【正点原子FPGA连载】第十一章PL SYSMON测量输入模拟电压 摘自【正点原子】DFZU2EG_4EV MPSoC之嵌入式Vitis开发指南

1）实验平台：正点原子MPSoC开发板
2）平台购买地址：https://detail.tmall.com/item.htm?id=692450874670
3）全套实验源码+手册+视频下载地址： http://www.openedv.com/thread-340252-1-1.html

第十一章PL SYSMON测量输入模拟电压

在“PS SYSMON测量温度电压实验”中，我们通过PS端SYSMON成功实现了读取芯片内部的温度和电压等信息。但除此之外，还可以通过PL SYSMON测量外部电压，本章将通过PL SYSMON测量外部输入模拟电压。
本章包括以下几个部分：
1111.1简介
11.2实验任务
11.3硬件设计
11.4软件设计
11.5下载验证

11.1简介
PL SYSMON能监控PL的核心温度和多个内部PL或PS电压节点。PL SYSMON也可以监控多达17路外部模拟通道。PL SYSMON使用VCCAUX和VCCADC作为供电电压，当从PS访问PL SYSMON时，需要额外的VCCINT供电。PS端可以通过寄存器组配置PL SYSMON。PL SYSMON的控制和配置寄存器也可以通过PL域内的JTAG、IIC和DRP接口访问。PL SYSMON模块框图如下图所示：

图11.1.1　PL SYSMON模块框图
PL SYSMON单元能够监控PL内的电压节点，包括多个标准供电电源和四个用户自定义电压节点VUser{0:3}。PL SYSMON也能够测量16组辅助模拟输入和一组专用模拟输入VP_VN。这些外部输入通道测量电压范围为单端无符号0_{1V或双端(差分)有符号-0.5V}+0.5V。PL SYSMON也能测量少部分PS内的电压节点。此外，PL SYSMON内还包含一个温度传感器。
11.2实验任务
本章的实验任务是使用PL SYSMON通过专用模拟输入VP_VN通道，读取外部模拟电压信号的信息，并通过串口打印出来。
11.3硬件设计
根据实验任务我们可以画出本次实验的系统框图，如下图所示：

图11.3.1 系统框图
测量输入模拟电压信息主要是要在开发板XADC接口上插入一个ATK-XADC模块。因为PL SYSMON测量单端输入电压的范围是0V_{1V，所以需要一个可以产生0V}1V电压的模块，即ATK-XADC模块，该模块实物外观如下图所示：

图11.3.2 ATK-XADC模块
ATK-XADC模块的原理图如下图所示：

图11.3.3 ATK-XADC模块的原理图
ATK-XADC模块的分压工作原理是通过外部旋转ATK-XADC模块的旋钮，改变上图中电阻RP1接入电路中电阻阻值的大小，来调节外部输入电压的大小。当电阻RP1全部接入电路，此时电阻RP1上分得的电压最大为 ，约为1V，即外部输入电压最大值约为1V。当调节按钮，电阻RP1全部都没有接入电路时，此时电阻RP1的分压为0V，即外部输入电压为0V。
XADC接口原理图如下图所示：

图11.3.4 XADC接口原理图
如上图所示，XADC接口模块有四个管脚，其中引脚XADC_VP与XADC_VN是FPGA的两个专用管脚，设计时不需要对其进行管脚约束。
11.4软件设计
在VITIS软件中新建一个空的应用工程，应用工程名为“pl_sysmon_vpvn”。然后为应用工程新建一个源文件“main.c”，我们在新建的main.c文件中输入本次实验的代码：

