怎样在FPGA中处理开关控制信号

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本系统设计利用FPGA间接控制2块MAX4312选通所需要的视频通道，实现各个视频通道间相互切换。根据开关控制信号的设计思想在FPGA中对拨动开关输入信号做去抖动处理，然后对不同的开关操作进行编码，最后将信号送给DSP进行处理。

l 系统总体结构
系统总体结构如图1所示。在1台工业织布机上安装了16个CCD图像传感器对布匹进行图像监控，通过2片MAX4312选择16路图像视频信号中的一路，经可编程视频输入器件SAA7111处理后从VP0输出数字图像信号。同时SAA7111输出相应的行、场同步信号HS，VS以及与HS锁定的时钟信号LLC、LLC2，利用这些信号在EP3C25F324C8中对图像进行预处理。然后将处理后的图像通过PPI口送给BF561中进行算法处理，最后将处理结果送给报警和状态指示装置，实现织布机告警功能。为了使图像监控更方便，该系统设计增添了电平拨动开关和脉冲拨动开关。电平开关使输入图像停止切换，固定于其中一路视频输人图像。脉冲开关可以左右拨动，每次向左或向右拨动都会产生一个很短的上升沿脉冲，同时图像向前或向后进行切换，实现手动选择视频输入通道的功能。





2 软件模块设计
2．1 开关控制信号
实际工程中，BF56l连接在FPGA上的PF引脚比较少。为了节约资源，只通过BF561中的BF9来识别2个拨动开关的动作。因此首先需要将2个拨动开关输入信号在FPGA中进行处理整合，得到合适的信号。
本系统开关控制信号的设计思想：由于设计这个信号的目的是识别开关控制动作。因此，只要任何一个开关发生了动作就需要产生一个脉冲。如果只有脉冲信号就只能知道开关发生了动作，而不知道是哪个开关发生了什么动作。所以，要识别具体是哪个开关发生了什么动作就必须配合双口RAM中的数据进行解码。该系统设计的脉冲持续时间对BF561来说并不重要，只要BF561能识别这个脉冲即可。由于系统中的2个拨动开关，一个是电平拨动开关，另一个是脉冲拨动开关，因此，只要根据电平拨动开关的动作制作相应的脉冲信号，再用这个信号与脉冲拨动开关产生的原始信号逻辑相与，就能得到所需要的目的信号。




由于拨动开关是机械触点，当其断开、闭合时会有相应的前沿、后沿抖动，为了使每次动作都只做一次响应，就必须对原始开关信号做去抖动处理。抖动信号可以分为2种：一种是时间很短的干扰信号，如高频毛刺；另一种是时间较长的干扰信号，如开关抖动。这里的拨动开关都是人为操作，因此每次触发的时间都不会很短，一般小于10 Hz。根据上述分析开关抖动信号属于后一种。因此在每次开关操作后，对其产生的信号进行连续采样，如果每次采样都是低电平或者都是高电平，就认为此信号不是抖动，确实开关状态发生了变化。整个设计过程使用Verilog硬件描述语言编写，然后在QuartusⅡ平台上编译，并采用SignalTapⅡLogic Arlalvzer对信号采样分析，调试通过后连同其他程序一起烧写进FPGA的配置器件EPCSl6中。图2～图4分别是各个开关动作去抖动前和去抖动后的实时信号采样图。去抖动模块中的部分代码如下：







其中，clk为13．5 MHz频率的时钟信号，clk_cnt为采样时间间隔计数器，当clk_cnt为135 000时采样1次，即每隔10 ms采样1次。寄存器shuru_temp存储前一次开关信号状态，shum存储当前开关信号状态。如果shuru_temp的值等于shtlm的值，则计数器test_cnt自动加l。如果连续4次采样值相等，即test_cnt=4时去抖动输出才随输入变化。
用电平拨动开关信号作为输入，制作了一个脉冲信号用于识别开关动作，其代码如下：



代码中寄存器level_contrl_TEMP存储level_contrl延时256个时钟周期后的信号，然后用level_eontrl_TEMP中存储的信号与level_co-ntrl的值相异或产生所需要的脉冲信号。
调试中发现，去抖动后的信号经常混有持续时间很短的高频脉冲干扰信号，因此设计中使用两级D触发器延时来彻底消除高频脉冲干扰，其程序代码如下：



2．2 双口RAM及开关信号编码设计
双口RAM分为真、假2种双口。真双口2个端口都可以读写，互不干扰。本次设计根据实际需要，添加的RAM模块一端只读，另一端只写，读写互不干扰。根据上述分析可知，开关控制信号只能知道有开关控制动作发生，但是不能识别具体哪个开关发生了动作。因此，设计中首先利用MegaWizardPlug_In Manager中的宏功能块RAM：2_PORT产生1个双口RAM存储块，然后对这个宏功能模块的参数进行适当调整，产生一个满足自己特定要求的模块，如图5所示。




设计过程中，首先将开关动作进行编码。然后将编码后的数据存进空间大小为8的双口RAM中。当BF561检测到PF9上的脉冲后，在PF中断中读取RAM中指定地址的数据，然后根据这个数据进行开关状态解码并按解码后的控制信息对2块MAX4312器件进行操作以控制视频通道。对开关动作进行的编码程序代码如下：



整个设计有4种开关动作，程序中分别将其编码成数据0l、02、03、04，然后将编码后的这4个数据存入双口模块中，等待BF561来读取并进行解码。图6是SignalTapⅡLogic Analyzer中对脉冲开关向右拨动后存入RAM中的数据进行采样。




程序中RAM的读信号rden_signal是由DSP发送的地址信号DSP_A、BANK选择信号DSP_AMSl以及DSP读信号DSP_ARE进行控制的。当DSP不从双口读取数据时，必须给DSP的数据线赋值高阻，以免影响SDRAM对DSP数据线的操作。赋值指令如下：assignDSP_D=(rden_signal=l 'b1)？DSP_D_TEMP；8 'hzz；其中DSP_D_TEMP是从双口中读取的数据。

3 结论
首先介绍了整个系统的工业背景和硬件架构，然后着重阐述了怎样在FPGA中处理开关控制信号，以达到可靠响应每个开关动作的目的。整个设计程序是在QuartusⅡ平台上用Verilog硬件描述语言编写，利用QuartusⅡ中的下载工具和SignalTapⅡLogic Analyzer工具进行下载、实时采样，并多次调试验证。本次设计已经成功应用于布机告警系统中，每次拨动开关都能准确、可靠的切换视频通道。虽然此系统中只有两种开关，但是整个程序的设计思想对多种开关控制也是通用的，只需在细节上稍作改变就能识别多种开关动作。