手把手教你怎么用STM32让相对编码器说话

只看该作者 · 2021-3-9 00:33

#申请原创# @21小跑堂

编码器的由来和原理

若要对伺服系统中的电机进行高精度控制，需要准确的转子角度位置，这时候自然会想到，如果能张江转子每一圈进行细分，这样每次转多少角度便能精确知道。在这样的背景下，相对编码器就诞生了。

在网上找到下文这个图，很形象的表征了相对编码器的原理。

如图所示，在码盘上平均开出很多个等间距的槽，一段是LED灯发出信号，另一端是接收器接收信号。如果信号能穿过码盘，则接收信号为高电平，反之则为低电平。这样当转子转起来以后，就不断的处高低电平。这就是编码器基本原理。

可以看到这里有三个信号，A/B/Z，这时候就要想为什么要3个信号呢？如果仅仅对一圈做细分，命名一个信号就可以了。这就涉及到下面两个问题。

（1）如果是1个信号channel A，电机是正转还是反转就不知道了。需要一个相对的参考信号channel B，A和B相互呈一个角度，这样通过A和B的相对位置就能知道电机是顺时钟转还是逆时针转了。

（2）如果是2个信号，其中一旦有码盘有损坏，就可能出现检测结果无法校验的情况。举个例子，如果一圈开了16个槽，则每旋转一圈，正常情况下就有16个高低电平的信号出来。但如果一个槽坏了，实际上每转一圈只有15个信号出来，但这时如果仅仅通过channel A和channel B是无法判断的。在进行数据处理时还是认为16个信号为一圈，处理结果就有较大的偏差。为了避免这样的问题，补充z信号，一圈只出一个，这样就能相互交验了。一方面通过对A或者B计数，知道z是否有问题，反之对z信号计数就能知道A/B是否有问题。

所以就有了上图的z/A/B三个信号，共同组成了一个功能齐全的编码器。

在网上经常看到说A/B之间相互差90°，这个90°是认为360°为一个周期而言的。如下图所示。通过看A/B相对位置就知道电机是正转还是反转了。

实测波形，如下图所示（示波器不太好，有点毛刺）

正转

反转

使用STM32，让编码器说话

背景

STM32中提供了编码器接口，比较适用于相对编码器的应用场景。在手册中可以看到

可以看到这里使用专用的模块就能完成相应的计数，通过数据的变化就能测出电机的转速。

所以，我想让编码器说话。在家翻箱倒柜以后，我准备了如下几个东西：

（1）带编码器的直流电机：这是作为编码器的载体使用，电机编码器的分辨率较低，每圈只有16个脉冲。但不影响测试。

（2）直流电源：用来直观的调电机的转速和正反转。

为了避免打广告的嫌疑，就不贴电源和电机图片了。

（3）STM32开发板：在家翻箱倒柜，找出2015年在21ic获得的STM32072 discovery板

（4） LED数码管。用来通过编码器的数据处理，显示电机的转速。

试验第一步，让LED数码管显示起来。

因为显示数据是最终目的。使用的这个板子，是集成了HC595锁存器的板子。相比于网上买的大部分51开发板数码管电机设计，使用两个HC595，可以大大减少pin脚的数量。网上使用的4位数码管，需要8个pin作为段选或者位选，非常麻烦。

根据HC595的手册，具有锁存加移位的特性（图中我标注所示）

最上面的3个SH-CP/DS/ST-CP，像极了SPI通信波形，只要合理配置，只需要3个信号线即可完成4数码管的轮流显示。

于是在开发板的pin做了如下硬件配置

Pin（数码管）	74HC595	SPI	Pin
SCLK	Pin11（shift）	SPICLK	PB13
RCLK	Pin12（Storage）	NSS	PB12
DIO	Pin14（datainput）	SPIMOSI	PC3
QH	Pin9（dataoutput）	SPIMISO	PC2

SPI配置代码如下（配置了SPI几个pin脚的定义，时钟，SPI模式等）：

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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作为定时器，配置代码如下（1ms定时周期）：

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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);        

}

实际上每次只会有一个数码管亮，为了较好的视觉体验，将数码管进行千位百位十位个位循环显示，这样做的好处是4个数码管轮流显示，其亮度相同，避免出现一个数码管过亮的情形，影响视觉体验。数码管代码如下：

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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。在定时器中累计

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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);                   

        }        

}

显示的效果如下：

所以，初试成功。

试验第二步，让编码器说话。

首先，在STM32中配置编码器。

使用PA6和PA7作为定时器3的通道1和通道2，进行下图模式的计数。

即效果如下：

代码如下

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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);

}

然后在中断服务函数中，将编码器的相对值计算出来，并根据编码器计数的相对变化，计算出电机的转速。具体代码如下：

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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);                   

        }        

}

同时，为了防止TIM3中断溢出，记得清除中断标志位

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void TIM3_IRQHandler ()

{  

        if(TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET)

        {

                TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update);

        }

}

实际效果如下图所示（东西太多，手机不好拍动图，只能静物显示），可知，当电机电压9.32V时，转速为843rpm。当电压为18.7V时，转速为1687rpm。编码器的波形也用示波器显示出来了。还不错哈，哈哈哈