1  #include "xsysmonpsu.h"
2  #include "xparameters.h"
3  #include "xstatus.h"
4  #include "stdio.h"
5  #include "sleep.h"
6  
7  #define SYSMON_DEVICE_ID     XPAR_XSYSMONPSU_0_DEVICE_ID
8  
9  #define printf xil_printf
10 
11 int PL_SYSMON_VPVN(u16 SysMonDeviceId);         //PL_SYSMON_VPVN函数声明
12 static int FractionToInt(float FloatNum);       //FractionToInt函数声明
13 
14 static XSysMonPsu SysMonInst;
15 
16 int main(void)
17 {
18  xil_printf("Run PL_Sysmon Polled Test\r\n");
19 
20  PL_SYSMON_VPVN(SYSMON_DEVICE_ID);
21 
22  return XST_SUCCESS;
23 }
24 
25 int PL_SYSMON_VPVN(u16 SysMonDeviceId)
26 {
27  XSysMonPsu_Config *ConfigPtr;
28     u32 VpvnIntRawData;                        //Vpvn电压 原始数据
29     float VpvnIntData;                         //Vpvn电压
30 
31  XSysMonPsu *SysMonInstPtr = &SysMonInst;
32 
33  //根据器件ID查找配置信息
34  ConfigPtr = XSysMonPsu_LookupConfig(SysMonDeviceId);
35 
36  //对SYSMON进行初始化
37  XSysMonPsu_CfgInitialize(SysMonInstPtr, ConfigPtr,
38              ConfigPtr->BaseAddress);
39 
40  //设置为安全模式
41  XSysMonPsu_SetSequencerMode(SysMonInstPtr,
42                              XSM_SEQ_MODE_SAFE, XSYSMON_PL);
43 
44  //设置模拟输入为单端输入
45  XSysMonPsu_SetSeqInputMode(SysMonInstPtr,0x0U, XSYSMON_PL);
46 
47  //使能VPVN通道测量
48  XSysMonPsu_SetSeqChEnables(SysMonInstPtr,
49                  XSYSMONPSU_SEQ_CH0_VP_VN_MASK, XSYSMON_PL);
50 
51  //设置为循环模式
52  XSysMonPsu_SetSequencerMode(SysMonInstPtr,
53                        XSM_SEQ_MODE_CONTINPASS, XSYSMON_PL);
54 
55  while(1)
56  {
57  //PL_SYSMON读VPVN通道测量数据
58  VpvnIntRawData = XSysMonPsu_GetAdcData(SysMonInstPtr,
59                                     XSM_CH_VPVN, XSYSMON_PL);
60 
61  //将VPVN原始数据转换成电压
62  VpvnIntData = XSysMonPsu_VpVnRawToVoltage(VpvnIntRawData);
63  printf("The Raw Vpvn is %lu,The Vpvn is %0d.%03d Volts. \r\n\r\n",
64      VpvnIntRawData, (int)(VpvnIntData), FractionToInt(VpvnIntData));
65 
66  //延时2秒
67  sleep(2);
68  }
69 
70  return XST_SUCCESS;
71 }
72 
73 //将浮点型数据的小数部分转换成整数
74 int FractionToInt(float FloatNum)
75 {
76  float Temp;
77 
78  Temp = FloatNum;
79  if (FloatNum < 0) {
80      Temp = -(FloatNum);
81  }
82 
83  return( ((int)((Temp -(float)((int)Temp)) * (1000.0f))));
84 }

在主函数中，先输出本次实验的打印信息，然后调用PL_SYSMON_VPVN()函数，如程序中第18行至第20行所示。PL_SYSMON_VPVN()函数主要完成PL SYSMON初始化和使用VP_VN通道前的配置，最后读取输入模拟电压的数据。
在程序的第41行至第42行，调用XSysMonPsu_SetSequencerMode()函数将PL SYSMON的操作模式设置为默认模式（安全模式）。在该模式下，SYSMON会自动监测外部模拟电压的输入数据，并将平均测量值保存在寄存器中，此时SYSMON的操作与其他任何控制寄存器的设置无关。在配置寄存器之前，都要将SYSMON操作模式设置成安全模式。
程序第45行中，设置模拟输入为单端输入，即输入电压范围为0~1V，详细介绍可参考ug580和ug1087中SEQ_INPUT_MODE0部分。接下来打开VPVN通道，如第48行和第49行所示。最后设置操作模式为循环模式。
在PL SYSMON配置完成后，我们通过一个while语句循环读取PL SYSMON采集到的外部模拟电压的输入数据。首先通过XSysMonPsu_GetAdcData()函数获取采集到的模拟输入电压数据。接下来我们通过XSysMonPsu_VpVnRawToVoltage()函数，将读出的外部输入模拟数据转换成以伏为单位的电压值。程序的最后我们将转换之后的数据打印出来，然后延迟2秒再次读取。
11.5下载验证
首先我们将下载器与开发板上的JTAG接口连接，下载器另外一端与电脑连接。然后使用USB连接线将USB_UART(开发板PS PORT)接口与电脑连接，用于串口通信。最后连接开发板的电源，给开发板上电。

图 11.5.1 下载验证
打开Vitis Terminal终端，设置并连接串口。然后下载本次实验的程序，下载完成后，在下方的VITIS Terminal中可以看到应用程序每隔2秒打印一次外部输入模拟电压信息，通过旋转上图ATK-XADC模块的按钮，可以改变输入模拟电压数据，如下图所示：

图 11.5.2 串口终端中打印的信息
从上图中可以看到，串口终端能够正确打印电压信息，说明本次实验在MPSOC开发板上面下载验证成功。