STM32 TIM（四）编码器接口

STM32 TIM（四）编码器接口

编码器接口简介

• Encoder Interface 编码器接口

• 编码器接口可接收增量（正交）编码器的信号，根据编码器旋转产生的正交信号脉冲，自动控制CNT自增或自减，从而指示编码器的位置、旋转方向和旋转速度，

  • 正交编码器，输出的两个方波信号，相位相差90度，超前90度或者滞后90度，分别代表正转和反转。
  • 编码器接口工作流程，接收正交信号，自动执行CNT的自增或自减
  • 最终的实验现象，编码器有两个输出，一个是A相，一个是B相，然后接入到STM32，定时器的编码器接口，编码器的接口自动控制定时器时基单元中的CNT计数器，进行自增或自减。比如初始化之后，CNT初始值为0，然后编码器右转，CNT就++，右转产生一个脉冲，CNT就加一次，比如右转产生10个脉冲后，停下来，那么这个过程CNT就由0自增到10，停下来，编码器左转，CNT就–，左转产生一个脉冲，CNT就自减一次， 比如编码器再左转产生5个脉冲，那CNT就在原来10的基础上自减5，停下来。
  • 编码器接口，其实就相当于是一个带有方向控制的外部时钟，同时控制着CNT的计数时钟和计数方向，这样CNT的值就表示了编码器的位置。如果我们每隔一段时间取一次编码器的值，再把CNT清零，那么每次取出来的值就表示了编码器的速度。
  • 编码器测速实际上就是测频法测正交脉冲的频率，CNT计次，然后每隔一段时间取一次计次，这就是测频法的思路。编码器计次能根据旋转方向，不仅能自增计次还能自减计次，是一个带方向的测速。

• 每个高级定时器和通用定时器都拥有1个编码器接口

• 两个输入引脚借用了输入捕获的通道1和通道2

  • 编码器的两个输入引脚，就是每个定时器的CH1和CH2引脚，CH3和CH4不能接编码器。

正交编码器

• 正交编码器一般可以测量位置，或者带有方向的速度值，一般有两个信号输出引脚，一个是A相，一个是B相。
• 当编码器的旋转轴转动时，A相和B相就会输出这样的方波信号，转的越快，方波信号的频率就越高，所以方波的频率就代表了速度，去除任意一相的信号来测频率，就能知道旋转速度了，但是只有一相的信号，无法测量旋转方向，因为无论是正传还是反转，都是这样的方波信号。想要测量方向还必须要有另一根线的辅助。
  • 正转时，A相提前B相90度，反转时，A相滞后B相90度，当然正转时是A相提前还是A相滞后，并不是绝对的，这只是一个极性问题，毕竟正转和反转的定义也是相对的，总之就是朝一个方向转是A相提前，另一个方向是A相滞后。
  • 正交信号精度更高，A、B相都可以计次，相当于计次频率提高了一倍，其次，正交信号可以抗噪声，因为正交信号，两个信号必须是交替跳变的，所以可以设计一个抗噪声电路，如果一个信号不变，另一个信号连续跳变，也就是产生了噪声，那这时计次值是不会变化的。
• 编码器接口的设计逻辑
  • 首先把A相和B相的所有边沿作为计数器的计数时钟，出现边沿信号时，就计数自增或自减，具体是自增还是自减，有另一相的状态来决定。
  • 当出现某个边沿时，我们判断另一相的高低电平，从而判断是正转还是反转，继而确定是自增还是自减。

边沿	另一相状态
A相↑	B相低电平
A相↓	B相高电平
B相↑	A相高电平
B相↓	A相低电平

边沿	另一相状态
A相↑	B相高电平
A相↓	B相低电平
B相↑	A相低电平
B相↓	A相高电平

编码器接口框图

• 编码器接口有两个输入端TI1FP1和TI2FP2，分别要接到编码器的A相和B相，可以看出，编码器接口的两个引脚，借用了输入捕获单元的前两个通道，所以最终编码器的输入引脚，就是定时器的CH1和CH2这两个引脚。

  • 信号的通路是，CH1经过输入滤波器和边沿检测电路，通过TF1FP1，通向编码器接口；CH2经过输入滤波器和边沿检测电路，通过TF2FP2，通向编码器接口。CH3和CH4和编码器接口无关。后面的是否交叉、预分频器和CCR寄存器与编码器接口无关。

• 编码器接口的输出部分，相当于从模式控制器，去控制CNT的计数时钟和计数方向，例如，如果出现了边沿信号，并且对应另一相的状态为正转，则控制CNT自增，否则控制CNT自减。

