基于旋轉(zhuǎn)編碼器的調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

• 任務(wù)：基于 STEP-MAX10M08核心板 和 STEP BaseBoard V3.0底板 完成旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)并觀察調(diào)試結(jié)果
• 要求：轉(zhuǎn)動(dòng)底板上的旋轉(zhuǎn)編碼器，調(diào)整核心板數(shù)碼管數(shù)值在0~99之間變化，右旋增加，左旋減小。
• 解析：通過FPGA編程驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)編碼器獲取操作信息，根據(jù)操作信息控制變量增加或減小，最后驅(qū)動(dòng)獨(dú)立式數(shù)碼管將變量顯示出來。

根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)解析我們可以得知，該設(shè)計(jì)可以拆分成三個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)，

• Encoder：通過驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)編碼器獲取操作信息數(shù)據(jù)。
• Decoder：根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器操作信息控制變量在0~99范圍內(nèi)加減變化。
• Segment_led：通過驅(qū)動(dòng)核心板獨(dú)立數(shù)碼管將變量數(shù)據(jù)顯示在數(shù)碼管上。

頂層模塊Amp_Adjust通過實(shí)例化三個(gè)子模塊并將對(duì)應(yīng)的信號(hào)連接，最終實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。

旋轉(zhuǎn)編碼器（rotary encoder）也稱為軸編碼器，是將旋轉(zhuǎn)位置或旋轉(zhuǎn)量轉(zhuǎn)換成模擬或數(shù)字信號(hào)的機(jī)電設(shè)備。旋轉(zhuǎn)編碼器用在許多需要精確旋轉(zhuǎn)位置及速度的場(chǎng)合，如工業(yè)控制、機(jī)器人技術(shù)、專用鏡頭、電腦輸入設(shè)備（如鼠標(biāo)及軌跡球）等。 旋轉(zhuǎn)編碼器以碼盤刻孔方式不同分為：絕對(duì)式和增量式兩類。

• 絕對(duì)式編碼器：具有多個(gè)不同二進(jìn)制權(quán)重的代碼環(huán)，每個(gè)不同角度產(chǎn)生一個(gè)獨(dú)特的數(shù)字代碼，表示編碼器的絕對(duì)位置
• 增量式編碼器：旋轉(zhuǎn)過程中提供周期性輸出，不能定位絕對(duì)位置，只能用于感知運(yùn)動(dòng)方向和增量

STEP BaseBoard V3.0底板上集成的旋轉(zhuǎn)編碼器就是機(jī)械增量式的。

STEP BaseBoard V3.0底板上旋轉(zhuǎn)編碼器的電路圖如下：

我們使用的旋轉(zhuǎn)編碼器為EC11系列的，支持按動(dòng)開關(guān)，共有5個(gè)管腳，

• 1、2管腳支持按動(dòng)開關(guān)，就像我們之前用到的獨(dú)立按鍵連接方式，
• 3、4、5管腳支持旋轉(zhuǎn)編碼，4腳為公共端，3、5管腳分別為旋轉(zhuǎn)編碼器的A、B相輸出，如上圖所示，我們給4腳接地，3、5管腳則需要接上拉電阻，同時(shí)為了降低輸出脈沖信號(hào)的抖動(dòng)干擾，我們有增加了電容到地做硬件去抖。

上圖是機(jī)械增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的原理示意圖，中間圓形齒輪連接到旋轉(zhuǎn)編碼器的公共端4管腳，STEP BaseBoard V3.0底板上我們將之接地處理，A、B兩個(gè)觸點(diǎn)連接到旋轉(zhuǎn)編碼器的A、B相輸出端3、5管腳，當(dāng)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作時(shí)，A、B觸點(diǎn)會(huì)先后接觸和錯(cuò)開圓形齒輪，從而導(dǎo)致A、B相輸出信號(hào)產(chǎn)生相位不同的脈沖信號(hào)：

