Xilinx Artix-7系列FPGA 高速采集卡开发例程使用手册

Xilinx Artix-7系列FPGA 高速采集卡开发例程使用手册Revision History
Draft Date Revision No. Description
2016/07/07 V1.3 1.添加PCIE_SGDMA_ADC采集显示例程。

2.添加SRIO_ADC板间通信例程。

3.添加CAMERALINK相机图像采集实时显示例程。

4.添加I2C功能测试。

2016/04/15 V1.2 1.添加SRIO_DMA_DSP收发测试。

2.添加SRIO_DSP_X1收发测试。

3.添加PCIE_SGDMA测试例程。

4.更新SRIO接口数据回环收发测试。

5.更新XADC功能测试。

6.更新PCIE_EP_X2测试程序。

2016/02/18 V1.1 1.添加UDP网络通信功能测试。

2.添加ADC功能测试。

3.添加DAC功能测试。

4.PCIE数据读写功能测试。

5.PWM信号驱动LED输出测试。

6.GTP接口回环通讯及信号质量测试。

7.SRIO接口数据回环收发测试。

2015/11/20 V1.0 1.初始版本。

目录
1 基于下载器的程序加载与烧写 (4)
1.1程序加载 (4)
1.2程序烧写 (8)
2 采集卡功能测试 (10)
2.1LED——流水灯测试 (10)
2.2KEY——按键测试 (10)
2.3PWM——PWM信号驱动LED输出测试 (11)
2.4UART——UART回环测试 (11)
2.5EEPROM——IIC总线写入和读取测试 (13)
2.6DDR3——DDR3的读写测试 (14)
2.7XADC——XADC功能测试 (16)
2.8UDP_DEMO——UDP网络通信功能测试 (18)
2.9ADC_AD9613——ADC功能测试 (20)
2.10DAC_AD9706——DAC功能测试 (21)
2.11PCIE_EP_X2——PCIE数据读写功能测试 (23)
2.12PCIE_SGDMA——PCIE SGDMA的传输功能测试 (27)
2.13PCIE_SGDMA_ADC——ADC数据通过PCIE传输到PC波形显示 (36)
2.14GTP_CONNECTION——GTP接口回环通讯及信号质量测试 (37)
2.15FPGA_SRIO——SRIO接口数据回环收发测试 (41)
2.16SRIO_DSP_X1——SRIO板间通信测试 (46)
2.17SRIO_DMA_DSP——SRIO_DMA方式收发测试 (48)
2.18SRIO_ADC——SRIO板间ADC通讯测试 (51)
2.19CAMERALINK_VGA_V1——CAMERALINK相机图像采集实时显示 (52)
2.20I2C——I2C功能测试 (54)
备注：
●如实验无特别说明，表示广州创龙Artix-7采集卡均在VIVADO开发平台做对应实验。

●默认.bit和.bin文件位于相应工程下的.runs\impl_1或ForDownload文件夹内。

1 基于下载器的程序加载与烧写
1.1程序加载
（1）将下载器连接到电脑。

打开设备管理器查看下载器连接是否正常，如图所示：
图1
（2）将下载器连接到采集卡。

打开"VIVADO->Open Hardware Manager"，如图所示：
图2
（3）采集卡上电，在菜单栏选择"Tools->Auto Connect"，如图所示：
图3
（4）下载器连接电脑与采集卡成功，如图所示：
图4
（5）右键点击FPGA核，选择"Program Device…"，如图所示：
图5
（6）选择需要加载的.bit文件。

可直接输入路径或者通过浏览选择，如图所示：
图6
（7）点击＂OK＂，等待加载完成即可。

1.2程序烧写
（1）根据上节内容连接连接电脑与采集卡；
（2）右键点击FPGA核，选择"Add Configuration Memory Device…"，如图所示：
图7
（3）选择正确的memory型号，点击OK。

