- 项目需求：
- 旋转电位计可以产生0-3.3V的电压
- 利用板上的串行ADC对电压进行转换
- 将电压值在板上的OLED屏幕上显示出来
- 整体功能框图：
- 操作方法：
滑动旋钮，在OLED上即可显示此时测得的电压值
- 实现的思路：
首先逐条分析这些需求；
第一点：旋转电位计可以产生0-3.3V的电压
通过查看扩展板原理图可以看到，电位计上可以通过旋钮分得0-3.3V的电压，然后接入到了40Pin插座的34脚，然后再接入到高速比较器TP1961的正极输入端。
第二点：利用板上的串行ADC对电压进行转换
扩展板上并没有现成的ADC可以使用，实际上得用PWM波配合高速比较器实现ADC的功能。
首先PWM是由一串连续行走在某输出管脚上的0、1交替出现的信号组成，我们称高电平1为ON，低电平0为OFF，ON+OFF为一个周期T，ON的持续时间除以周期T就为占空比 - Duty Cycle，如下图。
如果发送端用脉冲的占空比来传递“电压值”，也就是将某个数字的电压值对脉冲的占空比进行调制，就可以在接收端通过RC低通滤波器（也就是解调器）从调制脉宽的数据流中得到需要的模拟电压值，从而达到DAC的目的。看下图 - 假设脉冲的占空比为0的时候（整个周期全部为OFF - 低电平）代表电压值为0，占空比为100%的时候（整个周期全部为ON - 高电平）代表电压值为最高电压，比如3.3V，则40%的占空比就是40%*3.3V。占空比改变-每个周期的脉宽改变，也就意味着输出的电压值在改变,如下图：
具体实现也很简单，首先我使用状态机将整个过程分成三个状态：IDLE、TEST、SHOW。这样做为了防止在OLED显示前一个测试结果的时候，新的测试结果也产生，可能会让OLED显示起来感觉在抖动，不稳定。IDLE是初始状态和一次完整测量之后的等待状态；TEST是进行电压测量的状态；SHOW是将数据显示到OLED上的状态。代码如下：
wire IDLE_2_TEST;
wire TEST_2_SHOW;
wire SHOW_2_IDLE;
assign IDLE_2_TEST = oled_res == 1'b1;
assign TEST_2_SHOW = compare_i_negedge;
assign SHOW_2_IDLE = oled_display_done;
always @ (*)
begin
case (state)
IDLE : if (IDLE_2_TEST) next = TEST;
else next = IDLE ;
TEST : if (TEST_2_SHOW) next = SHOW;
else next = TEST;
SHOW : if (SHOW_2_IDLE) next = IDLE;
else next = SHOW;
default : next = IDLE;
endcase
end
IDLE跳转到TEST的条件是OLED初始化完成；TEST跳转到SHOW的条件是检测到了比较器输出由高到低跳变；SHOW跳转到IDLE的条件是OLED显示完成，如下图所示：
本次设计将0-3.3V分成34份，所以精度约为0.1V，先用一个计数器cnt_pulse来产生PWM波的周期，从0计数到33，再用一个计数器cnt_high来产生PWM波的高电平，每当cnt_pluse计数到等于33时，cnt_high累加1，代码如下：
localparam pwm_divide = 8'd34 ;
localparam MAX_NUM_pulse = pwm_divide;
reg [7:0] cnt_pulse ;
wire add_cnt_pulse,end_cnt_pulse;
assign add_cnt_pulse = (state == TEST);
assign end_cnt_pulse = add_cnt_pulse && cnt_pulse==(MAX_NUM_pulse)-1;
always @(posedge clk or negedge rst_n_i)
begin
if(!rst_n_i) cnt_pulse <= 1'b0;
else if (state == SHOW) cnt_pulse <= 0;
else if (add_cnt_pulse)
begin
if (end_cnt_pulse) cnt_pulse <= 0;
else cnt_pulse <= cnt_pulse + 1'b1;
end
end
