从零开始玩转FPGA片上ADC：XADC IP核实战入门指南
你有没有遇到过这样的场景？
项目里需要监测FPGA板子的温度，或者读取一个传感器电压，结果一查发现没有外接ADC芯片——怎么办？难道非得改PCB、加器件、等打样？
其实，你的FPGA早就自带了一个“隐藏武器”：XADC模块。只要学会使用配套的XADC IP核，就能在不增加任何硬件成本的前提下，轻松实现模拟信号采集。
本文专为FPGA初学者打造，带你一步步揭开Xilinx XADC的神秘面纱，手把手完成基础功能配置与代码调试，真正把“片上ADC”用起来。
为什么说XADC是每个FPGA工程师都该掌握的技能？
别看FPGA主要是处理数字逻辑的高手，但在真实世界中，我们面对的往往是连续变化的模拟量：温度、电压、压力、声音……这些都需要模数转换（ADC）才能被系统理解。
传统做法是外挂一颗独立ADC芯片，但这带来了几个问题：
- 占用PCB空间
- 增加BOM成本和设计复杂度
- 易受噪声干扰
- 调试繁琐
而Xilinx从7系列FPGA开始，就在芯片内部集成了一个叫XADC（Xilinx Analog-to-Digital Converter）的硬核模块。它不是软IP，也不是用户逻辑搭建的SAR结构，而是实实在在的模拟电路块，出厂即固化在硅片中。
更关键的是，Xilinx还提供了一个标准封装的XADC IP核，让你可以通过图形化界面快速调用这个资源，无需手动操作底层寄存器。这对新手来说简直是“开箱即用”的福音。
✅ 一句话总结：不用买芯片、不用改板子、不用写状态机，点几下鼠标+几行C代码，就能实时监控温度和电压！
XADC到底能干什么？先看三个核心能力
1. 内部健康自检 —— 温度 & 电源监测
XADC天生连接着FPGA内部多个关键节点：
- 片内温度传感器（±5°C精度，校准后可达±1°C）
- 核心电压 VCCINT
- 辅助电压 VCCAUX
- BRAM供电 VCCBRAM
这意味着你可以随时知道：“我的FPGA现在多热？”、“电压是否稳定？”甚至可以在过温时自动触发保护机制。
2. 外部信号采集 —— 最多两个通道可用
除了内部监测，XADC还支持最多两个外部模拟输入引脚（VAUXPn / VAUXNn），可用于接入：
- 热敏电阻
- 光敏元件
- 工业4-20mA变送器（需调理）
- 音频前置放大输出
输入范围为0~1V单端或差分，采样率最高达1 MSPS，12位分辨率，完全满足一般传感需求。
3. 智能告警 + 中断响应
你可以设置阈值：
- 当温度超过80°C时拉高ALM引脚
- 当VCCINT低于0.95V时报错
- 利用EOS中断通知CPU“一轮扫描已完成”
这种“主动上报”的机制，非常适合嵌入式系统的安全监控设计。
如何配置XADC IP核？Vivado全流程详解
下面我们以Zynq-7000平台为例，在Vivado中完成XADC IP核的添加与集成。
Step 1：创建Block Design并添加IP核
- 打开Vivado → 新建Project → 创建Block Design
- 点击
+添加IP → 搜索 “XADC” - 选择
Xilinx XADC并加入设计
⚠️ 注意：不是所有FPGA都有XADC！常见支持型号包括 Artix-7、Kintex-7、Zynq-7000、部分Spartan系列等。
Step 2：关键参数设置（这才是重点！）
双击打开XADC IP核进行配置，以下几个选项直接影响功能表现：
🔧 Mode Selection
- Single Channel：只采集一个通道（适合专注某一路信号）
- Dual Mode：交替采集两路（如温度+外部电压）
- Continuous Pass Sequencer：按序列循环扫描所有使能通道（推荐用于综合监控）
👉 推荐选择Continuous Pass Sequencer，可以同时轮询内部温度和外部模拟输入。
🔧 ADCCLK Source
建议选择Internal Clock，由FPGA主时钟自动分频生成ADC工作时钟。例如输入100MHz系统时钟，通过预分频得到500kHz采样时钟。
📌 提示：最大采样率1MSPS仅在关闭DRP且固定配置下可达；若开启动态重配，速率会下降。
🔧 Channel Sequencing
点击“Custom Sequence”，勾选你需要采集的通道：
- [x] Temperature
- [x] VCCINT
- [x] VAUX0（对应管脚上的外部信号）
顺序决定了轮询周期中的采集次序。
🔧 Alarms Settings
勾选以下常用告警：
- Over-Temperature Alarm（超温报警）
- Under/Over Voltage for VCCINT/VCCAUX
报警信号可通过IRQ连接到处理器，实现异常中断处理。
🔧 Interface Type
务必选择AXI4-Lite Slave接口，这样才能被PS端的ARM Cortex-A9通过内存映射访问。
Step 3：连接系统总线
将XADC IP核拖入框图后：
1. 右键点击 → Run Connection Automation
2. 自动连接 AXI 接口、时钟（clk）、复位（resetn）
3. 若使用Zynq PS，确保其已启用“XADC interface”并分配了中断
最后生成比特流文件，并导出硬件到SDK或Vitis。
代码怎么写？教你写出第一个XADC读取程序
接下来进入软件阶段。我们将使用Xilinx官方提供的驱动库，在裸机环境下实现周期性读取。
包含头文件 & 定义实例
#include "xparameters.h" #include "xadcps.h" // XADC专用驱动 #include "xil_printf.h" #include "sleep.h" static XAdcPs xadc_inst; // 定义XADC设备实例初始化函数：三步走策略
