【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$ V+ W% w" B9 r q5 W
& B: }8 V4 U7 l+ |# o

2 v8 r% H: {! m2 G

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	5 t% b7 h: P8 l0 C$ A
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

[backcolor=rgba(255, 255, 255, 0.5)] 　　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

[backcolor=rgba(255, 255, 255, 0.5)]　　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。
$ ^/ N% J& H& N2 h! u: a( X# P4 }+ o& p% l% ^- i

计数方向与编码器信号的关系: @% Z. J* N. e+ B" M# Q
, j3 Z7 T9 l% g, i* j! Y

2、软件实现

1 /********************************************
8 a- O3 B7 W. b& J+ E. Q
2 0 B& h, p5 v7 Y9 l( K' M1 y" N
3 TIM3、TIM4定时器编码器模式配置" R3 c. p( i9 Q& O. D1 e
4
/ C* ~4 N* T z1 U; H6 l. Q
5 *********************************************/
; I, A3 [, Q4 S+ w6 I
6
- U4 Q& i S; C. p: a. ?9 V. F
7 #include "sys.h"
! m# T4 h" l8 x6 @7 S) n% O7 C. B
8 #include "encoder.h"
1 e. v/ Z" ` z) |$ ^3 R
9
; ~1 d0 L9 ~$ z c& x
10 int TIM3ITCount=0;//中断溢出次数
[1 k# J# M( C* }* k7 B6 g% `
11 int TIM4ITCount=0;//中断溢出次数
( s1 [7 _( n$ w% j/ M
12
13 void TIM3_IRQHandler(void)
% h2 J5 Y+ }. [8 \. P3 E
14 { / Y# k) ?# e B) i0 i% t, s
15 if(TIM3->SR&0x0001)//溢出中断
1 A2 g* p2 U" s3 ]+ c+ s
16 {- R7 v9 x! J9 e. T" i, Z8 U# c
17
1 Q+ P1 l9 g( j( k
18 }
6 P, {' m3 D* n7 q7 u( @( k* ?
19 TIM3->SR&=~(1<<0);//清除标志位
3 x- [" X z# \5 o( |
20 }
- Q/ o$ d" i0 T6 Y! k8 o
21 }3 \1 K8 C1 U: R6 `7 B1 n k7 u. p
22 void TIM4_IRQHandler(void)$ y! y/ K4 W6 D, l$ g* Q; w- q
23 {
1 N5 ~/ t" O9 l6 }+ u3 r j
24 if(TIM4->SR&0x0001)//溢出中断
) A" B$ [1 ^' }, B' A
25 {: Y m+ [) |$ z* Y3 q( M8 I3 ?
26 } 3 r9 v4 U3 _9 G1 S6 r, {7 d& |
27 TIM4->SR&=~(1<<0);//清除标志位
+ V: X2 K D1 i3 e: `9 |( a8 b5 l3 o
28 }
- T. i1 ~% ~8 ~' m) G* ~+ {9 A
29
# U3 L6 @2 k# P( h6 `6 I
30 void TIM3_Encoder_Init() S& ^0 }8 j+ P2 ^- C& o" c
31 {3 V( d) R+ d. Q- T! ^
32 TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
! c! p' J" \% B$ A% l
33 TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
: a! b. p0 `; R+ u6 C
34 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;0 V9 N& u5 A4 L! f2 n1 L+ z$ Z, x
35 NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;0 m! V" |5 y8 a+ b/ l
36 + {2 K# X+ c; S9 s: @8 i! D
37 //时钟使能
' |; j) B$ D# H4 V
38 RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE); //使能 TIM3 时钟
/ D# z: O9 ]1 F3 B0 t' V# F
39 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //使能 GPIOA 时钟& |3 D/ {6 G& }4 L9 I4 q; _0 h. t3 L
40 3 w! V! U9 E# A% D* t4 b Q
41 //GPIO配置
7 {$ t( ~7 t& c; @
42 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7; //PA6、PA7设置9 @) V& `1 |4 t8 r( ?: R
43 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; //浮空输入) \9 I+ H4 h, c6 O
44 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;$ Q: R& ?: d) R
45 GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //初始化 GPIOA& f( }3 [8 h! B
46
: O/ d2 ^3 t9 T; l4 a! h! @( A
47 //定时器初始化4 U; t6 c/ |* q( @
48 TIM_DeInit(TIM3);) A. l, ?9 f; j# F
49 TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure);
" r) [) k, [! `6 r
50 TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period =65535;//预装载值" [ C: I1 p) p
51 TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;//预分频5 i5 R+ f& l. [7 e
52 TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision =TIM_CKD_DIV1 ;- D& ], n- ` h% v+ |
53 TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; # b7 c. ^, p1 g8 f
54 TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);
9 m" ?" I' u! \$ C1 Q9 T+ K2 w
55
4 Z9 k! p/ Y& t' k; q& O" m8 [5 y
56 //编码器模式配置
6 A% b$ {3 J+ t3 D* X/ h( h
57 TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM3, TIM_EncoderMode_TI12, TIM_ICPolarity_Falling, TIM_ICPolarity_Falling);
9 X) z( G4 a0 f. _. s. U
58 TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStructure);
( k. N) K) C. c' @) V! i$ u
59 TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 6;//ICx_FILTER;
! d) t& L0 w9 d& D! @
60 TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStructure);% f- b) H, F; P- A$ O5 u
61 / h+ r' S2 v |5 b' e( f
62 //初始化 NVIC 中断优先级分组6 `; J1 r( m* [& v; d b+ C e: P" t
63 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn; //TIM3 中断
9 F/ u' N9 u6 W7 H% e9 H2 ^6 ^) M2 d