如图所示：
（4）若弹出如下对话框，继续点击OK；
（5）选择正确的bin文件，点击OK即可。

图10
2 采集卡功能测试
所有软件工具均在光盘资料tools文件夹内。

2.1LED——流水灯测试
本测试程序实现的功能是：点亮LED和实现LED的流水灯状态闪烁。

按程序加载步骤加载LED.bit文件。

演示现象：
①LED1-LED3做循环流水灯闪烁。

2.2KEY——按键测试
本测试程序实现的功能是：实现按键控制LED灯的亮灭。

按程序加载步骤加载KEY.bit 文件。

演示现象：
①按下USER KEY1，点亮LED1保持1S后熄灭；
②按下USER KEY2，点亮LED2保持1S后熄灭。

2.3PWM——PWM信号驱动LED输出测试
本测试程序实现的功能是：产生3路1KHz占空比分别为80%、50%和20%的PWM信号，连接至led输出管脚，3个LED灯会呈现出不同的亮度。

按程序加载步骤加载PWM_TOP.bit文件。

演示现象：
①板上LED1、LED2和LED3呈现出不同的亮度。

2.4UART——UART回环测试
本测试程序实现的功能是：实现UART回环，使用波特率为115200。

将采集卡的串口和PC机连接，打开串口调试助手软件。

按程序加载步骤加载uart_test.bit文件。

演示现象：
①在串口调试终端输入字符，FPGA串口接收后返回，在接收端显示，如图所示：
②可在顶层通过修改参数直接修改串口波特率，如图所示：
图12
2.5EEPROM——IIC总线写入和读取测试
本测试程序实现的功能是：实现IIC总线底层的写入和读取操作。

写操作：由地址0开始向EEPROM中写入了10个十六进制数据，分别是11、12、13、14、15、16、17、18、19和21；读操作：由地址0开始从EEPROM中读出24个数据（注：EEPROM中没写数据的地址，数据读出为FF）。

将采集卡的串口和PC机连接，打开串口调试助手软件。

按程序加载步骤加载EEPROM.bit文件。

演示现象：
①接收区选择十六进制显示，可以看到串口打印数据，如图所示：
图13
2.6DDR3——DDR3的读写测试
本测试程序实现的功能是：实现DDR3的写入和读取操作。

写操作：串口助手以文件方式发送1K个数据，FPGA接收并将数据写入DDR3；读操作：FPGA从DDR3读取数据，并将1K个数据连续发送到串口，串口助手以文件方式保存数据。

将采集卡的串口和PC机连接，打开串口调试助手软件。

按程序加载步骤加载DDR3.bit 文件。

演示现象：
①发送区勾选“启用文件数据源”，然后选中测试文件“1024字节测试数据.txt”，接收区勾选“接收另存为文件”，命个名“1024字节接收数据.txt”，点保存。

然后点击
发送，可以看到串口打印数据，如图所示：
②可在顶层通过修改参数直接修改DDR3通信频率，如图所示：
图15
2.7XADC——XADC功能测试
本测试程序实现的功能是：实现XADC十个AD通道的读取过程。

读取的AD值分别是温度值、VCCINT电压、VCCAUX电压、VP/VN专用通道电压、VCCBRAM电压、辅助通道AUX0电压、辅助通道AUX1电压、辅助通道AUX2电压、辅助通道AUX3电压、辅助通道AUX8电压（注：专用通道，辅助通道板子上都没有加输入，电压应该都是约0V）。

将采集卡的串口和PC机连接，打开串口调试助手软件。

按程序加载步骤加载xadc_uart_tx_top.bit文件。

演示现象：
①每隔200ms，串口打印各通道的对应值，如图所示：
图16
②将XADC采到的数据填入“XADC值计算.xls”，该表在XADC工程目录下，即可自动算出对应的温度及电压。

③专用通道VP/VN、辅助通道AUX0、辅助通道AUX8可测0-1V电压。

原理图如下：
图17
2.8UDP_DEMO——UDP网络通信功能测试
本测试程序实现的功能是：UDP通讯功能，不支持PING命令。

测试方法：使用测试工具软件，创建一个UDP连接，FPGA采集卡IP地址：192.168.0.25，端口：6666，FPGA 会发回接收到的数据。

将采集卡的网口和PC机连接，按程序加载步骤加载UDP_RX_TX_TOP_TEST.bit文件。

演示现象：
修改主机IP跟采集卡处于同一网段，可看到连接信息如下：
图18
打开网络调试助手软件，新建UDP，输入主机IP跟端口号，输入采集卡IP跟端口号，按启动。

