系统监控器功能，Avalon Microelectronics在其开发的两个Virtex-5 FPGA（XC5VLX330T）中成功使用了此功能。他们在开发板上遇到了一个异常问题，当FPGA执行某些功能时，该问题就会关闭。他们的电源管理软件由于某些电源阈值违规而导致电路板关闭。使用Virtex-5 FPGA系统监视器，他们能够动态查看发生这些违规行为的位置并快速找到解决方案。问题原来是电路板供应商针对其中一种电压对电阻值进行了简单的错误计算稳压器为FPGA供电。他们利用内置工具减少了调试时间，而无需使用昂贵的调试设备。

电子设备中的功耗和电源系统的设计是一项日益复杂的任务。静态电流水平和动态电流需求的增加意味着配电系统中的IR下降更大。工作温度要求需要复杂的散热器和气流测量。Virtex-5 FPGA系统监控器具有片上温度和电压测量功能，可为PCB电源设计的开发，评估，调试，优化和鉴定提供有价值的信息。本文介绍了如何配置系统监控器的外部通道以进行功率监控，并提供了PCB实施建议/指南。

系统监控器概述

Virtex-5 FPGA系统监控器以200千克每秒采样数（kSPS）的模数转换器（ADC）为核心。图1 显示了系统监视器的框图。

1.系统监控器块。

系统监视器允许前所未有的便捷访问重要的片上模拟 FPGA信息。ADC的输入是片上温度和电压传感器。系统监视器使用其17个可用的外部通道，可以测量PCB或外壳的物理环境。控制逻辑实现了常见的监视功能，包括自动通道排序，过滤和警报。所有这些功能都是用户可编程的，可以在运行时通过动态重配置端口（DRP）在FPGA逻辑中访问的寄存器文件接口进行自定义。DRP是标准总线许多Xilinx FPGA模块都提供了该接口。该端口允许以动态方式更新特定块的配置。或者，可通过JTAG测试访问端口（TAP）从外部访问寄存器文件接口。实际上，即使在使用JTAG TAP配置设备之前，也可以访问系统监视器功能。

电源验证

通过提高电源系统对电阻的敏感性，增加的电流需求以及降低的电源电压使电源系统设计复杂化。降低的电源电压意味着降低了电源电压误差的余量。即，容许误差的绝对值与电源电压本身成比例。例如，将1V V CCINT 电源电平的容差指定为±5％或±50mV。在电流需求为5A的情况下，PCB电源系统中的串联电阻仅为10微欧，并且电源标称设置为1V，即交付电源的直流电平 已达到其指定的下限（即0.95V，这是因为当5A通过10微欧的PCB电阻时，稳压器和Virtex-5器件之间的PCB压降为50 mV）。

现代的BGA型封装几乎不可能将物理探针连接到设备的球上。因此，很难确定FPGA接收到的电源的实际电平。系统监视器解决了此问题。首次提供了实际片上电源的精确测量，并且易于使用。系统监视器功能中内置的内部电源传感器允许对V CCINT 和V CCAUX 电源进行片上测量，精度为1％。

在设备裸片上直接测量的电源水平的准确知识，为开发工程师提供了确定所需电源DC设定点所需的关键信息。由于不了解电源和负载之间的电压降，因此该知识消除了建立多余裕量的需要。就功耗而言，电源水平的过大裕量是昂贵的。静态功耗大约与直流电压电平的立方成正比。动态功耗与直流电压电平的平方成正比。例如，直流电源电平降低2％意味着静态功耗大约降低6％，动态功耗大约降低4％。

系统监视器的外部通道可用于测量PCB上某个位置的其他电源。唯一的限制是应用于测量的系统监视器输入的电平必须落在系统监视器的指定输入范围内。图2展示了一个简单的电阻阶梯的实现，以衰减电平超过1V的电源。

2.电源测量。

在图2中，信号在被系统监控器测量之前被衰减5倍，该系统监控器在单极性模式下测量0.5V电平并返回代表该电平的代码。然后将该测量结果缩放5倍，以转换回预期的电源电平。

关于PCB实施，需要注意以下几点：

为了确保精确的衰减，用于创建梯形衰减器的电阻必须精确。 

输入到系统监视器的路由必须以紧密耦合的差分方式完成。保持这些迹线紧密耦合，可以确保任何潜在的噪声拾取都是共模的，并且会被系统监视器以差分方式拒绝。 

除了到系统监视器的输入路径中的任何隐式带宽限制电路之外，还必须在外部模拟输入对上放置一个低通（抗混叠）滤波器网络，并尽可能靠近设备引脚。该滤波器旨在衰减进入ADC的高频成分并限制测量结果。

与所有系统监视器输出一样，该数据可通过JTAG TAP获得。即使在FPGA位流最终确定之前，PCB的标准JTAG基础设施也可用于评估原型电源系统的完整性。当然，在评估IR下降时，需要在存在当前需求时进行测量。

实时V CCINT 功率测量

在系统设计的开发/评估阶段，System Monitor应用程序与外部分流电阻配合使用，对于V CCINT 电源的功率测量非常有用。如图3所示，可以轻松设置此测量。

3. V CCINT 功率测量。

系统监视器可用于测量跨低欧姆精密并联电阻器下降的电压（V KELVIN）。使用已知的R SHUNT 和 分流器上的V KELVIN由系统监控器精确测量， 即可确定I CCINT的值。对于V P 小于或等于1.1V的值，应在系统监视器的双极模式下进行测量。

