本(běn)文(wén)为(wèi)明(míng)德揚原創及(jí)录(lù)用(yòng)文(wén)章(zhāng)，轉(zhuǎn)载請注明(míng)出(chū)处！
1.1 總(zǒng)體(tǐ)設計(jì)
1.1.1 概述
学習了(le)明(míng)德揚至(zhì)簡設計(jì)法和(hé)明(míng)德揚設計(jì)規範，本(běn)人(rén)設計(jì)了(le)一(yī)个(gè)基于(yú)FPGA的(de)可(kě)調頻調相而(ér)且可(kě)以(yǐ)輸出(chū)不(bù)同(tóng)波(bō)形的(de)DDS信(xìn)号(hào)發(fà)生(shēng)器。該信(xìn)号(hào)發(fà)生(shēng)器实現(xiàn)了(le)通(tòng)过(guò)按鍵控制輸出(chū)不(bù)同(tóng)類(lèi)型的(de)波(bō)形，并可(kě)以(yǐ)通(tòng)过(guò)按鍵改變(biàn)波(bō)形頻率和(hé)初始相位。将此(cǐ)設計(jì)與(yǔ)明(míng)德揚的(de)波(bō)形采集設計(jì)相結合，可(kě)以(yǐ)实現(xiàn)示波(bō)器功能(néng)，并且還(huán)可(kě)拓展(zhǎn)实現(xiàn)波(bō)形頻率計(jì)算、峰(fēng)峰(fēng)值計(jì)算、頻谱分(fēn)析等功能(néng)，有(yǒu)很大的(de)設計(jì)空間(jiān)。同(tóng)时(shí)本(běn)設計(jì)以(yǐ)及(jí)其擴展(zhǎn)功能(néng)在(zài)現(xiàn)实生(shēng)活中(zhōng)也(yě)具有(yǒu)比較廣泛的(de)應(yìng)用(yòng)。在(zài)本(běn)案(àn)例的(de)設計(jì)过(guò)程中(zhōng)，包(bāo)含了(le)按鍵定(dìng)義和(hé)消抖、計(jì)數器、ROMIP的(de)應(yìng)用(yòng)等技術(shù)。經(jīng)过(guò)逐步改進(jìn)、調試等一(yī)系(xì)列操作之後(hòu)，完成(chéng)了(le)此(cǐ)設計(jì)，下(xià)面(miàn)将完整的(de)設計(jì)記(jì)录(lù)與(yǔ)大家(jiā)分(fēn)享。
1.1.2 設計(jì)目标(biāo)
此(cǐ)設計(jì)可(kě)以(yǐ)通(tòng)过(guò)按鍵進(jìn)行波(bō)形類(lèi)型的(de)切(qiè)換，并且波(bō)形的(de)頻率還(huán)可(kě)以(yǐ)進(jìn)行改變(biàn)，具體(tǐ)需求如(rú)下(xià)：
1）按鍵1按下(xià)时(shí)可(kě)以(yǐ)改變(biàn)波(bō)形的(de)類(lèi)型，实現(xiàn)波(bō)形的(de)切(qiè)換，順序为(wèi)正(zhèng)弦波(bō)、鋸齒波(bō)、三(sān)角(jiǎo)波(bō)；
2）按鍵2按下(xià)时(shí)可(kě)以(yǐ)改變(biàn)波(bō)形的(de)頻率，每按下(xià)一(yī)次(cì)，頻率增大2倍，达(dá)到(dào)一(yī)定(dìng)值後(hòu)跳回(huí)初始頻率值，以(yǐ)此(cǐ)循环(huán)；
3）按鍵3按下(xià)时(shí)可(kě)以(yǐ)改變(biàn)波(bō)形的(de)初始相位，每按下(xià)一(yī)次(cì)，初始相位加30，达(dá)到(dào)一(yī)定(dìng)值後(hòu)跳回(huí)初始相位值，以(yǐ)此(cǐ)循环(huán)。
1.1.3 系(xì)統結構框图(tú)
