基于旋轉編碼器的調節系統設計

• 任務：基于 STEP-MAX10M08核心板 和 STEP BaseBoard V3.0底板 完成旋轉調節系統設計并觀察調試結果
• 要求：轉動底板上的旋轉編碼器，調整核心板數碼管數值在0~99之間變化，右旋增加，左旋減小。
• 解析：通過FPGA編程驅動旋轉編碼器獲取操作信息，根據操作信息控制變量增加或減小，最后驅動獨立式數碼管將變量顯示出來。

在基礎數字電路實驗部分我們已經掌握了FPGA驅動獨立顯示數碼管的原理及方法，本實驗主要學習旋轉編碼器的驅動原理，最后完成旋轉調節系統總體設計。

• 熟悉獨立顯示數碼管驅動模塊的應用
• 掌握旋轉編碼器的工作原理及驅動方法
• 完成旋轉調節系統總體設計

根據前面的實驗解析我們可以得知，該設計可以拆分成三個功能模塊實現，

• Encoder：通過驅動旋轉編碼器獲取操作信息數據。
• Decoder：根據旋轉編碼器操作信息控制變量在0~99范圍內加減變化。
• Segment_led：通過驅動核心板獨立數碼管將變量數據顯示在數碼管上。

頂層模塊Amp_Adjust通過實例化三個子模塊并將對應的信號連接，最終實現旋轉調節系統的總體設計。

旋轉編碼器（rotary encoder）也稱為軸編碼器，是將旋轉位置或旋轉量轉換成模擬或數字信號的機電設備。旋轉編碼器用在許多需要精確旋轉位置及速度的場合，如工業控制、機器人技術、專用鏡頭、電腦輸入設備（如鼠標及軌跡球）等。 旋轉編碼器以碼盤刻孔方式不同分為：絕對式和增量式兩類。

• 絕對式編碼器：具有多個不同二進制權重的代碼環，每個不同角度產生一個獨特的數字代碼，表示編碼器的絕對位置
• 增量式編碼器：旋轉過程中提供周期性輸出，不能定位絕對位置，只能用于感知運動方向和增量

STEP BaseBoard V3.0底板上集成的旋轉編碼器就是機械增量式的。

STEP BaseBoard V3.0底板上旋轉編碼器的電路圖如下：

我們使用的旋轉編碼器為EC11系列的，支持按動開關，共有5個管腳，

• 1、2管腳支持按動開關，就像我們之前用到的獨立按鍵連接方式，
• 3、4、5管腳支持旋轉編碼，4腳為公共端，3、5管腳分別為旋轉編碼器的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，同時為了降低輸出脈沖信號的抖動干擾，我們有增加了電容到地做硬件去抖。

上圖是機械增量式旋轉編碼器的原理示意圖，中間圓形齒輪連接到旋轉編碼器的公共端4管腳，STEP BaseBoard V3.0底板上我們將之接地處理，A、B兩個觸點連接到旋轉編碼器的A、B相輸出端3、5管腳，當進行旋轉操作時，A、B觸點會先后接觸和錯開圓形齒輪，從而導致A、B相輸出信號產生相位不同的脈沖信號：

• 順時針旋轉時，A觸點超前于B觸點接觸和錯開圓形齒輪，A信號脈沖相位超前
• 逆時針旋轉時，B觸點超前于A觸點接觸和錯開圓形齒輪，B信號脈沖相位超前

根據時序圖可以看出旋轉編碼器順時針或逆時針旋轉時，A相信號超前或滯后B相信號，FPGA接收到旋轉編碼器的A、B信號時，可以根據A、B的狀態組合判定編碼器的旋轉方向。 程序設計中我們可以對A、B信號檢測，檢測A信號的邊沿及B信號的狀態，

• 當A信號上升沿時B信號為低電平，或當A信號下降沿時B信號為高電平，證明當前編碼器為順時針轉動
• 當A信號上升沿時B信號為高電平，或當A信號下降沿時B信號為低電平，證明當前編碼器為逆時針轉動

以上就是我們旋轉編碼器驅動設計的總體思路，下面我們就通過編程來實現它。

前面電路連接部分我們使用了兩個電容對A、B信號作去抖處理，可以起到一定的效果，為了驅動更加穩定，我們在程序中再簡單處理一下，先對系統時鐘分頻得到2KHz的時鐘，然后在2KHz時鐘的節拍下對A、B信號采樣，三級鎖存消除亞穩態

對A信號采樣程序實現如下（對B信號一樣）：

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

然后簡單去抖處理程序實現如下（對B信號一樣）：

reg	A_state;//簡單去抖動處理
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A信號的邊沿程序實現如下：

reg A_state_r,A_state_r1;//對A_state信號進行邊沿檢測
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A信號邊沿與B信號的狀態組合判定旋轉的信息，

逆時針旋轉脈沖輸出程序實現如下：

//當A的上升沿伴隨B的高電平或當A的下降沿伴隨B的低電平 為向左旋轉
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A的上升沿伴隨B的低電平或當A的下降沿伴隨B的高電平 為向右旋轉
	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現了左旋右旋的脈沖輸出，脈沖的脈寬等于系統時鐘的周期。

回顧旋轉調節系統設計框架，剛剛我們已經學習完成了旋轉編碼器的驅動設計，在基礎數字電路實驗部分我們已經掌握了FPGA驅動獨立顯示數碼管的原理及方法， 模塊通過一個4位的輸入傳遞要顯示的數值，通過9位的輸出控制數碼管顯示該數值，這里我們不再重復，還需要設計一個模塊，通過旋轉編碼器模塊脈沖輸出控制變量在0~99范圍內加減變化。

關于BCD碼在基礎數字電路實驗部分已經接觸過，BCD碼(Binarycoded Decimal)，是用4位二進制碼的組合代表十進制數的碼制方法，這樣顯示更符合人的閱讀習慣，所以BCD數值變化要求滿9進1。

脈沖控制變量在0~99范圍變化，左旋減，右旋加，程序實現如下

//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

綜合后的設計框圖如下：

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，設備型號選擇，EDA工具選擇）；
3. 新建文件：File → New → Verilog HDL File，鍵入設計代碼并保存；
4. 設計綜合：雙擊Tasks窗口頁面下的Analysis & Synthesis對代碼進行綜合；
5. 管腳約束：Assignments → Assignment Editor，根據項目需求分配管腳；
6. 設計編譯：雙擊Tasks窗口頁面下的Compile Design對設計進行整體編譯并生成配置文件；
7. 程序燒錄：點擊Tools → Programmer打開配置工具，Program進行下載；
8. 觀察設計運行結果。

將程序下載到實驗平臺，核心板數碼管顯示50，旋轉編碼器左旋（逆時針）數值減小，旋轉編碼器右旋（順時針）數值增加，旋轉編碼器旋轉時有頓挫感，每次頓挫數值變化1。