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前言

? ? ? ? 本文介紹通過定時器的編碼器接口來自動計次。之前博文介紹過通過觸發(fā)外部中斷，在中斷函數(shù)里手動進行計次。編碼器接口自動計次與觸發(fā)外部中斷手動計次相比較而言，使用編碼器接口的好處就是節(jié)約軟件資源。如果使用外部中斷計次，當電機高速旋轉時，編碼器每秒產生上千上萬個脈沖，程序就得頻繁進中斷。進中斷之后，完成的任務又只是簡單的加一減一，軟件資源就被這種簡單而又低級的工作給占用了。所以對于這種需要頻繁執(zhí)行且操作又簡單的任務，一般都會設計一個硬件電路模塊來自動完成。編碼器接口就是用來自動給編碼器進行計次的電路，每隔一段時間取一下計次值，就能得到編碼器旋轉的速度了。

一、編碼器接口簡介

• Encoder Interface 編碼器接口
• 編碼器接口可接收增量（正交）編碼器的信號，根據(jù)編碼器旋轉產生的正交信號脈沖，自動控制CNT自增或自減，從而指示編碼器的位置、旋轉方向和旋轉速度
• 每個高級定時器和通用定時器都擁有1個編碼器接口
• 兩個輸入引腳借用了輸入捕獲的通道1和通道2

1.1 編碼器接口作用

? ? ? ? 使用定時器的編碼接口，再配合編碼器，就可以測量旋轉速度和旋轉方向。這里編碼器測速一般應用在電機控制的項目上，使用PWM驅動電機，再使用編碼器測量電機的速度，再用PID算法進行閉環(huán)控制。一般電機旋轉速度比較高，會使用無接觸式的霍爾傳感器或者光柵進行測速。

? ? ? ? 編碼器接口可以自動給編碼器進行計次的電路，每隔一段時間計次值，就能得到編碼器旋轉的速度了。

1.2 編碼器接口工作流程

????????編碼器接口的工作流程就是接收正交信號，自動執(zhí)行CNT自增或自減。

????????正交編碼器可輸出兩個方波信號也就是正交信號，相位相差90°，超前90°或者滯后90°，分別代表正轉和反轉。

????????一個編碼器，有兩個輸出，一個是A相，一個是B相。然后接入到STM32的定時器的編碼器接口，編碼器接口自動控制定時器時基單元中的CNT計數(shù)器，進行自增或自減。

????????工作邏輯：如初始化之后，CNT初始值為0，然后編碼器右轉，CNT就++，右轉產生一個脈沖，CNT就加一次。比如右轉產生10個脈沖后停下來，那么這個過程CNT就由0自增到10，停下來。編碼器左轉，CNT就--，左轉產生一個脈沖，CNT減一次。比如編碼器再左轉產生5個脈沖，那CNT就在原來10的基礎上自減5，停下來。

????????這個編碼器接口其實就相當于是一個帶有方向控制的外部時鐘。它同時控制著CNT的計數(shù)時鐘和計數(shù)方向。這樣CNT的值就表示了編碼器的位置。

? ? ? ? 方向測速：如果每隔一次取一次CNT的值，再把CNT清零。每次取出來的值就表示了編碼器的速度。用測周法和測頻法的方法來看，這個編碼器測速實際上就是測頻法測正交脈沖的頻率。CNT計次，然后每隔一段時間取一次計次，就是測頻法的方法。但是這個編碼器接口計次更高級，它可以根據(jù)旋轉方向，不僅能自增計次，還能自減計次，是一個帶方向的測速。

1.3 編碼器接口資源分布

????????編碼器接口資源比較緊張，如果一個定時器配置成了編碼器接口模式，那它基本上就干不了其他活了，如CT86芯片只有TIM1、2、3、4，一共四個定時器，所以最多只能接4個編碼器，而且接完4個編碼器就沒有定時器可以用了。如果編碼器需求比較多的話，要考慮一下這個資源夠不夠用。當然，還是可以用外部中斷代碼來接編碼器，這樣就是用軟件資源來彌補硬件資源。硬件資源和軟件資源是互補的。一般在有硬件資源的情況下優(yōu)先使用硬件資源。

1.4?編碼器接口輸入引腳

????????編碼器接口的兩個輸入引腳借用了輸入捕獲的通道1和通道2，這個可以從下文通用定時器結構框圖來看。編碼器的兩個輸入引腳就是每個定時器的CH1和CH2引腳。另外兩個CH3和CH4不能接編碼器。

二、正交編碼器

2.1 正交編碼器功能

????????正交編碼器一般可以測量位置，或者帶有方向的速度值。

2.2 引腳作用

????????正交編碼器一般有兩個信號輸出引腳，一個是A相，一個是B相。編碼器的旋轉軸轉起來時，A相和B相就會輸出上圖中的方波信號。轉的越快，這個方波的頻率就越高，所以方波的頻率就代表了速度，可以取出任意一相的信號來測頻率，就能知道旋轉速度了。

2.3 如何測量方向

????????但是只有一相的信號無法測量旋轉方向。因為無論正轉還是反轉，他都是這樣的方波。想要測量方向，還必須要有另一根線的輔助。

• 一種方案是不用B相，再定義一個方向輸出引腳，正轉置高電平，反轉置低電平。這也是一種解決方案，但這樣的信號并不是正交信號。
• 另一種解決方案就是正交信號，當正轉時，A相提前B相90°，反轉時，A相滯后B相90°，這里的正轉反轉都是極性問題，是相對的。? ? ? ?

