[米联客-XILINX-H3_CZ08_7100] FPGA_SDK高级篇连载-16DAQ7606波形显示方案(FDMA)

本帖最后由 FPGA课程于 2024-10-9 17:15 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

DAQ7606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DAQ7606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uifdmadbuf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uifdmadbuf写入到uifdma ip

3:ps实现fdma中断到来，读取DDR缓存中的数据

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(DAQ7606是8通道16bit 所以是128bit位宽)，用户写入的数据经过uifdma_dbuf后进入fdma，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，波形先绘制到内中，VDMA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:uifdma_dbuf设置

由于输入数据是数据流形式，所以不需要使用视频传输功能，这里也只使用到了写通道，所以读通道也不需要使能。

由于采用DAQ7606的速度相对比较忙，设置3帧缓存就够用。WBaseaddr缓存的基地址只要设置合适的值即可，这里设置0x08000000 = 128MB，这样保留了低128MB给应用程序使用。

WDsizebits设置每个缓存的大小，2^20次方=1MBYTE。

所以下面的参数XSize*YSize*W_Datawidth/8=1MB.其中已知AXI_DATA_WIDTH=128，所以只要正确设置XSize和YSize。通常来说设置越大的XSize传输效率也高，但是需要消耗的资源也会更多。我们这里设置XSize=2048，Ysize设置32代表。2048*32*128/8=1MB

2:uiFDMA设置

Fdma的数据位宽可以设置128这样效率最高。

3:AXI Interconnect设置

设置FIFO可以增加数据的吞吐能力

4: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：

/*******************************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
*********************************************************************/
`timescale 1 ps / 1 ps
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_CLK_N,
output wire HDMI_TX_CLK_P,
output wire [2:0]HDMI_TX_N,
output wire [2:0]HDMI_TX_P,
//******************************
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 pl_clk;
wire user_rstn;
wire user_start;
wire [127:0]ud_wdata_0;
wire ud_wde_0;
wire ud_wclk_0;
reg [15:0]test_data;
always@(posedge pl_clk)begin
if(user_rstn == 1'b0)begin
test_data <= 12'd0;
end
else if(ud_wde_0) begin
test_data <= test_data + 1'b1;
end
end
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;
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];
assign ud_wdata_0 = {test_data,ad_ch6,ad_ch5,ad_ch4,ad_ch3,ad_ch2,ad_ch1,ad_ch0};
assign ud_wde_0 = user_start & ad7606_cap_en;
assign ud_wclk_0 = pl_clk;
uispi7606#(
.SPI_DIV(10'd5),
.T5US_DIV(10'd499)
)
uispi7606_inst
(
.ad_clk_i(pl_clk),
.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 ila0_dg
(
.clk(pl_clk),
.probe0({test_data[15:0],ad_ch0,ud_wde_0,user_start,user_rstn})
);
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_CLK_N(HDMI_TX_CLK_N),
.HDMI_TX_CLK_P(HDMI_TX_CLK_P),
.HDMI_TX_N(HDMI_TX_N),
.HDMI_TX_P(HDMI_TX_P),
.pl_clk(pl_clk),
.ud_wclk_0(ud_wclk_0),
.ud_wdata_0(ud_wdata_0),
.ud_wde_0(ud_wde_0),
.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uifdmadbuf中，为了方便实验中观察数据，把第8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uifdma_dbuf的axi-lite接口地址，这个地址我们会在SDK 代码中用到读寄存器。

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_fdma_wave工程

6程序分析
6.1FDMA数据获取原理

每当uifdmadbuf发送的中断后，该函数被调用，通过读取uifdmadbuf axi-lite的寄存器，获取当前哪一个缓存产生了中断(代表数据发送到PS DDR了)。

为了增加数据的吞吐能力，在中断中，不宜进行数据搬运，我们设计了要给结构体，可以用于标记已经写入DDR的数据。

1:PS_RX_intr_Handler

void PS_RX_intr_Handler(void *param)
{
fdma_buf.record[fdma_buf.circle_cnt]= Xil_In32((UINTPTR)FDMA_DBUF_BASE_ADDR); //读取uifdmabuf控制寄存器中标记的内存号
if(fdma_buf.circle_cnt<2) //3帧缓存环形FIFO
{
fdma_buf.circle_cnt ++ ;
fdma_buf.next = fdma_buf.circle_cnt -1; //读DDR缓存地址延迟当前1帧
}
else
{
fdma_buf.circle_cnt = 0;
fdma_buf.next = 2; //读DDR缓存地址延迟当前1帧
}
fdma_buf.pkg_done=1; //中断产生，缓存中有数据可以获取
}

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 */
} }
}

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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);
}
}
}

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((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;
}

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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

7方案演示
7.1硬件准备

7.2实验结果

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