STM32-增量式旋转编码器测量

Development kit：MDK5.14

IDE：UV4

MCU：STM32F103C8T6

一、增量式旋转编码器

1、简介

• 编码器（encoder）是将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。
• 按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种；
• 按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。　
• 旋转编码器是集光机电技术于一体的速度位移传感器。它将被测的角位移直接转换成数字信号（高速脉冲信号）。
• 我们通常用的是增量型编码器，可将旋转编码器的输出脉冲信号直接输入给PLC，利用PLC的高速计数器对其脉冲信号进行计数，以获得测量结果。不同型号的旋转编码器，其输出脉冲的相数也不同，有的旋转编码器输出A、B、Z三相脉冲，有的只有A、B相两相，最简单的只有A相。A、B为相差90度的脉冲，Z相信号在编码器旋转一圈只有一个脉冲，通常用来做零点的依据，连接时要注意PLC输入的响应时间。旋转编码器还有一条屏蔽线，使用时要将屏蔽线接地，提高抗干扰性。
• 信号输出有正弦波（电流或电压），方波(TTL、HTL)，集电极开路(PNP、NPN)，推拉式多种形式，其中TTL为长线差分驱动（对称A,A-;B,B-;Z,Z-）,HTL也称推拉式、推挽式输出，编码器的信号接收设备接口应与编码器对应。信号连接—编码器的脉冲信号一般连接计数器、PLC、计算机,PLC和计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分，开关频率有低有高。如单相联接，用于单方向计数，单方向测速。A.B两相联接，用于正反向计数、判断正反向和测速。A、B、Z三相联接，用于带参考位修正的位置测量。A、A-，B、B-，Z、Z-连接，由于带有对称负信号的连接，在后续的差分输入电路中，将共模噪声抑制，只取有用的差模信号，因此其抗干扰能力强，可传输较远的距离。对于TTL的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达150米。
• 线数：旋转一周信号线输出脉冲数，也成为分辨率

2、型号

博主此篇文章使用的旋转编码器型号有两种。

传感器（增量式旋转编码器）

型号	供电电压	输出方式	分辨率	品牌/厂家	输出电平
S20-1000型拉线位移传感器	5-24V	NPN集电极开路	400	Omron/欧姆龙
DT100E40R1024-HI 增量型大孔径编码器	5-30V	HTL（推挽式）	1024	冬莅自动化技术（上海）有限公司 www.shdongli.cn	高：VCC*70% 低：1V

二、硬件设计

　　由于增量型编码器输出脉冲，可以直接接入PLC单片机，利用PLC高速计数器进行测量。将编码器接入STM32单片机需要一个定时器资源，并将定时器配置为编码器模式，稍后会简要介绍配置方法。根据传感器的输出方式，进而来判断是否需要进行信号预处理。对于集电极开路输出的传感器接入必须使用上拉电阻。注意STM32大多数引脚的输入电压都在3.3V左右，尽量不要过压。如果电压较大，最好加隔离电路，比如6N136光耦，类似下图

　　我在这里并没有使用隔离电路，而是对传感器统一使用了5V供电，并在信号接入端人为加了3.3V上拉（上拉电阻1K），这种接口电路在我自己设计的采集板上统一留出了8个。编码器应用中并未使用Z相，仅使用了A、B两相进行编码器计数。按照线序说明接入STM32的定时器引脚，PA6、PA7对应TIM3的CH1、CH2通道，PB6、PB7对应TIM4的CH1、CH2通道。对于第二种传感器的推挽输出方式而言，实验证明这种接入电路也是可行的。（具体电路没有进行分析，只是图个方便。但是5*70%=3.5V应该是勉强可以直接接入stm32引脚的）

三、软件设计

1、STM32定时器编码器模式简介

　　参考官方文档，摘录几个要点：

• 编码器接口模式基本上相当于使用了一个带有方向选择的外部时钟。
• 两个输入TI1和TI2被用来最为增量编码器的接口，TI1FP1和TI2FP2是TI1和TI2在通过滤波器和极性控制后的信号，计数器由每次在TI1FP1和TI2FP2的有效跳变驱动，根据跳变顺序，产生计数脉冲和方向信号，计数器向上或向下计数，同时硬件对TIMx_CR1寄存器的DIR位进行相应设计
• IC1、TI1概念理解：TI1是定时器输入通道，IC1是输入捕获通道（两者可以交错）。配置CCMR1寄存器的CC1S位可以指定IC1的映射方式。可配置滤波器和预分频器。

