作者：Damon Tarry, Design Applications Engineer, Same Sky

本 Arduino 示例代碼教程旨在為用戶提供一個(gè)堅(jiān)實(shí)的起點(diǎn)，以便通過串行外設(shè)接口 (SPI) 通信來配置和讀取 [Same Sky] 的 [AMT22 絕對(duì)編碼器] 的數(shù)據(jù)。該教程將提供所需的硬件和軟件、關(guān)鍵設(shè)置要求以及單圈和多圈輸出選項(xiàng)的示例代碼包和說明。以下是入門工作所需的物料清單：

• [Arduino 板]
• [AMT22 編碼器]
• [AMT-06C-1-036 電纜] ，或帶有相應(yīng)連接器的類似電纜
• [Arduino IDE]
• [下載 AMT22 單圈樣例代碼]
• [下載 AMT22 多圈樣例代碼]

AMT22 絕對(duì)位置編碼器概覽

Same Sky（前身為 CUI Devices）的 AMT22 是一款絕對(duì)編碼器，具有 12 位或 14 位分辨率，即每圈提供精確的唯一位置數(shù)。對(duì)于 12 位型號(hào)來說，這相當(dāng)于 4,096 個(gè)不同的位置，而 14 位型號(hào)每轉(zhuǎn)一圈則有 16,384 個(gè)位置。無論旋轉(zhuǎn)多少次，該器件都會(huì)持續(xù)報(bào)告其絕對(duì)位置，準(zhǔn)確地向用戶提供精確的器件角度反饋。

該編碼器有單圈和[多圈] 兩種類型。單圈器件測(cè)量的是旋轉(zhuǎn)一圈 360 度過程中的位置，而多圈器件不僅跟蹤旋轉(zhuǎn)一圈過程中的位置，還跟蹤旋轉(zhuǎn)整圈的總數(shù)。此外，單圈型號(hào)還具有可編程零點(diǎn)，使用戶能夠?yàn)榫幋a器的旋轉(zhuǎn)起點(diǎn)定義參考點(diǎn)。

入門

將編碼器背面的開關(guān)調(diào)至適當(dāng)位置，確保器件處于 RUN（運(yùn)行）模式（圖 1）?，F(xiàn)在，按照 [AMT 安裝說明] 將 AMT22 編碼器安裝到電機(jī)或組件上，以確保安裝正確。AMT22 支持 9 種不同的軸尺寸，從 2 mm 到 8 mm 不等。

圖 1：將 AMT22 編碼器背面的開關(guān)撥至 RUN 模式。（圖片來源：Same Sky）

圖 2 和表 1 中列出的連接專用于 [Arduino Uno 板] ，但所提供的代碼應(yīng)與大多數(shù) Arduino 板兼容。不過，請(qǐng)注意不同型號(hào)的 Arduino 引腳配置可能有所不同。有關(guān)其他電路板的準(zhǔn)確連接細(xì)節(jié)，建議參考相應(yīng)的 Arduino 說明文檔。

圖 2：Arduino Uno 與 AMT22 編碼器的線路連接。（圖片來源：Same Sky）

| | 功能 | 編碼器引腳數(shù)量 | Arduino Uno 引腳 | AMT-DBC-1-036 |
| ------ | ---------------- | ------------------ | --------------- |
| +5 V | 1 | 5 V | 白色/綠色 |
| SCLK | 2 | 13 | 藍(lán)色/白色 |
| MOSI | 3 | 11 | 白色/藍(lán)色 |
| GND | 4 | GND | 綠色/白色 |
| MISO | 5 | 12 | 橙色/白色 |
| CS | 6 | 2 | 白色/橙色 |

表 1：Arduino Uno 接線的進(jìn)一步定義。（圖片來源：Same Sky）

當(dāng) SPI 通信開始時(shí)，AMT22 編碼器立即開始傳輸其絕對(duì)位置數(shù)據(jù)，無需傳統(tǒng)的指令響應(yīng)結(jié)構(gòu)。在 SPI 傳輸?shù)牡谝粋€(gè)字節(jié)期間，主機(jī)發(fā)送 0x00，AMT22 同時(shí)響應(yīng)有效位置數(shù)據(jù)。

如果主機(jī)需要發(fā)出指令（表 2），例如置零指令，則將在傳輸?shù)牡诙€(gè)字節(jié)中發(fā)送。這被稱為擴(kuò)展指令。有關(guān)詳細(xì)的技術(shù)規(guī)格，請(qǐng)參閱 AMT22 數(shù)據(jù)表。

| | 指令 | 字節(jié) | 注意 |
| ---------- | ----------- | ---------- |
| 獲取位置 | 0x00 0x00 | |
| 置零 | 0x00 0x70 | 僅限單圈 |
| 獲得圈數(shù) | 0x00 0xA0 | 僅多圈 |

