CZ08-7100开发板
板卡获取平台：https://milianke.tmall.com/
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1概述

DAQ001是一款8通道16bit 200k采样率的高精度ADC，支持串行和并行采集接口。米联客DAQ001采用串行模式实现200K 8通道同时采样，相比并口方式，串行方式，具有硬件接口简单，节约成本优势。

实验目的：

1:掌握ui_axisbufw配置成非视频模式的情况下的参数设置

2:掌握ADC数据如何通过ui_axisbufw写入到AXI-DMA IP

3:掌握AXI-DMA IP中断的产生方法，以及AXIS时序接口

4:编写波形显示函数，把采集到的波形绘制成波形曲线在显示器上显示

2系统框图

3硬件电路分析

硬件接口和子卡模块请阅读“附录1”

配套工程的FPGA PIN脚定义路径为soc_prj/uisrc/04_pin/ fpga_pin.xdc。

4搭建SOC系统工程
4.1PL图形化编程

以上代码中用户数据位宽为128bit(daq001是8通道16bit 所以是128bit位宽)，用户写入的数据经过ui_axisbufw后进入axi-dma，之后通过AXI_interconnect 进入到ZYNQ DDR中。

SDK代码中，PS(ARM)读取内存中保存的ADC采样数值，并且通过插值方式绘制波形，波形先绘制到内存中，HDMI驱动从这个开辟的波形显存中主动读取数据，显示到显示器上。这样就完成了波形采集显示方案。

下面具体看下关键几个IP的参数设置

1:ui_axisbufw设置

VIVADO_ENABLE:用于设置时序需要支持视频帧同步功能，对于数据流模式设置为0

AXI_DATA_WIDTH:用于设置AXI-Stream数据接口的位宽，这里设置128

W_BUFDEPTH:用于设置FIFO的深度，越大消耗资源越多，这里设置2048

W_XSIZE和W_YSIZE:配合可以一次DMA完成大量数据传输，而不需要太多的FIFO，并且通过W_XSIZE和W_YSIZE合理设置既可以满足速度要求，又可以减少FIFO使用。比如这里设置1024*64也可以设置512*128当设置512*128，那么FIFO就可以设置最大1024足够使用了。

通过这些参数设置，可以看出来，我们一次DMA完成1024*64*128/8=1MB数据传输，也就是8个通道每个通道，完成采集了64K的波形点采集。

2:AXI-DMA设置

其中关键参数是设置合适的Width of Buffer Length Register 大小为23bit 代表最大DMA可以支持2^23=8MB数据，足够使用。

另外我们只用到写通道，所以只勾选写通道即可。

3:修改system_wrapper.v

将自动产生的system_wrapper.v复制到本方案工程路径soc_prj/uisrc/01_rtl/system_wrapper.v并对其修改，修改好的代码如下：

