一 增量式編碼器原理介紹

增量式編碼器是一種將位移信息轉換成周期性電信號，再將電信號轉換成脈沖計數的裝置。

通常增量式編碼器的接線輸出為兩根電源線，A，B，Z三個脈沖信號。其中可以通過A，B信號的相位關系來判斷編碼器的旋轉方向，可以人為規定若A相在前，B相落后90o 則為正方向，反之為負方向。

旋轉角度的計算也很簡單，

順時針：

θ = ( k + 1 ) ? 360 分 辨 率 heta=(k+1)*frac{360}{分辨率} θ=(k+1)?分辨率360

逆時針：

θ = ( 分 辨 率 ? ( k + 1 ) ) ? 360 分 辨 率 heta=(分辨率-(k+1))*frac{360}{分辨率} θ=(分辨率?(k+1))?分辨率360

每旋轉過一個單位刻度，A,B相都會產生一個脈沖，Z相信號是每轉一圈產生一個周期的高電平。

倍頻： 實際應用中往往會采用兩倍頻或者四倍頻的方式來提高精度，一個周期內 A,B相的信號都會產生四次邊沿跳變，兩倍頻可以在上升沿，下降沿各計數一次;四倍頻則是每個邊沿變化都計數。

兩倍頻計數規則： 在A或B的上升、下降沿都計數。

四倍頻計數規則： 當A為高電平時，B在上升沿則加1，下降沿則減1;A為低電平時，B在下降沿則減1，上升沿則加1;B為高電平時，A在上升沿則減1，下降沿則加1;在B為低電平時，A在上升沿則加1，下降沿則減1。

PUL =(A1 ^ B2) ^ (A2 ^ B1)

二 硬件實現

在查閱資料論文后，發現大部分都是采用的是三個模塊：頂層模塊;倍頻鑒相模塊，以及計數模塊。

其實完全可以綜合為一個模塊同時完成倍頻鑒相計數工作。代碼參考這位大佬

`timescale 1ns / 1ps
module bianmaqi2(clk,rst_n ,quadA, quadB, position_out,A,B,DIR,index);

input clk,rst_n, quadA, quadB,index; 
output [15:0] position_out; 
output A,B,DIR;

reg [2:0] quadA_delayed, quadB_delayed; 
reg A,B,DIR; 
reg [15:0] position;

always @(posedge clk) quadA_delayed <= {quadA_delayed[1:0], quadA}; 
always @(posedge clk) quadB_delayed <= {quadB_delayed[1:0], quadB};
//輸入緩存打拍

wire count_enable = quadA_delayed[1] ^ quadA_delayed[2] ^ quadB_delayed[1] ^ quadB_delayed[2]; 
//PUL =(A1^B2)^(A2^B1)
wire count_direction = quadA_delayed[1] ^ quadB_delayed[2];
//DIR = C^D C是A1打一拍 D是B1打兩拍
always @(posedge osc or negedge rst_n ) 
begin
if(!rst_n)begin
position<=16'd0;
A<=0;
B<=0;
DIR<=0;
//復位信號 必須有復位信號來賦初值 否則在testbench中輸出為高阻態
end
else 
if(count_enable)
begin
if(count_direction) 
position<=position+1'b1; 
else 
position<=position-1'b1;
A <= quadA_delayed[2];
B <= quadB_delayed[2];
DIR <= count_direction;
end
else
   position<=position;
end
assign position_out = position;
endmodule

三 測試平臺

分別測試正轉和反轉；
正轉即A比B超前90°；反轉即B比A超前90°。

`timescale 1 ps/ 1 ps
module bianmaqi2_tb();
// constants                                           
// general purpose registers
reg eachvec;
// test vector input registers
reg index;
reg rst_n;
reg osc;
reg quadA;
reg quadB;
// wires                                               
wire A;
wire B;
wire DIR;
wire [15:0]  position_out;

// assign statements (if any)                          
bianmaqi2 i1 (
// port map - connection between master ports and signals/registers   
.A(A),
.B(B),
.rst_n(rst_n),
.DIR(DIR),
.index(index),
.osc(osc),
.position_out(position_out),
.quadA(quadA),
.quadB(quadB)
);
initial  
begin                                                  
//initialize inputs
rst_n=1'b0;
osc=1'b0;
quadA  =1;
quadB  =0;
index  =0;
#5
    rst_n=1'b1;

end  
      
initial 
begin
repeat(50)begin
 #20
 quadB=1;
 #20
 quadA=0;
 #20
 quadB=0;
 #20
 quadA=1;
end
$stop;
end
always #10 osc =~osc;
//產生50MHz時鐘源
                                       
endmodule

`timescale 1 ps/ 1 ps
module bianmaqi2_nishizhen_tb();
// constants                                           
// general purpose registers
reg eachvec;
// test vector input registers
reg index;
reg rst_n;
reg osc;
reg quadA;
reg quadB;
// wires                                               
wire A;
wire B;
wire DIR;
wire [15:0]  position_out;

// assign statements (if any)                          
bianmaqi2 i1 (
// port map - connection between master ports and signals/registers   
.A(A),
.B(B),
.rst_n(rst_n),
.DIR(DIR),
.index(index),
.osc(osc),
.position_out(position_out),
.quadA(quadA),
.quadB(quadB)
);
initial  
begin                                                  
//initialize inputs
rst_n=1'b0;
osc=1'b0;
quadA  =0;
quadB  =1;
index  =0;
#5
    rst_n=1'b1;

end  
      
initial 
begin
repeat(50)begin
 #20
 quadA=1;
 #20
 quadB=0;
 #20
 quadA=0;
 #20
 quadB=1;
end
$stop;
end
always #10 osc =~osc;
//產生50MHz時鐘源
                                       
endmodule

四 總結

fpga設計模塊其實實現很簡單，主要還是Quartus和Modelsim的聯合仿真部分遇到了問題，主要還是testbench的編寫需要強化學習。