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
  & I' z6 U3 f, {# U! {
• 
  
  $ @! C5 B$ [9 l% J

* I" ^0 k/ ?) a; ]3 n' o7 x2 e1 c4 {

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）

& l  B: S. O, Y: _

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

$ A+ X. h4 F5 `; t6 @4 _* X

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

1 E* }$ X$ P) U/ G7 g) j6 p* x! h4 E

　　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）

3 t# |$ o* @4 x5 Z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。
  8 x2 X' U1 F$ O6 g: `4 s; U
  

0 ]7 H7 [+ T' k1 ?: q. Y

- D% O% V2 k" n8 [" e/ R

, \) X* v0 Q* J2 U

• 计数方向与编码器信号的关系
  + \8 f# ?5 U6 M% T7 c
    S' K: t4 [$ `/ p9 r# A

5 \4 h1 C- A0 G5 {; v# g$ E; Q

8 m4 x) E  I* K& x) o8 w

. Y/ M7 O3 A0 T+ ~' l" V

2、软件实现

1. 1 /********************************************
   
2.   2
   
3.   3 TIM3、TIM4定时器编码器模式配置
   
4.   4
   
5.   5 *********************************************/
   8 p% E4 V% N5 O/ X
6.   6
   ' L1 ~1 a4 \& s( Y- W& Q
7.   7 #include "sys.h"
   0 w7 u+ d" G- N  z, g1 y6 R- Y
8.   8 #include "encoder.h"
   
9.   9
   
10. 10 int TIM3ITCount=0;//中断溢出次数
    
11. 11 int TIM4ITCount=0;//中断溢出次数
    & k- W) [* u1 g6 f2 M
12. 12
    
13. 13 void TIM3_IRQHandler(void)
    0 c. u5 N& k8 m4 [8 S. J
14. 14 {   
    - H) y$ W$ P5 \! d% x
15. 15     if(TIM3->SR&0x0001)//溢出中断
    
16. 16     {
    . V' c/ j9 H- C9 u. k; g/ [
17. 17         
    
18. 18     }   
    - e' {9 y- p! O9 T4 f: `
19. 19     TIM3->SR&=~(1<<0);//清除标志位   
    6 Z$ w/ B/ T  m
20. 20 }
    
21. 21
    + x1 k! z! q0 p" r$ x) u) u6 c
22. 22 void TIM4_IRQHandler(void)
    & m1 E4 Z! F9 g/ e
23. 23 {   
    
24. 24     if(TIM4->SR&0x0001)//溢出中断
    0 |0 s3 E' A$ n9 M9 ]4 T2 F8 @! J
25. 25     {
    
26. 26     }   
    & N  r( y7 d$ ]% r
27. 27     TIM4->SR&=~(1<<0);//清除标志位   
    # F9 i7 S. \& r6 r* }) @0 [
28. 28 }
    
29. 29
    
30. 30 void TIM3_Encoder_Init()
    
31. 31 {
    
32. 32     TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    ) @7 F0 L; a) \2 S- f3 W0 r
33. 33     TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
    
34. 34     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    4 S  t. d  q* L4 l) U# D! _# Y
35. 35     NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    ; _$ o/ ?% @" p* }5 Z- L
36. 36     
    
37. 37     //时钟使能
    
38. 38     RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);  //使能 TIM3 时钟
    2 B# a9 ]) |/ @
39. 39     RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //使能 GPIOA 时钟
    , j9 w- Z7 K  N2 y" O. _2 f/ z
40. 40     
    ! U! Q8 ?/ B8 n; ]0 Q( @
41. 41     //GPIO配置
    * i5 w5 F+ b0 x- B4 _
42. 42     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7; //PA6、PA7设置
    
43. 43     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; //浮空输入
    ' o2 b0 }3 k( l3 Q, a  }- T1 _
44. 44     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    
45. 45     GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //初始化 GPIOA
    % X! U4 d5 Q( s) b; U: q
46. 46     
    
47. 47     //定时器初始化
    4 Z& ?; E& s% \
48. 48     TIM_DeInit(TIM3);
    & A9 J/ l. h( }5 Y0 i
49. 49     TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure);
    
50. 50     TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period =65535;//预装载值
    5 b' M) ], e! k7 C3 h3 u/ [
51. 51     TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;//预分频
    : ~- i  ^8 X6 G; }6 ~
52. 52     TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision =TIM_CKD_DIV1 ;
      }) X3 }' b2 S; f: ~) J
53. 53     TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    
54. 54     TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);
    
55. 55     
    
56. 56     //编码器模式配置
    7 \$ l1 t, C0 V6 ~
57. 57     TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM3, TIM_EncoderMode_TI12, TIM_ICPolarity_Falling, TIM_ICPolarity_Falling);
    
58. 58     TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStructure);
    
