ZYNQ PL+PS协同：AD7606多通道同步采样与FFT频谱分析实现-北京尧图网络

简介这份资源是一套基于ZYNQ PL端实现AD7606数据采集与FFT频谱分析的完整Vivado工程适合FPGA开发者、嵌入式系统工程师以及正在学习数字信号处理的读者可直接用于解决多通道ADC采集、数据同步与实时频域分析的整体设计问题。包内共163个文件涵盖xml工程配置、xci IP核定义、bd框图、tcl构建脚本、xdc约束文件以及少量v源码和log日志压缩包仅818KB但完整呈现了从AD7606接口逻辑、采样时序控制、FIFO缓冲到DMA传输与FFT硬件加速的典型数据链路其中bd与xci文件可作为复用的设计参考xdc和tcl脚本则便于快速复现工程环境。资源已有2671人学习浏览其Block Design和IP配置对参考工程搭建尤其有价值。通过这套工程用户可以快速复现ZYNQAD7606的采集流程理解SPI/并行接口时序、窗函数与补零处理、动态范围管理以及硬件FFT核的调用方式为后续高采样率、低延迟频谱分析项目提供可移植的基础框架。1. ZYNQ PL 采集 AD7606 并做 FFT一套能直接拿去用的频谱采集链路做工业振动监测或者电力谐波分析的同学大概率会遇到一个共同场景传感器输出的是模拟量MCU 自带的 ADC 通道数不够、精度不够、同步性也差。ZYNQ PL 采集 AD7606 的方案就是冲着这个需求去的PL 侧负责把八通道 16 位 ADC 的时序跑稳、把数据搬到 DDRPS 侧负责 FFT 变换出幅度谱等于一套从模拟信号到频谱数据输出的完整链路。直接跑通之后你能得到每个通道的频谱线和幅值信息稍加改造还能变成实时频谱监测系统。适合手里有 ZYNQ 开发板、想用硬件方式做多通道同步采样的人。2. 架构拆分PL 负责时序采集PS 负责存储与 FFT 运算2.1 AD7606 的并行时序与 ZYNQ PL 的接口设计AD7606 是一颗 8 通道、16 位、同步采样的 ADC这也是这个项目选择它而不是逐通道轮询 ADC 的核心原因。它支持并行和串行两种读取模式项目中选的是并行模式DB0 到 DB15 共 16 根数据线一次把 16 位结果读出来。控制信号用过的人应该都熟CONVST 是转换启动信号BUSY 是忙标志CS 是片选RD 是读使能。时序逻辑大致是这样给 CONVST 一个由低到高的脉冲ADC 内部立即对 8 个通道同时采样这时 BUSY 拉高表示正在转换BUSY 落下后数据处于可读状态。接下来 CS 拉低、RD 拉低每个 RD 下降沿从并行总线读出一个通道的数据连续读 8 次就能把 8 个通道都取完。用 Verilog 写 PL 逻辑时这个流程非常清晰很自然地用状态机来组织。并行接口模式下整个一次转换加读取大概需要一个几百纳秒的过程AD7606 支持的最大吞吐率能到 200kSPS因此 ZYNQ PL 侧跑 100MHz 时钟来操作这些引脚有充足裕量。接口电平是 3.3V 或 5V 系统兼容但给 ZYNQ 的 IO 接的时候必须注意 bank 电压配置到 3.3V不能直接挂在 1.8V bank 上否则输入引脚钳位会出问题。这也是布线前就要确认的第一件事。2.2 PL-PS 协作异步 FIFO AXI DMA DDR 的分工采集链路里最容易翻车的点是数据到底怎么从 PL 的引脚到 PS 的内存。常见做法是在 PL 内把 AD7606 的数据先写进一个 FIFOFIFO 的另一端挂上 AXI4-Stream 接口再接一个 AXI DMA 的 S2MM 通道这样数据就能自动搬到 PS 侧 DDR 里完全不需要 PS 逐字读取。我一般会在这条链路上用异步 FIFO原因是 AD7606 采集侧时钟和 AXI 总线时钟是两个时钟域跨时钟域用 FIFO 是最朴素的解决方案。采集侧使用 50MHz 或 100MHzDMA 侧 AXI 总线上通常跑到 125MHz 或更高FIFO 在这两个时钟之间做缓冲。深度选 1024 或 2048如果采集频率不高1024 足够如果后续要支持 200kSPS 满速采样建议直接上 4096避免 DMA 还没来得及提数据时 FIFO 写满。PS 侧的 FFT 运算则是在 DDR 拿到一段连续采样数据之后进行的对时间要求不高时可以用软件 FFT。PL 和 PS 的分工简单说就是 PL 干苦力管时序、管搬运PS 干脑力管算法、管输出。这个方案比把 FFT 也塞进 PL 的做法更容易调试也更容易改参数。2.3 工程目录与模块划分一个可以复现的 ZYNQ 工程源码组织比想象中更重要。下面是我搭建这套系统常用的目录结构读者可以照着整理自己的工程。