• 计数方向与编码器信号的关系

2、软件实现

 /********************************************

 TIM3、TIM4定时器编码器模式配置

 *********************************************/

 #include "sys.h"
 #include "encoder.h"

 int TIM3ITCount=;//中断溢出次数
 int TIM4ITCount=;//中断溢出次数

 void TIM3_IRQHandler(void)
 {
     if(TIM3->SR&0x0001)//溢出中断
     {

     }
     TIM3->SR&=~(<<);//清除标志位
 }

 void TIM4_IRQHandler(void)
 {
     if(TIM4->SR&0x0001)//溢出中断
     {
     }
     TIM4->SR&=~(<<);//清除标志位
 }

 void TIM3_Encoder_Init()
 {
     TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
     TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
     NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

     //时钟使能
     RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);  //使能 TIM3 时钟
     RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //使能 GPIOA 时钟

     //GPIO配置
     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7; //PA6、PA7设置
     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; //浮空输入
     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
     GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //初始化 GPIOA

     //定时器初始化
     TIM_DeInit(TIM3);
     TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure);
     TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period =;//预装载值
     TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = ;//预分频
     TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision =TIM_CKD_DIV1 ;
     TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
     TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure); 

     //编码器模式配置
     TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM3, TIM_EncoderMode_TI12, TIM_ICPolarity_Falling, TIM_ICPolarity_Falling);
     TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStructure);
     TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = ;//ICx_FILTER;
     TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStructure);

     //初始化 NVIC 中断优先级分组
     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn; //TIM3 中断
     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = ; //先占优先级 2 级
     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = ; //从优先级 0 级
     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ 通道被使能
     NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //初始化 NVIC

     //中断配置
     TIM_ClearFlag(TIM3, TIM_FLAG_Update);
     TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_Update, ENABLE);

     //Reset counter
     TIM3->CNT = ;
     //使能定时器
     TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
 }

 void TIM4_Encoder_Init()
 {
     TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
     TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
     NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

     //时钟使能
     RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);  //使能 TIM4 时钟
     RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); //使能 GPIOB 时钟

     //GPIO配置
     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7; //PB6、PB7设置
     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; //浮空输入
     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
     GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); //初始化 GPIOA

     //定时器初始化
     TIM_DeInit(TIM4);
     TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure);
     TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period =;//预装载值
     TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = ;//预分频
     TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision =TIM_CKD_DIV1 ;
     TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
     TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure); 

     //编码器模式配置
     TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM4, TIM_EncoderMode_TI12, TIM_ICPolarity_Falling, TIM_ICPolarity_Falling);
     TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStructure);
     TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = ;//ICx_FILTER;
     TIM_ICInit(TIM4, &TIM_ICInitStructure);

     //初始化 NVIC 中断优先级分组
     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM4_IRQn; //TIM4 中断
     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = ; //先占优先级 2 级
     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = ; //从优先级 0 级
     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ 通道被使能
     NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //初始化 NVIC

     //中断配置
     TIM_ClearFlag(TIM4, TIM_FLAG_Update);
     TIM_ITConfig(TIM4, TIM_IT_Update, ENABLE);

     //Reset counter
     TIM4->CNT = ;
     //使能定时器
     TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);
 }

encoder.c

3、注意事项

• 更新中断可以不开。但是由于没有使用Z相信号，所以这里保留更新中断，实际上目前中断里什么也没做
• 由于是双相下降沿计数，所以转一次会输出两个脉冲，转一周脉冲数为分辨率*2，注意处理。当然你也可以配置为其它计数倍数
• 这里预装载65535，可改为线数*2，即可对转一周的位置进行严格编码
• TIMx->CNT的值即为编码器的位置（并不一定是输出脉冲值，跟旋转方向和预装载值有关，增量编码器的零点是初始化自己定义的）
• GPIO配置为浮空输入模式。对于集电极开路输出的编码器，如果你没有外部上拉，则使用内部上拉，配置为上拉输入模式即可。

参考资料：

1、百度百科-旋转编码器

2、STM32定时器--正交编码器模式详解