`timescale 1ns / 1ps
/*******************************MILIANKE*******************************
*Company : MiLianKe Electronic Technology Co., Ltd.
*WebSite:https://www.milianke.com
*TechWeb:https://www.uisrc.com
*tmall-shop:https://milianke.tmall.com
*jd-shop:https://milianke.jd.com
*taobao-shop1: https://milianke.taobao.com
*Create Date: 2021/10/15
*Module Name:system_wrapper
*File Name:system_wrapper.v
*Description:
*The reference demo provided by Milianke is only used for learning.
*We cannot ensure that the demo itself is free of bugs, so users
*should be responsible for the technical problems and consequences
*caused by the use of their own products.
*Copyright: Copyright (c) MiLianKe
*All rights reserved.
*Revision: 1.0
*Signal description
*1) _i input
*2) _o output
*3) _n activ low
*4) _dg debug signal
*5) _r delay or register
*6) _s state mechine
*********************************************************************/
module system_wrapper(
inout wire [14:0]DDR_addr,
inout wire [2:0]DDR_ba,
inout wire DDR_cas_n,
inout wire DDR_ck_n,
inout wire DDR_ck_p,
inout wire DDR_cke,
inout wire DDR_cs_n,
inout wire [3:0]DDR_dm,
inout wire [31:0]DDR_dq,
inout wire [3:0]DDR_dqs_n,
inout wire [3:0]DDR_dqs_p,
inout wire DDR_odt,
inout wire DDR_ras_n,
inout wire DDR_reset_n,
inout wire DDR_we_n,
inout wire FIXED_IO_ddr_vrn,
inout wire FIXED_IO_ddr_vrp,
inout wire [53:0]FIXED_IO_mio,
inout wire FIXED_IO_ps_clk,
inout wire FIXED_IO_ps_porb,
inout wire FIXED_IO_ps_srstb,
//******************************
output wire hdmi_tx_0_tmds_clk_n,
output wire hdmi_tx_0_tmds_clk_p,
output wire [2:0]hdmi_tx_0_tmds_data_n,
output wire [2:0]hdmi_tx_0_tmds_data_p,
/***********************daq001******************************/
input wire ad7606_busy_i,
output wire ad7606_cs_o, //ad7606 AD cs
output wire ad7606_sclk_o, //ad7606 AD data read
output wire ad7606_rst_o, //ad7606 AD reset
output wire ad7606_convsta_o, //ad7606 AD convert start
output wire ad7606_convstb_o, //ad7606 AD convert start
output wire ad7606_range_o,
input wire ad7606_out_a_i,
input wire ad7606_out_b_i,
output wire ad7606card_en
);
assign ad7606card_en=1'b1;
wire user_rstn;
wire user_start;
wire pl_clk0;
reg [15:0] test_data;
wire ad7606_cap_en;
wire [63:0] ad7606_out_a,ad7606_out_b;
wire [15:0] ad_ch0,ad_ch1,ad_ch2,ad_ch3,ad_ch4,ad_ch5,ad_ch6,ad_ch7;
//sensor input -W_FIFO--------------
wire W_wclk_i = pl_clk0;
wire W_FS_i = user_start;
wire W_wren_i = ad7606_cap_en && user_start;
wire [127: 0] W_data_i = {test_data,ad_ch6,ad_ch5,ad_ch4,ad_ch3,ad_ch2,ad_ch1,ad_ch0};
//----------axis signals write-------
wire axis_clk =pl_clk0;
wire [127: 0] axis_wdata;
wire axis_wvalid;