localparam MAX_NUM_high = pwm_divide;
reg [7:0] cnt_high ;
wire add_cnt_high,end_cnt_high;
assign add_cnt_high = end_cnt_pulse;
assign end_cnt_high = add_cnt_high && cnt_high==(MAX_NUM_high)-1;
always @(posedge clk or negedge rst_n_i)
begin
if(!rst_n_i) cnt_high <= 1'b0;
else if (state == SHOW) cnt_high <= 0;
else if (add_cnt_high)
begin
if (end_cnt_high) cnt_high <= 0;
else cnt_high <= cnt_high + 1'b1;
end
end最后将两个计数器进行比较，当cnt_high大于cnt_pulse的时候，便将pwm_o输出1，否则输出0；并且除了在TEST状态，其他状态的pwm_o都输出0，具体代码如下：
always @ (posedge clk or negedge rst_n_i)
if (~rst_n_i) pwm_o <= 1'b0;
else
begin
case (state)
IDLE : pwm_o <= 1'b0;
TEST : pwm_o <= (cnt_high > cnt_pulse);
SHOW : pwm_o <= 1'b0;
default : pwm_o <= 1'b0;
endcase
end
最终，将得到一个占空比从0%开始递增，每次递增1/34，一直递增到33/34的PWM波，经过一个电阻和电容组成的低通滤波就可以将PWM中携带的电压信息“解调”成模拟的电压值。同时不断检测比较器的输出是否产生了一个由高变低的跳变，如果有，便是PWM波等效的直流电压大于电位计的电压，可以认为此时的cnt_high的值即为测得的电位计的值。
第三点：将电压值在板上的OLED屏幕上显示出来
此次用到的OLED规格是128*64的，和我去年寒假用的128*32大同小异，都是使用SSD1306进行驱动，有个128*64bit的RAM存储像素信息，可以理解为一个128列*64行的点阵，点阵存储的数据若为高位1，则OLED屏的对应像素点点亮（可以改设置低位点亮），因此只需要把“3.30V”等这些字符的字模数据发送到SSD1306就可以显示相应的字符了。此款芯片有多种通信方式，而安装在训练板上之后设置成了spi通信模式，所以需要先写一个spi发送数据的模块。
其次，每次发送给SSD1306的数据是8bit（1 word）的数据，学习了SSD1306芯片的数据手册和网上资料，需要先将芯片进行复位（复位拉低100ms左右）然后写入初始化信息（如显示模式，按行写或者按写等等），最后循环写入要显示的数据信息（循环是因为数据是会变的，要实时更新）。得到点阵信息之后初始化到例化的IP——ROM里面备用。例化现有的IP会比使用寄存器更节省资源。
然后，由于电压数据是用6位二进制数存储的，此时还应该先用“左移+3法“将其转换成BCD码存储，将整数位和十分位分别用8位二进制数表示，高4位表示整数位，低4位表示十分位.通过这个8位二进制数的高4位和低4位的值，得到所对应的阿拉伯数字的点阵数据对应的rom地址，读取其中的内容由spi发送给SSD1306即可。
需要注意的是，rom只有一个地址输入，需要根据此时所需要显示的数据，得到对应的地址。其中voltage_1、voltag_2等是使能信号，通过使能信号选择地址。
关键代码如下：
//write voltage_1
4'd2 :
case(j)
6'd0 :
begin y <= y_voltage; voltage_1 <= 1'b1; j <= j + 1'b1;end
//set the page address
6'd1,6'd5://,6'd9,6'd13:
if(spi_write_done) begin start <= 1'b0; j <= j + 1'b1; end
else begin data <= {2'b00,4'hb,y}; start <= 1'b1; end
//set the higher bit of colume address
6'd2,6'd6://,6'd10,6'd14:
if(spi_write_done) begin start <= 1'b0; j <= j + 1'b1; end
