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
  # a+ C! V5 m% j
• 
  * H7 |; O8 X# i: V; O
  

# j2 z* t* A  `0 x

2、型号

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）

( K+ e  ]- ?* `. K' U! K% F0 G

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	" G! b2 b, S# s& {3 R5 `
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

$ Y' z4 T3 E2 ]/ H0 G' b

' l% I& M0 p5 S9 o8 R- Y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

5 h! `& h/ }4 R  P4 _3 }

% H, O' w& V7 j9 ?/ L& Q

　　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）

& {: |6 i: B" \9 K3 X$ ]

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。
  
  / F9 l$ ^) S$ G3 Q& l

: J- w/ q2 M9 K9 ]

1 A' x# b+ \: ^" _

• 计数方向与编码器信号的关系
  
  ' |+ ^1 `9 l% x' q' A2 i4 |! j2 `: W5 g

$ c& K' G* i* j
' j. [/ G5 R3 x

8 D5 a: i. O% x- c  _" D
( g, ^& {$ O  t& }/ N1 t

2、软件实现

1. 1 /********************************************
   ( a4 R9 \+ o0 _
2.   2
   # M7 h# k2 A) q, V( H5 t0 [
3.   3 TIM3、TIM4定时器编码器模式配置
   + S4 r2 v% F: z& ^3 q: e( V
4.   4
   ) E6 `' D+ c, n  U% r2 i5 j6 r& [4 U
5.   5 *********************************************/
   % m3 |. E+ @( {/ I$ [  @+ r) ]. B
6.   6
   , r5 Y- A% [) K9 U
7.   7 #include "sys.h"
   . v6 n0 y3 W/ A7 v7 E& j
8.   8 #include "encoder.h"
   
9.   9
   % P6 s% Y" ?& m+ E( i5 P
10. 10 int TIM3ITCount=0;//中断溢出次数
    - x# N2 y& t) H! z8 E5 J
11. 11 int TIM4ITCount=0;//中断溢出次数
    7 M" ~; n# ~' C1 w
12. 12
    , y5 G# Y5 l- H
13. 13 void TIM3_IRQHandler(void)
    
14. 14 {   
    
15. 15     if(TIM3->SR&0x0001)//溢出中断
    
16. 16     {
      Y, V  v9 n$ [4 m0 r
17. 17         
    
18. 18     }   
    & c4 G7 b; t' Q0 w
19. 19     TIM3->SR&=~(1<<0);//清除标志位   
    8 f& P' @  [' i  o
20. 20 }
    " X  r. P. ]0 m( H
21. 21
    
22. 22 void TIM4_IRQHandler(void)
    
23. 23 {   
    
24. 24     if(TIM4->SR&0x0001)//溢出中断
    
25. 25     {
    0 z: y) I: r4 s6 _
26. 26     }   
      l4 T2 U) T4 `( G: {' o
27. 27     TIM4->SR&=~(1<<0);//清除标志位   
    7 |1 Y* T& @- v% q
28. 28 }
    
29. 29
    / c' g4 X* X* {( y0 R' e5 f
30. 30 void TIM3_Encoder_Init()
    8 J' T1 u5 P- U2 z2 b
31. 31 {
    
32. 32     TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    
33. 33     TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
    
34. 34     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    
35. 35     NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    
36. 36     
    
37. 37     //时钟使能
    
38. 38     RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);  //使能 TIM3 时钟
    
39. 39     RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //使能 GPIOA 时钟
    
40. 40     
    7 F1 G2 c/ D" V; u& o
41. 41     //GPIO配置
    0 k% _) }# W# w6 e' `& y
42. 42     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7; //PA6、PA7设置
    9 s- E+ _, s( W1 S$ ~4 a' m8 V
43. 43     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; //浮空输入
    
44. 44     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    ' P: l3 ^! }  P% U
45. 45     GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //初始化 GPIOA
    
46. 46     
    " p( Z9 K( }) Q0 B
47. 47     //定时器初始化
    
48. 48     TIM_DeInit(TIM3);
    
49. 49     TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure);
    
50. 50     TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period =65535;//预装载值
    
51. 51     TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;//预分频
    
52. 52     TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision =TIM_CKD_DIV1 ;
    8 l5 a9 j9 m7 H
53. 53     TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    ! L9 D7 j8 p. W4 Q' D6 H1 ~6 p
54. 54     TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);
    # T! a1 L+ |* R/ J3 Q1 e2 P
55. 55     
    
56. 56     //编码器模式配置
    6 r5 x+ L' }" M" x1 P
57. 57     TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM3, TIM_EncoderMode_TI12, TIM_ICPolarity_Falling, TIM_ICPolarity_Falling);
    4 p( X, f5 n2 S! l  H$ c) `3 c
58. 58     TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStructure);
    : w, _) G8 v/ Q2 \) y8 F
59. 59     TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 6;//ICx_FILTER;
    
60. 60     TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStructure);
    