系(xì)統結構框图(tú)如(rú)下(xià)所(suǒ)示：
1.1.4 模块(kuài)功能(néng)
-
按鍵模块(kuài)实現(xiàn)功能(néng)
-
将外(wài)来(lái)异(yì)步信(xìn)号(hào)打(dǎ)两(liǎng)拍处理，将异(yì)步信(xìn)号(hào)同(tóng)步化(huà)；
实現(xiàn)20ms按鍵消抖功能(néng)，并輸出(chū)有(yǒu)效按鍵信(xìn)号(hào)。
-
DDS模块(kuài)实現(xiàn)功能(néng)
-
通(tòng)过(guò)有(yǒu)效按鍵信(xìn)号(hào)实現(xiàn)切(qiè)換波(bō)形類(lèi)型、改變(biàn)波(bō)形頻率、調整波(bō)形初始相位；
從ROM中(zhōng)读(dú)取(qǔ)波(bō)形數據(jù)并輸出(chū)按鍵控制下(xià)的(de)波(bō)形數據(jù)。
-
頂层模块(kuài)mdy_DDS.v
-
按鍵模块(kuài)key_delay.v
-
DDS模块(kuài)DDS.v
1.1.6 工作原理
在(zài)系(xì)統整體(tǐ)結構中(zhōng)，通(tòng)过(guò)按鍵控制輸出(chū)波(bō)形類(lèi)型，并通(tòng)过(guò)按鍵改變(biàn)波(bō)形頻率控制字(zì)和(hé)初始相位控制字(zì)，得到(dào)ROM的(de)读(dú)地(dì)址。ROM为(wèi)只(zhī)读(dú)存儲器，只(zhī)要(yào)給(gěi)它(tā)一(yī)个(gè)地(dì)址，就(jiù)能(néng)读(dú)出(chū)該地(dì)址中(zhōng)相應(yìng)的(de)數據(jù)，從已經(jīng)初始化(huà)好(hǎo)的(de)ROM读(dú)取(qǔ)相應(yìng)的(de)波(bō)形數據(jù)。
DDS的(de)原理如(rú)下(xià)图(tú)，累加器每次(cì)累加一(yī)个(gè)頻率控制字(zì)，調节(jié)頻率控制字(zì)的(de)數值，可(kě)以(yǐ)改變(biàn)累加器的(de)累加速度(dù)，進(jìn)而(ér)可(kě)以(yǐ)調节(jié)從ROM查找(zhǎo)表(biǎo)中(zhōng)读(dú)取(qǔ)波(bō)形數據(jù)的(de)速度(dù)。即頻率控制字(zì)越大，頻率越高(gāo)。相位控制字(zì)可(kě)以(yǐ)用(yòng)来(lái)調节(jié)初始相位，即ROM地(dì)址自(zì)加的(de)初始值。
1.2 按鍵電(diàn)路(lù)
1.2.1 按鍵電(diàn)路(lù)
独立式按鍵工作原理如(rú)上(shàng)图(tú)所(suǒ)示，4条(tiáo)輸入(rù)線(xiàn)接到(dào)FPGA的(de)IO口(kǒu)上(shàng)，當按鍵K1按下(xià)时(shí)，VCC通(tòng)过(guò)電(diàn)阻R1再通(tòng)过(guò)按鍵K1最(zuì)終(zhōng)進(jìn)入(rù)GND形成(chéng)一(yī)条(tiáo)通(tòng)路(lù)，这(zhè)条(tiáo)線(xiàn)路(lù)的(de)全(quán)部(bù)電(diàn)壓都加在(zài)R1上(shàng)，則引脚P14是(shì)低電(diàn)平。當松開(kāi)按鍵後(hòu)，線(xiàn)路(lù)斷開(kāi)，就(jiù)不(bù)会(huì)有(yǒu)電(diàn)流通(tòng)过(guò)，P14和(hé)VCC就(jiù)應(yìng)該是(shì)等電(diàn)位，为(wèi)高(gāo)電(diàn)平。我(wǒ)们(men)可(kě)以(yǐ)通(tòng)过(guò)P14这(zhè)个(gè)IO口(kǒu)的(de)高(gāo)低電(diàn)平狀态来(lái)判斷是(shì)否有(yǒu)按鍵按下(xià)。其它(tā)按鍵原理與(yǔ)K1一(yī)致(zhì)。