表 2：已定義的 AMT22 命令。（圖片來源：Same Sky）

代碼教程 - 包含內(nèi)容和定義

由于 Arduino 的 SPI 總線用于連接 AMT22 編碼器，因此代碼中需要包含 SPI 庫(kù)。要將位置數(shù)據(jù)從 Arduino 發(fā)送到計(jì)算機(jī)，需要使用 Arduino IDE 內(nèi)置的 USB 串行連接，并在 115200 波特率下進(jìn)行配置。

此外，還需要定義 AMT22 使用的指令。由于編碼器不處理第一個(gè)字節(jié)的內(nèi)容，因此分配了一個(gè) NOP（無操作）來簡(jiǎn)化通信過程（列表 1）。

副本
/* Include the SPI library for the arduino boards */
#include < SPI.h >
 
/* Serial rates for UART */
#define BAUDRATE      115200
 
/* SPI commands */
#define AMT22_NOP     0x00
#define AMT22_ZERO    0x70
#define AMT22_TURNS   0xA0

列表 1：設(shè)置 SPI 接口。

初始化

在 setup() 函數(shù)（列表 2）中，首先初始化所有必要的 SPI 引腳并配置串行通信接口。

應(yīng)初始化串行端口，以便向主計(jì)算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。這可以通過把已定義的 BAUDRATE 傳入 Serial.begin() 函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

啟用 SPI 之前，確保芯片選擇 (CS) 線設(shè)置為適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)，以便編碼器做好通信準(zhǔn)備。

選擇 SPI 總線與 AMT22 通信的時(shí)鐘頻率。對(duì)于原型開發(fā)而言，盡管 AMT22 支持高達(dá) 2 MHz 的時(shí)鐘頻率，但 500 kHz 的時(shí)鐘頻率還是比較合適的。通過 SPI_CLOCK_DIV32 設(shè)置可實(shí)現(xiàn) 500 kHz 頻率。假定 Arduino Uno 的時(shí)鐘頻率為 16 MHz，這種分頻的結(jié)果是 SPI 時(shí)鐘頻率為 500 kHz。有關(guān) SPI 時(shí)鐘配置的更多詳情，請(qǐng)查閱 Arduino 說明文檔。

配置完成后，可使用 SPI.begin() 對(duì) SPI 總線進(jìn)行初始化，這將設(shè)置三個(gè)專用 SPI 引腳：MISO、MOSI 和 SCLK，并使系統(tǒng)做好與編碼器通信的準(zhǔn)備。

復(fù)制
voidsetup()
{
  uint8_t cs_pin = 2;
 
  //Set the modes for the SPI CS
  pinMode(cs_pin, OUTPUT);
  //Get the CS line high which is the default inactive state
  digitalWrite(cs_pin, HIGH);
 
  //Initialize the UART serial connection for debugging
  Serial.begin(BAUDRATE);
 
  //set the clockrate. Uno clock rate is 16Mhz, divider of 32 gives 500 kHz.
  //500 kHz is a good speed for our test environment
  //SPI.setClockDivider(SPI_CLOCK_DIV2);   // 8 MHz
  //SPI.setClockDivider(SPI_CLOCK_DIV4);   // 4 MHz
  //SPI.setClockDivider(SPI_CLOCK_DIV8);   // 2 MHz
  //SPI.setClockDivider(SPI_CLOCK_DIV16);  // 1 MHz
  SPI.setClockDivider(SPI_CLOCK_DIV32);    // 500 kHz
  //SPI.setClockDivider(SPI_CLOCK_DIV64);  // 250 kHz
  //SPI.setClockDivider(SPI_CLOCK_DIV128); // 125 kHz
 
  //start SPI bus
  SPI.begin();
}

列表 2：用于初始化所有 SPI 引腳的 setup() 函數(shù)。

SPI 通信

與 AMT22 的 SPI 通信通過 Arduino 的 SPI 庫(kù)完成，而芯片選擇 (CS) 控制則通過使用數(shù)字 I/O 引腳的代碼進(jìn)行管理。digitalWrite() 函數(shù)用于斷言或解除斷言 CS 線路（列表 3）。

AMT22 預(yù)計(jì)發(fā)送兩個(gè) 0x00 字節(jié)，并在收到這些字節(jié)后立即返回?cái)?shù)據(jù)。由于響應(yīng)速度快，因此必須遵守 AMT22 規(guī)格書中列出的某些最低時(shí)序要求。