• 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，A觸點(diǎn)超前于B觸點(diǎn)接觸和錯(cuò)開圓形齒輪，A信號(hào)脈沖相位超前
• 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，B觸點(diǎn)超前于A觸點(diǎn)接觸和錯(cuò)開圓形齒輪，B信號(hào)脈沖相位超前

根據(jù)時(shí)序圖可以看出旋轉(zhuǎn)編碼器順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，A相信號(hào)超前或滯后B相信號(hào)，FPGA接收到旋轉(zhuǎn)編碼器的A、B信號(hào)時(shí)，可以根據(jù)A、B的狀態(tài)組合判定編碼器的旋轉(zhuǎn)方向。 程序設(shè)計(jì)中我們可以對(duì)A、B信號(hào)檢測(cè)，檢測(cè)A信號(hào)的邊沿及B信號(hào)的狀態(tài)，

• 當(dāng)A信號(hào)上升沿時(shí)B信號(hào)為低電平，或當(dāng)A信號(hào)下降沿時(shí)B信號(hào)為高電平，證明當(dāng)前編碼器為順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)
• 當(dāng)A信號(hào)上升沿時(shí)B信號(hào)為高電平，或當(dāng)A信號(hào)下降沿時(shí)B信號(hào)為低電平，證明當(dāng)前編碼器為逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)

以上就是我們旋轉(zhuǎn)編碼器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的總體思路，下面我們就通過編程來實(shí)現(xiàn)它。

前面電路連接部分我們使用了兩個(gè)電容對(duì)A、B信號(hào)作去抖處理，可以起到一定的效果，為了驅(qū)動(dòng)更加穩(wěn)定，我們?cè)诔绦蛑性俸?jiǎn)單處理一下，先對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘分頻得到2KHz的時(shí)鐘，然后在2KHz時(shí)鐘的節(jié)拍下對(duì)A、B信號(hào)采樣，三級(jí)鎖存消除亞穩(wěn)態(tài)

對(duì)A信號(hào)采樣程序?qū)崿F(xiàn)如下（對(duì)B信號(hào)一樣）：

reg	key_a_r,key_a_r1,key_a_r2;//消除亞穩(wěn)態(tài)always@(posedge clk_500us) begin
	key_a_r		<=	key_a;
	key_a_r1	<=	key_a_r;
	key_a_r2	<=	key_a_r1;end

然后簡(jiǎn)單去抖處理程序?qū)崿F(xiàn)如下（對(duì)B信號(hào)一樣）：

reg	A_state;//簡(jiǎn)單去抖動(dòng)處理
always@(key_a_r1 or key_a_r2) begin
	case({key_a_r1,key_a_r2})
		2'b11:	A_state <= 1'b1;
		2'b00:	A_state <= 1'b0;
		default: A_state <= A_state;
	endcaseend

檢測(cè)A信號(hào)的邊沿程序?qū)崿F(xiàn)如下：

reg A_state_r,A_state_r1;//對(duì)A_state信號(hào)進(jìn)行邊沿檢測(cè)
always@(posedge clk) begin
	A_state_r <= A_state; 
	A_state_r1 <= A_state_r;
	end
	wire	A_pos	= (!A_state_r1) && A_state_r;
	wire	A_neg	= A_state_r1 && (!A_state_r);

最后根據(jù)A信號(hào)邊沿與B信號(hào)的狀態(tài)組合判定旋轉(zhuǎn)的信息，

逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)脈沖輸出程序?qū)崿F(xiàn)如下：

//當(dāng)A的上升沿伴隨B的高電平或當(dāng)A的下降沿伴隨B的低電平 為向左旋轉(zhuǎn)
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
	if(!rst_n) L_pulse <= 1'b0;
	else if((A_pos&&B_state)||(A_neg&&(!B_state))) L_pulse <= 1'b1;
	else L_pulse <= 1'b0;
	end  //當(dāng)A的上升沿伴隨B的低電平或當(dāng)A的下降沿伴隨B的高電平 為向右旋轉(zhuǎn)
	always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
	if(!rst_n) R_pulse <= 1'b0;
	else if((A_pos&&(!B_state))||(A_neg&&B_state)) R_pulse <= 1'b1;
	else R_pulse <= 1'b0;
	end