else begin data <= {2'b00,4'h1,seg_h_voltage_1};
start <= 1'b1; end
//set the lower bit of colume
6'd3,6'd7://,6'd11,6'd15:
if(spi_write_done) begin start <= 1'b0; j <= j + 1'b1; end
else begin data <= {2'b00,4'h0,seg_l_voltage_1};
start <= 1'b1; end
//write 8 colume
6'd4 : //,6'd12:
if(x==3'd7 & spi_write_done)
begin y <= y + 1'b1; x <= 3'd0; j <= j + 1'b1; start <= 1'b0; end
else
if(spi_write_done) begin start <= 1'b0; x <= x + 1'b1; end
else begin data <= {2'b01,writting_data}; start <=
1'b1; end
6'd8 : //,6'd16:
if(x==3'd7 & spi_write_done)
begin y <= y + 1'b1; x <= 3'd0; j <= j + 1'b1; start <= 1'b0; end
else
if(spi_write_done) begin start <= 1'b0; x <= x + 1'b1; end
else begin data <= {2'b01,writting_data}; start <=
1'b1; end
6'd9 :
begin voltage_1 <= 1'b0;j <= 6'd0; i <= i + 1'b1; end
endcase这样为写一个字符需要用到的代码，先发送要显示的位置的页数（就是第几行）坐标，再发送要显示的列数高八位和低八位坐标，最后将从rom读出的字模数据写入到oled，即可显示出字符。
- 完成的功能：
测量电位计上的电压
- 达到的性能：
资源使用情况截图
- 遇到的主要难题和解决过程：
- 一开始我尝试想把电压分辨率做到0.01V，尝试将PWM波周期设为256个clk，相当于8位的DAC。做出来之后进行测试，发现一个奇怪的现象：当电位计从0V递增到1.60V（用电压表实测），数字量从0递增到200；当电位计从1.60V递增到3.30时，数字量从200递增到256。这相当不科学！于是接下来就是各种怀疑，猜测，找来找去都没发现有什么bug。后来我隐约感觉，PWM波经过低通滤波器输出到比较器上，到底是不是像原理上说的，等效为一个直流电平？为了验证想法，我用示波器测试比较器的负极输入端，结果让我瞬间清醒！测试结果如下图所示，原来比较器的负极输入端不是一个理想的直流电平，而是一些类似锯齿波的东西。分析了一下原理，觉得是当PWM输出高电平时，在比较器负极输入端前的电容上充电，而当PWM输出低电平时，电容由开始放电了，而PWM的占空比影响的，实际上是电容能充电到的电平高度！这些问题有点明朗了，在占空比比较高的时候，放电速度要快很多，所以实际上接入到比较器负极输入端的所谓“电平”，是相当不准确的，导致了测量结果也不准确！
为了解决这一问题，我又重新去看了下PWM相关的原理，发现在苏老师写的系列文章其实有提到低通滤波器的选择。经过计算，板上的电容位1000pF，电阻位1kΩ，截止频率大约为159kHz，而我使用的时钟为12M晶振，PWM波的频率为352kHz，这个低通滤波器并不能把PWM的高次谐波滤干净！但是板子上的晶振和低通滤波器已经定好了不方便改，PWM的周期为34个clk也没法再低了，能做的只有提高运行的时钟了，于是想到了使用内部的PLL进行4倍频，经过测试，纹波改善了非常多，如下图所示：
- 将运行时钟倍频到48M之后解决了PWM的问题，却引入了时序违例的问题，之前写的oled的驱动模块跑不了48M的频率，如下图所示：
经过重新修改一些逻辑，插入寄存器，将时序违例减小了一部分，
后面实在是不好再修改逻辑了，只能选择将oled驱动模块的时钟进行分频，最后才解决时序问题
- 未来的计划等：
- 有时间可以将OLED的逻辑重新写一下，争取可以跑更高的时序
- 测电压的算法可以尝试使用二分法，然后比较一下精度是否能达到要求，这样可以更快的测出结果
karn大风吹MMA