Kurs FPGA Lattice (14). Enkoder obrotowy

Dominik Bieczyński

Kursy

FPGA-CPLD-SPLD

11 grudnia 2023

1097

Enkodery obrotowe są dobrym pomysłem na ciekawy interfejs użytkownika. Obracanie pokrętłem przypomina stare analogowe rozwiązania, jest intuicyjne i wygodne. W dzisiejszym odcinku kursu zobaczymy, jak zastosować enkodery dostępne na płytce testowej User Interface Board współpracującej z MachXO2 Mega.

Poprzednia część

Spis treści

Następna część

1. Kurs FPGA Lattice (1). Wstęp 2. Kurs FPGA Lattice (2). Pierwszy projekt 3. Kurs FPGA Lattice (3). Podstawy języka Verilog 4. Kurs FPGA Lattice (4). Generator, dzielnik i licznik 5. Kurs FPGA Lattice (5). IPExpress i inne gotowce 6. Kurs FPGA Lattice (6). Parametry i ćwiczenia 7. Kurs FPGA Lattice (7). Analizator logiczny Reveal 8. Kurs FPGA Lattice (8). Symulacja w EDA Playground 9. Kurs FPGA Lattice (9). Wyświetlacz multipleksowany 10. Kurs FPGA Lattice (10). Klawiatura matrycowa i maszyna stanów 11. Kurs FPGA Lattice (11). Statyczna analiza czasowa i maksymalna częstotliwość zegara 12. Kurs FPGA Lattice (12). Symulacja w Icarus Verilog i GTKWave 13. Kurs FPGA Lattice (13). Wyświetlacz LCD multipleksowany 14. Kurs FPGA Lattice (14). Enkoder obrotowy 15. Kurs FPGA Lattice (15). Pamięć EBR 16. Kurs FPGA Lattice (16). Generowanie dźwięków 17. Kurs FPGA Lattice (18). Nadajnik UART 18. Kurs FPGA Lattice (19). Odbiornik UART 19. Kurs FPGA Lattice (20). 14-segmentowy wyświetlacz LCD 20. Kurs FPGA Lattice (21). Terminal UART z 14-segmentowym wyświetlaczem LCD 21. Kurs FPGA Lattice (22). Sekwencyjny algorytm Double Dabble 22. Kurs FPGA Lattice (23). Kombinacyjny algorytm Double Dabble 23. Kurs FPGA Lattice (24). Miernik częstotliwości 24. Kurs FPGA Lattice (25). Direct Digital Synthesis 25. Kurs FPGA Lattice (26). Slave SPI

Rozwiń cały spis treści Zwiń spis treści

Enkoder obrotowy składa się z pokrętła i opcjonalnie w tym pokrętle może być także przycisk. Na płytce User Interface Board zastosowano enkodery typu EC12E20-24P24C-SW firmy SR Passives.

Enkoder tego typu ma dwa wyjścia, dzięki którym możemy odczytać informacje o obrocie pokrętła. Są to wyjścia A i B, dostępne na pinach 1 i 3. Wyjście S, dostępne na pinie 4, informuje o wciśnięciu pokrętła. Wewnątrz enkodera znajduje się mechanizm zwierający wyjścia A, B i S z pinami 2 i 5, które najwygodniej jest podłączyć prosto do masy.

Wyjście S działa jak zwyczajny przycisk. Kiedy pokrętło enkodera jest wciśnięte, wówczas pin numer 4 jest połączony z masą, co powoduje, że sygnał Enc1-S przechodzi w stan niski. Jednak kiedy pokrętło nie jest wciśnięte, to stan wysoki jest wymuszany przez rezystor pull-up R42.

Wyjścia A i B również mają możliwość zwierania do masy i należy zastosować rezystory pull-up R40 i R41. Wyjścia te są naprzemiennie zwierane do masy przez mechanizm enkodera, w zależności od kierunku obrotu – o tym będzie kilka akapitów niżej.

Pary rezystorów i kondensatorów R43-C40, R44-C41 oraz R45-C42 tworzą filtr dolnoprzepustowy, którego zadaniem jest odfiltrowanie drgań styków. W ten sposób powstaje sygnał wolnozmienny, który powoli narasta lub opada, w miarę ładowania i rozładowywania kondensatora C40, C41 lub C42. Pamiętać należy, że takie sygnały nie powinny być doprowadzone wprost do zwykłego wejścia cyfrowego, ponieważ mogą powodować wielokrotne zmiany stanu, czyli mielibyśmy wciąż ten sam problem, co drgania styków. Rozwiązaniem jest zastosowanie wejść z histerezą. Tak się składa, że wszystkie piny w FPGA MachXO2 są wyposażone w przerzutnik Schmitta z histerezą – wystarczy ją tylko uaktywnić w narzędziu Spreadsheet.

Jeżeli jednak zależy nam, by ciąć koszty elementów, a mamy wolne zasoby w FPGA, to w takiej sytuacji można by ze schematu 1 usunąć wszystkie rezystory i kondensatory. Wtedy drgania styków trzeba odfiltrować w FPGA, na przykład implementując moduł Debouncer, który omawialiśmy w 6 odcinku kursu.

Przyjrzyjmy się bliżej sygnałom A i B. Kiedy nic się nie dzieje, oba sygnały pozostają w stanie wysokim. Enkoder typu EC12E20-24P24C-SW podczas obrotu wytwarza kliknięcia, które użytkownik wyczuwa palcami jako potwierdzenie, że enkoder zarejestrował obrót. Kliknięcie występuje po obrocie pokrętła co każde 15°. Pełny obrót to 24 kliknięcia.

Podczas każdego kliknięcia następują cztery zmiany sygnałów A oraz B. Zobacz rysunek 2. Jeżeli kręcimy w prawo, to najpierw sygnał A przechodzi w stan niski, natomiast jeżeli kręcimy w lewo, to najpierw zbocze opadające zaobserwujemy na sygnale B. W ten sposób możemy określić kierunek obrotu.

Należy podkreślić, że istnieją enkodery, które nie klikają podczas obracania i mają inną liczbę impulsów na obrót. Ponadto w enkoderach bez klikania nie da się wyróżnić stanu spoczynkowego, bo sekwencja zmian sygnałów A i B może być zatrzymana w dowolnym momencie.

Jednak zanim zaczniemy analizować zmiany sygnałów A, B i S, to musimy z nimi coś zrobić, aby przypadkiem nie wpaść w pułapkę metastabilności. Co takiego? Sygnały z enkodera doprowadzone do pinów FPGA to sygnały całkowicie asynchroniczne, zmieniające się w sposób niezależny od sygnału zegarowego, więc mogłyby spowodować błąd setup time lub hold time. Musimy je zsynchronizować z sygnałem zegarowym, który taktuje pozostałe elementy wewnątrz FPGA.

Jeżeli nie wiesz dlaczego – koniecznie przeczytaj 11 odcinek kursu.

W tym celu najpierw musimy zbudować moduł synchronizujący.