wire axis_wready;
wire axis_last;
always @(posedge W_wclk_i)begin
if(user_rstn == 1'b0)
test_data <= 0;
else if(W_wren_i)
test_data <= test_data + 1'b1;
end
assign ad_ch0 = ad7606_out_a[63:48];
assign ad_ch1 = ad7606_out_a[47:32];
assign ad_ch2 = ad7606_out_a[31:16];
assign ad_ch3 = ad7606_out_a[15: 0];
assign ad_ch4 = ad7606_out_b[63:48];
assign ad_ch5 = ad7606_out_b[47:32];
assign ad_ch6 = ad7606_out_b[31:16];
assign ad_ch7 = ad7606_out_b[15: 0];
/***********************调用daq001 IP这里采用了SPI接口********************/
uispi7606#(
.SPI_DIV(10'd5),
.T5US_DIV(10'd499)
)
uispi7606_inst
(
.ad_clk_i(pl_clk0),
.ad_rst_i(user_rstn==1'b0),
.ad_busy_i(ad7606_busy_i),
.ad_cs_o(ad7606_cs_o),
.ad_sclk_o(ad7606_sclk_o),
.ad_rst_o(ad7606_rst_o),
.ad_convsta_o(ad7606_convsta_o),
.ad_convstb_o(ad7606_convstb_o),
.ad_range_o(ad7606_range_o),
.ad_out_a_i(ad7606_out_a_i),
.ad_out_b_i(ad7606_out_b_i),
.ad_out_a(ad7606_out_a),
.ad_out_b(ad7606_out_b),
.ad_cap_en(ad7606_cap_en)
);
ila_0 ila_debug (
.clk(pl_clk0), // input wire cl
.probe0({ad7606_cap_en,user_rstn,user_start}), // input wire [15:0] probe0
.probe1({test_data,ad_ch6,ad_ch5,ad_ch4,ad_ch3,ad_ch2,ad_ch1,ad_ch0})
);
/***********************
一次DMA传输128*1024*64 字节大小的数据
**************************/
ui_axisbufw#(
.VIDEO_ENABLE(0),
.AXI_DATA_WIDTH(128),
.W_BUFDEPTH(2048),
.W_DATAWIDTH(128),
.W_XSIZE(1024),
.W_YSIZE(64)
)
ui_axisbufw_inst
(
.ui_rstn(user_rstn),
//sensor input -W_FIFO--------------
.W_wclk_i(W_wclk_i),
.W_FS_i(W_FS_i),
.W_wren_i(W_wren_i),
.W_data_i(W_data_i),
//----------axis signals write-------
.axis_clk(axis_clk),
.axis_wdata(axis_wdata),
.axis_wvalid(axis_wvalid),
.axis_wready(axis_wready),
.axis_last(axis_last)
);
system system_i
(
.DDR_addr(DDR_addr),
.DDR_ba(DDR_ba),
.DDR_cas_n(DDR_cas_n),
.DDR_ck_n(DDR_ck_n),
.DDR_ck_p(DDR_ck_p),
.DDR_cke(DDR_cke),
.DDR_cs_n(DDR_cs_n),
.DDR_dm(DDR_dm),
.DDR_dq(DDR_dq),
.DDR_dqs_n(DDR_dqs_n),
.DDR_dqs_p(DDR_dqs_p),
.DDR_odt(DDR_odt),
.DDR_ras_n(DDR_ras_n),
.DDR_reset_n(DDR_reset_n),
.DDR_we_n(DDR_we_n),
.FIXED_IO_ddr_vrn(FIXED_IO_ddr_vrn),
.FIXED_IO_ddr_vrp(FIXED_IO_ddr_vrp),
.FIXED_IO_mio(FIXED_IO_mio),
.FIXED_IO_ps_clk(FIXED_IO_ps_clk),
.FIXED_IO_ps_porb(FIXED_IO_ps_porb),
.FIXED_IO_ps_srstb(FIXED_IO_ps_srstb),
.hdmi_tx_0_tmds_clk_n(hdmi_tx_0_tmds_clk_n),
.hdmi_tx_0_tmds_clk_p(hdmi_tx_0_tmds_clk_p),
.hdmi_tx_0_tmds_data_n(hdmi_tx_0_tmds_data_n),
.hdmi_tx_0_tmds_data_p(hdmi_tx_0_tmds_data_p),
.S_AXIS_S2MM_0_tdata(axis_wdata),
.S_AXIS_S2MM_0_tkeep(16'hffff),
.S_AXIS_S2MM_0_tlast(axis_last),
.S_AXIS_S2MM_0_tready(axis_wready),
.S_AXIS_S2MM_0_tvalid(axis_wvalid),
.pl_clk(pl_clk0),
.user_rstn(user_rstn),
.user_start(user_start)
);
endmodule

