多年來，在超過100個Hackster項目中，我們研究了一些非常深入和復雜的解決方案，從機器人到視覺處理，創(chuàng)建自己的硬件，當然還有涵蓋數(shù)學等概念的項目，以及fpga中的濾波。

在這個項目中，我想回顧一下基礎知識，看看我們?nèi)绾闻c不同類型的開關、按鈕、led和顯示器進行交互，這樣我們就可以了解更多，當我們在其他應用中使用它們時，我們可以最好地解決它們。

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

對于這個項目，我們將使用

?Pmod ENC -正交編碼器

?按鈕

?發(fā)光二極管

我們的目標是教授以下內(nèi)容

?如何消除一個開關的彈跳

?如何閱讀正交編碼器

?如何驅(qū)動led有不同的強度使用脈寬調(diào)制

讓我們開始吧，當然，這些技術和代碼將能夠在任何具有類似開關，顯示器和led的FPGA板上使用。

消除彈跳

Basys 3有兩種開關，一個按鈕和滑塊，當開關被翻轉(zhuǎn)、滑動或按下時，我們正在斷開或建立電氣連接。開關不做一個干凈的即時連接，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)的初始接觸導致被稱為開關彈跳。

開關彈跳如下圖所示，在開關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。

當我們想要在應用程序中對開關進行采樣時，我們需要考慮可能發(fā)生的任何開關反彈。如果不這樣做，就意味著我們可能會多次注冊操作，這將是困難的。

在真實的硬件世界中，開關反彈可能如下所示，這是Basys 3上的一個按鈕開關的示波器捕獲。

通常一個開關可能會反彈幾毫秒，所以我們需要在FPGA中考慮到這一點。

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

如果你不熟悉為什么我們需要同步到時鐘域。這是因為所有寄存器都有一個設置和保持時鐘邊緣的時間，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)，它會隨機恢復到1或0但它與輸入電平?jīng)]有關系。

因此，我們至少使用一個兩級寄存器來同步進入FPGA的信號，該信號未與時鐘同步。這允許第一個寄存器進入亞穩(wěn)態(tài)并在下一個時鐘和更新第二個寄存器之前恢復。這確保了同步器下游的寄存器不會冒著看到亞穩(wěn)態(tài)值和在設計中傳播問題的風險。

因此，我們需要使用這樣的同步器來同步輸入的開關信號。

一旦我們同步了信號，我們就需要消除信號的反彈，因為反彈仍然會通過同步器，它們只是與時鐘同步。

我們可以使用一個簡單的同步器和計數(shù)器來消除開關輸入的反彈

為了測試這段代碼，我們可以創(chuàng)建一個針對Basys 3板的Vivado項目，創(chuàng)建一個新的VHDL文件并模擬它。

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

現(xiàn)在我們已經(jīng)消除了一個開關輸入，我們可以看看如何使用一個更復雜的開關，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的方法，一個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，因為兩個輸出a和B彼此位于90度，例如在正交中。

當開關按時鐘或反時鐘方向旋轉(zhuǎn)時，你會看到A和B的變化，當然你會得到反彈。

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

通常旋轉(zhuǎn)編碼器也有一個按鈕，可用于確認選擇等。

當我們旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)編碼器，我們會得到小故障，可以看到下面，但這些是較短的持續(xù)時間，因為車輪旋轉(zhuǎn)。

注意，使用的編碼器通常是高的，因為它被拉起來。

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。

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項目中，并使用下面的測試臺模擬其行為

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

通過切換設置的斜坡值模擬，我們可以看到計數(shù)增加，然后減少。

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

脈寬調(diào)制

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

PWM信號有兩個關鍵元素

?周期-信號的重復周期

?占空比-多少周期的信號是高的

對于本應用程序，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

而試驗臺將設置幾個不同的PWM輸出

在我們的Vivado項目中運行這個程序顯示如下，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，我們準備將所有這些整合到Vivado設計中，并在硬件上進行測試。

整合設計

為了開始這個，我們將在Vivado創(chuàng)建一個新的框圖項目。在此基礎上，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計。

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LED連接到按鈕開關時，旋轉(zhuǎn)開關被推動。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行測試。

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

總結(jié)

雖然是一個簡單的項目，但我希望這個項目已經(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。在更復雜的解決方案中，與交換機接口和處理反彈可能會導致意外命令的問題。

本文編譯自hackster.io