所以通過上面程序最終實(shí)現(xiàn)了左旋右旋的脈沖輸出，脈沖的脈寬等于系統(tǒng)時(shí)鐘的周期。

回顧旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架，剛剛我們已經(jīng)學(xué)習(xí)完成了旋轉(zhuǎn)編碼器的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，在基礎(chǔ)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)部分我們已經(jīng)掌握了FPGA驅(qū)動(dòng)獨(dú)立顯示數(shù)碼管的原理及方法， 模塊通過一個(gè)4位的輸入傳遞要顯示的數(shù)值，通過9位的輸出控制數(shù)碼管顯示該數(shù)值，這里我們不再重復(fù)，還需要設(shè)計(jì)一個(gè)模塊，通過旋轉(zhuǎn)編碼器模塊脈沖輸出控制變量在0~99范圍內(nèi)加減變化。

關(guān)于BCD碼在基礎(chǔ)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)部分已經(jīng)接觸過，BCD碼(Binarycoded Decimal)，是用4位二進(jìn)制碼的組合代表十進(jìn)制數(shù)的碼制方法，這樣顯示更符合人的閱讀習(xí)慣，所以BCD數(shù)值變化要求滿9進(jìn)1。

脈沖控制變量在0~99范圍變化，左旋減，右旋加，程序?qū)崿F(xiàn)如下

//key_pulse transfer to seg_dataalways@(posedge clk or negedge rst_n) begin
	if(!rst_n) begin
		seg_data <= 8'h50;
	end else begin
		if(L_pulse) begin
			if(seg_data[3:0]==4'd0) begin
				seg_data[3:0] <= 4'd9;
				if(seg_data[7:4]==4'd0) seg_data[7:4] <= 4'd9;
				else seg_data[7:4] <= seg_data[7:4] - 1'b1;
			end else seg_data[3:0] <= seg_data[3:0] - 1'b1;
		end else if(R_pulse) begin
			if(seg_data[3:0]==4'd9) begin
				seg_data[3:0] <= 4'd0;
				if(seg_data[7:4]==4'd9) seg_data[7:4] <= 4'd0;
				else seg_data[7:4] <= seg_data[7:4] + 1'b1;
			end else seg_data[3:0] <= seg_data[3:0] + 1'b1;
		end else begin
			seg_data <= seg_data;
		end
	end
	end

綜合后的設(shè)計(jì)框圖如下：

1. 雙擊打開Quartus Prime工具軟件；
2. 新建工程：File → New Project Wizard（工程命名，工程目錄選擇，設(shè)備型號(hào)選擇，EDA工具選擇）；
3. 新建文件：File → New → Verilog HDL File，鍵入設(shè)計(jì)代碼并保存；
4. 設(shè)計(jì)綜合：雙擊Tasks窗口頁(yè)面下的Analysis & Synthesis對(duì)代碼進(jìn)行綜合；
5. 管腳約束：Assignments → Assignment Editor，根據(jù)項(xiàng)目需求分配管腳；
6. 設(shè)計(jì)編譯：雙擊Tasks窗口頁(yè)面下的Compile Design對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行整體編譯并生成配置文件；
7. 程序燒錄：點(diǎn)擊Tools → Programmer打開配置工具，Program進(jìn)行下載；
8. 觀察設(shè)計(jì)運(yùn)行結(jié)果。

將程序下載到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，核心板數(shù)碼管顯示50，旋轉(zhuǎn)編碼器左旋（逆時(shí)針）數(shù)值減小，旋轉(zhuǎn)編碼器右旋（順時(shí)針）數(shù)值增加，旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)時(shí)有頓挫感，每次頓挫數(shù)值變化1。