▍編碼器的由來和原理

若要對伺服系統(tǒng)中的電機進行高精度控制，需要準確的轉(zhuǎn)子角度位置，這時候自然會想到，如果能張江轉(zhuǎn)子每一圈進行細分，這樣每次轉(zhuǎn)多少角度便能精確知道。在這樣的背景下，相對編碼器就誕生了。

在網(wǎng)上找到下文這個圖，很形象的表征了相對編碼器的原理。

如圖所示，在碼盤上平均開出很多個等間距的槽，一段是LED燈發(fā)出信號，另一端是接收器接收信號。如果信號能穿過碼盤，則接收信號為高電平，反之則為低電平。這樣當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)起來以后，就不斷的處高低電平。這就是編碼器基本原理。

可以看到這里有三個信號，A/B/Z，這時候就要想為什么要3個信號呢？如果僅僅對一圈做細分，命名一個信號就可以了。這就涉及到下面兩個問題。

（1）如果是1個信號channel A，電機是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)就不知道了。需要一個相對的參考信號channel B，A和B相互呈一個角度，這樣通過A和B的相對位置就能知道電機是順時鐘轉(zhuǎn)還是逆時針轉(zhuǎn)了。

（2）如果是2個信號，其中一旦有碼盤有損壞，就可能出現(xiàn)檢測結(jié)果無法校驗的情況。舉個例子，如果一圈開了16個槽，則每旋轉(zhuǎn)一圈，正常情況下就有16個高低電平的信號出來。但如果一個槽壞了，實際上每轉(zhuǎn)一圈只有15個信號出來，但這時如果僅僅通過channel A和channel B是無法判斷的。在進行數(shù)據(jù)處理時還是認為16個信號為一圈，處理結(jié)果就有較大的偏差。為了避免這樣的問題，補充z信號，一圈只出一個，這樣就能相互交驗了。一方面通過對A或者B計數(shù)，知道z是否有問題，反之對z信號計數(shù)就能知道A/B是否有問題。

所以就有了上圖的z/A/B三個信號，共同組成了一個功能齊全的編碼器。

在網(wǎng)上經(jīng)?？吹秸fA/B之間相互差90°，這個90°是認為360°為一個周期而言的。如下圖所示。通過看A/B相對位置就知道電機是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)了。

實測波形，如下圖所示（示波器不太好，有點毛刺）

正轉(zhuǎn)

反轉(zhuǎn)

▍使用STM32，讓編碼器說話

背景

STM32中提供了編碼器接口，比較適用于相對編碼器的應用場景。在手冊中可以看到：

可以看到這里使用專用的模塊就能完成相應的計數(shù)，通過數(shù)據(jù)的變化就能測出電機的轉(zhuǎn)速。

所以，我想讓編碼器說話。在家翻箱倒柜以后，我準備了如下幾個東西：

（1）帶編碼器的直流電機：這是作為編碼器的載體使用，電機編碼器的分辨率較低，每圈只有16個脈沖。但不影響測試。

（2）直流電源：用來直觀的調(diào)電機的轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)。

為了避免打廣告的嫌疑，就不貼電源和電機圖片了。

（3）STM32開發(fā)板：在家翻箱倒柜，找出2015年在21ic獲得的STM32072 discovery板

（4）LED數(shù)碼管。用來通過編碼器的數(shù)據(jù)處理，顯示電機的轉(zhuǎn)速。

試驗第一步，讓LED數(shù)碼管顯示起來。

因為顯示數(shù)據(jù)是最終目的。使用的這個板子，是集成了HC595鎖存器的板子。相比于網(wǎng)上買的大部分51開發(fā)板數(shù)碼管電機設(shè)計，使用兩個HC595，可以大大減少pin腳的數(shù)量。網(wǎng)上使用的4位數(shù)碼管，需要8個pin作為段選或者位選，非常麻煩。

根據(jù)HC595的手冊，具有鎖存加移位的特性（圖中我標注所示）

最上面的3個SH-CP/DS/ST-CP，像極了SPI通信波形，只要合理配置，只需要3個信號線即可完成4數(shù)碼管的輪流顯示。

于是在開發(fā)板的pin做了如下硬件配置

Pin（數(shù)碼管） 74HC595SPIPin

SCLKPin11（shift）SPICLKPB13

RCLKPin12（Storage）NSSPB12

DIOPin14（datainput）SPIMOSIPC3

QHPin9（dataoutput）SPIMISOPC2

SPI配置代碼如下（配置了SPI幾個pin腳的定義，時鐘，SPI模式等）：

void SPI_Digital_Tube_Config（void）{ SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure; GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

