增量式编码器 4 倍频实现步骤

只看该作者 · 2025-3-30 02:05

1. 正交信号基本原理
增量式编码器输出 A 相和 B 相两路相位相差 90° 的方波信号，每个信号周期对应一个编码器刻线。

例如：
当编码器正向旋转时，A 相领先 B 相 90°。
当编码器反向旋转时，B 相领先 A 相 90°。
由于每个信号周期有 4 个边沿（A 上升、A 下降、B 上升、B 下降），利用这些边沿可以将编码器的分辨率提高 4 倍。

2. 4 倍频的具体实现

方法 1：软件轮询检测
步骤：

通过 GPIO 读取 A、B 相电平。

监听 A 相或 B 相的变化（上升沿或下降沿）。

计算方向：

如果 A 相变化时 B 相的状态为 1，则为正转；否则反转。

如果 B 相变化时 A 相的状态为 0，则为正转；否则反转。

每次边沿触发时，计数器 ±1，实现 4 倍频。

示例代码（基于中断方式）：

c
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volatile int32_t encoder_count = 0;

void EXTI_IRQHandler(void) {
static uint8_t last_AB = 0;
uint8_t AB = (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, A_PIN) << 1) | GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, B_PIN);

// 计算方向
if ((last_AB == 0b00 && AB == 0b01) ||
      (last_AB == 0b01 && AB == 0b11) ||
      (last_AB == 0b11 && AB == 0b10) ||
      (last_AB == 0b10 && AB == 0b00)) {
      encoder_count++;  // 正转
} else {
      encoder_count--;  // 反转
}

last_AB = AB;  // 更新状态
EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_LineX); // 清除中断标志
}
优点：适用于低速编码器，软件逻辑简单。
缺点：依赖中断处理，高频时 CPU 负担较重。

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方法 2：定时器+硬件解码
大部分 MCU（如 STM32、NXP、TI）支持定时器正交解码模式，可以利用硬件自动完成 4 倍频计数，减少 CPU 负担。

实现步骤：

选择支持正交解码的定时器（如 STM32 的 TIM2/TIM3）。

配置定时器的编码模式（Encoder Mode）。

选择 4 倍频模式（检测 A、B 相的上升沿和下降沿）。

读取定时器计数器 CNT 直接获取位置信息。

示例代码（基于 STM32 HAL 库）：

c
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TIM_Encoder_InitTypeDef encoderConfig;

encoderConfig.EncoderMode = TIM_ENCODERMODE_TI12;
encoderConfig.IC1Polarity = TIM_ICPOLARITY_RISING;
encoderConfig.IC1Selection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI;
encoderConfig.IC1Prescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
encoderConfig.IC2Polarity = TIM_ICPOLARITY_RISING;
encoderConfig.IC2Selection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI;
encoderConfig.IC2Prescaler = TIM_ICPSC_DIV1;

HAL_TIM_Encoder_Init(&htim2, &encoderConfig);
HAL_TIM_Encoder_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_ALL);
然后，读取 TIM2->CNT 直接获得编码器当前位置。

优点：

硬件自动处理，适用于高速旋转，不会占用 CPU。

通过定时器 CNT 值直接读取角度/位移。

缺点：需 MCU 支持编码器模式（部分低端 MCU 不支持）。

只看该作者 · 2025-3-30 02:06

方向判断
无论采用软件轮询还是定时器解码，方向判断方式都类似：

A 相变化时 B 相高电平 → 正转，低电平 → 反转。

B 相变化时 A 相低电平 → 正转，高电平 → 反转。

只看该作者 · 2025-3-30 02:07

计算旋转角度
如果编码器有 N 线刻度，则：

单圈分辨率 = N × 4（因为 4 倍频）。

角度计算公式：

例如：
1000 线编码器，4 倍频后分辨率 4000 线，如果 CNT = 2000：