從图(tú)中(zhōng)可(kě)以(yǐ)看(kàn)出(chū)，如(rú)果(guǒ)我(wǒ)们(men)按下(xià)按鍵，那(nà)麼(me)按鍵就(jiù)会(huì)接通(tòng)并連(lián)接到(dào)低電(diàn)平GND，如(rú)果(guǒ)我(wǒ)们(men)沒(méi)有(yǒu)按下(xià)，那(nà)麼(me)按鍵就(jiù)会(huì)斷開(kāi)并接到(dào)VCC，因(yīn)此(cǐ)按鍵为(wèi)低電(diàn)平有(yǒu)效。通(tòng)常的(de)按鍵所(suǒ)用(yòng)開(kāi)關(guān)为(wèi)機(jī)械弹性(xìng)開(kāi)關(guān)，當機(jī)械觸點(diǎn)斷開(kāi)或(huò)者(zhě)閉合时(shí)，由(yóu)于(yú)機(jī)械觸點(diǎn)的(de)弹性(xìng)作用(yòng)，一(yī)个(gè)按鍵開(kāi)關(guān)在(zài)閉合时(shí)不(bù)会(huì)马上(shàng)稳定(dìng)地(dì)接通(tòng)，在(zài)斷開(kāi)时(shí)也(yě)不(bù)会(huì)一(yī)下(xià)子斷開(kāi)。因(yīn)而(ér)機(jī)械式按鍵在(zài)閉合及(jí)斷開(kāi)的(de)瞬間(jiān)均伴随有(yǒu)一(yī)連(lián)串的(de)抖動(dòng)，如(rú)果(guǒ)不(bù)進(jìn)行处理，会(huì)使系(xì)統識别到(dào)抖動(dòng)信(xìn)号(hào)而(ér)進(jìn)行不(bù)必要(yào)的(de)反(fǎn)應(yìng)，導致(zhì)模块(kuài)功能(néng)不(bù)正(zhèng)常，为(wèi)了(le)避免这(zhè)種(zhǒng)現(xiàn)象(xiàng)的(de)産生(shēng)，需要(yào)進(jìn)行按鍵消抖的(de)操作。
按鍵消抖主(zhǔ)要(yào)分(fēn)为(wèi)硬(yìng)件(jiàn)消抖和(hé)软(ruǎn)件(jiàn)消抖。两(liǎng)个(gè)“與(yǔ)非(fēi)”門(mén)構成(chéng)一(yī)个(gè)RS觸發(fà)器为(wèi)常用(yòng)的(de)硬(yìng)件(jiàn)消抖。软(ruǎn)件(jiàn)方(fāng)法消抖，即檢测出(chū)鍵閉合後(hòu)執行一(yī)个(gè)延时(shí)程序，抖動(dòng)时(shí)間(jiān)的(de)长短(duǎn)由(yóu)按鍵的(de)機(jī)械特(tè)性(xìng)決定(dìng)，一(yī)般为(wèi)5ms～20ms，讓前(qián)沿抖動(dòng)消失後(hòu)再一(yī)次(cì)檢测鍵的(de)狀态，如(rú)果(guǒ)仍保持(chí)閉合狀态電(diàn)平，則确認按下(xià)按鍵操作有(yǒu)效。當檢测到(dào)按鍵釋放(fàng)後(hòu)，也(yě)要(yào)給(gěi)5ms～20ms的(de)延时(shí)，待後(hòu)沿抖動(dòng)消失後(hòu)才能(néng)轉(zhuǎn)入(rù)該鍵的(de)处理程序。經(jīng)过(guò)按鍵消抖的(de)行人(rén)优先(xiān)按鍵，判斷按鍵有(yǒu)效後(hòu)，按鍵信(xìn)号(hào)傳遞給(gěi)控制系(xì)統，控制系(xì)統再進(jìn)入(rù)相應(yìng)的(de)处理程序。如(rú)還(huán)不(bù)明(míng)白之处，見(jiàn)实验(yàn)的(de)PDF。
