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[STM32] 手把手教你怎么用STM32让相对编码器说话

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1849|3
 楼主| grhr 发表于 2021-3-9 00:33 | 显示全部楼层 |阅读模式
STM32, 编码器, pi, spi, IO
#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）：
复制
  1. void SPI_Digital_Tube_Config(void)
    

  2. {
    

  3.         SPI_InitTypeDef  SPI_InitStructure;
    

  4.   GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    

  5.         
    

  6.           /* Disable the SPI peripheral */
    

  7.   SPI_Cmd(SPI2, DISABLE);
    

  8.   /* Enable SCK, MOSI, MISO and NSS GPIO clocks */
    

  9.         RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_SPI2, ENABLE);
    

  10.   RCC_AHBPeriphClockCmd(SPI_Digital_Tube_SCK_GPIO_CLK |
    

  11.                                                                                                 SPI_Digital_Tube_MOSI_GPIO_CLK|
    

  12.                                                                                                 SPI_Digital_Tube_NSS_GPIO_CLK, ENABLE);
    

  13.   
    

  14.   /* SPI pin mappings */
    

  15.   GPIO_PinAFConfig(SPI_Digital_Tube_SCK_GPIO_PORT, SPI_Digital_Tube_SCK_SOURCE, SPI_Digital_Tube_SCK_AF);
    

  16.   GPIO_PinAFConfig(SPI_Digital_Tube_MOSI_GPIO_PORT, SPI_Digital_Tube_MOSI_SOURCE, SPI_Digital_Tube_MOSI_AF);
    

  17.   GPIO_PinAFConfig(SPI_Digital_Tube_MISO_GPIO_PORT, SPI_Digital_Tube_MISO_SOURCE, SPI_Digital_Tube_MISO_AF);
    

  18.   GPIO_PinAFConfig(SPI_Digital_Tube_NSS_GPIO_PORT, SPI_Digital_Tube_NSS_SOURCE, SPI_Digital_Tube_NSS_AF);
    

  19.   
    

  20.   GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
    

  21.   GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
    

  22.   GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd  = GPIO_PuPd_DOWN;
    

  23.   GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_Level_3;
    


  24. 

  25.   /* SPI SCK pin configuration */
    

  26.   GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SPI_Digital_Tube_SCK_PIN;
    

  27.   GPIO_Init(SPI_Digital_Tube_SCK_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
    


  28. 

  29.   /* SPI  MOSI pin configuration */
    

  30.   GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =  SPI_Digital_Tube_MOSI_PIN;
    

  31.   GPIO_Init(SPI_Digital_Tube_MOSI_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
    


  32. 

  33.   /* SPI MISO pin configuration */
    

  34.   GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SPI_Digital_Tube_MISO_PIN;
    

  35.   GPIO_Init(SPI_Digital_Tube_MISO_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
    

  36.   
    

  37.   /* SPI NSS pin configuration */
    

  38.   GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SPI_Digital_Tube_NSS_PIN;
    

  39.   GPIO_Init(SPI_Digital_Tube_NSS_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
    


  40. 

  41.         GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
    

  42.         GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SPI_Digital_Tube_NSS_PIN;
    

  43.         GPIO_Init(SPI_Digital_Tube_NSS_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
    

  44.   
    

  45.   /* SPI configuration -------------------------------------------------------*/
    

  46.   SPI_I2S_DeInit(SPI2);
    

  47.   SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;
    

  48.   SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_16b;
    

  49.   SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;
    

  50.   SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;
    

  51. //  SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Hard;
    

  52.   SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;
    

  53.   SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_256;
    

  54.   SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;
    

  55.   SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;
    

  56.         SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;
    

  57.   SPI_Init(SPI2, &SPI_InitStructure);
    


  58. 

  59.   /* Initialize the FIFO threshold */
    

  60.   SPI_RxFIFOThresholdConfig(SPI2, SPI_RxFIFOThreshold_QF);
    

  61.   
    

  62.   /* Enable the SPI peripheral */
    

  63.   SPI_Cmd(SPI2, ENABLE);
    

  64.   
    

