用FPGA做正交解码

FPGA非常适合用逻辑来实现正交解码的功能。

什么是正交信号？

正交信号是两个相位差为90度的信号。它们在机械系统中用于确定轴的运动（或旋转）。

这是一个向前移动几步的轴。

如果对脉冲计数，则可以说轴移动了3步。如果计算边缘，则可以说轴移动了12步。这就是我们在此页面上所做的。

现在，轴向后移动了相同的量。

因此，想法是通过查看边缘和水平，我们可以确定运动的方向和距离。这是一个示例，其中轴向前移动10步，然后向后移动7步。

它们在哪里使用？

• 在机械手轴中，用于反馈控制。
• 用旋钮确定用户输入。
• 在电脑鼠标中，确定运动方向。

如果您打开机械鼠标，则会看到以下内容。

有两个光学正交编码器，每个编码器由开槽轮，光发射器和一对光电探测器制成。鼠标包括负责正交解码和串行/ PS2接口的IC。由于创建正交解码器（在FPGA中）比串行或PS2接口要容易得多，因此我们修改了鼠标，并用四缓冲器施密特触发器输入IC替换了原始IC。

我们使用CD4093，每个NAND门的输入连接在一起形成反相器。现在，鼠标输出正交编码信号！

正交解码器

我们要实现一个根据正交信号递增或递减的计数器。我们假设有一个比正交信号快的“过采样时钟”（在此页面中称为“ clk”）。控制计数器的硬件电路非常简单。

这是轴向前移动的波形，计数器会递增。

该电路有时称为“ 4x解码器”，因为它会计算正交输入的所有跃迁。在verilog HDL中，这为我们提供了：

modulequad(clk,quadA,quadB,count); inputclk,quadA,quadB; output[7:0]count; regquadA_delayed,quadB_delayed; always@(posedgeclk)quadA_delayed<=quadA; always@(posedgeclk)quadB_delayed<=quadB; wirecount_enable=quadA^quadA_delayed^quadB^quadB_delayed; wirecount_direction=quadA^quadB_delayed; reg[7:0]count; always@(posedgeclk)begin if(count_enable) begin if(count_direction)count<=count+1; elsecount<=count-1; endendendmodule

实际生活中的电路

先前的电路假定“ quadX”输入与“ clk”时钟同步。在大多数情况下，“ quadX”信号与FPGA时钟不同步。经典解决方案是每个输入使用2个额外的D触发器，以避免将亚稳性引入计数器。

modulequad(clk,quadA,quadB,count); inputclk,quadA,quadB; output[7:0]count; reg[2:0]quadA_delayed,quadB_delayed; always@(posedgeclk)quadA_delayed<={quadA_delayed[1:0],quadA}; always@(posedgeclk)quadB_delayed<={quadB_delayed[1:0],quadB}; wirecount_enable=quadA_delayed[1]^quadA_delayed[2]^quadB_delayed[1]^quadB_delayed[2]; wirecount_direction=quadA_delayed[1]^quadB_delayed[2]; reg[7:0]count; always@(posedgeclk)begin if(count_enable) begin if(count_direction)count<=count+1; elsecount<=count-1; endendendmodule

总之，创建正交解码器/计数器所需的硬件很少。FPGA可以容纳多个轴，因此可以同时跟踪多个轴。