正交解码器（VHDL）入门
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收藏特性
·输出正交编码器信号的方向和位置计数
·可清零位置计数器以设置“原点”或索引
·可配置位置计数器大小
·可配置消抖时间以确保输入稳定性并消除毛刺
简介
本文详述了用于CPLD和FPGA的正交解码器电路，采用VHDL编写。该组件读取正交编码器的信号，判断方向，跟踪累计位置，并将结果输出至用户逻辑。设计基于Quartus II 13.1.0版本。资源需求取决于具体实现方案。图1展示了正交解码器集成至系统的典型示例。
图 1. 实现示例
背景
正交编码器通过双通道检测运动装置（通常是旋转盘/轴——旋转编码器，或线性条带——线性编码器）的位置。如图2所示，盘片或条带上刻有两道相位差90度的编码轨道。当编码轨道相对于固定传感器移动时，传感器输出信号与其所见的轨道部分相对应。
图 2. 编码轨道与输出信号
正交解码器会解析这些输出信号。通过统计两个通道上的跳变，解码器可判断设备移动距离，并根据跳变顺序确定移动方向。若设定原点，解码器计数值将反映设备相对于该原点的位置。部分旋转正交编码器设有第三输出通道，每转产生单个脉冲（称为索引信号），常被用于此目的。
工作原理
同步与消抖
正交解码器的第一级电路负责同步和消抖来自编码器的输入信号。其基于本文所述消抖逻辑电路（经细微改动，以牺牲额外逻辑资源为代价实现更精确的消抖时间）。图3展示了该电路。当输入变化时，对应异或门输出会清零计数器。输入稳定时，计数器开始计数。若输入保持稳定直至计数达到 debounce_time，新值将存入最终寄存器，且计数器自锁直至再次检测到输入变化。a/b 输入间的既定关系使其可共享消抖计数器，两者采用相同消抖周期。set_origin_n 输入设有独立消抖电路，工作原理相同。
图 3. 同步与消抖电路
方向与位置判定
表1列出a/b 输入可能的跳变组合，及对应的方向/位置解码值。
表 1. 真值表
如真值表所示，方向由以下逻辑确定：
direction = a_new XOR b_prev
位置增减也遵循相同条件。这些数值仅在a/b 新值通过验证时才会被记录。当消抖时间满足且a/b 任一值发生变化时触发验证。
set_origin_n 输入会同步清除位置计数器（设置参考位置），同时禁用方向输出。
图4展示了该逻辑电路。
图 4 . 解码器电路
配置正交解码器
通过设置ENTITY中的GENERIC参数来配置正交解码器。表2描述了这些参数。
表 2. 通用参数说明
设置位置计数器的大小
通用参数positions 用于设置位置计数器的大小。计数器的输出 position 值范围从0到 positions - 1。如果计数器的值超出其范围边界，无论方向如何，都会进行回绕。（如果计数器从位置0递减，新值将是positions - 1。如果从positions - 1递增，新值将是0。）
设置 a 和 b 输入的消抖时间
a 和b 输入的消抖时间由debounce_time 通用参数设置。实际的消抖时间为(debounce_time + 2) * 系统时钟周期。这个时间高度依赖于具体应用。该参数的设置应使其短于编码器信号预期保持相同代码的最短时间（由移动系统的速度和几何形状决定），同时足够长以消除代码转换过程中的毛刺或抖动。默认值为50,000，对应50 MHz时钟下的1毫秒。对于许多系统，消抖时间必须更短。
设置 set_origin_n 输入的消抖时间
set_origin_n 输入具有独立的消抖电路。由于该输入可能来自按钮或其他来源，其消抖时间可能需要比a 和b 输入长得多。其消抖时间由set_origin_debounce_time 通用参数设定。消抖时间为(set_origin_debounce_time + 2)*系统时钟周期。该通用参数默认值为500,000，对应50MHz时钟下的10毫秒。
端口描述
表3描述了正交解码器的端口。
表 3. 端口描述
示例波形
图5展示了说明正交解码器工作过程的示例波形。本示例中 positions 数配置为16。当 a 和 b 输入(ab_tb)沿正向变化时，direction 输出信号有效且direction 输出递增。当set_origin_n 输入无效时， position 输出清零。当 set_origin_n 重新有效后， position 输出从新参考点继续随正向输入递增。当输入转为负向时， direction 输出信号失效且 position 输出递减。当 position 输出从0递减时，将循环跳转到最大值15（ positions -1）。
图 5. 示例波形
结论
该正交解码器是可编程逻辑组件，用于跟踪正交编码器信号的方向和位置计数。位置计数器的大小可配置，输入消抖时间亦可调。该组件还包含同步清零功能，用户可通过正交编码器的索引特性设置参考位置或清零位置计数器。
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