【经验分享】STM32-增量式旋转编码器测量

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STMCU小助手发布时间：2022-1-16 17:55

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文章简介:	STM32-增量式旋转编码器测量

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
& \6 j0 @) n2 o2 q
( m" Y; c" i9 G0 X$ y7 x+ R& {, O; ?3 b1 K

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）

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	( m) \8 V( `" X s
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。
3 \+ u; s, S1 h1 R* D- K& q- u- a8 U; L' ]

计数方向与编码器信号的关系
+ J8 m: a L5 O& E" Q# O/ k7 f5 ~4 O- ^/ \, }

2、软件实现

1 /********************************************$ q0 `. R" D, e7 E! B+ K
2 ) ~9 t \$ o. i* n
3 TIM3、TIM4定时器编码器模式配置( ~) J n* [' ?) [5 d9 E
4 h1 V4 R9 J( T# L
5 *********************************************/$ J) i# W8 o. ~( H; ]1 R! G
6
! b h: w6 p1 d6 x2 Z, l0 t0 p) k
7 #include "sys.h"
r' G5 J8 D1 [6 p! O
8 #include "encoder.h"
1 g# A; j# u: i& ?
9 K- u ~ V3 y1 c$ G
10 int TIM3ITCount=0;//中断溢出次数# b8 P9 m d c
11 int TIM4ITCount=0;//中断溢出次数; M) i9 Z3 M% V, Q2 x
12 4 {8 @- u' N+ A1 @
13 void TIM3_IRQHandler(void)
- }) Z2 ~' C8 D8 {$ C
14 { ) V3 i1 f" N( w; ~- k4 S0 K6 ]- \, \
15 if(TIM3->SR&0x0001)//溢出中断
, L( S! H6 n9 q2 o7 [
16 {/ [5 D0 b) c% Y
17 3 Q7 Z5 N5 P( H7 o
18 }
% R( ~7 M) K/ |; n7 _% g) p# ?
19 TIM3->SR&=~(1<<0);//清除标志位
7 d$ \- y* j0 Z( u
20 }& C2 ~7 t# h3 n
21
4 B( l0 O9 j; H
22 void TIM4_IRQHandler(void)
) _, g/ ^' r/ I$ H7 }- t! e: H: Z
23 {
# N ^9 d! c2 k
24 if(TIM4->SR&0x0001)//溢出中断8 W6 L, X# D: I+ [ n
25 {
% F0 K: M: b1 _/ H" Y7 u
26 }
8 z# ~, P8 x6 l/ J, V2 l7 F
27 TIM4->SR&=~(1<<0);//清除标志位
* N! K( j1 f- C
28 }
1 m8 @- I# b3 W; M8 a
29 7 ~& |' C Y2 @. |- R4 Q
30 void TIM3_Encoder_Init()8 \3 I x% e& z0 l" M
31 {
% e- n' s0 d g% n. ]
32 TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
3 p, d3 t( T& T9 Z4 Y4 ?, N5 V4 Q
33 TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;% w$ w" o7 _6 g
34 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;! q+ M( e7 K2 Q% H% X# L1 |, N4 x
35 NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
3 H7 ^) ]5 H. ?9 s
36 2 u! s( ]% C7 d9 B& c( z2 p
37 //时钟使能& p+ b" z3 ?, H% b4 J
38 RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE); //使能 TIM3 时钟
* x5 H/ |# b" F; o
39 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //使能 GPIOA 时钟, K0 E# O9 F2 j. m
40
2 b. @0 ]( B8 A7 o
41 //GPIO配置
* w) ~6 v T# _
42 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7; //PA6、PA7设置
3 E4 b5 | A5 E
43 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; //浮空输入9 V7 U- F8 ~/ ~- Y# C" O9 Z
44 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;: O* O' N1 i6 a5 {: u' M
45 GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //初始化 GPIOA
N4 z, \6 O: o. t3 ^
46 * \# m* Y2 n7 \8 ~5 k7 \
47 //定时器初始化
* h9 Z) \6 J$ k
48 TIM_DeInit(TIM3);
: [+ m- x2 B- `% b- D* A9 N
49 TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure);( ~: ], T' l. M" h6 ^% X+ U" j
50 TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period =65535;//预装载值/ r' d$ K2 d! K/ j8 K$ ^
51 TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;//预分频
/ a- z& [# P3 X% {6 A/ a
52 TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision =TIM_CKD_DIV1 ;
/ i0 Q! |; G3 j5 P
53 TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; 9 L Y) w& @' U6 k- I$ ]6 w4 B
54 TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure); 7 f2 U3 H, v& O! r
55
$ z. S( L, i( I
56 //编码器模式配置' B+ V3 Z: Z- B" `
57 TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM3, TIM_EncoderMode_TI12, TIM_ICPolarity_Falling, TIM_ICPolarity_Falling);7 c- q4 c3 y' O8 I s3 T$ x& y1 F
58 TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStructure);
) S2 h. U" L) c, n% n
59 TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 6;//ICx_FILTER;8 K3 F/ Q6 Q: r6 d4 O3 C n2 \. a6 t
60 TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStructure);+ @" v, \, Z) N' G, b& M7 J( x
61 3 S9 d: o) n1 {2 H" k
62 //初始化 NVIC 中断优先级分组
* {4 c& z, K; I6 L' @5 ]' W7 p
63 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn; //TIM3 中断' r, ~, Q& g) B" Z( i7 S3 }+ K$ L