图(tú)5.1.2按鍵消抖示意(yì)图(tú)
1.2.3 按鍵消抖代(dài)碼实現(xiàn)
使用(yòng)明(míng)德揚的(de)計(jì)數器模板，可(kě)以(yǐ)很快(kuài)速很熟練地(dì)写出(chū)按鍵消抖模块(kuài)。
每20ms掃描一(yī)次(cì)按鍵輸入(rù)key_in，可(kě)以(yǐ)达(dá)到(dào)消抖的(de)目的(de)，再用(yòng)寄存器緩存一(yī)下(xià)，按鍵为(wèi)低電(diàn)平有(yǒu)效；所(suǒ)以(yǐ)檢测當檢测到(dào)按鍵有(yǒu)下(xià)降沿變(biàn)化(huà)时(shí)，代(dài)表(biǎo)該按鍵被(bèi)按下(xià)，按鍵有(yǒu)效，輸出(chū)1。
代(dài)碼如(rú)下(xià)：
1.3 DDS模块(kuài)設計(jì)
1.3.1 控制波(bō)形類(lèi)型
消抖过(guò)後(hòu)的(de)按鍵輸入(rù)到(dào)本(běn)模块(kuài)，同(tóng)樣(yàng)使用(yòng)明(míng)德揚至(zhì)簡設計(jì)法和(hé)計(jì)數器模板，可(kě)以(yǐ)秒(miǎo)速写出(chū)控制波(bō)形類(lèi)型的(de)代(dài)碼。按鍵1每按下(xià)一(yī)次(cì)，即key_done[0]有(yǒu)效时(shí)，wave_cnt加1，加到(dào)3时(shí)歸0，否則保持(chí)不(bù)變(biàn)。wave_cnt为(wèi)0时(shí)輸出(chū)正(zhèng)弦波(bō)，1时(shí)輸出(chū)三(sān)角(jiǎo)波(bō)，2时(shí)輸出(chū)鋸齒波(bō)，默認时(shí)輸出(chū)正(zhèng)弦波(bō)；至(zhì)簡設計(jì)法和(hé)計(jì)數器模板有(yǒu)多(duō)好(hǎo)用(yòng)，越用(yòng)越絕精妙。
完整代(dài)碼如(rú)下(xià)：
1.3.2 改變(biàn)波(bō)形頻率
話(huà)不(bù)多(duō)说(shuō)，反(fǎn)手(shǒu)又是(shì)一(yī)个(gè)明(míng)德揚計(jì)數模板。按鍵2每按下(xià)一(yī)次(cì)，即key_done[1]有(yǒu)效时(shí)，i乘以(yǐ)2，加到(dào)64时(shí)歸0，否則保持(chí)不(bù)變(biàn)。这(zhè)里(lǐ)通(tòng)过(guò)i可(kě)以(yǐ)改變(biàn)頻率的(de)原理是(shì)ROM中(zhōng)512个(gè)數據(jù)为(wèi)一(yī)个(gè)周期(qī)，i等于(yú)1的(de)話(huà)，采集一(yī)个(gè)周期(qī)需要(yào)512次(cì)，clk/512即为(wèi)頻率，i为(wèi)2时(shí)，只(zhī)需要(yào)采集256次(cì)即完成(chéng)一(yī)个(gè)周期(qī)，頻率为(wèi)clk/256。
當然也(yě)可(kě)以(yǐ)直(zhí)接通(tòng)过(guò)分(fēn)頻改變(biàn)clk，從而(ér)达(dá)到(dào)改變(biàn)頻率的(de)效果(guǒ)。
完整代(dài)碼如(rú)下(xià)：
