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
  
• 
  
  & T5 |: p- t9 Y

0 l* F$ y7 C. @

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	$ o" _% X* d! L: X
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

% g/ d& I, W- @& ~  F

6 D1 x2 g4 X  G- f6 j) l3 S! T8 z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

! _8 I  ?; d# F- i

+ m- b7 U4 p5 j4 H+ 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）

, K* G. u  \& K$ x7 M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。
  2 X2 p; u" x$ N. [
  

$ x5 H: T/ K& c4 E) V

• 计数方向与编码器信号的关系
  " H( A1 t5 Z/ l3 I& \
  3 x: y( k) o* h3 b

+ F# B5 e) q2 s/ |9 w, b1 l! D
& p" P6 W9 u. x
) i% }7 G2 c3 K$ N+ @$ z- _
; f4 U* w# C' I) `, l! w' Z
1 b) U8 T# u4 s. f2 F* j

2、软件实现

1. 1 /********************************************
   + Q; `* V- i! q9 b" @$ i( C8 c
2.   2
   
3.   3 TIM3、TIM4定时器编码器模式配置
   6 Y! K; ^4 y# ]  `" z: Y% m# z6 a
4.   4
   
5.   5 *********************************************/
   . S6 }: b5 @1 b+ ~
6.   6
   
7.   7 #include "sys.h"
   
8.   8 #include "encoder.h"
   
9.   9
   " T8 @& @! W  s8 }3 Y# ~9 H3 y6 V
10. 10 int TIM3ITCount=0;//中断溢出次数
    
11. 11 int TIM4ITCount=0;//中断溢出次数
    5 ?/ d0 G' N2 y5 i3 m# B5 u
12. 12
    . b" k# N, o) r8 W: {
13. 13 void TIM3_IRQHandler(void)
    % Q* b1 }8 F2 a5 g! L. J
14. 14 {   
    
15. 15     if(TIM3->SR&0x0001)//溢出中断
    4 t4 N' n6 G. w/ B! D
16. 16     {
    # N( L& x9 ?. _6 p2 ?  g
17. 17         
    
18. 18     }   
    9 l# T) P/ u0 y, g/ `% P" P
19. 19     TIM3->SR&=~(1<<0);//清除标志位   
    ; y# x0 B6 P0 c% ]3 _% V) y
20. 20 }
    " a0 a% }- f# }: o  G& m7 j( F( h3 M
21. 21
    - i9 A' G% J& M  f
22. 22 void TIM4_IRQHandler(void)
    
23. 23 {   
    
24. 24     if(TIM4->SR&0x0001)//溢出中断
    8 G! K7 I; m5 v  w# @- W8 o! H
25. 25     {
    
26. 26     }   
    2 @, ?' ?) P& ^) j
27. 27     TIM4->SR&=~(1<<0);//清除标志位   
    
28. 28 }
    
29. 29
    
30. 30 void TIM3_Encoder_Init()
    
31. 31 {
    ( V& e2 `  e) e- W) w8 h0 w* q
32. 32     TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    * Q8 E9 g. p1 q& e8 W
33. 33     TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
    
34. 34     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    9 M9 m  s, w; }% t& p, e  e
35. 35     NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    ( H; r# O. B6 B) K
36. 36     
    $ n- f+ `% g0 p5 u4 w
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     
    ; p0 d6 e  N8 N
41. 41     //GPIO配置
    
42. 42     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7; //PA6、PA7设置
    ; `; Z7 y! J% |" e  ~
43. 43     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; //浮空输入
    
44. 44     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    ' E% L$ I0 h% P3 z3 z3 t
45. 45     GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //初始化 GPIOA
    / u, k5 F8 S6 F4 s$ Y% W
46. 46     
    
47. 47     //定时器初始化
    " X: m/ @! _* K- ^3 [% e5 H
48. 48     TIM_DeInit(TIM3);
    : \# v* N  g. ]
49. 49     TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure);
    
50. 50     TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period =65535;//预装载值
    # |0 ]+ Y; e. F/ M9 l3 s# a
51. 51     TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;//预分频
    
52. 52     TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision =TIM_CKD_DIV1 ;
    / c6 E1 @  j+ S
53. 53     TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    2 h4 T& X8 I) e% i  Z) I
54. 54     TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);
    