2.4 正交信號優(yōu)勢

????????使用正交信號相比較單獨定義一個方向引腳，有什么優(yōu)勢？

• 正交信號精度更高：因為A、B相都可以計次，相當于計次頻率提高了一倍。
• 正交信號可以抗噪聲：因為正交信號，兩個信號必須是交替跳變的，所以可以設計一個抗噪聲電路。如果一個信號不變，另一個信號連續(xù)跳變，也就是產生了噪聲，那這時計次值是不會變化的。

2.5 執(zhí)行邏輯

? ? ? ? 分析一下正交信號如何計次和區(qū)分旋轉方向，從上圖波形中分析。

在正轉的時候：

• 第一個時刻，A相上升沿，對應B相低電平。是表里的第一行；
• 第二個時刻，B相上升沿，對應A相高電平，是表里的第三行；
• 第三個時刻，A相下降沿，對應B相高電平，是表里的第二行；
• 第四的時刻，B相下降沿，對應A相低電平，是表里的第四行。

可對應上圖正轉波形和表格。

在反轉的時候：

• 第一個時刻，B相上升沿，對應A相低電平。是表里的第一行；
• 第二個時刻，A相上升沿，對應B相高電平，是表里的第三行；
• 第三個時刻，B相下降沿，對應A相高電平，是表里的第二行；
• 第四的時刻，A相下降沿，對應B相低電平，是表里的第四行。

可對應上圖反轉波形和表格。

????????不難發(fā)現(xiàn)，當A相，B相出現(xiàn)兩個表中的邊沿時，一相對應另一相的狀態(tài)，正傳和反轉正好是反相的。如A相上升沿，正轉，B相就是低電平；反轉，B像就是高電平。對比其他也都是相反的。

? ? ? ? 編碼器接口的設計邏輯：首先，把A相和B相的所有邊沿作為計數(shù)器的計數(shù)時鐘。出現(xiàn)邊沿信號時，就計數(shù)自增或自減。計數(shù)的增減也就是計數(shù)的方向，由另一相的狀態(tài)來確定，當出現(xiàn)某個邊沿時，判斷另一相的高低電平，如果對應另一相的狀態(tài)出現(xiàn)在上圖表中，那么正轉計數(shù)自增；反轉計數(shù)自減，這樣就能實現(xiàn)編碼器接口的功能，這也是STM32定時器編碼器接口的執(zhí)行邏輯。

????????

三、編碼器定時器框圖

3.1 編碼器接口分布情況

? ? ? ? 高級定時器和通用定時器的編碼器接口都是一樣的，這兩個定時器都只有一個編碼器接口。基本定時器沒有編碼器接口。

3.2 編碼器接口設計

編碼器接口輸入部分：

? ? ? ? 上圖中可以看出編碼器接口有兩個輸入端，分別要接到編碼器的A相和B相。兩個網(wǎng)絡標號TI1FP1和TI2FP2，對應輸入部分電路的TI1FP1和TI2FP2，這里編碼器接口的兩個引腳借用了輸入捕獲單元的前兩個通道。所以最終編碼器的輸入引腳就是定時器的CH1和CH2兩個引腳。信號的通路是，CH1通過輸入濾波器和邊沿檢測器從TI1FP1通向編碼器接口；CH2通過輸入濾波器和邊沿檢測器從TI2FP2通向編碼器接口。CH3和CH4與編碼器接口無關。其中CH1和CH2的輸入捕獲濾波器和邊沿檢測器編碼器接口也有使用，而電路后面部分是否交叉連接（TI1FP2和TI2FP1）、預分頻器和CCR寄存器都與編碼器接口無關。

編碼器接口輸出部分：

? ? ? ? 編碼器接口輸出部分其實就相當于從模式控制器，控制CNT的計數(shù)時鐘和計數(shù)方向。這里的輸出執(zhí)行流程按照上一部分圖中相位和邊沿對應的表格，若出現(xiàn)邊沿信號，并且對應另一相的狀態(tài)為正轉，則控制CNT自增，否則控制CNT自減。這里72MHz內部時鐘和時基單元初始化時設置的計數(shù)方向并不會使用，因為此時計數(shù)時鐘和計數(shù)方向都是處于編碼器接口托管的狀態(tài)，計數(shù)器自增和自減受編碼器控制。