無論編碼器是 12 位還是 14 位，始終會(huì)響應(yīng)兩個(gè)字節(jié)（16 位）的數(shù)據(jù)。上兩位是校驗(yàn)位，用于驗(yàn)證數(shù)據(jù)完整性。對(duì)于 12 位版本，下兩位均為 0，返回值必須右移 2 位（或除以 4）才能正常使用。

要獲取位置數(shù)據(jù)，需要調(diào)用 SPI.transfer() 函數(shù)，發(fā)送 AMT22_NOP 命令。在此過程中，CS 線保持低電平。AMT22 首先發(fā)送高字節(jié)，因此接收到的字節(jié)會(huì)左移 8 位，以便與 uint16_t 變量的上半部分對(duì)齊。該值將一次性地分配給編碼器位置變量。經(jīng)過短暫延遲以滿足時(shí)序要求后，二次調(diào)用 SPI.transfer()，發(fā)送另一條 AMT22_NOP 指令。將結(jié)果與編碼器位置 (encoderPosition) 中的當(dāng)前值進(jìn)行 OR，從而有效地將接收到的兩個(gè)字節(jié)合并為一個(gè) uint16_t 變量。最后，釋放 CS 線路，完成通信。

復(fù)制
uint8_t cs_pin = 2;
 
//set the CS signal to low
digitalWrite(cs_pin, LOW);
delayMicroseconds(3);
 
//read the two bytes for position from the encoder, starting with the high byte
uint16_t encoderPosition = SPI.transfer(AMT22_NOP) < < 8; //shift up 8 bits because this is the high byte
delayMicroseconds(3);
encoderPosition |= SPI.transfer(AMT22_NOP); //we do not need a specific command to get the encoder position, just no-op
 
//set the CS signal to high
digitalWrite(cs_pin, HIGH);

列表 3：設(shè)置 SPI 通信。

校驗(yàn)和驗(yàn)證

完成 SPI 傳輸后，必須使用校驗(yàn)和來驗(yàn)證接收到的數(shù)據(jù)（列表 4）。

為實(shí)現(xiàn)這一驗(yàn)證，可根據(jù)規(guī)格書中提供的方程創(chuàng)建一個(gè)函數(shù)。校驗(yàn)和包含在接收值的上兩位中，并在位置響應(yīng)的奇數(shù)和偶數(shù)位中使用奇校驗(yàn)。

該函數(shù)將執(zhí)行以下步驟：

1. 計(jì)算奇數(shù)位（1、3、5、7、9、11、13 位的奇偶性
2. 計(jì)算偶數(shù)位（0、2、4、6、8、10、12、14 位）的奇偶性
3. 將計(jì)算出的奇偶性與校驗(yàn)位指示的值進(jìn)行比較

如果校驗(yàn)和有效，該函數(shù)將返回 true，表明數(shù)據(jù)完整性已得到確認(rèn)。如果校驗(yàn)和無效，函數(shù)將返回 false，表明接收到的數(shù)據(jù)可能存在錯(cuò)誤。

復(fù)制
/*
 * Using the equation on the datasheet we can calculate the checksums and then make sure they match what the encoder sent.
 */
boolverifyChecksumSPI(uint16_t message)
{
  //checksum is invert of XOR of bits, so start with 0b11, so things end up inverted
  uint16_t checksum = 0x3;
  for(int i = 0; i < 14; i += 2)
  {
    checksum ^= (message > > i) & 0x3;
  }
  return checksum == (message > > 14);
}

列表 4：驗(yàn)證校驗(yàn)和。

數(shù)據(jù)格式化

如果校驗(yàn)和驗(yàn)證確認(rèn)了數(shù)據(jù)的完整性，下一步就是刪除上兩位，以更新 encoderPosition 變量（清單 5）。這可以通過對(duì) 0x3FFF（或 0b0011111111111111）進(jìn)行逐位 AND 運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)，從而有效保留位置數(shù)據(jù)的所有 14 個(gè)低位。

此外，還需要考慮編碼器的分辨率：12 位還是 14 位。如果分辨率為 12 位，則編碼器位置值必須向右移動(dòng) 2 位，以適應(yīng)較低的分辨率。這可確保位置數(shù)據(jù)在編碼器位置變量中得到準(zhǔn)確表達(dá)，即根據(jù)編碼器的指定分辨率反映編碼器的實(shí)際位置。