55. 55     
    ) k; U1 B& \8 R/ a2 ^
56. 56     //编码器模式配置
    7 q! S- e$ s5 V# D$ c1 H
57. 57     TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM3, TIM_EncoderMode_TI12, TIM_ICPolarity_Falling, TIM_ICPolarity_Falling);
    
58. 58     TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStructure);
    & O6 x1 Y* \0 ?% @6 n/ z
59. 59     TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 6;//ICx_FILTER;
    
60. 60     TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStructure);
    % n1 [) ~; H' ~* e. J
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
    ; F: d+ u) N5 u' `  I: `( |
66. 66     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ 通道被使能
    
67. 67     NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //初始化 NVIC
    
68. 68     
    
69. 69     //中断配置
    
70. 70     TIM_ClearFlag(TIM3, TIM_FLAG_Update);
    5 R$ y- n9 l  D% W" I; a
71. 71     TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_Update, ENABLE);
    
72. 72     
      t; _' K6 M1 t
73. 73     //Reset counter
    8 ^: ^5 z0 v/ D, k8 Y) D6 W/ M
74. 74     TIM3->CNT = 0;
    9 d% y7 d( v! n
75. 75     //使能定时器
    
76. 76     TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);   
    
77. 77 }
    ) i+ [% _6 o% O2 ?% e, c# v' U
78. 78
    
79. 79 void TIM4_Encoder_Init()
    , t+ b! N" A* d; N# I2 l
80. 80 {
    , T! h) J! D! Y) C
81. 81     TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    4 f1 K2 c6 S* ?$ S
82. 82     TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
    $ Z4 w, A+ L% _: N; m+ o
83. 83     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    5 [8 j7 j' \5 G  s7 S
84. 84     NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    
85. 85     
    1 I, p0 a0 O7 I- d0 F; _
86. 86     //时钟使能
    
87. 87     RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);  //使能 TIM4 时钟
    
88. 88     RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); //使能 GPIOB 时钟
    2 O7 a% s9 Q8 y0 l& @
89. 89     
    
90. 90     //GPIO配置
    
91. 91     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7; //PB6、PB7设置
    2 r# d' l/ `0 {! H% y) W9 u( {3 I
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
    
95. 95     
    ) V& |, m/ V( S) E  E
96. 96     //定时器初始化
    
97. 97     TIM_DeInit(TIM4);
    ' {4 F5 X6 N8 d  M1 W( I
98. 98     TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure);
    
99. 99     TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period =65535;//预装载值
    1 `+ p1 N) o# O' r( _
100. 100     TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;//预分频
     ! T" F# y- }9 V( R
101. 101     TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision =TIM_CKD_DIV1 ;
     % d1 h8 F# f8 p; F, _% I- J  K- n
102. 102     TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
     $ W/ f7 T4 p0 m% H
103. 103     TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure);
     
104. 104     
     # _- ]. H# q; j4 S
105. 105     //编码器模式配置
     ; m5 o& W1 X  {/ b' [! w! Z
106. 106     TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM4, TIM_EncoderMode_TI12, TIM_ICPolarity_Falling, TIM_ICPolarity_Falling);
     4 S& O  T5 |6 F& ?
107. 107     TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStructure);
     3 x/ D, G1 r0 e
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
     
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
     
115. 115     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ 通道被使能
       q& F/ G0 ^( ]7 C% Y
116. 116     NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //初始化 NVIC
     
117. 117     
     6 r" W2 z" w/ c- V: R! u
118. 118     //中断配置
     
119. 119     TIM_ClearFlag(TIM4, TIM_FLAG_Update);
     $ c9 `4 a2 Z. h, [
120. 120     TIM_ITConfig(TIM4, TIM_IT_Update, ENABLE);
     
121. 121     
     
122. 122     //Reset counter
     
123. 123     TIM4->CNT = 0;
     3 i8 B! y) q; r5 u. C: m' K& q
124. 124     //使能定时器
     
125. 125     TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);   
     
126. 126 }
     $ b% t% v( W9 x* F; b5 g) M3 h
127. 
     
128. encoder.c

复制代码

7 G1 K7 p  a% m& r

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。
  ! E! H( O" N' z, h$ f
  ' H- u' X6 T0 q2 H6 Q3 M8 d

  P2 M1 f- p# C+ Z7 m