本文為明德?lián)P原創(chuàng)及錄用文章，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處！
1.1 總體設(shè)計(jì)
1.1.1 概述
學(xué)習(xí)了明德?lián)P至簡(jiǎn)設(shè)計(jì)法和明德?lián)P設(shè)計(jì)規(guī)范，本人設(shè)計(jì)了一個(gè)基于FPGA的可調(diào)頻調(diào)相而且可以輸出不同波形的DDS信號(hào)發(fā)生器。該信號(hào)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)了通過按鍵控制輸出不同類型的波形，并可以通過按鍵改變波形頻率和初始相位。將此設(shè)計(jì)與明德?lián)P的波形采集設(shè)計(jì)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)示波器功能，并且還可拓展實(shí)現(xiàn)波形頻率計(jì)算、峰峰值計(jì)算、頻譜分析等功能，有很大的設(shè)計(jì)空間。同時(shí)本設(shè)計(jì)以及其擴(kuò)展功能在現(xiàn)實(shí)生活中也具有比較廣泛的應(yīng)用。在本案例的設(shè)計(jì)過程中，包含了按鍵定義和消抖、計(jì)數(shù)器、ROMIP的應(yīng)用等技術(shù)。經(jīng)過逐步改進(jìn)、調(diào)試等一系列操作之后，完成了此設(shè)計(jì)，下面將完整的設(shè)計(jì)記錄與大家分享。
1.1.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)
此設(shè)計(jì)可以通過按鍵進(jìn)行波形類型的切換，并且波形的頻率還可以進(jìn)行改變，具體需求如下：
1）按鍵1按下時(shí)可以改變波形的類型，實(shí)現(xiàn)波形的切換，順序?yàn)檎也ā忼X波、三角波；
2）按鍵2按下時(shí)可以改變波形的頻率，每按下一次，頻率增大2倍，達(dá)到一定值后跳回初始頻率值，以此循環(huán)；
3）按鍵3按下時(shí)可以改變波形的初始相位，每按下一次，初始相位加30，達(dá)到一定值后跳回初始相位值，以此循環(huán)。
1.1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下所示：
1.1.4 模塊功能
-
按鍵模塊實(shí)現(xiàn)功能
-
將外來異步信號(hào)打兩拍處理，將異步信號(hào)同步化；
實(shí)現(xiàn)20ms按鍵消抖功能，并輸出有效按鍵信號(hào)。
-
DDS模塊實(shí)現(xiàn)功能
-
通過有效按鍵信號(hào)實(shí)現(xiàn)切換波形類型、改變波形頻率、調(diào)整波形初始相位；
從ROM中讀取波形數(shù)據(jù)并輸出按鍵控制下的波形數(shù)據(jù)。
-
頂層模塊mdy_DDS.v
-
按鍵模塊key_delay.v
-
DDS模塊DDS.v
1.1.6 工作原理
在系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)中，通過按鍵控制輸出波形類型，并通過按鍵改變波形頻率控制字和初始相位控制字，得到ROM的讀地址。ROM為只讀存儲(chǔ)器，只要給它一個(gè)地址，就能讀出該地址中相應(yīng)的數(shù)據(jù)，從已經(jīng)初始化好的ROM讀取相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)。
DDS的原理如下圖，累加器每次累加一個(gè)頻率控制字，調(diào)節(jié)頻率控制字的數(shù)值，可以改變累加器的累加速度，進(jìn)而可以調(diào)節(jié)從ROM查找表中讀取波形數(shù)據(jù)的速度。即頻率控制字越大，頻率越高。相位控制字可以用來調(diào)節(jié)初始相位，即ROM地址自加的初始值。
1.2 按鍵電路
1.2.1 按鍵電路
獨(dú)立式按鍵工作原理如上圖所示，4條輸入線接到FPGA的IO口上，當(dāng)按鍵K1按下時(shí)，VCC通過電阻R1再通過按鍵K1最終進(jìn)入GND形成一條通路，這條線路的全部電壓都加在R1上，則引腳P14是低電平。當(dāng)松開按鍵后，線路斷開，就不會(huì)有電流通過，P14和VCC就應(yīng)該是等電位，為高電平。我們可以通過P14這個(gè)IO口的高低電平狀態(tài)來判斷是否有按鍵按下。其它按鍵原理與K1一致。
從圖中可以看出，如果我們按下按鍵，那么按鍵就會(huì)接通并連接到低電平GND，如果我們沒有按下，那么按鍵就會(huì)斷開并接到VCC，因此按鍵為低電平有效。通常的按鍵所用開關(guān)為機(jī)械彈性開關(guān)，當(dāng)機(jī)械觸點(diǎn)斷開或者閉合時(shí)，由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個(gè)按鍵開關(guān)在閉合時(shí)不會(huì)馬上穩(wěn)定地接通，在斷開時(shí)也不會(huì)一下子斷開。因而機(jī)械式按鍵在閉合及斷開的瞬間均伴隨有一連串的抖動(dòng)，如果不進(jìn)行處理，會(huì)使系統(tǒng)識(shí)別到抖動(dòng)信號(hào)而進(jìn)行不必要的反應(yīng)，導(dǎo)致模塊功能不正常，為了避免這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，需要進(jìn)行按鍵消抖的操作。
