FPGA片內(nèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張宏亮+周鵬

摘 要：文中設(shè)計(jì)了Xilinx FPGA kintex7系列芯片中的XADC控制模塊，實(shí)現(xiàn)了在FPGA工作過(guò)程中對(duì)其內(nèi)部溫度、內(nèi)核電壓和片上供電電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)讀取了其內(nèi)部的平均溫度、平均內(nèi)核電壓、平均輔助電壓、最大溫度、最大內(nèi)核電壓、最大輔助電壓、最小溫度、最小內(nèi)核電壓、最小輔助電壓數(shù)值。當(dāng)FPGA內(nèi)部的溫度、內(nèi)核電壓、輔助電壓偏離所設(shè)定的范圍時(shí)，XADC就會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的報(bào)警輸出。報(bào)警信號(hào)被FPGA中的I/O引腳輸出到總線，通過(guò)CPCI接口傳送到主機(jī)，從而對(duì)FPGA芯片的健康狀況進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)采取相應(yīng)措施確保系統(tǒng)穩(wěn)定、安全的工作。該設(shè)計(jì)方案已經(jīng)成功應(yīng)用到工程中，經(jīng)過(guò)仿真、驗(yàn)證、調(diào)試，此系統(tǒng)能夠在設(shè)備中穩(wěn)定工作，因此具有一定的工程指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：可編程邏輯門陣列；XADC；系統(tǒng)監(jiān)測(cè)；仿真

中圖分類號(hào)：TN311；TP20 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）02-00-04

0 引 言

熱設(shè)計(jì)[1]是采用適當(dāng)可靠的方法控制產(chǎn)品內(nèi)部所有電子元器件的溫度，使其在所處的工作環(huán)境條件下不超過(guò)穩(wěn)定運(yùn)行要求的最高溫度，以保證產(chǎn)品正常運(yùn)行的安全性和長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性。由于熱設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和高要求，目前許多客戶不具備條件或者做不出準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)。因此當(dāng)芯片在沒(méi)有經(jīng)過(guò)熱設(shè)計(jì)分析的板子上工作時(shí)，極有可能超出所能承受的最大工作范圍。Xilinx公司的7系列FPGA所有產(chǎn)品都含有XADC，巧妙設(shè)計(jì)XADC可以解決熱設(shè)計(jì)不當(dāng)帶來(lái)的問(wèn)題。賽靈思模數(shù)轉(zhuǎn)換器（XADC）是一種精確混合測(cè)量系統(tǒng)。該模塊主要包括雙12位1 MSPS模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換（ADC），高達(dá)17個(gè)靈活的用戶可配置邏輯輸入，可選片內(nèi)或者片外參考電壓，片內(nèi)溫度和電壓傳感器。在沒(méi)有熱設(shè)計(jì)的板子上，由于溫度導(dǎo)致芯片工作異常的可能性很高，如果芯片工作異常，XADC的片內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)功能將派上用場(chǎng)，可以快速確定Xilinx芯片的工作溫度是否正常。本文通過(guò)設(shè)計(jì)XADC的控制方式來(lái)準(zhǔn)確輸出芯片內(nèi)部的各種參數(shù)。首先用Matlab模擬一組外界溫度、電壓等參數(shù)，再用ISIM仿真出結(jié)果，與預(yù)期效果一致，然后將主程序下載到芯片中，芯片在250 M時(shí)鐘下高速工作，從上位機(jī)中可以觀察到準(zhǔn)確的結(jié)果。通過(guò)另一種方式，使溫度、電壓等參數(shù)通過(guò)JTAG鏈傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，發(fā)現(xiàn)通過(guò)兩種方式獲取的結(jié)果一致。讓FPGA工作在一個(gè)良好的狀態(tài)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)FPGA內(nèi)部環(huán)境的變化，對(duì)于利用FPGA實(shí)現(xiàn)的設(shè)備具有重要價(jià)值。此舉可以防止芯片損壞，延長(zhǎng)芯片壽命，保證系統(tǒng)的完整性[2] 并節(jié)約成本。

1 XADC的工作原理

1.1 XADC的結(jié)構(gòu)組成

7系列FPGA 中XADC模塊包含兩個(gè)采樣率為1 MSPS，輸出為12位的雙端口ADC芯片和片上傳感器。這兩個(gè)ADC為各種應(yīng)用開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供了通用的和高精度的模擬接口。XADC的結(jié)構(gòu)原理圖[3]如圖1所示。

該結(jié)構(gòu)主要由溫度傳感器、電壓傳感器、多路選擇器、ADC、控制寄存器、狀態(tài)寄存器、可重配置動(dòng)態(tài)端口（DRP）組成。

1.2 溫度傳感器

溫度傳感器的傳輸函數(shù)如圖2（a）所示。圖中溫度傳感器工作在單極性模式下，ADC的量程編碼范圍為000h～FFFh，輸入的電壓范圍為0～1 V。電壓的LSB為1V/212=224 μV，對(duì)應(yīng)的溫度LSB約為0.123°C。

