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
  . Z0 X( I4 G: q; w& B/ q
• 
  
  / S4 }5 D! N! |4 \; b4 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）

9 S( x& x0 q" Q1 q' R2 P8 L! U" S) h

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

! i7 L& A7 V- v# l4 t- p& P

% v/ X9 [2 P& j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

% c% A" R' U( i4 n7 q$ v

　　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）

% a7 g$ u/ ?% U/ A

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。
  6 ^- P2 T+ a* f2 O1 a
  9 [" B. R, U' C- U4 \: C

- h5 j& k6 K3 d  l

1 Z% `5 r' F6 Z1 W

• 计数方向与编码器信号的关系
  
  + a- P2 A) F5 P6 ^5 Y

  I# t) C! T6 Z, O! ]" f& M  b

/ @( c5 C! Q0 Z  A( P/ U# x; ]

2、软件实现

1. 1 /********************************************
   
2.   2
   ' c) v6 U! u  l" V$ o  |
3.   3 TIM3、TIM4定时器编码器模式配置
   2 s  i/ w8 J" ]0 C+ b  P$ e3 C
4.   4
   
5.   5 *********************************************/
   
6.   6
   $ w- ~5 ^  L+ a8 b
7.   7 #include "sys.h"
   
8.   8 #include "encoder.h"
   & g) E% v: f) D, g7 S8 j. x
9.   9
   
10. 10 int TIM3ITCount=0;//中断溢出次数
    3 _6 Q+ P7 J2 ]3 d1 {" r
11. 11 int TIM4ITCount=0;//中断溢出次数
    & k! F" h  j- N& M. r: k
12. 12
    ! |* [7 I: M, J! z! q8 p
13. 13 void TIM3_IRQHandler(void)
    # l2 H( U8 h& t' p
14. 14 {   
    
15. 15     if(TIM3->SR&0x0001)//溢出中断
    * y) X3 `  l8 Q7 r% C2 F% D
16. 16     {
    
17. 17         
    * G% U5 m& T- l7 l$ s
18. 18     }   
    
19. 19     TIM3->SR&=~(1<<0);//清除标志位   
    " [: _5 l7 N, F$ K0 H" }
20. 20 }
    
21. 21
    
22. 22 void TIM4_IRQHandler(void)
    
23. 23 {   
    ( C! r2 o) ~7 ^
24. 24     if(TIM4->SR&0x0001)//溢出中断
    
25. 25     {
    
26. 26     }   
    
27. 27     TIM4->SR&=~(1<<0);//清除标志位   
    
28. 28 }
    6 g3 c, V: u0 L  W% _  b6 @* o
29. 29
    . r+ h: w# q# u9 b+ g+ b
30. 30 void TIM3_Encoder_Init()
    3 O* h# z/ a! s6 e/ n
31. 31 {
    
32. 32     TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    / x* [) V( a2 [4 U+ a/ i( H" @" j: P3 w  y
33. 33     TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
    . b. k# @& @0 {2 [. M) ]
34. 34     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    
35. 35     NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    $ D+ s9 x" n+ U, W- `
36. 36     
    
37. 37     //时钟使能
    + R/ \  M4 Y, u: G4 w
38. 38     RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);  //使能 TIM3 时钟
    ; c. M3 n% i/ {  M  ~8 d3 d" A
39. 39     RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //使能 GPIOA 时钟
    
40. 40     
    
41. 41     //GPIO配置
    
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
    
44. 44     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    2 B' g4 L  m6 l
45. 45     GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //初始化 GPIOA
    
46. 46     
    7 }! b  L% t0 f0 R% z; f6 e
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
    3 _) F  W# O2 s  `3 j+ I0 Z) u8 E* U
52. 52     TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision =TIM_CKD_DIV1 ;
    2 L9 {7 n4 P( S  N0 F4 j! G. E
53. 53     TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    2 C  D7 }9 z" c+ J
54. 54     TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);
    
55. 55     
    - S) d- r7 `% [. b
56. 56     //编码器模式配置
    1 x0 L$ B; O9 u
57. 57     TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM3, TIM_EncoderMode_TI12, TIM_ICPolarity_Falling, TIM_ICPolarity_Falling);
    4 `2 q( J3 b' D# H+ }% @+ h
58. 58     TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStructure);
    % S8 d; i: g( }% D
59. 59     TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 6;//ICx_FILTER;
    $ c5 ]' D, u" }/ s" }7 ~  N
60. 60     TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStructure);
    3 d# S, C# F6 z' b- q8 o5 W: v
61. 61     
    