int init_xadc() { XAdcPs_Config *config; int status; // 第一步：查找配置信息 config = XAdcPs_LookupConfig(XPAR_XADCPS_0_DEVICE_ID); if (!config) { xil_printf("ERROR: Unable to find XADC configuration!\r\n"); return XST_FAILURE; } // 第二步：初始化实例 status = XAdcPs_CfgInitialize(&xadc_inst, config, config->BaseAddress); if (status != XST_SUCCESS) { xil_printf("ERROR: XADC initialization failed!\r\n"); return XST_FAILURE; } // 第三步：设置工作模式 XAdcPs_SetSequencerMode(&xadc_inst, XADCPS_SEQ_MODE_CONTINPASS); // 连续扫描模式 return XST_SUCCESS; }数据读取与单位转换
void read_sensors() { float temp, vccint; u32 raw_data; // 读取温度原始数据 -> 转换为摄氏度 raw_data = XAdcPs_GetAdcData(&xadc_inst, XADCPS_CH_TEMP); temp = XAdcPs_RawToTemperature(raw_data); // 读取核心电压 raw_data = XAdcPs_GetAdcData(&xadc_inst, XADCPS_CH_VCCINT); vccint = XAdcPs_RawToVoltage(raw_data); // 输出结果 xil_printf("Temp: %.2f°C | VCCINT: %.3fV\r\n", temp, vccint); }主循环运行
int main() { init_xadc(); while (1) { read_sensors(); usleep(500000); // 每500ms读一次 } return 0; }编译下载后，打开串口助手，你会看到类似输出：
Temp: 43.12°C | VCCINT: 1.012V Temp: 43.21°C | VCCINT: 1.011V Temp: 43.30°C | VCCINT: 1.013V ...🎉 成功！你现在已经在实时监控FPGA的“生命体征”了！
实战避坑指南：那些手册不会告诉你的事
别以为配置完就万事大吉。下面这几个“隐形雷区”，很多新手都会踩：
❌ 陷阱1：外部信号超过1V导致损坏
XADC的模拟输入耐压仅为0~1V（单端）。如果你直接接3.3V传感器，轻则读数溢出，重则烧毁输入级！
✅ 正确做法：使用电阻分压网络（如2:1衰减）或将信号经运放调理至安全范围。
[3.3V Sensor] ↓ [10kΩ]───→[XADC_IN] ↑ [5kΩ] ↓ GND比例：R1=10k, R2=5k → 分压比 = 1/3 → 3.3V → 1.1V（仍略高，建议微调）
更好的方案是使用轨到轨运放做电平缩放。
❌ 陷阱2：噪声干扰严重，数据跳动大
即使输入的是直流信号，也可能看到ADC值上下波动几十LSB。
✅ 解决方法：
- 在VAUX引脚前加RC低通滤波器（推荐1kΩ + 0.1μF）
- 使用差分输入模式（VAUXP/VAUXN）提升共模抑制比
- 软件端做滑动平均滤波（如取16个样本均值）
float filter_temp() { float sum = 0; for (int i = 0; i < 16; i++) { u32 raw = XAdcPs_GetAdcData(&xadc_inst, XADCPS_CH_TEMP); sum += XAdcPs_RawToTemperature(raw); usleep(1000); } return sum / 16.0; }❌ 陷阱3：忘记使能XADC接口导致无法通信
在Zynq Processing System配置中，默认不启用XADC接口！
✅ 必须在PS设置中手动勾选：
-Analog I/O Settings→XADC Interface→ Enable
否则即便IP核连好了，也无法通过AXI访问寄存器。
❌ 陷阱4：误以为所有引脚都能当模拟输入用
只有特定引脚支持VAUX功能，通常是：
-GPIO[0]: VAUX0_P / VAUX0_N
-GPIO[1]: VAUX1_P / VAUX1_N
……依此类推
具体请查阅开发板原理图和UG471文档中的Pinout表格。
高阶玩法前瞻：不只是“读个温度”那么简单
掌握了基础之后，XADC还能玩出更多花样：
💡 动态重配置（DRP）
通过DRP接口（Dynamic Reconfiguration Port），你可以在运行时修改采样顺序、增益、偏移等参数，实现自适应采集策略。
例如：
- 高温时提高采样频率
- 检测到突变信号时切换为高速单通道模式
💡 中断驱动 + DMA
避免CPU轮询浪费资源，可配置EOS中断唤醒RTOS任务，或结合DMA实现批量数据搬运，适用于音频采集类应用。
💡 构建小型环境监控终端
结合LCD显示屏、Wi-Fi模块和MQTT协议，你可以做一个基于XADC的边缘节点：
- 实时上传板卡温度
- 监测电源波动趋势
- 异常时发送微信告警
这正是工业物联网（IIoT）中最常见的应用场景之一。
写给初学者的一句话建议
不要被“模拟前端”、“逐次逼近型ADC”这些术语吓退。
XADC IP核的本质，就是把复杂的混合信号系统，封装成了你能“点几下就能用”的黑盒子。
你不需要懂SAR的工作原理，也不必计算采样保持时间。你要做的只是：
1. 在Vivado里勾选要采集的通道；
2. 写几行C代码启动并读数；
3. 看着串口打出第一行温度数据时，对自己说一句：“我做到了。”
而这，正是嵌入式开发最迷人的瞬间。
如果你正在做课程设计、毕业项目，或是想快速验证某个想法，不妨试试XADC。它可能不会替代高性能外置ADC，但它绝对是你最快、最省、最可靠的第一步。
欢迎在评论区分享你的XADC实践经历：你是用来测温？还是做了智能风扇控制？我们一起交流进步！