在发送区输入需要发送的数据，FPGA采集卡回送接收到的数据并显示，如图所示：
图20
2.9ADC_AD9613——ADC功能测试
本测试程序实现的功能是：实现ADC双通道的读取过程。

ADC量程是1.75Vpp，请确认输入电压不要超量程，AD采集12位，每行打印5个点，默认打印的采样率1KHz。

将采集卡的串口和PC机连接，打开串口调试助手软件。

按程序加载步骤加载ADC_A D9613.bit文件。

演示现象：
串口调试助手接收区设置串口波特率115200，8位，无校验，1位停止位，ASCII显示。

可以打印通道A或通道B的数据。

用串口发送''B（ASCII）''即采集并打印B通道的数
据；同理可采集并打印A通道数据。

如图所示：
图21
将ADC采到的数据填入“ADC值计算.xls”，该表在ADC_AD9613工程目录下，即可自动算出电压。

2.10DAC_AD9706——DAC功能测试
本测试程序实现的功能是：实现DAC三角波数模转换。

频率和伏值各三个等级，如下表所示：
表1
等级 1 2 3
频率175MHZ 87.5MHZ 43.75MHZ
表2
等级 1 2 3
伏值 1.2V 0.6V 0.3V
通过串口可以选择转换频率和伏值的等级。

发送''SET 21''意思为选择频率第2级、伏值第1级。

注意为ASCII码输入，中间有空格，若设置正确，串口会收到''SET OK''，若没收到，说明设置格式有误，请重新设置。

图22
将采集卡的串口和PC机连接，打开串口调试助手软件。

按程序加载步骤加载DAC_AD9706.bit文件。

演示现象：
用示波器可以观察到DAC输出三角波，如图所示：
图23
2.11PCIE_EP_X2——PCIE数据读写功能测试
本测试程序实现的功能是：实现PCIE PIO功能。

测试步骤如下：
（1）烧写PCIE_EP_X2.bin文件到FPGA，文件位于''demo\PCIE_EP_X2\PCIE_EP_X2.runs\ impl_1''目录下；
（2）将采集卡拨码开关打到''MASTER SPI''模式，插入PC机主板PCIE插槽；
（3）启动PC机；
（4）使用PciTree测试工具（只支持32位操作系统），在光盘tools目录下，将HLP.SYS 文件拷贝到''C:\WINDOWS\system32\drivers''，即可直接运行。

客户可自行选择其他测试工具。

运行PciTree，可以看到采集卡相关信息，如下图所示：
图24
双击BAR 0，对BAR 0空间进行读写测试，出现如下对话框：
图25 选择“是”出现如下对话框：
图26
BAR 0空间偏移地址0x0为只读寄存器，读出的值为固定值0x12345678，如图所示：（FPGA采用的是大端格式）
图27
可对任意单个寄存器进行读写操作，选中对应的地址，在''edit memory''输入值，点击''Write Memory''，勾选''auto read memory''，即可看到从板卡中读出的数据。

BAR 0空间偏移地址0x4所对应的寄存器bit2-bit0，连接到LED，对此寄存器写值0x 07000000可点亮采集卡LED，勾选''auto read memory''，即可看到从板卡中读出的数据，如下图所示：
图28
2.12PCIE_SGDMA——PCIE SGDMA的传输功能测试
本测试程序实现的功能是：PC与FPGA通过PCIE进行DMA方式的数据传输。

测试步骤如下：
（1）烧写PCIE_SGDMA.bin文件到FPGA，文件位于''demo\PCIE_SGDMA\ForDownload''目录下；
（2）将采集卡拨码开关打到''MASTER SPI''模式，插入PC机主板PCIE插槽；
（3）进入目录''PCIE_SGDMA\PC\driver''，双击wd_install.bat安装PC端PCIE驱动，如遇以下提示，选择“始终安装此驱动程序软件”；
图29 安装完毕，按任意键退出：
图30 若提示需要重启计算机，则重启；
图31
驱动安装成功如图所示：
图32
（4）进入目录''PCIE_SGDMA\PC\PCIE_Video''，运行PCIE_Video.exe测试工具；
（5）点击“发送测试”进行DMA发送测试，即时速度为623830.933KB/s；
（6）点击“接收测试”进行DMA接收测试，即时速度为673034.382KB/s；
图35
（7）点击“发送接收测试”进行DMA发送接收全双工测试，即时速度为296542.995
KB/s；
图36
（8）点击“选择文件”按钮，选择一张要发送图片，图片尺寸须为320*256，图片将
显示在左边区域；
（9）点击“DMA发送”按钮，图片发送到采集卡的DMA缓冲区；
图38
（10）点击“DMA接收”按钮，PC端将读取采集卡的DMA缓冲区的数据，并以图片的
形式保存起来，保存路径为path的路径，文件名为原名加“-copy”后缀；
图39
（11）点击“停止”按钮，传输测试停止进行；点击“取消”按钮，退出程序。

