FPGA边沿检测及应用示例

原创 未可知摩尔 FPGA入门到精通

        本文将从Verilog和边沿检测的基本概念入手，介绍Verilog边沿检测的原理和应用代码示例。

一、什么是Verilog边沿检测？

        Verilog边沿检测是数字电路设计中常用的方法之一。它是一种检测输入信号边沿变化的技术，用于实现时序控制、数据采集和数字信号处理等功能。

        Verilog边沿检测可以通过posedge、negedge和edge等敏感表达式来实现，其基本原理是通过触发器检测输入信号的状态变化，并触发相应的逻辑操作。

二、Verilog边沿检测的实现原理

        Verilog边沿检测的实现原理可以通过以下几个步骤来说明：

1、定义输入信号和输出信号

        在开始 Verilog 边沿检测的实现之前，首先需要定义输入信号和输出信号。通常情况下，输入信号是从外部输入的数字信号，而输出信号是根据输入信号经过模块处理后所得到的数字信号。

2、设计边沿检测模块

        定义好输入信号和输出信号后，接下来就需要设计边沿检测模块。这个模块通常由一个或多个“always”块组成。这些语句块会根据输入信号的状态变化以及敏感表达式的定义来执行相应的操作，从而实现边沿检测。

3、选择敏感表达式类型

        在设计边沿检测模块时，需要选择使用哪种敏感表达式类型。Verilog中提供了多种边沿检测的实现方式，如posedge、negedge等。其中，posedge表示上升沿检测，negedge表示下降沿检测。用户可以根据实际需求选择适合的边沿检测方式。

三、Verilog边沿检测的代码实现

        下面是一个基于posedge敏感表达式的Verilog边沿检测实现的代码示例。该代码实现了一个简单的计数器，用于在信号上升沿时自增并输出计数值。

module edge_detect(
input clk,
input reset,
input signal,
output reg [31:0] period,
output reg [31:0] duty_cycle
);

reg signal_delay;
wire signal_pos_edge;
wire signal_neg_edge;
reg [31:0] count;
reg [31:0] last_count;
reg [31:0] high_time;
reg [31:0] low_time;
reg [1:0] state;

//上升沿 上一个周期信号为低，当前周期信号为高，即上升
assign signal_pos_edge = (~signal_delay )&signal;

//下降沿 上一个周期信号为高，当前周期信号为低，即下降
assign signal_neg_edge = signal_delay&(~signal);

always @(posedge clk or posedge reset) begin
if (reset) begin
        signal_delay <= 'b0;
        count <= 0;
        last_count <= 0;
        high_time <= 0;
        low_time <= 0;
        state <= 2'b00;
        period <= 0;
        duty_cycle <= 0;
    end 
else begin
    signal_delay <= signal;
    count <= count + 1;
    case (state)
        default: begin // wait for rising edge
            if (signal) begin
                last_count <= count - 1;
                state <= 2'b01;
            end
        end

    2'b01: begin // wait for falling edge
        if (!signal) begin
            high_time <= count - last_count - 1;
            state <= 2'b10;
        end
    end

2'b10: begin // wait for rising edge
    if (signal) begin
        low_time <= count - last_count - high_time - 1;
        period <= (low_time > 'b0)&&(high_time > 'b0) ? high_time + low_time : 'b0;
        duty_cycle <= (period > 'b0) ? low_time * 100 / period : 'b0 ;
        last_count <= count - 1;
        state <= 2'b01;
    endend
endcase
end
end

endmodule

        在这个代码示例中，我们定义了一个边沿检测模块，包括输入信号clk、reset和signal，以及输出信号period和duty_cycle。

        注意：代码中的除法，在正式工程中不能这么用哦，需要自己实现一个除法器才行。

        这个模块的设计原理是：在输入信号上升沿时开始计时，直到下降沿出现，然后停止计时并计算周期和占空比。

三、Verilog边沿检测的应用实例

        我们可以使用上述代码示例来实现一个简单的时序分析电路。下面是一个测试应用实例，该实例使用上述边沿检测模块来计算输入信号的周期和占空比。

module testbench;

reg clk;
reg reset;
reg signal;
wire [31:0] period;
wire [31:0] duty_cycle;

edge_detect uut(
.clk(clk),
.reset(reset),
.signal(signal),
.period(period),
.duty_cycle(duty_cycle)
);

initial begin
clk = 0;
reset = 1;
signal = 0;

#10 reset = 0;
#100 signal = 1;
#100 signal = 0;
#100 signal = 1;
#100 signal = 0;
#100 signal = 1;
#100 signal = 0;
#100 signal = 1;
#100 signal = 0;

#100 $finish;
end

always #5 clk = ~clk;

endmodule

        在这个代码示例中，我们定义了一个testbench，包括输入信号clk、reset和signal，以及边沿检测模块uut，编写了测试逻辑，可以测试该模块的性能和正确性。

        仿真结果：

四、总结

        Verilog边沿检测是一种常用的数字信号处理方法，可用于时序分析、数据采集和数字信号处理等领域。本文介绍了Verilog边沿检测的基本原理和代码实现，并给出了一个简单的例子来说明其应用。