64 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2; //先占优先级 2 级$ L" h3 a: z2 F! D' f; a
65 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0; //从优先级 0 级8 k! k( ^' a2 k
66 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ 通道被使能& Q' Q0 `; z8 H
67 NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //初始化 NVIC
/ B+ e I7 Y7 r
68 ( X {7 D" s! w" Q, M2 U4 `& a% F/ v
69 //中断配置# V5 L5 o) q p2 J5 v8 P2 h
70 TIM_ClearFlag(TIM3, TIM_FLAG_Update);
/ H8 { F$ ^! E7 b4 A1 [
71 TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_Update, ENABLE);) B& O% W/ E: k1 Y' p
72 0 L X4 T" A( \4 p/ Q0 D
73 //Reset counter
8 x4 I9 c! w8 j3 ^' H
74 TIM3->CNT = 0;" N9 y' J8 t% p$ r5 ?
75 //使能定时器
( W' p( U) r _6 Q" c. u
76 TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
3 n* Y1 e4 {, K$ J! g% g( j* `" U
77 }
$ o. R' f# W. h' v# z# ^+ j6 s' }
78 9 F8 y' h$ S b. n W8 U9 B
79 void TIM4_Encoder_Init()
}5 n# U4 S+ R
80 {8 m' v# w' X: h, s+ i+ P! ?* I
81 TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;) a2 r4 [: Z3 @0 l! a0 ]
82 TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
% s q2 e3 i6 z. W
83 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
' U2 ~( h3 M5 G1 ?7 i1 l ]* c: x
84 NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;* t3 E6 K8 x9 H1 A7 s
85
* c3 | ^+ h: j/ M/ ]+ z- {
86 //时钟使能1 p, F M- n# Q0 Z8 F
87 RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE); //使能 TIM4 时钟6 K' }! t1 z2 y6 o% l
88 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); //使能 GPIOB 时钟
7 x* v2 h# V" j9 L
89
; B4 k+ y" W% i4 g
90 //GPIO配置
2 Q% ^0 U6 s6 G( Z9 y
91 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7; //PB6、PB7设置3 B2 L4 q, x4 k+ \( h' o
92 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; //浮空输入
! T3 q" z# g8 p( L, j
93 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;% t% u' n0 R" o: M( t; ^( O
94 GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); //初始化 GPIOA
' O# c. V( m/ l# V; Z5 r
95 9 |3 E3 k) e9 ?
96 //定时器初始化
, r2 s# G1 ?6 O& J) W
97 TIM_DeInit(TIM4);
N) R" v$ S$ l2 X9 W
98 TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure);1 L+ Y% n- C9 F- f I" s
99 TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period =65535;//预装载值/ r* i/ Y1 a) I3 M& s% j- e
100 TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;//预分频
5 ^; `: `, h7 r! c+ @3 r
101 TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision =TIM_CKD_DIV1 ;
$ |9 P+ D2 J; p8 N7 Z) M
102 TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
+ U) T, D- X/ \% B$ N
103 TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure); - }( ?) f2 H8 a" x
104
9 Q7 f; p6 f3 {4 x
105 //编码器模式配置2 q! I0 I& ? R( O" C: i: @
106 TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM4, TIM_EncoderMode_TI12, TIM_ICPolarity_Falling, TIM_ICPolarity_Falling);
. _ x* h: h$ R9 c8 j, j
107 TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStructure);* n" n# \- Y1 b, Z$ I, y6 \9 A
108 TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 6;//ICx_FILTER;
. [( A6 E7 e7 A) ]+ M
109 TIM_ICInit(TIM4, &TIM_ICInitStructure);- N) j7 ]2 W: N; Z
110 . C) \8 a) U5 q; Z( e( g
111 //初始化 NVIC 中断优先级分组
& b( s: a1 e2 [/ e
112 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM4_IRQn; //TIM4 中断
' O0 q. `1 f3 r0 B4 j1 \- n. i
113 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2; //先占优先级 2 级
/ O& J! L, t0 C7 O# n
114 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1; //从优先级 0 级) V+ U% {* H2 H0 W
115 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ 通道被使能
" v" n# D. W# ]
116 NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //初始化 NVIC
" [6 X# N R6 ~& x" M" g
117
* Y- R5 S: V7 M. K
118 //中断配置# L; K% C/ m8 g: A: m8 J B
119 TIM_ClearFlag(TIM4, TIM_FLAG_Update);
- b: x; H$ j* Q9 ]4 C( r
120 TIM_ITConfig(TIM4, TIM_IT_Update, ENABLE);! y; H- N" G( O# ]# Q
121
5 g1 z/ H# c# e' G6 u2 j6 p
122 //Reset counter
" l+ u4 P! p& G, O9 q7 V$ g
123 TIM4->CNT = 0;# t- j9 Y1 p M* [8 `
124 //使能定时器
125 TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);
+ `" N- B# [' t
126 }
& G: ]2 e3 }2 w" z( N. w `
( v- G |( u N: K
encoder.c

复制代码

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。
: R* e. m4 h1 T, Y
% P, g7 I6 W6 Y, P/ ?2 b. C