四、編碼器接口基本結構

4.1 電路執(zhí)行邏輯

? ? ? ? 輸入捕獲的前兩個通道，通過GPIO口接入編碼器的A、B相，然后通過濾波器和邊沿檢測極性選擇，產生TI1FP1和TI2FP2通向編碼器接口，編碼器接口通過預分頻器控制CNT計數(shù)器的時鐘。同時編碼器接口還根據(jù)編碼器的旋轉方向，控制CNT的計數(shù)方向。編碼器正轉時，CNT自增，編碼器反轉時，CNT自減。這里ARR也是有效的，一般會設置ARR為65535最大量程。這樣可以利用補碼的特性很容易得到負數(shù)。

4.2 反轉得負數(shù)邏輯

? ? ? ? 當CNT初始為0，正轉，CNT自增：0、1、2、3、4、6等等。當CNT初始為0，反轉，0下一個數(shù)就是65535，接著是65534、65533、65532等等。但是這里負數(shù)應該是-1、-2、-3。這里會有一個操作直接把16位的無符號數(shù)轉換為16位的有符號數(shù)，根據(jù)補碼的定義65535就對應-1；65534就對應-2；65533就對應-3.這樣就可以直接得到負數(shù)。

五、工作模式

5.1 編碼器接口工作邏輯

? ? ? ? 上方表描述的就是編碼器接口的工作邏輯，TI1FP1和TI2FP2接的就是編碼器的A、B相，在A相和B相的上升沿或者下降沿觸發(fā)計數(shù)。向上計數(shù)和向下計數(shù)取決于邊沿信號發(fā)生的這個時刻，另一相的電平狀態(tài)，對應表中相對信號的電平。TI1FP1對應TI2，TI2FP2對應TI1，就是另一相電平的意思。

? ? ? ?

5.2 三種工作模式

????????表中第一列可以看到，編碼器還分了3種工作模式，分別是僅在TI1計數(shù)；僅在TI2計數(shù)；在TI1和TI2都計數(shù)。

? ? ? ? 上文中總結的表格：

????????左表4種狀態(tài)，都是正轉，都可以計次自增；右表這四種狀態(tài)，都是反轉，都可以計次自減。這些狀態(tài)都涉及了兩個引腳，分別是A相上升沿、A相下降沿、B相上升沿、B相下降沿，如果這幾種狀態(tài)都執(zhí)行自增或自減，就是A相和B相的邊沿都計數(shù)。這就對應工作模式的第三種模式：TI1和TI2都計數(shù)。

????????當然這里還可以忽略一些邊沿：

• 可以僅在A相的上升沿和下降沿自增或自減，而B相的這兩個狀態(tài)忽略掉，不執(zhí)行計數(shù)；
• 也可以僅在B相的上升沿和下降沿自增或自減，而A相的這兩個狀態(tài)忽略掉，不執(zhí)行計數(shù)。

這樣也可以實現(xiàn)功能，只不過是計次的精度低了一些。這兩種僅在一個邊沿計數(shù)的模式就對應了工作模式里的前兩種模式：僅在TI1計數(shù)和僅在TI2計數(shù)。

? ? ? ? 工作模式表中的自增自減也對應上文總結的表格，若TI1接A相、TI2接B相，當A、B相為下表這四個狀態(tài)時，就是正轉，計數(shù)器需要自增。

????????

1. 上表A相上升沿，B相低電平，對應工作模式表中TI1和TI2都計數(shù)，A相上升沿對應另一相低電平，執(zhí)行向上計數(shù)；
2. 上表A相下降沿，B相高電平，對應工作模式表中TI1和TI2都計數(shù)，A相下降沿對應另一相高電平，執(zhí)行向上計數(shù)；
3. 上表B相上升沿，A相高電平，對應工作模式表中TI1和TI2都計數(shù)，B相上升沿對應另一相高電平，執(zhí)行向上計數(shù)；
4. 上表B相下降沿，A相低電平，對應工作模式表中TI1和TI2都計數(shù)，B相下降沿對應另一相低電平，執(zhí)行向上計數(shù)；

觀察發(fā)現(xiàn)這里正轉的狀態(tài)都是向上計數(shù)。

????????若TI1接A相、TI2接B相，當A、B相為下表這四個狀態(tài)時，就是反轉轉，計數(shù)器需要自減。

1. 上表A相上升沿，B相高電平，對應工作模式表中TI1和TI2都計數(shù)，A相上升沿對應另一相高電平，執(zhí)行向下計數(shù)；
2. 上表A相下降沿，B相低電平，對應工作模式表中TI1和TI2都計數(shù)，A相下降沿對應另一相低電平，執(zhí)行向下計數(shù)；
3. 上表B相上升沿，A相低電平，對應工作模式表中TI1和TI2都計數(shù)，B相上升沿對應另一相低電平，執(zhí)行向下計數(shù)；
4. 上表B相下降沿，A相高電平，對應工作模式表中TI1和TI2都計數(shù)，B相下降沿對應另一相高電平，執(zhí)行向下計數(shù)；