61. 61     
    6 C% r7 [( U9 D" Q& }
62. 62     //初始化 NVIC 中断优先级分组
    
63. 63     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn; //TIM3 中断
    ) p, @# |, {( ]1 h! P
64. 64     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2; //先占优先级 2 级
    ! `; x. e& ?2 C6 v  M
65. 65     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0; //从优先级 0 级
    ! |+ N1 t) k- U/ _
66. 66     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ 通道被使能
    $ \; r- w2 d4 ^5 p  z1 h
67. 67     NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //初始化 NVIC
    
68. 68     
    ! C: I! g: ]& Q6 {6 }8 U0 ?
69. 69     //中断配置
    
70. 70     TIM_ClearFlag(TIM3, TIM_FLAG_Update);
    3 f3 `- T4 b) ?5 u3 ^2 L! e
71. 71     TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_Update, ENABLE);
    ' j5 t. R+ A+ U9 D, h
72. 72     
    " r- e1 ]- \9 L" v
73. 73     //Reset counter
    
74. 74     TIM3->CNT = 0;
    , Y3 V4 M9 p/ f8 N( H
75. 75     //使能定时器
    / d& s1 g) U2 Q" S+ i. g0 m
76. 76     TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);   
      ~" y) r, a: D$ K% H+ {7 P. R& P
77. 77 }
      h1 y; H0 E# c. W$ k6 p
78. 78
    + [- _% b9 m" a8 D/ Z
79. 79 void TIM4_Encoder_Init()
    ; c8 s! o% d4 G; V9 E& o
80. 80 {
    
81. 81     TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    
82. 82     TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
    
83. 83     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    
84. 84     NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    2 `  I, M& O3 E; @" d2 F  X
85. 85     
    3 h" P9 _- O/ d
86. 86     //时钟使能
    
87. 87     RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);  //使能 TIM4 时钟
    4 h) T1 X9 B" S: n
88. 88     RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); //使能 GPIOB 时钟
    
89. 89     
    : y1 q5 M: y: ^
90. 90     //GPIO配置
    
91. 91     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7; //PB6、PB7设置
      |3 R; O/ N) l! G7 x$ M+ _
92. 92     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; //浮空输入
    
93. 93     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    
94. 94     GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); //初始化 GPIOA
    - s" h( V0 O( M1 \' t
95. 95     
    
96. 96     //定时器初始化
    0 {  g* V+ t, s. k# A3 ?
97. 97     TIM_DeInit(TIM4);
    
98. 98     TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure);
    
99. 99     TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period =65535;//预装载值
    " b: Z2 c0 s  s: O
100. 100     TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;//预分频
     $ H7 r& [, ?" s, I& Q+ M3 \
101. 101     TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision =TIM_CKD_DIV1 ;
     
102. 102     TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
     ; f# N& x  y% G( S8 D6 Y: R0 |* v" y
103. 103     TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure);
     5 i5 [2 L. d( M0 N1 [
104. 104     
     3 Y  T2 h+ H( M3 W+ @+ @5 l* t
105. 105     //编码器模式配置
     
106. 106     TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM4, TIM_EncoderMode_TI12, TIM_ICPolarity_Falling, TIM_ICPolarity_Falling);
     ) S. t- ~" x4 |4 _
107. 107     TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStructure);
     
108. 108     TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 6;//ICx_FILTER;
     
109. 109     TIM_ICInit(TIM4, &TIM_ICInitStructure);
     
110. 110     
     . M6 b9 K# A. t3 N7 V) {
111. 111     //初始化 NVIC 中断优先级分组
     ! ^( K1 D5 A  `! ^( ]
112. 112     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM4_IRQn; //TIM4 中断
     , ~# \5 R5 |9 s7 V2 g& `2 v7 h
113. 113     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2; //先占优先级 2 级
     0 B1 m8 {% `- S4 [  H/ p5 z4 I6 n$ p
114. 114     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1; //从优先级 0 级
     9 T3 I$ N5 M; Q( Z9 j$ }
115. 115     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ 通道被使能
     
116. 116     NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //初始化 NVIC
     : F5 N7 g, h* [0 J: I) ^  q
117. 117     
     
118. 118     //中断配置
     
119. 119     TIM_ClearFlag(TIM4, TIM_FLAG_Update);
     
120. 120     TIM_ITConfig(TIM4, TIM_IT_Update, ENABLE);
     * h$ X1 U% ]; s
121. 121     
     2 @5 f1 w0 T/ C
122. 122     //Reset counter
     5 w8 f) Q$ M' ~
123. 123     TIM4->CNT = 0;
     
124. 124     //使能定时器
     
125. 125     TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);   
     
126. 126 }
     1 C9 C9 l6 f; }
127. 
     . x& O8 k( h1 t2 C4 N4 s& C
128. encoder.c

复制代码

* q( z, |( J' k. k5 u" u3、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。
  
  7 x' J  v. h8 O! L' @0 x' f

: U- \7 m% b' H7 R( f