  65. //  /* Enable NSS output for master mode */
    

  66. //  SPI_SSOutputCmd(SPI2, ENABLE);
    

  67. }
使用TIM6作为定时器，配置代码如下（1ms定时周期）：
复制
  1. static void BASIC_TIM_Mode_Config(void)
    

  2. {
    

  3.     TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
    

  4.     BASIC_TIM_APBxClock_FUN(BASIC_TIM_CLK, ENABLE);
    

  5.     TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = BASIC_TIM_Period;//1ms        
    

  6.     TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler= BASIC_TIM_Prescaler;//47
    

  7.                 TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;
    

  8.                 TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up; 
    

  9.                 TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter=0;        
    

  10.     TIM_TimeBaseInit(BASIC_TIM, &TIM_TimeBaseStructure);        
    

  11.     TIM_ClearFlag(BASIC_TIM, TIM_FLAG_Update);  
    

  12.     TIM_ITConfig(BASIC_TIM,TIM_IT_Update,ENABLE);        
    

  13.     TIM_Cmd(BASIC_TIM, ENABLE);        
    

  14. }
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：
复制
  1. void DisplayNumber(uint16_t num)
    

  2. {
    

  3.         uint8_t mythousandNum,myhundredNum,mytenNum,myunitNum=0;
    

  4.         if(num>9999)num=9999;
    

  5.         mythousandNum=num/1000%10;
    

  6.         myhundredNum=num/100%10;
    

  7.         mytenNum=num/10%10;
    

  8.          myunitNum=num%10;
    

  9.         switch(mydisplaybit)
    

  10.         {
    

  11.                 case thousaud:
    

  12.                         Display16(mythousandNum,4);
    

  13.                         mydisplaybit=hundred;
    

  14.                 break;
    

  15.                 case hundred:
    

  16.                         Display16(myhundredNum,3);
    

  17.                         mydisplaybit=ten;
    

  18.                 break;
    

  19.                 case        ten:
    

  20.                         Display16(mytenNum,2);
    

  21.                         mydisplaybit=unit;
    

  22.                 break;
    

  23.                 case        unit:
    

  24.                         Display16(myunitNum,1);
    

  25.                         mydisplaybit=thousaud;
    

  26.                 break;
    

  27.                 default:
    

  28.                         Display16(mythousandNum,4);
    

  29.                         mydisplaybit=hundred;
    

  30.                 break;
    

  31.         }
    

  32. }
    


  33. 

  34. static void Display16(uint8_t num,uint8_t place)
    

  35. {
    

  36.         GPIO_ResetBits(SPI_Digital_Tube_NSS_GPIO_PORT, SPI_Digital_Tube_NSS_PIN);
    

  37.         uint16_t Temp=((Num[num])<<8)+((0x01)<<(place-1));
    

  38.         SPI2_Send_Byte16(Temp);
    

  39.         GPIO_SetBits(SPI_Digital_Tube_NSS_GPIO_PORT, SPI_Digital_Tube_NSS_PIN);
    

  40. }
然后，每隔0.5s累加一次。在定时器中累计
复制
  1. void TIM6_DAC_IRQHandler()
    

  2. {
    

  3.         static uint16_t counter=0;
    

  4.         static uint16_t num_buffer=0;
    

  5.         if ( TIM_GetITStatus( BASIC_TIM, TIM_IT_Update) != RESET ) 
    

  6.         {        
    

  7.                 counter++;
    

  8.                 if(counter>499)
    

  9.                 {
    

  10.                         num_buffer++;
    

  11.                         counter=0;
    

  12.                 }
    

  13.                 DisplayNumber(num_buffer);
    

  14.                 TIM_ClearITPendingBit(BASIC_TIM , TIM_FLAG_Update);                   
    

  15.         }        
    

  16. }
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
复制
  1. void TIM3_EncoderConfig(void)
    

  2. {
    

  3.   TIM_ICInitTypeDef  TIM_ICInitStructure;
    

  4.         TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; 
    

  5.   GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    

  6.   NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    

  7.   
    

  8.   HALL_TIM_APBxClock_FUN(ENCODER_TIM_CLK, ENABLE);
    


  9. 