觀察發(fā)現(xiàn)這里反轉的狀態(tài)都是向下計數(shù)。

總結：正轉的狀態(tài)都是向上計數(shù)，反轉的狀態(tài)都是向下計數(shù)。

六、實例

6.1 TI1和TI2均不反相

????????上圖為兩個引腳的邊沿都計數(shù)的模式，執(zhí)行的邏輯對應圖上方的表格。

圖中上半部分為TI1和TI2的時序信號，下半部分為計數(shù)器值的變化情況。

第一個狀態(tài)，TI1上升沿，TI2低電平，表格中上升沿、低電平對應向上計數(shù)，所以圖中計數(shù)器變高了一級。后面連著幾個狀態(tài)對應表格都是向上計數(shù)為正轉。

第二個狀態(tài)展示的是正交編碼器抗噪聲的原理，在這個狀態(tài)中TI2沒有變化，但是TI1卻跳變了好幾次，這不符合正交編碼器的信號規(guī)律，正交信號，兩個輸出交替變化，就像人走路一樣，先左腿邁一步，后右腿邁一步，左右腿交替向前邁，而這里的狀態(tài)就相當于右腿沒動，左腿連續(xù)走了好幾步。顯然這個相當于左腿的動作信號是一個毛刺信號。通過上表中正交信號的邏輯就可以把這種噪聲濾掉。

從噪聲的毛刺信號開始看：

1. TI1上升沿，TI2低電平，對照表格向上計數(shù)，這里自增；
2. TI1下降沿，TI2還是低電平，對照表格向下計數(shù)，這里自減；
3. TI1上升沿，TI2低電平，對照表格向上計數(shù)，這里自增；
4. TI1下降，TI2還是低電平，對照表格向下計數(shù)，這里自減；

所以這里如果出現(xiàn)了一個引腳不變，另一個引腳連續(xù)跳變多次的毛刺信號，計數(shù)器就會加、減、加、減來回擺動，最終計數(shù)值還是原來那個數(shù)，并不受毛刺噪聲的影響。這就是正交編碼器抗噪聲的原理。

第三個狀態(tài)是反轉的波形，TI1下降沿，TI2低電平，表格中下降沿、低電平對應向下計數(shù)，所以圖中計數(shù)器變低了一級。后面連著幾個狀態(tài)對應表格都是向下計數(shù)為反轉。

第四個狀態(tài)，TI1不動，TI2多次跳變，計數(shù)值也是來回擺動，過濾噪聲。

第五個狀態(tài)是正轉，向上計數(shù)。

6.2 TI1反相

? ? ? ? 上圖展示的是極性的變化對計數(shù)的影響。前一個實例是兩個引腳都不反向，這個實例是TI1反相、TI2不反相的圖。

????????TI1反相：TI1和TI2的信號進來都會經過極性選擇的部分，（在輸入捕獲模式下，極性選擇是選擇上升沿有效還是下降沿有效），編碼器接口是上升沿和下降沿均有效的，上升沿和下降沿都需要計次，所以編碼器接口這里不在是邊沿的極性選擇，而是高低電平的極性選擇。如果選擇上升沿的參數(shù)，就是信號直通過來，高低電平極性不反轉；如果選擇下降沿的參數(shù)，就是信號通過一個非門過來，高低電平極性反轉。所以在極性選擇這里會有兩個控制極性的參數(shù)，選擇是否加一個非門反轉極性。對應實例，如果兩個信號TI1、TI2都不反轉，就對應第一個實例均不反相；如果把TI1高低電平反轉一下，就是這里TI1反相的實例。

? ? ? ? 分析的時候，圖中上半部分的TI1和TI2的時序信號是輸入信號，若直接對照上表分析，得到的計次方向是錯誤的，這里TI1反向之后，先把圖中TI1高低電平取反，取反后才是反相后實際給編碼器接口的電平，再對照表格分析。

6.3 實例總結

????????TI1和TI2均不反相的實例圖和TI1反相后的實例圖對照來看，這兩個圖的計數(shù)方向是相反的，這里可以用于需要反轉計數(shù)方向時，可以把任意一個引腳反相。當然反轉計數(shù)方向時也可以直接把A、B相兩個引腳換一下。

總結

????????以上就是今天要講的內容，本文僅僅簡單介紹了編碼器接口的作用、電路結構、執(zhí)行邏輯。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-850641.html

到了這里，關于STM32 TIM編碼器接口的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！