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两相编码器的驱动原理及FPGA实现

两相编码器是一种常见的用于角度测量和转速检测的传感器，其工作原理基于A、B两相之间的相位差来判断转轴的旋转方向，并通过脉冲信号输出计数信息。本文将详细介绍两相编码器的驱动原理以及基于FPGA的实现方法。

一、两相编码器的驱动原理

两相编码器的核心工作原理是通过检测A、B两相之间的相位差来判断转轴的旋转方向。具体来说：

• 当主轴以顺时针方向旋转时，A相的信号会先于B相输出；
• 当主轴逆时针旋转时，B相的信号会先于A相输出。

此外，编码器每转一圈还会输出一个零位脉冲信号（Z），用于标记一圈的完成。

二、输出信号

编码器的输出信号主要包括两个部分：

• 正转时，A相信号位于B相信号之前；
• 反转时，A相信号位于B相信号之后。

2. 零位脉冲信号（Z）：每转一圈，编码器会输出一个零位脉冲信号，用于标记一圈的结束。

三、FPGA驱动代码解析

以下是基于FPGA的两相编码器驱动代码的实现：

// 编码器驱动
// 作者：杨成煜
// 日期：2020/4/11
// 定义模块
#define SIMmodule encoder
// 系统信号定义
input clk, rst_n
// 接口定义
input a, input b, output reg[31:0] cnt
// 参数定义
`ifndef SIM
    `else
        `endif
// 系统寄存器
reg a_t0, reg a_t1, reg b_t0, reg b_t1, reg[4:0] state
// 边缘检测信号
wire a_pedge, wire b_pedge, wire a_nedge, wire b_nedge
// 主要逻辑
// a、b通道暂存器
always @posedge clk
    a_t0 <= a
    a_t1 <= a_t0
    b_t0 <= b
    b_t1 <= b_t0
// 边缘检测
assign a_pedge = a_t0 & (~a_t1)
assign a_nedge = (~a_t0) & a_t1
assign b_pedge = b_t0 & (~b_t1)
assign b_nedge = (~b_t0) & b_t1
// 状态机
always @posedge clk or negedge rst_n
    if (rst_n == 0)
        state <= S_IDLE
    else case (state)
        S_IDLE:
            if (a_pedge == 1) state <= S_PLUS_CHECK
            else if (b_pedge == 1) state <= S_MINUS_CHECK
            else state <= S_IDLE
        S_PLUS_CHECK:
            if (b_pedge == 1) state <= S_PLUS
            else if (a_pedge == 1) state <= S_IDLE
            else state <= S_PLUS_CHECK
        S_PLUS:
            state <= S_IDLE
        S_MINUS_CHECK:
            if (a_pedge == 1) state <= S_MINUS
            else if (b_pedge == 1) state <= S_IDLE
            else state <= S_MINUS_CHECK
        S_MINUS:
            state <= S_IDLE
        default: state <= S_IDLE
    endcase
// 计数器
always @posedge clk or negedge rst_n
    if (rst_n == 0)
        cnt <= 'd0
    else if (state == S_PLUS)
        cnt <= cnt + 1
    else if (state == S_MINUS)
        cnt <= cnt - 1
end

四、仿真脚本

以下是编码器仿真脚本的实现：

// 编码器仿真脚本
// 日期：2020/4/11
// 作者：杨成煜
// 时间精度
timescale 1ns/1ns
// 定义模块
module tb_encoder
// 系统端口定义
clk, rst_n, a, b, cnt
// 时钟信号
initial begin
    clk = 1
    forever
        # (`clock_period/2) clk = ~clk
    end
end
// 复位信号
initial begin
    rst_n = 0
    # (`clock_period*20+1)
    rst_n = 1
end
// 激励信号
initial begin
    a = 0
    # (`clock_period*20+1)
    for (i=0; i<20; i=i+1)
        a=0
        # 1000
        a=1
        # 2000
        a=0
        # 1000
    end
    a=0
    # 5000
    for (i=0; i<20; i=i+1)
        a=0
        # 2000
        a=1
        # 2000
    end
end
initial begin
    b = 0
    # (`clock_period*20+1)
    for (j=0; j<20; j=j+1)
        b=0
        # 2000
        b=1
        # 2000
    end
    b=0
    # 5000
    for (j=0; j<20; j=j+1)
        b=0
        # 1000
        b=1
        # 2000
        b=0
        # 1000
    end
end

五、仿真波形

以下是编码器仿真波形的描述：

• 正转逻辑：当主轴顺时针旋转时，A相信号会先于B相信号输出，形成特定的脉冲序列。
• 反转逻辑：当主轴逆时针旋转时，B相信号会先于A相信号输出，反转了脉冲的顺序。

通过上述实现，可以清晰地看到编码器在正转和反转时的输出波形特征，从而准确判断转轴的旋转方向和转速。