59. 59     TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 6;//ICx_FILTER;
    / p7 H1 ^: O: w) D2 Q+ V
60. 60     TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStructure);
    * y2 x: r, v6 m
61. 61     
    
62. 62     //初始化 NVIC 中断优先级分组
    
63. 63     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn; //TIM3 中断
    
64. 64     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2; //先占优先级 2 级
    
65. 65     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0; //从优先级 0 级
    
66. 66     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ 通道被使能
    $ C/ E6 b' B. {9 h
67. 67     NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //初始化 NVIC
    
68. 68     
    
69. 69     //中断配置
    ! @/ I$ V; p/ A( R: \9 I. b
70. 70     TIM_ClearFlag(TIM3, TIM_FLAG_Update);
    
71. 71     TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_Update, ENABLE);
    9 z& k  g# T0 J* T% G
72. 72     
    
73. 73     //Reset counter
    6 _: B( @: ]2 ?& w
74. 74     TIM3->CNT = 0;
    
75. 75     //使能定时器
    
76. 76     TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);   
    
77. 77 }
    4 D! J0 _/ e) z
78. 78
    
79. 79 void TIM4_Encoder_Init()
    4 p% Z& ^' x! \* c% q) o
80. 80 {
    8 q* \% g/ g8 E4 A; |. m& f, f
81. 81     TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    : B1 u+ V- l7 u7 U0 v4 I% `
82. 82     TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
    
83. 83     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    - e- k* _" j+ u6 u! a
84. 84     NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    7 v& n1 _: E) e5 ^
85. 85     
    
86. 86     //时钟使能
    2 L; C3 I! U  _3 P% p9 m( g
87. 87     RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);  //使能 TIM4 时钟
    1 Y( c! r4 p' @: ^5 S9 A* F5 o
88. 88     RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); //使能 GPIOB 时钟
    
89. 89     
    2 p  y% t0 m3 U  \
90. 90     //GPIO配置
    
91. 91     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7; //PB6、PB7设置
    
92. 92     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; //浮空输入
    9 {2 W- ]8 G& j! e8 `, U
93. 93     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    
94. 94     GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); //初始化 GPIOA
    
95. 95     
    - [% L! t! k3 r' ]
96. 96     //定时器初始化
    
97. 97     TIM_DeInit(TIM4);
    
98. 98     TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure);
    7 [8 N7 Q8 c& Q/ T
99. 99     TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period =65535;//预装载值
    3 H# o' P' d' Z% O& X+ P+ m# F5 z
100. 100     TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;//预分频
     8 i2 e( Q# ?; Z" m( }
101. 101     TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision =TIM_CKD_DIV1 ;
     % }6 u# Z5 V  I5 C9 j" M
102. 102     TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
     + A5 _7 u+ v" N( x. R) ^0 l; x
103. 103     TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure);
     - U5 h+ o5 V2 K3 F. I2 N2 m7 B
104. 104     
     7 I8 E. D# G) Q3 i7 p0 ~
105. 105     //编码器模式配置
     
106. 106     TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM4, TIM_EncoderMode_TI12, TIM_ICPolarity_Falling, TIM_ICPolarity_Falling);
     
107. 107     TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStructure);
     
108. 108     TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 6;//ICx_FILTER;
     
109. 109     TIM_ICInit(TIM4, &TIM_ICInitStructure);
     
110. 110     
     
111. 111     //初始化 NVIC 中断优先级分组
     " t. ?9 U8 |! ]5 D1 B2 R2 F- ]
112. 112     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM4_IRQn; //TIM4 中断
     - ^+ h. b1 g! o5 `0 s6 R) K" d, K
113. 113     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2; //先占优先级 2 级
     
114. 114     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1; //从优先级 0 级
     2 L- a' }* L1 h" U  S2 ^6 S
115. 115     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ 通道被使能
     . g4 l3 g+ i, C3 F' ?: b& s) D
116. 116     NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //初始化 NVIC
     & i4 E7 {& l( A4 G8 o% G. h+ d
117. 117     
     
118. 118     //中断配置
     6 T% A9 s' a. T. q
119. 119     TIM_ClearFlag(TIM4, TIM_FLAG_Update);
     
120. 120     TIM_ITConfig(TIM4, TIM_IT_Update, ENABLE);
     
121. 121     
     ' j4 D. w2 J& Z  N( ^: y/ U, p
122. 122     //Reset counter
     % T) k) e" A7 o( b- Y
123. 123     TIM4->CNT = 0;
     
124. 124     //使能定时器
     ! }, K5 ]* ^0 Q: T* X3 V3 z
125. 125     TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);   
     
126. 126 }
     " P- y9 K. ?6 P4 y7 P& M2 t
127. 
     
128. encoder.c

复制代码

  H9 I" L! }4 j$ Q! |: Z/ [; b3、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。
  
  

( }2 r7 w6 Z! a2 s! p9 [$ ]1 N% Z