1.3 電壓傳感器

7系列FPGA芯片中XADC內(nèi)部的電壓傳感器可以采集FPGA的VCCINT，VCCAUX，VCCBRAM。電壓傳感器的傳輸函數(shù)[5]可參考公式（3），理想狀態(tài)下其傳輸函數(shù)如圖2（b）所示。ADC的量程編碼范圍為000h～FFFh，對(duì)應(yīng)的輸入電壓值范圍為0～3 V，在實(shí)際應(yīng)用中，這個(gè)范圍超出了供電電壓的范圍，但FPGA可以提供映射到這個(gè)范圍內(nèi)的測(cè)量方法。因此內(nèi)核電壓值為1 V時(shí)，其對(duì)應(yīng)的輸出編碼值為1/3×4 096=1 635=555 h，電壓的LSB為0.732 mV。

2 XADC的配置方法

XADC通過(guò)DRP與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，外界可通過(guò)兩種模式[6]訪問(wèn)DRP，即FPGA邏輯端口和JTAG TAP，本設(shè)計(jì)方案中采用FPGA端口模式配置XADC。XADC中包含一個(gè)64×16 b的只讀狀態(tài)寄存器和一個(gè)64×16 b的讀寫控制寄存器。DRP允許用戶通過(guò)地址線DADDR[6：0]（00h～7Fh）來(lái)訪問(wèn)這128個(gè)寄存器。其中，前64個(gè)地址即00h～3Fh用于訪問(wèn)狀態(tài)寄存器，后64個(gè)地址即40h～7Fh用于訪問(wèn)控制寄存器。

狀態(tài)寄存器存儲(chǔ)了傳感器和外部模擬通道經(jīng)過(guò)ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，所有的傳感器和外部通道輸入的數(shù)據(jù)都有一個(gè)唯一的通道地址，每一個(gè)通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果被存儲(chǔ)在固定位置，和DRP共用相同的地址。由于狀態(tài)寄存器存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為16 b，而ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)為12 b，因此傳感器的轉(zhuǎn)換結(jié)果被XADC修正為16位后存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)的地址中，其中ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果被存儲(chǔ)在高12位，低4位為修正后的數(shù)據(jù)。XADC有一個(gè)內(nèi)置的修正功能，通過(guò)例化相應(yīng)的轉(zhuǎn)換通道如08h，09h，30h，31h，可自動(dòng)計(jì)算這些修正系數(shù)。在默認(rèn)模式下，XADC能自動(dòng)運(yùn)行此功能，在其他模式下需要通過(guò)配置寄存器41h開(kāi)啟。

控制寄存器可以用于配置XADC的工作模式，其所有功能均由這些寄存器控制。控制寄存器可以根據(jù)XADC的屬性例化，即XADC可以在一個(gè)預(yù)定義的模式下啟動(dòng)。本設(shè)計(jì)中主要配置地址為40h，41h，42h的控制寄存器，分別為R0，R1，R2。當(dāng)XADC工作時(shí)，這些寄存器可以通過(guò)軟處理器或狀態(tài)機(jī)修改其中的參數(shù)，從而隨時(shí)改變XADC的工作模式。圖3所示為配置寄存器R0，R1，R2的位域。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 XADC的I/O端口說(shuō)明

本方案中的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要通過(guò)控制XADC模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的功能[7]。XADC模塊的原理框圖如4所示。DI[15：0]表示DRP輸入數(shù)據(jù)，DO[15：0]表示DRP輸出數(shù)據(jù)，DADDR[6：0]表示DRP輸入數(shù)據(jù)地址，DEN表示DRP輸入使能信號(hào)，DWE表示DRP輸入寫使能信號(hào)，DCLK表示DRP輸入數(shù)據(jù)時(shí)鐘，DRDY表示DRP輸出數(shù)據(jù)準(zhǔn)備信號(hào)，RESET表示XADC異步復(fù)位信號(hào)，RESET將被同步拉高到DCLK或者內(nèi)部配置的時(shí)鐘（當(dāng)DCLK停止時(shí)），CONVST表示ADC轉(zhuǎn)換開(kāi)始，此信號(hào)僅用在突發(fā)采樣模式，CONVSTCLK表示ADC轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，配合CONVST信號(hào)工作。VP、VN表示專用的模擬輸入差分信號(hào)，在設(shè)計(jì)中不用這對(duì)信號(hào)時(shí)應(yīng)將引腳接地。VAUXP[15：0]、VAUXN[15：0]表示16對(duì)模擬輸入差分信號(hào)，可以通過(guò)JTAG端口進(jìn)行預(yù)配置，ALM[0]～ALM[3]分別表示溫度報(bào)警信號(hào)輸出，內(nèi)核電壓報(bào)警信號(hào)輸出，輔助電壓報(bào)警信號(hào)輸出，塊存儲(chǔ)器電壓報(bào)警信號(hào)輸出。ALM[4]～ALM[6]表示其他電壓報(bào)警信號(hào)輸出，僅支持Zynq-7000 AP SoC系列器件，ALM[7]表示前六個(gè)報(bào)警信號(hào)的“或”，OT表示超高溫報(bào)警信號(hào)輸出，MUXADDR[4：0]表示將要被轉(zhuǎn)換的序列的下一通道地址，工作在外部多路輸入模式下，CHANNEL[4：0]表示當(dāng)ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束后當(dāng)前轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出的通道，EOC表示ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束，高電平有效；EOS表示在自動(dòng)通道序列模式下，來(lái)自最后一個(gè)通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果被寫入狀態(tài)寄存器，高電平有效；BUSY表示ADC處于轉(zhuǎn)換狀態(tài)，高電平有效；JTAGLOCED表示DRP工作在JTAG模式，此時(shí)為高電平，JTAGMODIFIED表示JTAG向DRP寫數(shù)據(jù)，此時(shí)為高電平，JTAGBUSY表示JTAG與DRP正在發(fā)生數(shù)據(jù)交換，此時(shí)為高電平。

