通過使用Basys 3開發(fā)來回顧FPGA設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)以及與簡單執(zhí)行器的接口

多年來，在超過100個(gè)Hackster項(xiàng)目中，我們研究了一些非常深入和復(fù)雜的解決方案，從機(jī)器人到視覺處理，創(chuàng)建自己的硬件，當(dāng)然還有涵蓋數(shù)學(xué)等概念的項(xiàng)目，以及fpga中的濾波。

在這個(gè)項(xiàng)目中，我想回顧一下基礎(chǔ)知識(shí)，看看我們?nèi)绾闻c不同類型的開關(guān)、按鈕、led和顯示器進(jìn)行交互，這樣我們就可以了解更多，當(dāng)我們?cè)谄渌麘?yīng)用中使用它們時(shí)，我們可以最好地解決它們。

所以在這個(gè)項(xiàng)目中，我們將使用Basys 3開發(fā)板以及一些Pmods來提供額外的接口。

對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，我們將使用

?Pmod ENC -正交編碼器

?按鈕

?發(fā)光二極管

我們的目標(biāo)是教授以下內(nèi)容

?如何消除一個(gè)開關(guān)的彈跳

?如何閱讀正交編碼器

?如何驅(qū)動(dòng)led有不同的強(qiáng)度使用脈寬調(diào)制

讓我們開始吧，當(dāng)然，這些技術(shù)和代碼將能夠在任何具有類似開關(guān)，顯示器和led的FPGA板上使用。

消除彈跳

Basys 3有兩種開關(guān)，一個(gè)按鈕和滑塊，當(dāng)開關(guān)被翻轉(zhuǎn)、滑動(dòng)或按下時(shí)，我們正在斷開或建立電氣連接。開關(guān)不做一個(gè)干凈的即時(shí)連接，而是在穩(wěn)定之前，他們先斷斷續(xù)續(xù)地接觸。這種斷斷續(xù)續(xù)的初始接觸導(dǎo)致被稱為開關(guān)彈跳。

開關(guān)彈跳如下圖所示，在開關(guān)打開或斷開之后有許多過渡。反彈可能是全振幅或部分振幅反彈。

當(dāng)我們想要在應(yīng)用程序中對(duì)開關(guān)進(jìn)行采樣時(shí)，我們需要考慮可能發(fā)生的任何開關(guān)反彈。如果不這樣做，就意味著我們可能會(huì)多次注冊(cè)操作，這將是困難的。

在真實(shí)的硬件世界中，開關(guān)反彈可能如下所示，這是Basys 3上的一個(gè)按鈕開關(guān)的示波器捕獲。

通常一個(gè)開關(guān)可能會(huì)反彈幾毫秒，所以我們需要在FPGA中考慮到這一點(diǎn)。

值得慶幸的是，在使用fpga中的開關(guān)時(shí)，我們可以使用幾種技術(shù)來消除它們的反彈。所有這些都包括使用同步設(shè)計(jì)，因此我們需要做的第一件事是將開關(guān)輸入同步到正確的時(shí)鐘域。

如果你不熟悉為什么我們需要同步到時(shí)鐘域。這是因?yàn)樗屑拇嫫鞫加幸粋€(gè)設(shè)置和保持時(shí)鐘邊緣的時(shí)間，它更新寄存器。

如果輸入在此窗口內(nèi)發(fā)生變化，則寄存器的輸出將變?yōu)閬喎€(wěn)態(tài)。這意味著在1和0之間的狀態(tài)，它會(huì)隨機(jī)恢復(fù)到1或0但它與輸入電平?jīng)]有關(guān)系。

因此，我們至少使用一個(gè)兩級(jí)寄存器來同步進(jìn)入FPGA的信號(hào)，該信號(hào)未與時(shí)鐘同步。這允許第一個(gè)寄存器進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)并在下一個(gè)時(shí)鐘和更新第二個(gè)寄存器之前恢復(fù)。這確保了同步器下游的寄存器不會(huì)冒著看到亞穩(wěn)態(tài)值和在設(shè)計(jì)中傳播問題的風(fēng)險(xiǎn)。

因此，我們需要使用這樣的同步器來同步輸入的開關(guān)信號(hào)。

一旦我們同步了信號(hào)，我們就需要消除信號(hào)的反彈，因?yàn)榉磸椚匀粫?huì)通過同步器，它們只是與時(shí)鐘同步。

我們可以使用一個(gè)簡單的同步器和計(jì)數(shù)器來消除開關(guān)輸入的反彈

為了測(cè)試這段代碼，我們可以創(chuàng)建一個(gè)針對(duì)Basys 3板的Vivado項(xiàng)目，創(chuàng)建一個(gè)新的VHDL文件并模擬它。