ad7606_fft/ ├── hardware/ │ ├── vivado_project/ # Vivado 工程文件 │ ├── rtl/ │ │ ├── ad7606_driver.v # AD7606 采集状态机 │ │ ├── ad7606_fifo.v # 异步 FIFO 封装 │ │ └── axis_writer.v # 从 FIFO 读数据并转 AXI4-Stream │ └── constraints/ │ └── xdc_ad7606.xdc # 引脚约束和时钟约束 ├── software/ │ ├── vitis_workspace/ │ │ ├── ad7606_fft_app/ # SDK/Vitis 应用工程 │ │ └── src/ │ │ ├── main.c # 主函数DMA 初始化、FFT 调用 │ │ ├── fft_sw.c # 定点/浮点 FFT 实现 │ │ └── serial_out.c # 串口输出频谱结果 └── docs/ └── wiring.md # 引脚接线说明这个组织方式的好处是硬件和软件分开两个目录重做硬件工程不会影响已有软件代码。RTL 里三个模块各司其职采集、缓冲、总线转换被拆开任何一个环节出错都可以单独仿真验证。如果手里有逻辑分析仪wire 到模块内部信号做在线调试也很方便。3. 核心代码拆解状态机、FIFO 搬运与 FFT 实现3.1 AD7606 采集状态机的 Verilog 实现采集模块是整个项目的心脏它关心的核心问题是什么时候拉 CONVST、什么时候读数据、数据读出来往哪里放。下面的 Verilog 是我在类似项目里总结出来的一套写法状态机清晰也容易加超时保护。module ad7606_driver #( parameter CH_COUNT 8, parameter DATA_WIDTH 16 ) ( input wire clk, // 100MHz 主时钟 input wire rst_n, input wire start_pulse, // 启动一次转换的外部触发 output reg convst, // 转换启动信号 input wire busy, // ADC 忙标志 output reg cs_n, output reg rd_n, input wire [15:0] adc_data, // 并行数据总线 output reg [13:0] fifo_wr_data, // 拼上通道号的数据 output reg fifo_wr_en, input wire fifo_full ); localparam IDLE 3d0; localparam CONVST_H 3d1; localparam WAIT_BUSY 3d2; localparam READ_CH 3d3; localparam DONE 3d4; reg [3:0] ch_index; reg fifo_wr_en_r; always (posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin state IDLE; convst 1b0; cs_n 1b1; rd_n 1b1; ch_index 0; fifo_wr_en 1b0; end else begin case (state) IDLE: begin convst 1b0; cs_n 1b1; rd_n 1b1; if (start_pulse !fifo_full) begin state CONVST_H; convst 1b1; end end CONVST_H: begin // 维持高电平 3 个时钟约 30ns满足 AD7606 最小脉宽 convst 1b0; state WAIT_BUSY; end WAIT_BUSY: begin if (!busy) begin ch_index 0; cs_n 1b0; state READ_CH; end end READ_CH: begin rd_n 1b0; if (rd_n 1b1) begin // RD 下降沿后数据稳定把数据和通道号打包写入 FIFO fifo_wr_en 1b1; fifo_wr_data {ch_index, adc_data}; ch_index ch_index 1; end if (ch_index CH_COUNT - 1) begin rd_n 1b1; cs_n 1b1; state DONE; end end DONE: begin fifo_wr_en 1b0; state IDLE; end endcase end end endmodule这段代码里有几个参数值得强调。CONVST 高电平持续时间被设计成 3 个时钟周期在 100MHz 时钟下约 30ns大于 AD7606 手册要求的 25ns 最小脉宽算是留了安全裕量。