复制代码

以上代码中，调用了米联客uispi7606 IP CORE采集模拟数据，并且把采集好的数据写入到ui_axisbufw中，为了方便实验中观察数据，把第八个通道的AD数据改成了计数器。实际项目中可以把这个替换成第八个通道的ADC数据。

4.2设置地址分配

需要注意axi-lite接口地址，这个地址我们会在SDK 代码中使用AXI-GPIO控制传输的复位和启动。

4.3添加PIN约束

1：选中PROJECT MANAGERà Add SourcesàAdd or create constraints，添加XDC约束文件。

2：打开提供例程，复制约束文件中的管脚约束到XDC文件，或者查看原理图，自行添加管脚约束，并保存。

以下是添加配套工程路径下已经提供的pin脚文件。配套工程的pin脚约束文件在uisrc/04_pin路径

4.4编译并导出平台文件

1:单击Block文件à右键àGenerate the Output ProductsàGlobalàGenerate。

2:单击Block文件à右键à Create a HDL wrapper(生成HDL顶层文件)àLet vivado manager wrapper and auto-update(自动更新)。

3:生成Bit文件。

4:导出到硬件: FileàExport HardwareàInclude bitstream

5:导出完成后，对应工程路径的soc_hw路径下有硬件平台文件：system_wrapper.xsa的文件。根据硬件平台文件system_wrapper.xsa来创建需要Platform平台。

5搭建Vitis-sdk工程

创建soc_base sdk platform和APP工程的过程不再重复，如果不清楚请参考本章节第一个demo。

5.1创建SDK Platform工程

5.2创建daq001_dma_wave工程

6程序分析
6.1DMA数据获取原理

每当AXI-DMA发送的中断后，DMA中断函数被调用。

1:PS_RX_intr_Handler

static void DMA_RxIntrHandler(void *Callback)
{
u32 IrqStatus;
u32 Status;
XAxiDma *AxiDmaInst = (XAxiDma *)Callback;
/* Read pending interrupts */
IrqStatus = XAxiDma_IntrGetIrq(AxiDmaInst, XAXIDMA_DEVICE_TO_DMA);
/* Acknowledge pending interrupts */
XAxiDma_IntrAckIrq(AxiDmaInst, IrqStatus, XAXIDMA_DEVICE_TO_DMA);
/*
* If no interrupt is asserted, we do not do anything
*/
if (!(IrqStatus & XAXIDMA_IRQ_ALL_MASK)) {
return;
}
/*
* If error interrupt is asserted, raise error flag, reset the
* hardware to recover from the error, and return with no further
* processing.
*/
if ((IrqStatus & XAXIDMA_IRQ_ERROR_MASK)) {
xil_printf("rx error! \r\n");
return;
}
/*
* If completion interrupt is asserted, then set RxDone flag
*/
if ((IrqStatus & XAXIDMA_IRQ_IOC_MASK)) {
/*
* 这里设计了一种环形结构的缓存处理方式
*/
if(fdma_buf.circle_cnt<2)
{
fdma_buf.circle_cnt ++ ;
fdma_buf.next = fdma_buf.circle_cnt -1;
}
else
{
fdma_buf.circle_cnt = 0;
fdma_buf.next = 2;
}
Status = XAxiDma_SimpleTransfer(&AxiDma, (UINTPTR)RxBufAddr[fdma_buf.circle_cnt],DMA_DATA_SIZE, XAXIDMA_DEVICE_TO_DMA);
if (Status != XST_SUCCESS)
{
xil_printf("axi dma failed! 0 %d\r\n", Status);
}
fdma_buf.pkg_done=1; //fdma_buf.pkg_done 代表了当前DMA传输完毕
}
}

复制代码

2:fdma_buf_st结构体

typedef struct fdma_buf_st
{
u8 record[16];//用于记录被标记的内存号
u8 circle_cnt;//环形计数器
u8 next;//指向下一个需要被读取的内存号
u8 pkg_done; //代表数据已经被接收
u16 fram_cnt; //帧计数器，记录当前的帧号，用于统计
u16 pkg_cnt; //包计数器，为了均衡CPU负载，可以把一包大数据分成多个小数据操作
}fdma_buf_st;