/* Disable the SPI peripheral */ SPI_Cmd（SPI2， DISABLE）; /* Enable SCK， MOSI， MISO and NSS GPIO clocks */ RCC_APB1PeriphClockCmd（RCC_APB1Periph_SPI2， ENABLE）; RCC_AHBPeriphClockCmd（SPI_Digital_Tube_SCK_GPIO_CLK | SPI_Digital_Tube_MOSI_GPIO_CLK| SPI_Digital_Tube_NSS_GPIO_CLK， ENABLE）;

/* SPI pin mappings */ GPIO_PinAFConfig（SPI_Digital_Tube_SCK_GPIO_PORT， SPI_Digital_Tube_SCK_SOURCE， SPI_Digital_Tube_SCK_AF）; GPIO_PinAFConfig（SPI_Digital_Tube_MOSI_GPIO_PORT， SPI_Digital_Tube_MOSI_SOURCE， SPI_Digital_Tube_MOSI_AF）; GPIO_PinAFConfig（SPI_Digital_Tube_MISO_GPIO_PORT， SPI_Digital_Tube_MISO_SOURCE， SPI_Digital_Tube_MISO_AF）; GPIO_PinAFConfig（SPI_Digital_Tube_NSS_GPIO_PORT， SPI_Digital_Tube_NSS_SOURCE， SPI_Digital_Tube_NSS_AF）;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF; GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_DOWN; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_Level_3;

/* SPI SCK pin configuration */ GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SPI_Digital_Tube_SCK_PIN; GPIO_Init（SPI_Digital_Tube_SCK_GPIO_PORT， &GPIO_InitStructure）;

/* SPI MOSI pin configuration */ GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SPI_Digital_Tube_MOSI_PIN; GPIO_Init（SPI_Digital_Tube_MOSI_GPIO_PORT， &GPIO_InitStructure）;

/* SPI MISO pin configuration */ GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SPI_Digital_Tube_MISO_PIN; GPIO_Init（SPI_Digital_Tube_MISO_GPIO_PORT， &GPIO_InitStructure）;

/* SPI NSS pin configuration */ GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SPI_Digital_Tube_NSS_PIN; GPIO_Init（SPI_Digital_Tube_NSS_GPIO_PORT， &GPIO_InitStructure）;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT; GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SPI_Digital_Tube_NSS_PIN; GPIO_Init（SPI_Digital_Tube_NSS_GPIO_PORT， &GPIO_InitStructure）;

/* SPI configuration -------------------------------------------------------*/ SPI_I2S_DeInit（SPI2）; SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_16b; SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low; SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;// SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Hard; SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft; SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_256; SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB; SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7; SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master; SPI_Init（SPI2， &SPI_InitStructure）;

/* Initialize the FIFO threshold */ SPI_RxFIFOThresholdConfig（SPI2， SPI_RxFIFOThreshold_QF）;

/* Enable the SPI peripheral */ SPI_Cmd（SPI2， ENABLE）;

// /* Enable NSS output for master mode */// SPI_SSOutputCmd（SPI2， ENABLE）;}

使用TIM6作為定時器，配置代碼如下（1ms定時周期）：

static void BASIC_TIM_Mode_Config（void）{ TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; BASIC_TIM_APBxClock_FUN（BASIC_TIM_CLK， ENABLE）; TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = BASIC_TIM_Period;//1ms TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler= BASIC_TIM_Prescaler;//47 TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1; TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up; TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter=0; TIM_TimeBaseInit（BASIC_TIM， &TIM_TimeBaseStructure）; TIM_ClearFlag（BASIC_TIM， TIM_FLAG_Update）; TIM_ITConfig（BASIC_TIM，TIM_IT_Update，ENABLE）; TIM_Cmd（BASIC_TIM， ENABLE）; }

實際上每次只會有一個數(shù)碼管亮，為了較好的視覺體驗，將數(shù)碼管進行千位百位十位個位循環(huán)顯示，這樣做的好處是4個數(shù)碼管輪流顯示，其亮度相同，避免出現(xiàn)一個數(shù)碼管過亮的情形，影響視覺體驗。數(shù)碼管代碼如下：

void DisplayNumber（uint16_t num）{ uint8_t mythousandNum，myhundredNum，mytenNum，myunitNum=0; if（num》9999）num=9999; mythousandNum=num/1000%10; myhundredNum=num/100%10; mytenNum=num/10%10; myunitNum=num%10; switch（mydisplaybit） { case thousaud： Display16（mythousandNum，4）; mydisplaybit=hundred; break; case hundred： Display16（myhundredNum，3）; mydisplaybit=ten; break; case ten： Display16（mytenNum，2）; mydisplaybit=unit; break; case unit： Display16（myunitNum，1）; mydisplaybit=thousaud; break; default： Display16（mythousandNum，4）; mydisplaybit=hundred; break; }}

static void Display16（uint8_t num，uint8_t place）{ GPIO_ResetBits（SPI_Digital_Tube_NSS_GPIO_PORT， SPI_Digital_Tube_NSS_PIN）; uint16_t Temp=（（Num［num］）《《8）+（（0x01）《《（place-1））; SPI2_Send_Byte16（Temp）; GPIO_SetBits（SPI_Digital_Tube_NSS_GPIO_PORT， SPI_Digital_Tube_NSS_PIN）;}