1.3.3 改變(biàn)波(bō)形相位
依旧(jiù)是(shì)百(bǎi)用(yòng)不(bù)厭的(de)計(jì)數器模板，按鍵3每按下(xià)一(yī)次(cì)，即key_done[2]有(yǒu)效时(shí)，初始相位加30，加到(dào)360时(shí)歸0，否則保持(chí)不(bù)變(biàn)。达(dá)到(dào)改變(biàn)相位的(de)目的(de)。
因(yīn)此(cǐ)，通(tòng)过(guò)至(zhì)簡設計(jì)法、計(jì)數器模板，可(kě)以(yǐ)輕(qīng)松达(dá)到(dào)設計(jì)目标(biāo)。
完整代(dài)碼如(rú)下(xià)：
1.3.4 mif文(wén)件(jiàn)的(de)生(shēng)成(chéng)
程序中(zhōng)我(wǒ)们(men)会(huì)用(yòng)到(dào)一(yī)个(gè)ROM用(yòng)于(yú)存儲512个(gè)8位的(de)波(bō)形數據(jù)，首先(xiān)我(wǒ)们(men)需要(yào)準備ROM的(de)初始化(huà)文(wén)件(jiàn)(mif文(wén)件(jiàn))。以(yǐ)下(xià)为(wèi)生(shēng)成(chéng)正(zhèng)弦波(bō)數據(jù)mif文(wén)件(jiàn)的(de)方(fāng)法：首先(xiān)打(dǎ)開(kāi)Guagle_wave工具，選擇菜單＂查看(kàn)＂->”全(quán)局(jú)參數設置”，設置參數如(rú)下(xià)：
調用(yòng)ROMIP核，并将mif導入(rù)ROM，其他(tā)波(bō)形同(tóng)理。
1.4 在(zài)線(xiàn)邏輯分(fēn)析儀查看(kàn)波(bō)形數據(jù)
-
不(bù)同(tóng)頻率正(zhèng)弦波(bō)：
-
三(sān)角(jiǎo)波(bō)
-
鋸齒波(bō)
观看(kàn)上(shàng)面(miàn)的(de)現(xiàn)象(xiàng)，可(kě)以(yǐ)發(fà)現(xiàn)，各(gè)項功能(néng)正(zhèng)常，可(kě)以(yǐ)通(tòng)过(guò)按鍵改變(biàn)波(bō)形類(lèi)型、頻率、相位，成(chéng)功完成(chéng)設計(jì)目标(biāo)。
在(zài)这(zhè)个(gè)設計(jì)案(àn)例中(zhōng)，至(zhì)簡設計(jì)法和(hé)明(míng)德揚計(jì)數器模板發(fà)揮了(le)至(zhì)關(guān)重(zhòng)要(yào)的(de)作用(yòng)，使我(wǒ)能(néng)够快(kuài)速準确完成(chéng)設計(jì)。本(běn)設計(jì)拓展(zhǎn)加上(shàng)ADDA采集和(hé)VGA顯示，可(kě)以(yǐ)实現(xiàn)基于(yú)FPGA的(de)示波(bō)器設計(jì)，之前(qián)明(míng)德揚論壇已經(jīng)發(fà)布(bù)了(le)波(bō)形采集并VGA顯示的(de)案(àn)例，希望有(yǒu)興趣的(de)同(tóng)学可(kě)以(yǐ)運用(yòng)至(zhì)簡設計(jì)法和(hé)明(míng)德揚模板嘗試一(yī)下(xià)拓展(zhǎn)設計(jì)哦。
感(gǎn)興趣的(de)朋友也(yě)可(kě)以(yǐ)訪問(wèn)明(míng)德揚論壇（http://www.fpgabbs.cn/）進(jìn)行FPGA相關(guān)工程設計(jì)学習，也(yě)欢迎大家(jiā)在(zài)評論與(yǔ)我(wǒ)進(jìn)行讨論！