计算示例：

ř SHUNT =为10mΩ

V KELVIN = 100毫伏（由系统监视器测量）

V CCINT = 1V（由系统监视器测量）

在这种情况下，系统监控器会测量分流电阻两端的压降为100 mV。

V KELVIN = I CCINT ×R SHUNT

=> I CCINT = V KELVIN / R SHUNT

=> I CCINT = 100 mV / 10mΩ

=> I CCINT = 10A

P CCINT = V CCINT ×I CCINT

=> P CCINT = 1V×10A

=> P CCINT = 10W

系统监视器使用10位ADC来测量VKELVIN，使其达到1位的分辨率或相对精度（约满量程的0.1％或1 mV）。因此，在前面的示例中，此1 mV在电流和功率测量中为1％（1 mv / 100 mV）。

这里没有记录其他通过带有精密电阻器的仪表放大器对V KELVIN信号进行预处理的外部方法，但是可以用来将1 mV的电压降低至小于测量范围的1％。

在PCB上安装此传感器时，重要的是通过电源补偿分流电阻两端的压降。这样可确保FPGA在其V CCINT 输入处接收正确的电压电平。这可以通过使用电源的感应输入来测量 负载点处的V CCINT值来实现。系统监控器对V CCINT的直流电平的片上测量 可用于通知电源的设定点。

与所有外部测量实施一样，有必要确保以紧密耦合的差分方式将输入路由到系统监视器，并具有抗混叠滤波器以减少共模噪声源的影响。利用准确的结温数据估算静态功耗，可以使用

用于结温测量的外部解决方案；例如，热敏二极管监控器可以提供准确的芯片温度测量。但是，除了对外部监视设备本身的要求外，该解决方案可能难以应用，并且对噪声和其他实现细节敏感。系统监视器的集成温度传感器消除了这些麻烦。

系统监视器的集成温度传感器为用户提供了准确的芯片中心结温测量。通过结构或JTAG TAP方便地访问此数据，完全意味着避免进行不干扰的测量以及避免气流或其他环境条件的干扰。

器件结温的知识在开发/评估阶段具有明显的优势。在调试情况下，监视温度变化并将异常温度波动的时间与设计或系统中发生的事件相关联可以提供一种出色的设计工具。在大电流需求期间可以监控温度，从而可以更快地诊断潜在问题。

由于设计必须满足功耗预算，因此了解实际器件结温对于确定设计的功耗至关重要（另请参见Xilinx白皮书wp246.pdf）。

通常，在进行功耗估算时，不会适当考虑静态功耗与温度之间的指数关系。由于实际的器件结温未知，通常会假设不切实际的静态功耗估算。使用系统监视器的许多客户对设计中达到的结温感到惊讶。一些设计显示静态功耗和动态功耗之间为50/50的关系，因此更加需要精确估算静态功耗。如图4所示，根据环境或外部探测对结温进行外推/投影可能非常不准确。使用系统监视器可以消除此不确定性。

4.归一化泄漏电流与器件结温的关系。

“设置并忘记”环境监视

对于环境条件的背景监视系统是系统调试或运行时场景中的另一个有用功能。系统监视器在其内部传感器通道上集成了用户可定制的警报系统。该系统能够在温度过高或过高/过低的情况下自动生成警报信号。警报的阈值设置是用户定义的。警报信号在FPGA逻辑中可用。通过将警报输出信号连接到板载错误LED上，可以实现该功能的简单使用模型。涉及更多的使用模型在处理器控制的系统管理解决方案中使用警报功能。

环境条件的图形显示

熟悉ChipScope Pro调试工具的用户知道，它可以将逻辑分析仪，总线分析仪或虚拟I / O薄型软件内核直接插入设计中以查看内部信号或节点。ChipScope Pro工具还支持访问Virtex-5 FPGA系统监视器功能。在ChipScope Pro工具中，用户不仅可以捕获设计的逻辑状态，还可以捕获芯片上物理环境的图像，甚至可以捕获更多物理环境的图像，具体取决于系统监视器外部通道的利用率。调用ChipScope Pro工具后，它会自动检测JTAG链上是否存在系统监视器，并使用户可以使用控制台访问该功能（请参见图5）。

5.使用ChipScope Pro over JTAG访问系统监视器。

在默认模式下，ChipScope Pro工具的System Monitor控制台（图6）绘制 通过内部传感器测得的温度，V CCAUX 和V CCINT数据。除此数据外，控制台还允许用户在任何给定时刻显示系统监视器的任何一个外部通道。ChipScope Pro工具还提供了带有时间戳的数据记录工具，以进一步分析这些测量结果。系统监视器提供的温度和电压数据在开发，调试和评估方案中非常有用。对该资源的访问几乎不需要设计工作。

6. ChipScope Pro工具的系统监视器控制台。

除了绘图和数据记录功能外，ChipScope Pro工具还提供了通过JTAG TAP对系统监视器的寄存器文件接口的完全读/写访问。通电后即可使用此访问权限。通过ChipScope Pro工具访问系统监视器不需要任何FPGA配置。ChipScope Pro工具界面允许用户自定义整套系统监视器功能。

结束语

Virtex-5 FPGA独特的系统监控器功能可提供易于访问且有价值的模拟数据，所需的设计工作量最少。在开发/原型/评估阶段可以利用的这些数据代表了开发工程师的真实价值主张，因为它提供了对电源系统的独特见解。可以监控配电系统中的IR降，并可以快速识别电源或PCB实施中的潜在问题。

JTAG TAP以及ChipScope Pro工具允许以快速，便捷和高效的方式完全访问系统监视器功能。系统监控器的温度感测功能可准确测量实际设备的结温，以用于确定实际的功耗估算。系统监视器功能与外部分流电阻器配合使用，可以测量V CCINT 电源上的功耗。