手把手教你怎么用STM32讓相對編碼器說話

時間：2021-03-15 15:58:45

關鍵字： STM32 相對編碼器編碼器

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[導讀]若要對伺服系統(tǒng)中的電機進行高精度控制，需要準確的轉子角度位置，這時候自然會想到，如果能張江轉子每一圈進行細分，這樣每次轉多少角度便能精確知道。

▍編碼器的由來和原理
若要對伺服系統(tǒng)中的電機進行高精度控制，需要準確的轉子角度位置，這時候自然會想到，如果能張江轉子每一圈進行細分，這樣每次轉多少角度便能精確知道。在這樣的背景下，相對編碼器就誕生了。
在網上找到下文這個圖，很形象的表征了相對編碼器的原理。

如圖所示，在碼盤上平均開出很多個等間距的槽，一段是LED燈發(fā)出信號，另一端是接收器接收信號。如果信號能穿過碼盤，則接收信號為高電平，反之則為低電平。這樣當轉子轉起來以后，就不斷的處高低電平。這就是編碼器基本原理。
可以看到這里有三個信號，A/B/Z，這時候就要想為什么要3個信號呢？如果僅僅對一圈做細分，命名一個信號就可以了。這就涉及到下面兩個問題。
（1）如果是1個信號channel A，電機是正轉還是反轉就不知道了。需要一個相對的參考信號channel B，A和B相互呈一個角度，這樣通過A和B的相對位置就能知道電機是順時鐘轉還是逆時針轉了。
（2）如果是2個信號，其中一旦有碼盤有損壞，就可能出現檢測結果無法校驗的情況。舉個例子，如果一圈開了16個槽，則每旋轉一圈，正常情況下就有16個高低電平的信號出來。但如果一個槽壞了，實際上每轉一圈只有15個信號出來，但這時如果僅僅通過channel A和channel B是無法判斷的。在進行數據處理時還是認為16個信號為一圈，處理結果就有較大的偏差。為了避免這樣的問題，補充z信號，一圈只出一個，這樣就能相互交驗了。一方面通過對A或者B計數，知道z是否有問題，反之對z信號計數就能知道A/B是否有問題。
所以就有了上圖的z/A/B三個信號，共同組成了一個功能齊全的編碼器。
在網上經?？吹秸fA/B之間相互差90°，這個90°是認為360°為一個周期而言的。如下圖所示。通過看A/B相對位置就知道電機是正轉還是反轉了。

實測波形，如下圖所示（示波器不太好，有點毛刺）

正轉

反轉
▍使用STM32，讓編碼器說話
背景
STM32中提供了編碼器接口，比較適用于相對編碼器的應用場景。在手冊中可以看到：

可以看到這里使用專用的模塊就能完成相應的計數，通過數據的變化就能測出電機的轉速。
所以，我想讓編碼器說話。在家翻箱倒柜以后，我準備了如下幾個東西：
（1） 帶編碼器的直流電機：這是作為編碼器的載體使用，電機編碼器的分辨率較低，每圈只有16個脈沖。但不影響測試。
（2） 直流電源：用來直觀的調電機的轉速和正反轉。
為了避免打廣告的嫌疑，就不貼電源和電機圖片了。
（3） STM32開發(fā)板：在家翻箱倒柜，找出2015年在21ic獲得的STM32072 discovery板

（4） LED數碼管。用來通過編碼器的數據處理，顯示電機的轉速。
試驗第一步，讓LED數碼管顯示起來。
因為顯示數據是最終目的。使用的這個板子，是集成了HC595鎖存器的板子。相比于網上買的大部分51開發(fā)板數碼管電機設計，使用兩個HC595，可以大大減少pin腳的數量。網上使用的4位數碼管，需要8個pin作為段選或者位選，非常麻煩。
根據HC595的手冊，具有鎖存加移位的特性（圖中我標注所示）

最上面的3個SH-CP/DS/ST-CP，像極了SPI通信波形，只要合理配置，只需要3個信號線即可完成4數碼管的輪流顯示。
于是在開發(fā)板的pin做了如下硬件配置

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

SPI配置代碼如下（配置了SPI幾個pin腳的定義，時鐘，SPI模式等）：

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作為定時器，配置代碼如下（1ms定時周期）：

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); }

實際上每次只會有一個數碼管亮，為了較好的視覺體驗，將數碼管進行千位百位十位個位循環(huán)顯示，這樣做的好處是4個數碼管輪流顯示，其亮度相同，避免出現一個數碼管過亮的情形，影響視覺體驗。數碼管代碼如下：

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。在定時器中累計

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);  } }
顯示的效果如下：

所以，初試成功。
試驗第二步，讓編碼器說話。
首先，在STM32中配置編碼器。
使用PA6和PA7作為定時器3的通道1和通道2，進行下圖模式的計數。

即效果如下：

代碼如下

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);}
然后在中斷服務函數中，將編碼器的相對值計算出來，并根據編碼器計數的相對變化，計算出電機的轉速。具體代碼如下：

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);  } } 同時，為了防止TIM3中斷溢出，記得清除中斷標志位

void TIM3_IRQHandler (){  if(TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET) { TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update); }}
 實際效果如下圖所示（東西太多，手機不好拍動圖，只能靜物顯示），可知，當電機電壓9.32V時，轉速為843rpm。當電壓為18.7V時，轉速為1687rpm。編碼器的波形也用示波器顯示出來了。還不錯哈，哈哈哈。