WAIT_BUSY 状态用电平触发busy 信号从高变低时表示所有 8 通道转换完毕这一点比用下降沿触发器更稳妥因为 busy 下降沿可能受 IO 上升沿速率影响产生毛刺。数据写入 FIFO 时我把 4 位通道号和 16 位采样值拼成了 20 位数据高位是通道号低位是原始 ADC 码值。这样 PS 端拿到数据后不需要额外维护当前是哪个通道直接从高位拆出通道号即可。这个设计会在后面 FFT 通道分离时省下不少麻烦。3.2 AXI Stream 与 DMA 搬运从 FIFO 到 DDR 的通道数据从 FIFO 出来之后需要转换成 AXI4-Stream 协议才能接到 AXI DMA 的输入。AXI4-Stream 的握手机制是 TVALID 和 TREADY 两个信号同时为高时一个数据节拍才算真正传输完成。FIFO 端读数据和 AXI 端握手需要小心处理否则会出现读一侧多读一拍或者少读一拍的黑匣子问题。module axis_writer ( input wire clk, input wire rst_n, output wire [31:0] m_axis_tdata, output reg m_axis_tvalid, input wire m_axis_tready, input wire [19:0] fifo_rd_data, input wire fifo_rd_en, output wire fifo_empty ); reg [1:0] word_count; // 低位 16bit 是当前采样高位拼接下一拍凑成 32bit 输出 assign m_axis_tdata {fifo_rd_data[15:0], fifo_rd_data[15:0]}; always (posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin word_count 2b00; m_axis_tvalid 1b0; end else if (m_axis_tvalid m_axis_tready) begin word_count word_count 1; if (word_count 2d1) m_axis_tvalid 1b0; end else if (!fifo_empty) begin m_axis_tvalid 1b1; end end endmodule这里有一个值得注意的设计点AXI DMA 的 S2MM 接口数据宽度通常是 32 位或 64 位而 AD7606 的单次采样是 16 位。常见做法是把两个 16 位采样拼成一个 32 位总线传输这样可以减少 AXI 总线上的 beat 数量提升搬运效率。上面代码里用{fifo_rd_data[15:0], fifo_rd_data[15:0]}拼了两个相同的 16 位数据实际项目中这里会改成缓存一拍、把连续两个采样分别放在高低 16 位。如果直接把 16 位数据接到 32 位总线上DMA 搬运效率会损失一半遇到高采样率时很容易成为瓶颈。AXI DMA 的 S2MM 配置相对固定Buffer Length 设置成与 FFT 需要的采样点数一致即可。举例做 1024 点 FFT如果每次取一个通道的数据一个通道需要 1024 个 16 位采样即 2048 字节。但如果 8 通道需要轮流做 FFT我通常会 DMA 一次性传输 8 * 1024 * 2 字节然后在 PS 端按通道号拆分。3.3 PS 端 FFT从二进制补码到幅度谱PS 端拿到的是原始 ADC 码值AD7606 输出的是 16 位二进制补码。FFT 之前必须先把码值换算成实际电压值不然频谱的幅值没有任何物理意义。换算公式是电压原始码值 / 32768 * 满量程电压满量程电压由 RANGE 引脚决定接高电平是 ±5V接低电平是 ±10V。#include stdio.h #include math.h #include stdint.h #define FFT_POINTS 1024 #define FSAMPLE 10000.0f #define RANGE_V 5.0f typedef struct { float re; float im; } complex_t; // 从 DMA 缓冲区提取单通道数据并转为浮点电压 int extract_channel(uint16_t *raw_buf, int total_samples, int ch_id, float *volt_out, int points) { for (int i 0; i points; i) { uint16_t raw raw_buf[i * 8 ch_id]; int16_t s (int16_t)(raw 