2.13PCIE_SGDMA_ADC——ADC数据通过PCIE传输到PC波形显示
本测试程序实现的功能是：PC机通过PCIE PIO方式配置ADC并通过SGDMA方式将ADC采集到的数据发送至PC机。

测试步骤如下：
（1）烧写PCIE_SGDMA.bin文件到FPGA，文件位于''demo\PCIE_SGDMA\ForDownload''目录下；
（2）将采集卡拨码开关打到''MASTER SPI''模式，插入PC机主板PCIE插槽；
（3）按上节步骤安装PC端PCIE驱动
（4）进入目录''PCIE_SGDMA_ADC\PC\Waveshower''，运行Waveshower.exe测试工具；（5）点击选择A通道，点击下方“启动”按钮显示波形。

波形采样时间间隔下拉可选，
显示幅度拖动选择：
图40
（6）如需对波形进行保存，单击“保存文件”按钮，程序会在D盘中保存一帧最近采集的512M数据到RecvData.txt文件中；
（7）关闭程序过程，先单击“停止”按钮停止DMA读取板卡中数据和显示过程，然后单击“退出”按钮退出程序。

2.14GTP_CONNECTION——GTP接口回环通讯及信号质量测试
本测试程序实现的功能是：通过GTP接口进行板内回环通讯及信号质量测试，链路为x1模式。

将采集卡的CON4（GTP TXD）和CON5（GTP RXD）用HDMI线缆连接。

按程序加载步骤加载example_ibert_7series_gtp_0.bit文件。

GTP数据测试
在烧写完bit文件，系统检测到IBERT（Integrated Bit Error Ratio Tester集成式比特误
码率测试仪，是Xilinx专门用于具有高速串行接口的FPGA芯片的调试和交互式配置工具)，
会弹出如下对话框：
图41
选择yes，如硬件链路正常，则弹出如下对话框，表示检测到1条链路。

图42
选择OK。

系统会自动收发数据，Errors为0，表示链路无误码，如下图：
图43
GTP信号质量测试
选择''Serial I/O Scans''，点击''Create scan''，如下图示：
图44
弹出如下界面，直接选择OK：
图45
扫描开始，等待扫描完成。

图46
眼图如下，完全张开，信号质量好。

图47
下图是信号很差时的扫描结果，几乎完全闭合。

图48
2.15FPGA_SRIO——SRIO接口数据回环收发测试
本测试程序实现的功能是：通过SRIO进行回环方式的数据传输。

将采集卡的CON4（GTP TXD）和CON5（GTP RXD）用HDMI线缆连接。

按程序加载步骤加载srio_example_top.bit和debug_nets.ltx文件（光盘资料里的路径为''demo/FPGA_SRIO/srio/srio.runs/impl_1''）。

通过JTAG控制SRIO读写
程序烧写完毕，弹出如上图界面：
选择hw_vios，可以看到控制信号vio_in_debug和vio_out_debug，如图所示：
图50
信号vio_out_debug为输入控制端，可做读写控制，信号vio_in_debug为输出显示端，如读数据会显示在这里。

vio_out_debug控制信号各比特位定义如下：
图51
●vio_out_debug[63]：写使能，上升沿有效；写控制时需先对该位写0然后写1；
●vio_out_debug[62]：读使能，上升沿有效；读控制时需先对该位写0然后写1；
●vio_out_debug[60:32]：读写地址位；
●vio_out_debug[31:0]：写数据，写控制时对应写数据。