复制代码

3:FdmaAdcWave函数

以下程序中，核心部分除了波形绘制部分，重点是数据的获取方式。当中断到来pkg_done=1，这里把1MB数据分成64份，这样每份代表8个通道的1024个数据采样点，把这个1024个数据点在内存中绘制波形。

int FdmaAdcWave(u32 WaveWidth, u8 *ScreenFrame)
{
int i,j ;
RxBufAddr[0] =RX_BUFFER0_BASE; /*设置第一帧起始地址 */
RxBufAddr[1] =RX_BUFFER1_BASE; /*设置第二帧起始地址*/
RxBufAddr[2] =RX_BUFFER2_BASE; /*设置第三帧起始地址*/
InitPen();
DrawGrids(WaveWidth, WAVE_HEIGHT,GridBuf) ;/* 调用绘制栅格函数，绘制栅格 */
while(1) {
if(fdma_buf.pkg_done == 1) //adc=16bit*8 total_data_size=16bits*8*2048*32 divide in to 64 times as each time 16bits*8*1024
{
fdma_buf.pkg_done =0;
while(fdma_buf.pkg_cnt<64) //分成64份，每次取8*2*1024大小的数据。
{
if(fdma_buf.pkg_cnt==0)
{
BufStartPtr = (u16*)(RxBufAddr[fdma_buf.record[fdma_buf.next]]);//get new buffer address
Xil_DCacheInvalidateRange((u32)BufStartPtr, PKG_SIZE);
}
else
{
BufStartPtr = BufStartPtr + PKG_SIZE/2; //指针16位指针BufStartPtr，注意地址的计算方式
Xil_DCacheInvalidateRange((u32)BufStartPtr, PKG_SIZE);
}
for(i = 0; i < 8 ; i++)//重新排列ADC的数据
{
for(j = 0 ; j < WaveWidth ; j++)
{
DBufTmp[i][j] = BufStartPtr[8*j + i] ;
}
}
memcpy(WaveBuf, GridBuf, WAVE_HSIZE*WAVE_HEIGHT*PIXEL_BYTES) ;/* 复制之前的栅格到内存*/
for(i = 0; i < 8 ; i++)/* Wave Overlay */
{
DrawLine(WaveWidth, WAVE_HEIGHT, (void *)DBufTmp[i], WaveBuf, i); /* 在栅格背景上绘制波形*/
}
/* 内存中的波形复制VDMA显存 */
ImgCopy(WaveWidth, WAVE_HEIGHT, WAVE_STRIDE, WAVE_OFFSET_X, WAVE_OFFSET_Y, ScreenFrame, WaveBuf) ;
fdma_buf.pkg_cnt++;
}
fdma_buf.pkg_cnt = 0;
fdma_buf.fram_cnt++;
//usleep(100) ;/* sleep 100ms */
} }
}

复制代码

6.2波形绘制原理
1:栅格绘制函数

void DrawGrids(u32 ImgWidth, u32 ImgHeight, u8 *ImgBufPtr)
{
PEN pen;
u32 pixel_x, pixel_y;
for(pixel_y = 0; pixel_y < ImgHeight; pixel_y++)
{
for(pixel_x = 0; pixel_x < ImgWidth; pixel_x++)
{
if (((pixel_y == 0 || (pixel_y+1)%64 == 0) && (pixel_x == 0 || (pixel_x+1)%8 == 0)) || ((pixel_x == 0 || (pixel_x+1)%64 == 0) && (pixel_y+1)%8 == 0))
{
/* gray point */
pen.Red = 150;
pen.Green = 150;
pen.Blue = 150;
}
else
{
/* Black point*/
pen.Red = 0;
pen.Green = 0;
pen.Blue = 0;
}
DrawPoint(ImgBufPtr, pixel_x, pixel_y, ImgWidth,pen);
}
}
}