復(fù)制
if (verifyChecksumSPI(encoderPosition)) //position was good
{
  encoderPosition &= 0x3FFF; //discard upper two checksum bits
  if (RESOLUTION == 12) encoderPosition = encoderPosition > > 2; //on a 12-bit encoder, the lower two bits will always be zero
 
  Serial.print(encoderPosition, DEC); //print the position in decimal format
  Serial.write('n');
}
else//position is bad
{
  Serial.print("Encoder position error.n");
}

列表 5：更新 encoderPosition。

設(shè)置零位置（僅限單圈）

AMT22 編碼器的某些型號(hào)具有可編程零位功能。要設(shè)置該零位，就必須發(fā)送一個(gè)特定的雙字節(jié)指令序列。該過程包括首先發(fā)送 AMT22_NOP 指令，然后短暫等待，以滿足 AMT22 規(guī)定的最低時(shí)序要求。等待之后，發(fā)送 AMT22_ZERO 命令，同時(shí)確保芯片選擇 (CS) 線被釋放。一旦編碼器收到該指令，就將執(zhí)行復(fù)位操作（列表 6）。

為了避免在復(fù)位期間與編碼器通信，可實(shí)施 250 ms 延遲，以確保在編碼器通電期間不會(huì)向其發(fā)送任何指令。

雖然利用代碼可在開始運(yùn)行時(shí)設(shè)置編碼器零位，但在典型應(yīng)用中，更常見的做法是在系統(tǒng)內(nèi)使用器件的初始配置過程中只設(shè)置一次零位。這種做法有助于在編碼器的整個(gè)運(yùn)行壽命期間保持其位置反饋的完整性。

復(fù)制
/*
 * The AMT22 bus allows for extended commands. The first byte is 0x00 like a normal position transfer,
 * but the second byte is the command.
 * This function takes the pin number of the desired device as an input
 */
voidsetZeroSPI(uint8_t cs_pin)
{
  //set CS to low
  digitalWrite(cs_pin, LOW);
  delayMicroseconds(3);
 
  //send the first byte of the command
  SPI.transfer(AMT22_NOP);
  delayMicroseconds(3);
 
  //send the second byte of the command
  SPI.transfer(AMT22_ZERO);
  delayMicroseconds(3);
 
  //set CS to high
  digitalWrite(cs_pin, HIGH);
 
  delay(250); //250 millisecond delay to allow the encoder to reset
}

列表 6：設(shè)置單圈 AMT22 編碼器的零位。

圈數(shù)讀取計(jì)數(shù)器（限多圈）

AMT22 編碼器的某些型號(hào)支持多圈計(jì)數(shù)器，允許用戶在單數(shù)據(jù)檢索序列中讀取位置和圈數(shù)。

如果接收到的位置數(shù)據(jù)無效，系統(tǒng)應(yīng)將錯(cuò)誤通知用戶。相反，如果位置有效，程序應(yīng)以十進(jìn)制格式報(bào)告位置（列表 7）。這一功能增強(qiáng)了編碼器功能，可全面地反饋絕對(duì)位置和完整的圈數(shù)，從而在需要精確旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更精確的監(jiān)測(cè)和控制。

復(fù)制
uint8_t cs_pin = 2;
 
//set the CS signal to low
digitalWrite(cs_pin, LOW);
delayMicroseconds(3);
 
//read the two bytes for position from the encoder, starting with the high byte
uint16_t encoderPosition = SPI.transfer(AMT22_NOP) < < 8; //shift up 8 bits because this is the high byte
delayMicroseconds(3);
encoderPosition |= SPI.transfer(AMT22_TURNS); //we send the turns command (0xA0) here, to tell the encoder to send us the turns count after the position
 
//wait 40us before reading the turns counter
delayMicroseconds(40);
 
//read the two bytes for turns from the encoder, starting with the high byte
uint16_t encoderTurns = SPI.transfer(AMT22_NOP) < < 8; //shift up 8 bits because this is the high byte
delayMicroseconds(3);
encoderTurns |= SPI.transfer(AMT22_NOP);
delayMicroseconds(3);
 
//set the CS signal to high
digitalWrite(cs_pin, HIGH);

列表 7：AMT22 多圈讀取編碼器中的編碼器位置和圈數(shù)計(jì)數(shù)器。

運(yùn)行代碼

代碼創(chuàng)建成功后，就可以將其上傳到 Arduino 并與 AMT22 編碼器建立通信。

要監(jiān)控輸出，請(qǐng)打開 Arduino IDE 中的串行監(jiān)控器，并確保將數(shù)據(jù)速率設(shè)置為 115200 波特。這樣，用戶就可以觀察編碼器的運(yùn)行情況，并實(shí)時(shí)查看位置報(bào)告數(shù)據(jù)。串行監(jiān)控器啟動(dòng)后，編碼器應(yīng)開始傳輸位置信息，顯示其在系統(tǒng)中的功能（圖 3）。