62. 62     //初始化 NVIC 中断优先级分组
    & N& l0 q# j/ z0 ^; V
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
    8 V1 Y. \2 N* \
66. 66     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ 通道被使能
    . k5 z& e8 s" z# V: {) a- w
67. 67     NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //初始化 NVIC
    % S3 x1 f/ J$ w) e6 R6 a
68. 68     
    
69. 69     //中断配置
    / b$ h* x0 f( m5 Y
70. 70     TIM_ClearFlag(TIM3, TIM_FLAG_Update);
    6 V  E! n1 l) m6 T! l( t& t
71. 71     TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_Update, ENABLE);
    3 n9 `8 F7 N% D2 q5 ^
72. 72     
    
73. 73     //Reset counter
    & ?3 j! w% ]5 p8 _% B
74. 74     TIM3->CNT = 0;
    % ^# N, f. P0 U5 ^
75. 75     //使能定时器
    ; L9 s+ \" [! G, c$ Y9 z( K5 O
76. 76     TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);   
    $ u' M0 U8 U# l4 @. p$ R/ F8 t
77. 77 }
    . c; B' t1 ]8 ?  n1 t
78. 78
      q3 N0 S+ T1 a, E2 ]+ Q# n
79. 79 void TIM4_Encoder_Init()
    
80. 80 {
    2 a% n, ], w: M) h5 R
81. 81     TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    , v8 R4 G' C7 {0 a+ w) ]! A9 S4 S
82. 82     TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
    # T5 A" l& w* a3 j8 [4 `# W5 m  x
83. 83     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    2 g7 D) P, f$ R: C
84. 84     NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    2 m, @; N% ^# w
85. 85     
    
86. 86     //时钟使能
    ! U+ x& p1 B# @+ E# ^* v& {
87. 87     RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);  //使能 TIM4 时钟
    ; t5 T& ?$ c7 X4 f0 S
88. 88     RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); //使能 GPIOB 时钟
    ; H5 {* J5 t& D+ f; \% Y
89. 89     
    
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
    . A  E) m6 k2 x' b* K; ]
93. 93     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    7 R+ H" g  t  H* W; T% ]
94. 94     GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); //初始化 GPIOA
      D) N* t0 ?" d2 I
95. 95     
    3 ?' S7 B8 k+ J# y
96. 96     //定时器初始化
    ( ~5 k5 y7 E/ j9 y
97. 97     TIM_DeInit(TIM4);
    
98. 98     TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure);
    + c! O% o2 U4 |4 N
99. 99     TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period =65535;//预装载值
    0 A, a, B- j) ~2 }6 F
100. 100     TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;//预分频
     - c" f5 j9 ^- ^2 Q
101. 101     TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision =TIM_CKD_DIV1 ;
     
102. 102     TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
     
103. 103     TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure);
     
104. 104     
     
105. 105     //编码器模式配置
     
106. 106     TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM4, TIM_EncoderMode_TI12, TIM_ICPolarity_Falling, TIM_ICPolarity_Falling);
     4 Q# |8 V4 R7 k: u* K2 p( H6 J
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
     
112. 112     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM4_IRQn; //TIM4 中断
     * M2 M% B; e+ L' W
113. 113     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2; //先占优先级 2 级
       k+ I- P& f4 b' F
114. 114     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1; //从优先级 0 级
     
115. 115     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ 通道被使能
     # k3 J2 o5 D4 E& R' u3 ]
116. 116     NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //初始化 NVIC
     & V  k6 s; R. G/ Z! L2 S1 F
117. 117     
     ; M4 D7 r, X/ A% a- o/ i$ y
118. 118     //中断配置
     . K7 P# ^% ^( ^  i
119. 119     TIM_ClearFlag(TIM4, TIM_FLAG_Update);
     
120. 120     TIM_ITConfig(TIM4, TIM_IT_Update, ENABLE);
     : l" b2 |2 k+ x5 n# v, C  D
121. 121     
     
122. 122     //Reset counter
     ; e0 ]3 K: [- K  C( I. L2 D
123. 123     TIM4->CNT = 0;
     
124. 124     //使能定时器
     , L/ u1 |6 R# ~8 |/ B
125. 125     TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);   
     
126. 126 }
     4 g6 S6 p$ X  M: [  d% i& M
127. 
     2 t9 f- ?- I0 |, h
128. encoder.c

复制代码

; M$ z6 g+ b: g

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。
  / g( O$ o/ L/ L/ L
  

4 q& a* N5 V6 L
! Q( e8 n1 }+ S