然后，每隔0.5s累加一次。在定時器中累計

void TIM6_DAC_IRQHandler（）{ static uint16_t counter=0; static uint16_t num_buffer=0; if （ TIM_GetITStatus（ BASIC_TIM， TIM_IT_Update） ！= RESET ） { counter++; if（counter》499） { num_buffer++; counter=0; } DisplayNumber（num_buffer）; TIM_ClearITPendingBit（BASIC_TIM ， TIM_FLAG_Update）; } }

所以，初試成功。

試驗第二步，讓編碼器說話。

首先，在STM32中配置編碼器。

使用PA6和PA7作為定時器3的通道1和通道2，進行下圖模式的計數(shù)。

即效果如下：

代碼如下

void TIM3_EncoderConfig（void）{ TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure; TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

HALL_TIM_APBxClock_FUN（ENCODER_TIM_CLK， ENABLE）;

/* GPIOA clock enable */ RCC_AHBPeriphClockCmd（RCC_AHBPeriph_GPIOA， ENABLE）; //PA6 & PA7 RCC_AHBPeriphClockCmd（RCC_APB1Periph_TIM3，ENABLE）; /* phase A & B*/ GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL; GPIO_Init（GPIOA， &GPIO_InitStructure）; GPIO_PinAFConfig（GPIOA， GPIO_PinSource6， GPIO_AF_1）;//TIM3_CH1 GPIO_PinAFConfig（GPIOA， GPIO_PinSource7， GPIO_AF_1）;//TIM3_CH2

TIM_DeInit（TIM3）; TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period =0xffff; TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =0; TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision =TIM_CKD_DIV1; TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode =TIM_CounterMode_Up; TIM_TimeBaseInit（TIM3，&TIM_TimeBaseStructure）;

TIM_EncoderInterfaceConfig（TIM3，TIM_EncoderMode_TI12，TIM_ICPolarity_BothEdge，TIM_ICPolarity_BothEdge）;

TIM_ICStructInit（&TIM_ICInitStructure）; TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0; TIM_ICInit（TIM3， &TIM_ICInitStructure）;

// Clear all pending interrupts TIM_ClearFlag（TIM3， TIM_FLAG_Update）; TIM_ITConfig（TIM3， TIM_IT_Update， ENABLE）;

//Reset counter TIM_SetCounter（TIM3，0）; TIM_Cmd（TIM3， ENABLE）;

/* Enable the TIM1 global Interrupt */ NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPriority = 0; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; NVIC_Init（&NVIC_InitStructure）;}

然后在中斷服務函數(shù)中，將編碼器的相對值計算出來，并根據(jù)編碼器計數(shù)的相對變化，計算出電機的轉(zhuǎn)速。具體代碼如下：

void TIM6_DAC_IRQHandler（）{ static uint16_t counter=0; static uint16_t num_buffer=0; static uint16_t temp_now=0; static uint16_t temp_pre=0; static uint16_t speed=0; if （ TIM_GetITStatus（ BASIC_TIM， TIM_IT_Update） ！= RESET ） { counter++; temp_now=（TIM_GetCounter（TIM3）&0xffff）; if（counter》499） { num_buffer=（temp_now-temp_pre）》0？temp_now-temp_pre:temp_pre-temp_now; speed=100*num_buffer*60/64; counter=0; } DisplayNumber（speed）; if（counter%10==0）temp_pre=temp_now; TIM_ClearITPendingBit（BASIC_TIM ， TIM_FLAG_Update）; } }

同時，為了防止TIM3中斷溢出，記得清除中斷標志位

void TIM3_IRQHandler （）{ if（TIM_GetITStatus（TIM3， TIM_IT_Update） ！= RESET） { TIM_ClearITPendingBit（TIM3， TIM_IT_Update）; }}

實際效果如下圖所示（東西太多，手機不好拍動圖，只能靜物顯示），可知，當電機電壓9.32V時，轉(zhuǎn)速為843rpm。當電壓為18.7V時，轉(zhuǎn)速為1687rpm。編碼器的波形也用示波器顯示出來了。還不錯哈，哈哈哈。

▍結(jié)論

本文使用STM32F0 discovery開發(fā)板，完成了編碼器計數(shù)和電機轉(zhuǎn)速的計算，并通過數(shù)碼管將電機轉(zhuǎn)速實時顯示出來。

原文標題：手把手教你怎么用STM32讓相對編碼器說話

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責任編輯：haq