  10.   /* GPIOA clock enable */
    

  11.   RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_GPIOA, ENABLE); //PA6 & PA7
    

  12.         RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE);        
    

  13.         /* phase A & B*/
    

  14.   GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =  GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7;
    

  15.   GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
    

  16.   GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    

  17.   GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
    

  18.   GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
    

  19.   GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    

  20.   GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource6, GPIO_AF_1);//TIM3_CH1
    

  21.         GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource7, GPIO_AF_1);//TIM3_CH2
    

  22.         
    

  23.         TIM_DeInit(TIM3);
    

  24.         TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period =0xffff;
    

  25.   TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =0;
    

  26.         TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision =TIM_CKD_DIV1;
    

  27.         TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode =TIM_CounterMode_Up;
    

  28.         TIM_TimeBaseInit(TIM3,&TIM_TimeBaseStructure);
    

  29.   
    

  30.   TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM3,TIM_EncoderMode_TI12,TIM_ICPolarity_BothEdge,TIM_ICPolarity_BothEdge); 
    

  31.   
    

  32.         TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStructure);
    

  33.   TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0;
    

  34.   TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStructure);
    

  35.   
    

  36.   // Clear all pending interrupts
    

  37.   TIM_ClearFlag(TIM3, TIM_FLAG_Update);
    

  38.   TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_Update, ENABLE);
    


  39. 

  40. //Reset counter
    

  41.   TIM_SetCounter(TIM3,0);
    

  42.   TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
    

  43.         
    

  44.           /* Enable the TIM1 global Interrupt */
    

  45.   NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn;
    

  46.   NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPriority = 0;
    

  47.   NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    

  48.   NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
    

  49. }
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：
复制
  1. void TIM6_DAC_IRQHandler()
    

  2. {
    

  3.         static uint16_t counter=0;
    

  4.         static uint16_t num_buffer=0;
    

  5.         static uint16_t temp_now=0;
    

  6.         static uint16_t temp_pre=0;
    

  7.         static uint16_t speed=0;
    

  8.         if ( TIM_GetITStatus( BASIC_TIM, TIM_IT_Update) != RESET ) 
    

  9.         {        
    

  10.                 counter++;
    

  11.                 temp_now=(TIM_GetCounter(TIM3)&0xffff);
    

  12.                 if(counter>499)
    

  13.                 {
    

  14.                         num_buffer=(temp_now-temp_pre)>0?temp_now-temp_pre:temp_pre-temp_now;
    

  15.                         speed=100*num_buffer*60/64;
    

  16.                         counter=0;
    

  17.                 }
    

  18.                 DisplayNumber(speed);
    

  19.                 if(counter%10==0)temp_pre=temp_now;        
    

  20.                 TIM_ClearITPendingBit(BASIC_TIM , TIM_FLAG_Update);                   
    

  21.         }        
    

  22. }
同时，为了防止TIM3中断溢出，记得清除中断标志位
复制
  1. void TIM3_IRQHandler ()
    

  2. {  
    

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

  4.         {
    

  5.                 TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update);
    

  6.         }
    

  7. }
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



结论

本文使用STM32F0 discovery开发板，完成了编码器计数和电机转速的计算，并通过数码管将电机转速实时显示出来。








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21小跑堂 打赏了 100.00 元 2021-03-09
理由：恭喜通过原创奖审核！请多多加油哦！

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刘东君 发表于 2021-3-19 16:53 | 显示全部楼层
厉害啊
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xyz549040622 发表于 2021-3-22 23:13 | 显示全部楼层
不错，确实讲的比较详细，支持一下。
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515192147 发表于 2021-3-29 15:49 | 显示全部楼层
本帖最后由 515192147 于 2021-3-29 15:52 编辑

应该 和 一个步进电机 联调起来，如步进电机 高速给1000个脉冲，收到是1000个脉冲，才能 判断 是否 程序正确？
我们有 GDF103C8T6开发的CAN总线步进电机控制器，带一个编码器，
10000Hz输出，编码器也没有问题



并可开放源码，详细见：
https://bbs.21ic.com/forum.php?mod=viewthread&tid=3003716&page=1&extra=#pid11352836

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