  • 在这里，之前在使用的72MHz内部时钟和我们在时基单元初始化时设置的计数方向并不会使用，因为此时计数时钟和计数方向都处于编码器接口托管的状态，计数器的自增和自减，受编码器控制。

编码器接口基本结构

• 输入捕获的前两个通道，通过GPIO口接入编码器的A、B相。
• 然后通过滤波器和边沿极性检测，产生TI1FP1和TI2FP2，通向编码器接口。
• 编码器接口通过预分频器控制CNT计数器的时钟，同时，编码器接口还根据编码器的旋转方向，控制CNT的计数方向，编码器正转时，CNT自增，编码器反转时，CNT自减
  • 这里ARR是有效的，一般设置ARR为65535，最大量程。这样，利用补码的特性，很容易得到负数，比如CNT初始为0，正转，CNT自增，0，1，2，3，4，5，6，7……，反转，CNT自减，0下一个数就是65535，接着是65534，65533，可以把这个16位的无符号数转换为16位的有符号数，根据补码的定义，65535就对应-1，65534就对应-2，65533就对应-3……这样就可以直接得到负数，十分方便。

工作模式

• TI1FP1和TI2FP2界的就是编码器的A、B相，在A相和B相的上升沿或者下降沿触发计数，具体是向上计数还是向下计数，取决于边沿信号发生的这一时刻，另一相的电平状态，也就是相对信号的电平，TI1FP1对应TI2，TI2FP2对应TI1，就是另一相电平的意思。

• 边沿	另一相状态
  A相↑	B相低电平
  A相↓	B相高电平
  B相↑	A相高电平
  B相↓	A相低电平

  • 例如，假设TI1接A相，TI2接B相（在TI1和TI2上计数），当A、B相为上表这4个状态时，就是正转，计数器需要自增，上表第一个状态，A相上升沿，B相低电平，对应下表就是TI1FP1上升沿，TI2FP2低电平，执行的是向上计数；上表第二个状态，
    A相下降沿，B相高电平，对应下表就是TIFP1下降沿，TI2FP2高电平，执行的是向上计数，以此类推。

实例（均不反相）

• 第一个状态，TI1上升沿，TI2低电平，由表可知，TI1FP1上升沿，TI2FP2低电平，对应向上计数，所以计数器变高了一级，接着后面的这几个状态，由查表可知，都是向上计数，正转。
• 接着后面的毛刺，展示的就是正交编码器抗噪声的原理了，在这里TI2没有变化，TI1却跳变了多次，不符合正交编码器的信号规律，正交信号，两个信号交替变化，这里TI2没变化，但是TI1变化了多次，显然是一个毛刺信号，二通过下面这张表的逻辑，就可以不计数，把这种噪声过滤掉。
  • 比如毛刺部分开始，TI1上升沿，TI2低电平，查表得向上计数，自增；下一个状态，TI1下降沿，TI2还是低电平，查表得向下计数，自减；然后继续TI1上升沿，TI2低电平，自增，继续，TI1下降沿，TI2低电平，自减。所以如果出现了一个引脚不变，另一个引脚连续跳变的毛刺信号，计数器就会+，-，+，-，来回摆动，最终计数值还是原来那个数，并不受毛刺噪声的影响，这就是正交编码器抗噪声的原理。
• 接着是反转的波形，都是向下计数，计数值下降，然后TI1不动，TI2多次跳变，计数值也是来回摆动，过滤噪声，最后是正转，向上计数。

实例（TI1反相）

• TI1和TI2都会经过边沿检测和极性选择的部分，在输入捕获模式下，这个极性选择是选择上升沿有效还是下降沿有效的，但是在编码器接口模式下，显然上升沿和下降沿都是有效的，上升沿和下降沿都需要计次。

  • 所以在编码器接口模式下，不再是边沿的极性选择，而是高低电平的极性选择，如果我们选择上升沿的参数，就是信号直通过来，高低电平极性不反转，如果选择下降沿的参数，就是信号通过一个非门过来，高低电平极性反转，所以就会有两个控制极性的参数，选择要不要加一个非门，反转一下极性。

• 把TI1高低电平反转一下，就是这里的TI1反相，需要先将TI1高低电平取反，才是反相后实际给编码器接口的电平，然后在查表，第一个状态，应该是TI1下降沿，TI2低电平，查表得到是向下计数，与下图对应。后续也一一对应。

• TI1反相的作用，比如你接一个编码器，发现它数据的加减方向反了，想要正转的方向，结果却自减了，想要反转的方向，结果却自增了，这时就可以调整一下极性，把任意一个引脚反相，就能反转计数方向了，当然也可以通过直接把A、B相两个引脚换一下。