3.2 系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)

本方案包括對(duì)XADC的例化和狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)[8]，狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)的目的是產(chǎn)生XADC工作的狀態(tài)時(shí)序，是設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的部分，針對(duì)本設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)完成的功能產(chǎn)生相應(yīng)的DEN_IN和DADDR_IN信號(hào)。針對(duì)本設(shè)計(jì)，狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生的地址信號(hào)分別為00h、01h、02h、20h、21h、22h、24h、25h、26h，分別表示對(duì)狀態(tài)寄存器中平均溫度、平均內(nèi)核電壓、平均輔助電壓、最大溫度、最大內(nèi)核電壓、最大輔助電壓、最小溫度、最小內(nèi)核電壓、最小輔助電壓數(shù)值的訪問(wèn)，并且在適當(dāng)時(shí)機(jī)使DRP端口的信號(hào)有效，即DEN_IN=1。

狀態(tài)機(jī)的實(shí)現(xiàn)方案如圖5所示。首先狀態(tài)機(jī)等待觸發(fā)信號(hào)EOS_OUT，當(dāng)觸發(fā)信號(hào)EOS_OUT的上升沿到來(lái)時(shí)，DRP通過(guò)DADDR_IN向XADC寫入平均溫度的地址00h，同時(shí)DEN_IN保持一個(gè)時(shí)鐘的高電平，然后狀態(tài)轉(zhuǎn)移到讀取平均溫度的值，如果DRDY_OUT為高電平，則狀態(tài)轉(zhuǎn)移到下一狀態(tài)寫最大溫度的地址，否則狀態(tài)保持為讀平均溫度的值；當(dāng)狀態(tài)機(jī)進(jìn)入寫最大溫度的地址時(shí)，DRP寫入地址20h，同時(shí)DEN_IN保持高電平，然后狀態(tài)轉(zhuǎn)移到下一狀態(tài)讀最大溫度的值，如果DRDY_OUT為高電平，則狀態(tài)轉(zhuǎn)移到下一狀態(tài)寫最小溫度的地址，否則保持當(dāng)前狀態(tài)，狀態(tài)機(jī)依照此規(guī)律依次進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移，將需要的數(shù)據(jù)依次讀取出來(lái)，待讀完最小輔助電壓這一數(shù)據(jù)后，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入等待狀態(tài)，直到下一個(gè)觸發(fā)信號(hào)EOS_OUT上升沿的到來(lái)才啟動(dòng)下一次循環(huán)。XADC狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖5所示。

3.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

編寫完代碼，經(jīng)ISE14.7綜合后，系統(tǒng)的RTL圖如圖6所示。可以通過(guò)Xilinx公司的ISIM軟件[9]進(jìn)行功能仿真，仿真的目的在于對(duì)狀態(tài)的時(shí)序進(jìn)行驗(yàn)證，確保功能正確。仿真結(jié)果如圖7所示。在仿真過(guò)程中模擬了FPGA內(nèi)部的溫度、電壓值，圖中數(shù)據(jù)均為無(wú)符號(hào)數(shù)，比如地址33對(duì)應(yīng)21h，存儲(chǔ)的相應(yīng)數(shù)據(jù)為最大溫度49 173，轉(zhuǎn)化為實(shí)際溫度為105℃=（49 173×503.975）/65 536 – 273.15（℃）（為修正值），此時(shí)的溫度已超過(guò)了預(yù)定的溫度值85℃，因此輸出的USER_TEMP_ALARM_OUT為高電平，總告警信號(hào) ALARM_OUT也為高電平。

4 結(jié) 語(yǔ)

將綜合、布局布線后生成的配置文件下載到FPGA中，運(yùn)行設(shè)備，用ChipScope進(jìn)行在線測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行后即可觀察到FPGA內(nèi)部的溫度、電壓值等，關(guān)閉設(shè)備的散熱風(fēng)扇，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行了大約2個(gè)小時(shí)后，系統(tǒng)發(fā)出告警信號(hào)，同時(shí)在主機(jī)上可以觀察到相應(yīng)的信號(hào)。其中通過(guò)FPGA端口和JTAG兩種方式讀取的2組溫度電壓參數(shù)如表1所列。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試，此系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作，同時(shí)找出整個(gè)設(shè)備在工作過(guò)程中存在的問(wèn)題，使工程順利完工，達(dá)到工程中所要求的性能和指標(biāo)。

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