按鍵消抖主要分為硬件消抖和軟件消抖。兩個(gè)“與非”門構(gòu)成一個(gè)RS觸發(fā)器為常用的硬件消抖。軟件方法消抖，即檢測(cè)出鍵閉合后執(zhí)行一個(gè)延時(shí)程序，抖動(dòng)時(shí)間的長短由按鍵的機(jī)械特性決定，一般為5ms～20ms，讓前沿抖動(dòng)消失后再一次檢測(cè)鍵的狀態(tài)，如果仍保持閉合狀態(tài)電平，則確認(rèn)按下按鍵操作有效。當(dāng)檢測(cè)到按鍵釋放后，也要給5ms～20ms的延時(shí)，待后沿抖動(dòng)消失后才能轉(zhuǎn)入該鍵的處理程序。經(jīng)過按鍵消抖的行人優(yōu)先按鍵，判斷按鍵有效后，按鍵信號(hào)傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再進(jìn)入相應(yīng)的處理程序。如還不明白之處，見實(shí)驗(yàn)的PDF。
圖5.1.2按鍵消抖示意圖
1.2.3 按鍵消抖代碼實(shí)現(xiàn)
使用明德?lián)P的計(jì)數(shù)器模板，可以很快速很熟練地寫出按鍵消抖模塊。
每20ms掃描一次按鍵輸入key_in，可以達(dá)到消抖的目的，再用寄存器緩存一下，按鍵為低電平有效；所以檢測(cè)當(dāng)檢測(cè)到按鍵有下降沿變化時(shí)，代表該按鍵被按下，按鍵有效，輸出1。
代碼如下：
1.3 DDS模塊設(shè)計(jì)
1.3.1 控制波形類型
消抖過后的按鍵輸入到本模塊，同樣使用明德?lián)P至簡(jiǎn)設(shè)計(jì)法和計(jì)數(shù)器模板，可以秒速寫出控制波形類型的代碼。按鍵1每按下一次，即key_done[0]有效時(shí)，wave_cnt加1，加到3時(shí)歸0，否則保持不變。wave_cnt為0時(shí)輸出正弦波，1時(shí)輸出三角波，2時(shí)輸出鋸齒波，默認(rèn)時(shí)輸出正弦波；至簡(jiǎn)設(shè)計(jì)法和計(jì)數(shù)器模板有多好用，越用越絕精妙。
完整代碼如下：
1.3.2 改變波形頻率
話不多說，反手又是一個(gè)明德?lián)P計(jì)數(shù)模板。按鍵2每按下一次，即key_done[1]有效時(shí)，i乘以2，加到64時(shí)歸0，否則保持不變。這里通過i可以改變頻率的原理是ROM中512個(gè)數(shù)據(jù)為一個(gè)周期，i等于1的話，采集一個(gè)周期需要512次，clk/512即為頻率，i為2時(shí)，只需要采集256次即完成一個(gè)周期，頻率為clk/256。
當(dāng)然也可以直接通過分頻改變clk，從而達(dá)到改變頻率的效果。
完整代碼如下：
1.3.3 改變波形相位
依舊是百用不厭的計(jì)數(shù)器模板，按鍵3每按下一次，即key_done[2]有效時(shí)，初始相位加30，加到360時(shí)歸0，否則保持不變。達(dá)到改變相位的目的。
因此，通過至簡(jiǎn)設(shè)計(jì)法、計(jì)數(shù)器模板，可以輕松達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。
完整代碼如下：
1.3.4 mif文件的生成
程序中我們會(huì)用到一個(gè)ROM用于存儲(chǔ)512個(gè)8位的波形數(shù)據(jù)，首先我們需要準(zhǔn)備ROM的初始化文件(mif文件)。以下為生成正弦波數(shù)據(jù)mif文件的方法：首先打開Guagle_wave工具，選擇菜單＂查看＂->”全局參數(shù)設(shè)置”，設(shè)置參數(shù)如下：
調(diào)用ROMIP核，并將mif導(dǎo)入ROM，其他波形同理。
1.4 在線邏輯分析儀查看波形數(shù)據(jù)
-
不同頻率正弦波：
-
三角波
-
鋸齒波
觀看上面的現(xiàn)象，可以發(fā)現(xiàn)，各項(xiàng)功能正常，可以通過按鍵改變波形類型、頻率、相位，成功完成設(shè)計(jì)目標(biāo)。
在這個(gè)設(shè)計(jì)案例中，至簡(jiǎn)設(shè)計(jì)法和明德?lián)P計(jì)數(shù)器模板發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，使我能夠快速準(zhǔn)確完成設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)拓展加上ADDA采集和VGA顯示，可以實(shí)現(xiàn)基于FPGA的示波器設(shè)計(jì)，之前明德?lián)P論壇已經(jīng)發(fā)布了波形采集并VGA顯示的案例，希望有興趣的同學(xué)可以運(yùn)用至簡(jiǎn)設(shè)計(jì)法和明德?lián)P模板嘗試一下拓展設(shè)計(jì)哦。
感興趣的朋友也可以訪問明德?lián)P論壇（http://www.fpgabbs.cn/）進(jìn)行FPGA相關(guān)工程設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)，也歡迎大家在評(píng)論與我進(jìn)行討論！