复制代码

((pixel_y == 0 || (pixel_y+1)%64 == 0) && (pixel_x == 0 || (pixel_x+1)%8 == 0))，Y方向每间隔64个像素点，绘制水平线，水平虚线间距8个像素点。
(pixel_x+1)%8 == 0)) || ((pixel_x == 0 || (pixel_x+1)%64 == 0) && (pixel_y+1)%8 == 0)，X方向每间隔64个像素点，绘制垂直虚线，垂直虚线间距8个像素点。
2:描点函数

void DrawPoint(u8 *ImgBufPtr, u32 pixel_x, u32 pixel_y, u32 ImgWidth, PEN pen)
{
ImgBufPtr[(pixel_x + pixel_y*ImgWidth)*PIXEL_BYTES + 0] = pen.Red;
ImgBufPtr[(pixel_x + pixel_y*ImgWidth)*PIXEL_BYTES + 1] = pen.Green;
ImgBufPtr[(pixel_x + pixel_y*ImgWidth)*PIXEL_BYTES + 2] = pen.Blue;
ImgBufPtr[(pixel_x + pixel_y*ImgWidth)*PIXEL_BYTES + 3] = 0xff;
}

复制代码

3:绘制波形函数

void DrawLine(u32 ImgWidth, u32 ImgHeight, void *BufPtr, u8 *ImgBufPtr,u8 color)
{
u8 last_y ,curr_y ;
u32 i,j ;
short *PointBufPtr ;//adc one point need 16bit
//For 16bit signed AD, the range is -32,768~+32,767
float tmp = 1.00/256 ;//tmp value use to Divide ad by 256
PointBufPtr = (short *)BufPtr ;
/*
* For signed AD, in order to display the waveform normally,
* just re-adjust the center position to make all the data become positive.
* For example, if it is an 8-bits signed number, then mid_offset=64 for a 16-bits signed number mid_offset=128
* */
u8 ymid_offset = 128;//ad7606 is 16-bits signed value
for(i = 0; i < ImgWidth ; i++)
{
if (i == 0)
{
last_y = (u8)((u16)(PointBufPtr[i])*tmp + ymid_offset) ;
curr_y = (u8)((u16)(PointBufPtr[i])*tmp + ymid_offset) ;
}
else
{
last_y = (u8)((u16)(PointBufPtr[i-1])*tmp + ymid_offset) ;
curr_y = (u8)((u16)(PointBufPtr[i] )*tmp + ymid_offset) ;
}
if (curr_y >= last_y)
{
for (j = 0 ; j < (curr_y - last_y + 1) ; j++)
DrawPoint(ImgBufPtr, i, (ImgHeight - 1 - curr_y) + j, ImgWidth, pen[color]) ;
}
else
{
for (j = 0 ; j < (last_y - curr_y + 1) ; j++)
DrawPoint(ImgBufPtr, i, (ImgHeight - 1 - last_y) + j, ImgWidth, pen[color]) ;
}
}
}

复制代码

4:复制波形到显存

void ImgCopy(u32 ImgWidth, u32 ImgHeight, u32 ImgStride, int OffSetX, int OffSetY, u8 *ImgFrame, u8 *ImgBufPtr)
{
int i ;
u32 ImgSrcOffset;
u32 FramDestOffset ;
u32 CopyLineLen = ImgWidth*PIXEL_BYTES ;
for(i = 0 ; i < ImgHeight; i++)
{
ImgSrcOffset = i*ImgWidth*PIXEL_BYTES ;
FramDestOffset = (OffSetY+i)*ImgStride + OffSetX*PIXEL_BYTES ;
memcpy(ImgFrame+FramDestOffset, ImgBufPtr+ImgSrcOffset, CopyLineLen) ;
}
Xil_DCacheFlushRange((INTPTR) ImgFrame+OffSetY*ImgStride, ImgHeight*ImgStride) ;
}

复制代码

以上函数负责把绘制好再内存中的波形数据复制到VDMA的视频缓存中，其中OffSetX 和OffSetY参数用于控制绘制波形在屏幕中的位置。

7方案演示
7.1硬件准备

7.2实验结果

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