读写测试
1)读寄存器0（地址0x00）测试。

点击vio_out_debug的值，输入4000_0000_0000_0000。

bit63位（写使能位）置0，bit62位（读使能位）置1为读操作，60-32位（地址位）置0，其它比特位无用；vio_in_debug 显示结果，读出值为12345678，如图所示：
图52
每次读写之前需要先对vio_out_debug清零(即需先写入00000000)，以保证产生触发边沿。

2)写寄存器1（地址0x01）测试。

按上述步骤在vio_out_debug写入4000_0001_0000_0000，读寄存器1，返回数据vio_in_debug为0000_0000；
图53
在vio_out_debug写入8000_0001_0055_7597（低32位0055_7897为实际写入数据值）；
图54
在vio_out_debug写入4000_0001_0000_0000，读寄存器1，返回数据vio_in_debug 为0055_7897；
图55
DMA测试
写入DMA地址：vio_out_debug写入8000_0002_FF00_0000，82表示写入控制，DMA 地址为FF00_0000；
图56
开启DMA：先将vio_out_debug最高比特位写零，vio_out_debug写入0000_0000_00 00_0000，再对寄存器3写1开DMA，vio_out_debug写入8000_0003_0000_0001；
图57
DMA完成：在vio_out_debug写入4000_0004_0000_0000读DMA状态，vio_in_debug 收到返回值0000_0001，最低比特位为1，表示DMA完成。

图58
DMA有部分数据存储在内部RAM可以读出，在vio_out_debug写入4000_020B_000 0_0000(需先写入0000_0000)，对应读出返回值FF00_021B。

可读地址范围0x200~0x3FF。

图59
2.16SRIO_DSP_X1——SRIO板间通信测试
本测试程序实现的功能是：DSP通过SRIO链路对FPGA的地址0x0012_0000~0x0012_ FFFF进行基本的读写操作(NWRITE和NREAD)。

SRIO使用x1模式，链路速率2.5G。

将采集卡的CON4（GTP TXD）用HDMI线缆连接到TL665x-EasyEVM开发板SRIO RX 接口，CON5（GTP RXD）接到SRIO TX接口。

按程序加载步骤加载srio_example_top_sri o_gen2_0.bit（光盘资料的路径为demo\SRIO_DSP_X1\ForDownload）。

DSP端按照工程导入步骤加载SRIO_FPGA.out文件（路径为demo\SRIO_DSP_X1\ForD ownload），步骤见C665x光盘资料《TMS320C665x开发例程使用手册》。

测试说明：
（1）CCS端点击运行，初始化SRIO成功，如图所示：
图60
（2）CCS端继续点击运行，DSP端传输数据到FPAG端，如图所示：
图61
图62 发送数据
（3）CCS端继续点击运行，传输完成，读回FPAG端数据，如图所示：
图63
图64 回读数据
2.17SRIO_DMA_DSP——SRIO_DMA方式收发测试
本测试程序实现的功能是：DSP与FPGA通过SRIO进行DMA方式的数据传输。

测试说明：先运行FPGA端程序，再运行DSP端程序。

将采集卡的CON4（GTP TXD）用HDMI线缆连接到TL665x-EasyEVM开发板SRIO RX 接口，CON5（GTP RXD）接到SRIO TX接口。

按程序加载步骤加载srio_example_top_sri o_gen2_0.bit（光盘资料的路径为''demo\SRIO_DMA_DSP\FPGA\ForDownload''）。

DSP端按照工程导入步骤加载STK_SRIO_FPGA.out文件（路径为''demo\SRIO_DMA_DS P\DSP\STK_SRIO_FPGA\Debug''），步骤见C665x光盘资料《TMS320C665x开发例程使用手册》。

程序说明：
（1）DSP和FPGA分别完成各自接口初始化操作，等待链路建立连接；
（2）DSP发起SWRITE写操作，源地址0x0C000000，长度1KB。

发送完成后发门铃包通知FPGA；
图65
（3）FPGA收到DSP发出的SWRITE数据，进FIFO缓存。

检测收到门铃包后延迟一段时间，随后将收到的这批数据全部发回DSP。

对FPGA而言，发送的目的地址0x80000000。

1KB数据发送完成后，发送门铃包通知DSP；
图66
（4）DSP响应FPGA发出的门铃，中断中进行数据校验；
（5）DSP完成校验后可以重复（1）-（4）的步骤，进行多次数据传输和校验。