圖 3：Arduino 收到的編碼器報(bào)告的位置（圖片來源：Same Sky）

多個(gè)編碼器

能夠與同一總線上的多個(gè)編碼器進(jìn)行通信，是使用 SPI 器件的一大優(yōu)勢(shì)。為此，需要為每個(gè)編碼器分配一個(gè)額外數(shù)字 I/O 引腳，以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的芯片選擇 (CS) 控制。

在示例代碼（列表 8）中，利用 CS 引腳陣列支持任意數(shù)量的編碼器。這種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了可擴(kuò)展通信，使用戶能夠根據(jù)需要輕松地添加更多的編碼器。通過修改功能以接受與所需器件相對(duì)應(yīng)的引腳編號(hào)，使用代碼能以動(dòng)態(tài)方式控制 SPI 總線上哪個(gè)編碼器處于活動(dòng)狀態(tài)，從而確保能獨(dú)立地訪問和操作每個(gè)器件。

復(fù)制
uint8_t cs_pins[] = {2}; //only one encoder connected, using pin 2 on arduino for CS
//uint8_t cs_pins[] = {2, 3}; //two encoders connected, using pins 2 & 3 on arduino for CS

列表 8：設(shè)置讀取多個(gè)編碼器陣列。

下一步是循環(huán)讀取陣列中的每個(gè) CS 引腳，并從每個(gè)連接的編碼器中讀取位置。這樣，通過斷言每個(gè)編碼器的芯片選擇線，執(zhí)行 SPI 傳輸并檢索位置數(shù)據(jù)，系統(tǒng)就可以激活每個(gè)編碼器。代碼將依次選擇每個(gè)編碼器，執(zhí)行 SPI 通信并釋放 CS 線，以確保所有連接的器件都能查詢到其位置信息（列表 9）。

復(fù)制
voidloop()
{
  for(int encoder = 0; encoder < sizeof(cs_pins); ++encoder)
  {
    uint8_t cs_pin = cs_pins[encoder];
 
    //set the CS signal to low
    digitalWrite(cs_pin, LOW);
    delayMicroseconds(3);
 
    //read the two bytes for position from the encoder, starting with the high byte
    uint16_t encoderPosition = SPI.transfer(AMT22_NOP) < < 8; //shift up 8 bits because this is the high byte
    delayMicroseconds(3);
    encoderPosition |= SPI.transfer(AMT22_NOP); //we do not need a specific command to get the encoder position, just no-op
 
    //set the CS signal to high
    digitalWrite(cs_pin, HIGH);
 
    if (verifyChecksumSPI(encoderPosition)) //position was good, print to serial stream
    {
      encoderPosition &= 0x3FFF; //discard upper two checksum bits
      if (RESOLUTION == 12) encoderPosition = encoderPosition > > 2; //on a 12-bit encoder, the lower two bits will always be zero
 
      Serial.print("Encoder #");
      Serial.print(encoder, DEC);
      Serial.print(" position: ");
      Serial.print(encoderPosition, DEC); //print the position in decimal format
      Serial.write('n');
    }
    else//position is bad, let the user know how many times we tried
    {
      Serial.print("Encoder #");
      Serial.print(encoder, DEC);
      Serial.print(" position error.n");
    }
  }
 
  //For the purpose of this demo we don't need the position returned that quickly so let's wait a half second between reads
  //delay() is in milliseconds
  delay(500);
}

列表 9：從多個(gè)編碼器讀取編碼器位置變量。

數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，在釋放芯片選擇線之前需要極短的等待時(shí)間。根據(jù)規(guī)格書，這個(gè)極短的時(shí)間為 3 ms。雖然這種延遲通常是在較慢的數(shù)據(jù)傳輸速率下自然觀察到的，但好的做法是在代碼中明確實(shí)現(xiàn)這種延遲，以確保正常運(yùn)行并遵守時(shí)序規(guī)范。這就確保了與 AMT22 編碼器的可靠通信。

結(jié)束語(yǔ)

用戶現(xiàn)在應(yīng)該對(duì)配置和讀取 Same Sky AMT22 絕對(duì)編碼器的數(shù)據(jù)有了基本了解。本文重點(diǎn)介紹了 AMT22 絕對(duì)編碼器。Same Sky 還擁有一系列 [AMT 模塊化編碼器] ，包括增量式、絕對(duì)式和換向式版本。

審核編輯 黃宇