我們將看到如下波形，其中輸入開關(guān)改變狀態(tài)，它使用兩個(gè)寄存器同步，然后在輸入輸出之前等待10毫秒。

現(xiàn)在我們已經(jīng)消除了一個(gè)開關(guān)輸入，我們可以看看如何使用一個(gè)更復(fù)雜的開關(guān)，如旋轉(zhuǎn)編碼器。

旋轉(zhuǎn)編碼器

旋轉(zhuǎn)編碼器是一種快速切換不同選項(xiàng)的方法，一個(gè)常見的例子是使用它的旋轉(zhuǎn)來控制LED或顯示屏的亮度。

它通常也被稱為正交編碼器，因?yàn)閮蓚€(gè)輸出a和B彼此位于90度，例如在正交中。

當(dāng)開關(guān)按時(shí)鐘或反時(shí)鐘方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，你會(huì)看到A和B的變化，當(dāng)然你會(huì)得到反彈。

根據(jù)兩個(gè)輸出A或B中哪一個(gè)有第一條邊，我們可以確定旋轉(zhuǎn)的方向。

通常旋轉(zhuǎn)編碼器也有一個(gè)按鈕，可用于確認(rèn)選擇等。

當(dāng)我們旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)編碼器，我們會(huì)得到小故障，可以看到下面，但這些是較短的持續(xù)時(shí)間，因?yàn)檐囕喰D(zhuǎn)。

注意，使用的編碼器通常是高的，因?yàn)樗焕饋怼?

為了讀取編碼器并確定旋轉(zhuǎn)方向，我們可以使用邊緣檢測(cè)。

下面的代碼示例允許我們根據(jù)表盤的旋轉(zhuǎn)方向增加或減少向量值。

我們可以將其添加到我們的Vivado項(xiàng)目中，并使用下面的測(cè)試臺(tái)模擬其行為

運(yùn)行模擬，您可以看到計(jì)數(shù)隨著編碼器旋轉(zhuǎn)的變化而增加，然后減少。

通過切換設(shè)置的斜坡值模擬，我們可以看到計(jì)數(shù)增加，然后減少。

現(xiàn)在我們有兩個(gè)元素，我們需要我們的LED調(diào)光電路。下一個(gè)要素是創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)電路。

脈寬調(diào)制

脈寬調(diào)制是偉大的提供可變功率負(fù)載和重建模擬信號(hào)與簡單的后處理與R和C。

PWM信號(hào)有兩個(gè)關(guān)鍵元素

?周期-信號(hào)的重復(fù)周期

?占空比-多少周期的信號(hào)是高的

對(duì)于本應(yīng)用程序，我們將使用50Hz PWM周期，并使用旋轉(zhuǎn)編碼器使PWM周期可控。

PWM的代碼是

而試驗(yàn)臺(tái)將設(shè)置幾個(gè)不同的PWM輸出

在我們的Vivado項(xiàng)目中運(yùn)行這個(gè)程序顯示如下，我們可以看到脈沖寬度隨著輸入需求的改變而改變。

現(xiàn)在，我們準(zhǔn)備將所有這些整合到Vivado設(shè)計(jì)中，并在硬件上進(jìn)行測(cè)試。

整合設(shè)計(jì)

為了開始這個(gè)，我們將在Vivado創(chuàng)建一個(gè)新的框圖項(xiàng)目。在此基礎(chǔ)上，我們將添加剛剛創(chuàng)建的RTL課程代碼。

通過將IP核添加到框圖中，我們能夠創(chuàng)建頂層包裝器并綜合設(shè)計(jì)。

我已經(jīng)將旋轉(zhuǎn)編碼器連接到A和B輸入，旋轉(zhuǎn)編碼器還包括1毫秒的彈跳鎖定。我還稍微更改了代碼，每次旋轉(zhuǎn)增加/減少8，以停止需要256次調(diào)整。

我還增加了第二個(gè)LED連接到按鈕開關(guān)時(shí)，旋轉(zhuǎn)開關(guān)被推動(dòng)。這是連接到消跳電路。

讓Vivado管理包裝器

一旦合成完成，我們就可以在XDC文件中分配IO

一旦比特流完成，我們就可以下載并在硬件上進(jìn)行測(cè)試。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器改變時(shí)，我們可以看到ILA上的LED值發(fā)生變化。

總結(jié)

雖然是一個(gè)簡單的項(xiàng)目，但我希望這個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)提供了信息和有用的，特別是如果你剛剛開始你的FPGA之旅。在更復(fù)雜的解決方案中，與交換機(jī)接口和處理反彈可能會(huì)導(dǎo)致意外命令的問題。

本文編譯自hackster.io