0xFFFF); volt_out[i] (float)s / 32768.0f * RANGE_V; } return 0; } // 基2-FFT迭代实现data是输入也是输出 void fft(complex_t *data, int n) { for (int i 1, j 0; i n; i) { int bit n 1; for (; j bit; bit 1) j ^ bit; j ^ bit; if (i j) { complex_t tmp data[i]; data[i] data[j]; data[j] tmp; } } for (int len 2; len n; len 1) { float angle -2.0f * M_PI / len; complex_t wn {cosf(angle), sinf(angle)}; for (int i 0; i n; i len) { complex_t w {1.0f, 0.0f}; for (int k 0; k len / 2; k) { complex_t u data[i k]; complex_t v {w.re * data[i k len / 2].re - w.im * data[i k len / 2].im, w.re * data[i k len / 2].im w.im * data[i k len / 2].re}; // 蝶形运算u /- v data[i k].re u.re v.re; data[i k].im u.im v.im; data[i k len / 2].re u.re - v.re; data[i k len / 2].im u.im - v.im; w.re w.re * wn.re - w.im * wn.im; w.im w.re * wn.im w.im * wn.re; } } } } int main(void) { // 假设 dma_buf 已经从 AXI DMA 拿回来长度为 8 * FFT_POINTS uint16_t dma_buf[8 * FFT_POINTS]; float ch_voltage[FFT_POINTS]; complex_t freq_data[FFT_POINTS]; extract_channel(dma_buf, 8 * FFT_POINTS, 0, ch_voltage, FFT_POINTS); for (int i 0; i FFT_POINTS; i) { freq_data[i].re ch_voltage[i]; freq_data[i].im 0.0f; } fft(freq_data, FFT_POINTS); for (int i 0; i FFT_POINTS / 2; i) { float mag sqrtf(freq_data[i].re * freq_data[i].re freq_data[i].im * freq_data[i].im); float f (float)i * FSAMPLE / FFT_POINTS; printf(bin[%4d] freq%6.1f Hz mag%.4f V\n, i, f, mag * 2.0f / FFT_POINTS); } return 0; }这个 FFT 实现里有两个关键参数。FSAMPLE 必须与 PL 侧实际的采样率一致否则频率轴整体偏移。FFT_POINTS 决定频率分辨率计算公式是 FSAMPLE / FFT_POINTS例子里是 10000 / 1024 ≈ 9.77Hz。幅值的换算做了mag * 2.0f / FFT_POINTS这是因为单边谱要把负频率部分的能量叠加到正频率上同时除以点数归一化这样得到的幅值才是真实信号的幅度近似值。实际做工程时我不会手写 FFT直接调用官方 DSP 库里的定点 FFT 会更高效。但手写版本有个好处能理解 bin、分辨率、归一化这些概念调 bug 时不至于把 FFT 当黑匣子。上面的代码跑通之后替换成库函数只是几分钟的体力活。4. 搭建与运行Vivado 建工程到串口打印频谱4.1 硬件工程搭建与引脚约束硬件的 Block Design 里需要添加的 IP 不多核心是 ZYNQ PS、AXI DMA、以及我们自己写的几个 RTL 模块。AD7606 驱动模块和 FIFO 模块通过 AXI GPIO 挂到 PS 总线上用来接收起始触发信号和复位控制axis_writer 输出接到 AXI DMA 的 S2MM 接口DMA 的中断引脚连到 PS 的 PL-PS 中断端口。时钟方面我习惯给 PL 用独立的 100MHz 时钟作为主时钟给 AXI 总线使用 125MHz 时钟两个时钟都由 PS 的 FCLK_CLK0 和 FCLK_CLK1 输出提供。