64 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2; //先占优先级 2 级% a% j! K& e7 p4 @, c
65 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0; //从优先级 0 级
66 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ 通道被使能
7 `& Q$ V* m; s/ O5 O6 {: q
67 NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //初始化 NVIC2 D4 M* i1 ^/ D% h) I
68
2 j1 {; w9 M7 C, r% X
69 //中断配置
: I! P- X( s! w# z& e
70 TIM_ClearFlag(TIM3, TIM_FLAG_Update);
5 q k7 N( {8 f X& }' x+ e
71 TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_Update, ENABLE);
# Y* n6 o6 D5 h
72 }$ N9 q$ l+ a' U8 M$ {# F+ [
73 //Reset counter
( K9 p5 `4 x& r3 F
74 TIM3->CNT = 0;
7 Q ~1 o @' V3 S" u
75 //使能定时器
& U. X: H2 q8 G0 j- s& D( C+ V) R
76 TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
* ~+ a& n8 C4 l) c! u7 T+ ?7 H( X4 A
77 }
* B4 P$ P5 G7 a3 c3 Z* {
78 / k6 U9 g! j) H/ g
79 void TIM4_Encoder_Init(), ~' g& O4 \% h) d0 z# T5 Z
80 {/ e' U" T8 `, e( L. |! _# ~
81 TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;+ L5 d: |* Z) x8 C
82 TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
' S+ m* J! w; h4 r# C) }8 O
83 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
; `& s6 d( C; q! ]$ x
84 NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;# f8 G5 I2 }8 Q% y
85 ( q/ d% ~; a. s
86 //时钟使能
2 O9 g& [& y9 D4 s7 U" z
87 RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE); //使能 TIM4 时钟
/ K. G! k& K1 m4 k' Q( |" o& ]
88 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); //使能 GPIOB 时钟
. H% r& h. O+ {9 c. o7 \' ~1 Y
89 / }2 w( U& `5 C1 V
90 //GPIO配置' J" z2 W# A' m `; _
91 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7; //PB6、PB7设置! v9 K3 t7 i* a( J+ a4 I
92 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; //浮空输入" o4 `2 a/ ]; P/ h% G5 _: o+ C% D
93 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;5 b7 O7 D) o) U3 g( B/ ?! h
94 GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); //初始化 GPIOA' q4 }6 |8 K Z3 ~) Q' @' y' Y t
95
0 H6 J+ \: F* L- E
96 //定时器初始化
! z+ b' Y* f4 u) `
97 TIM_DeInit(TIM4);
0 r) b7 A0 \: ?- c6 Z
98 TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure);& }7 ?5 b- c% W
99 TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period =65535;//预装载值# U: u$ }+ M/ n% L% y( m3 |) q
100 TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;//预分频8 M. u) B# p5 E( d& @% v3 L7 v/ x+ l
101 TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision =TIM_CKD_DIV1 ;
2 F( |! [6 `5 \- t' e- R& M9 Z
102 TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; 7 s3 K/ ?. |' Y& [. I6 z
103 TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure); ( U" s: Q3 D& W5 h6 f1 \' U6 k
104
+ A* n1 m, K4 `! _
105 //编码器模式配置
% U, F; h& O0 I, L# z9 M
106 TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM4, TIM_EncoderMode_TI12, TIM_ICPolarity_Falling, TIM_ICPolarity_Falling);
8 @5 I1 L! ?# ^7 r$ F
107 TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStructure);
8 K9 e/ o$ l6 n
108 TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 6;//ICx_FILTER;
+ B" u' q# y9 g
109 TIM_ICInit(TIM4, &TIM_ICInitStructure);
1 w: `) p8 O% `. P0 e- B$ O
110 2 h5 b/ Q( f) x1 | X
111 //初始化 NVIC 中断优先级分组
R& Q5 H7 n! e# J7 y$ E" y
112 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM4_IRQn; //TIM4 中断) S$ m8 `0 O. b4 C
113 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2; //先占优先级 2 级) \+ [) z @1 C2 I* v. e
114 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1; //从优先级 0 级
/ C, f/ S' I. i0 J. V- \
115 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ 通道被使能/ {- H9 Y: Z; V! }
116 NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //初始化 NVIC
8 Z4 h7 A* n, `* J! g8 `
117
1 _8 g9 B, d( w; {
118 //中断配置2 `* {7 Q, |- J, T( y8 \: s6 g$ g' Z
119 TIM_ClearFlag(TIM4, TIM_FLAG_Update);
/ w0 s! H: q5 M) w2 E j
120 TIM_ITConfig(TIM4, TIM_IT_Update, ENABLE);
0 L6 B) [# S- _: K V0 l
121
f3 X) c5 k2 u* G! D+ g# x
122 //Reset counter: ?. t; @# h- C8 f9 ` j
123 TIM4->CNT = 0;
! \2 H7 j+ f" \2 I1 g( C% }% l _$ M
124 //使能定时器; m4 G+ x, J. B+ R
125 TIM_Cmd(TIM4, ENABLE); ! f. v7 i. J G' m: t) g/ u3 o
126 }
, z* e( O. l5 y, A3 u% _, g, J( f
; c; K" J# ^- N& e$ _! T& N7 k2 V3 Y
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。
7 h8 ~9 r- q0 f9 l, J9 l" W
6 t2 s1 u2 C# H; k8 C- d