异步 FIFO 的两端分别接这两个时钟就能保证跨时钟域数据不丢。引脚约束文件是整个硬件工程最容易踩坑的地方AD7606 的引脚必须约束到 ZYNQ 的 HP bank 或者 HR bank并且 IO 标准指定为 LVCMOS33。下面这段约束是经常用到的模板。set_property PACKAGE_PIN H16 [get_ports {adc_db[0]}] set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {adc_db[0]}] set_property PACKAGE_PIN H17 [get_ports {adc_db[1]}] set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {adc_db[1]}] set_property PACKAGE_PIN K17 [get_ports {adc_db[2]}] set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {adc_db[2]}]注意这里的引脚编号只是示例不同开发板的物理连接完全不一样必须对照原理图逐个确认。接线时还要注意 AD7606 的 REFIN/REFOUT 引脚REF 引脚如果不接转换结果是完全不可信的常见做法是给 REFIN 接一个 2.5V 外部基准电压或者使用内部基准将 REFOUT 直接连到 REFIN。4.2 Vitis 软件工程里的 DMA 控制硬件导出到 Vitis 之后软件工程里要做的第一件事是初始化和配置 AXI DMA。AXI DMA 的 S2MM 通道工作模式可以配置为轮询或者中断我建议第一次跑通用轮询方式代码简单出问题也好定位稳定之后再改成中断接收。#include xdma.h #include xparameters.h XDma dma; XDma_Config *dma_cfg; #define DMA_DEV_ID XPAR_AXIDMA_0_DEVICE_ID #define RX_BUFFER_BASE XPAR_DDR_BASEADDR 0x3000000 #define RX_BUFFER_SIZE 8 * 1024 * 2 int dma_init(void) { dma_cfg XDma_LookupConfig(DMA_DEV_ID); if (!dma_cfg) return -1; XDma_CfgInitialize(dma, dma_cfg); return 0; } int dma_receive(uint32_t *buf, int bytes) { // 清空 S2MM 通道状态再发起一次接收传输 XDma_IntrDisable(dma, XDMA_IRQ_ALL_MASK, XDMA_S2MM_INT_ERR_IRQ | XDMA_S2MM_INT_DONE_IRQ); XDma_S2MM_SetTransfer(dma, buf, bytes); while (!(XDma_S2MM_IsDone(dma))) { // 等待传输完成工程初期不做中断 } return 0; }这段代码里 RX_BUFFER_SIZE 的计算要仔细核对。如果一次触发采集 8 个通道各 1024 点DMA 拿到的数据总量是 8 * 1024 * 2 字节和 DMA 配置的 Buffer Length 必须一致否则 DMA 会一直等待数据凑够才发起中断导致程序卡死。Vitis 工程的 main 函数流程是初始化 DMA发 start_pulse 给 PL 采集模块等待 busy 信号结束后 DMA 开始搬运dma_receive 返回时 PS 就已经拿到了完整的一块采样数据。接着调用extract_channel提取指定通道执行 FFT把幅度和频率值从 UART 打印出来。4.3 运行验证用正弦波检查频谱线是否准确跑通后第一件事不要急着接真实传感器用信号发生器灌一路 50Hz、幅值为 1V 的正弦波到 AD7606 的 V1 通道。设置采样率 10000HzFFT 点数 1024理论上频谱线应该落在第 5 个 bin 附近50 / (10000 / 1024) ≈ 5.12。如果打印出来频率是 49.8Hz差一点点是正常的因为那个 bin 位置对应的频率是 48.8Hz 或 58.6Hz分辨率有限但如果打印出来是 200Hz 附近就要怀疑采样率配置和实际触发频率不一致了。幅值验证同样重要。1V 幅值的正弦波做 FFT 之后主峰处读数应该在 0.9 到 1.1V 的范围内。如果偏差过大重点检查 RANGE 引脚的电平和 AD7606 实际量程是否匹配。比如 RANGE 接了 5V 但你按 10V 算幅值会偏小一半这类问题在代码参数里非常隐蔽不实际灌信号根本发现不了。5. 避坑记录AD7606 采集 FFT 最容易翻车的 5 个细节第一个坑是 RANGE 引脚悬空导致量程不确定。现象AD7606 明明接了 ±5V 输入FFT 出来的幅值却总是接近满量程或者被截断。原因RANGE 引脚内部没有默认上拉或下拉悬空电平不稳定量程在一个不确定的状态。解决直接把这个引脚通过 10kΩ 电阻接到 VCC 或 GND不依赖默认值软件里再核对一次 RANGE_V 的宏定义。这个坑我见过不止一次在仿真环境没问题、上板就飘的情况。第二个坑是 BUSY 信号判断方式不对。现象8 个通道数据中偶尔某一路变成 0xFFFF 或者 0x8000看起来像是随机毛刺。原因是很多开发者在 WAIT_BUSY 状态里用了posedge busy作为触发但 busy 信号进入 ZYNQ IO 后有建立时间问题上电初期可能采到错误的边沿。解决一律用电平判断只用(!busy)进入读数据状态并且在读数据状态里加 1 个时钟周期的稳定延时。从那以后我的代码里几乎不再用 busy 下降沿作为触发条件。第三个坑是 FIFO 溢出导致频谱出现周期性毛刺。现象FFT 结果在某些频点出现异常尖峰而且这些尖峰对应的频率恰好和采样率成整数倍关系。原因是 FIFO 深度太浅DMA 还没来得及发起第二轮搬运时FIFO 已经写满后续数据被丢弃导致时域波形出现缺口。解决把 FIFO 深度加到 2048 以上并且 DMA 采用循环模式让硬件自动持续搬运不要等一个 buffer 传完再启动下一次。第四个坑是采样率和 FFT 点数不匹配导致频率分辨率不足。现象想分析的信号是两个频率相差 5Hz 的成分但 FFT 结果显示成一个峰甚至完全分不开。原因采样率 10000Hz、点数 1024 时分辨率只有约 9.77Hz两个峰间隔小于分辨率就被频谱栅栏效应糊在一起。解决最直接的方法是增大 FFT 点数到 4096 或 8192或者降低采样率。调这个参数之前先算清楚目标频率分辨率和奈奎斯特频率之间的约束不然白做。第五个坑是串口打印数据太多导致整个程序阻塞。现象程序在跑完 FFT 后打印每个 bin 的幅值波特率 115200PS 的串口 FIFO 堵住DMA 缓冲区被新一轮数据覆盖最后打印出来的结果是错乱的。原因8 通道、1024 点 FFT全部打印需要几万字节串口上要几百毫秒这个时间足够 DMA 连续搬好几批数据了。解决我一般只在调试模式打印前 128 个 bin正常模式只打印每个通道的基波频率、基波幅值、THD 这三个参数从根上避免串口变成性能瓶颈。6. 二次开发把频谱分析做成连续监测系统的改造思路跑通单次 FFT 后最自然的改造方向就是把系统从按下启动、打印一次频谱升级成连续监测、异常报警。我的建议是优先做三个改造。第一个改造是给数据加窗函数。现在的实现相当于对时域信号直接做矩形窗截断频谱泄漏明显对幅值精度要求高的场景不适用。在 FFT 之前对每个时域样本乘一个汉宁窗系数即可代码上只增加一行循环频率分辨率会变差一点点但主瓣和旁瓣比明显变好。需要注意加窗后幅值要补一个恢复系数汉宁窗的恢复系数约 2 倍否则幅值读数整体偏低。第二个改造是把 FFT 从软件挪进 PL。PS 软件 FFT 在 1024 点时还能接受升级到 8192 点后功耗和耗时都会明显增加对实时性要求高的场景不友好。ZYNQ PL 里有现成的 FFT IP 核配置成流水线模式后把数据从 AXI DMA 接进 FFT IP结果直接写回 DDRPS 只需要做一次中断处理拿结果。这个改造需要把 FFT IP 挂到 AXI4-Stream 总线上相当于在现有 DMA 链路上再接一段加速器架构上不复杂但需要仔细核对 IP 的输出数据格式和缩放因子。第三个改造是加一个简单的阈值报警逻辑。连续采样时计算出每个通道的基波幅度和总谐波畸变率 THD超过阈值就从 PS 输出一个 GPIO 信号外接一个继电器或者指示灯。这个改造没有新的技术难点麻烦的是阈值的确定需要采集大量正常数据做统计。我自己经历过一个项目设备采样率设成 100kHz 但 FFT 只取 512 点频率分辨率 195Hz两个间隔 150Hz 的振动峰值在频谱图上始终是一个峰折腾了好几天才意识到不是算法问题而是分辨率的数学约束。从那以后我每次改采样率或 FFT 点数都会先写一行频率分辨率换算验证再继续往下走。希望这篇拆解能帮你在 ZYNQ 上少走这些弯路一次把 AD7606 采集和 FFT 流程跑通。本文还有配套的精品资源点击获取

ZYNQ PL+PS协同：AD7606多通道同步采样与FFT频谱分析实现

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