2021年09月22日 | 【STM32平衡小车】STM32定时器配置为编码器模式

一、编码器原理

如果两个信号相位差为90度，则这两个信号称为正交。由于两个信号相差90度，因此可以根据两个信号哪个先哪个后来判断方向、根据每个信号脉冲数量的多少及整个编码轮的周长就可以算出当前行走的距离、如果再加上定时器的话还可以计算出速度。

二、为什么要用编码器

从上图可以看出，由于TI1，TI2一前一后有个90度的相位差，所以当出现这个相位差时就表示轮子旋转了一个角度。但有人会问了：既然都是脉冲，为什么不用普通IO中断？实际上如果是轮子一直正常旋转当然没有问题。仔细观察上图，如果出现了毛刺呢？这就是需要我们在软件中编写算法进行改正。于是，我们就会想到如果有个硬件能够处理这种情况那不是挺好吗？

对应的硬件的编码器就来了~

我们看到STM32的硬件编码器还是很智能的，当TI1,TI2脉冲是连续产生的时候计数器加一次或减一次，而当某个接口产生了毛刺或抖动，则计数器计数不变，也就是说该接口能够容许抖动。

在STM32中，编码器使用的是定时器接口，查阅STM32F103数据手册可知，定时器1，2，3，4，5和8有编码器的功能，而其他定时器没有。注意，在这几个定时器中也只有CH1和CH2可以设置为编码器模式~

三、STM32编码器配置相关

输入信号TI1，TI2后经过输入滤波，边沿检测产生TI1FP1、TI2FP2，然后接到编码器模块。通过配置编码器的工作模式，就可以对编码器进行正向/反向计数。

比如如果用的是定时器2，则对应的引脚是在PA0和PA1上。

通常为了提高精度我们会选择在上升沿和下降沿都进行计数！

还有一个非常重要的图这里也记录下

其中让人费解的应该是在第二列的相对信号的电平，这里就来详细谈一下吧。

其实也不难理解哈，我们上面也说了通常为了提高精度会在A、B两相的上升沿和下降沿都进行计数，那么对应在一个周期就可以计数四次，计数次数的增加也就意味着精度的提高！

编码器模式下，如果此时处于正转，那么这四次计数应该都是加的。同理，如果是反转，那么这四次计数都是减的。那么问题来了，如何判断正反转呢？

不就是在相对电平的基础上嘛！！！

仔细对照图中，在正转或者反转的情况下，A相对B的电平高低以及上表中列出的计数方向便可了然于心！！！

选择编码器接口模式的方法是：

如果计数器只在TI2的边沿计数，则置TIMx_SMCR寄存器中的 SMS=001；

如果只在TI1边沿计数，则置SMS=010；

如果计数器同时在TI1和TI2边沿计数，则置SMS=011。

通过设置TIMx_CCER寄存器中的CC1P和CC2P位，可以选择TI1和TI2极性；如果需要，还可以 对输入滤波器进行编程。

两个输入TI1和TI2被用来作为增量编码器的接口。假定计数器已经启动(TIMx_CR1 寄存器中的CEN=’1’)，计数器由每次在TI1FP1或TI2FP2上的有效跳变驱动。

配置范例:

CC1S=’01’ (TIMx_CCMR1寄存器， IC1FP1映射到TI1)

CC2S=’01’ (TIMx_CCMR2寄存器， IC2FP2映射到TI2)

CC1P=’0’ (TIMx_CCER寄存器， IC1FP1不反相， IC1FP1=TI1)

CC2P=’0’ (TIMx_CCER寄存器， IC2FP2不反相， IC2FP2=TI2)

SMS=’011’ (TIMx_SMCR寄存器，所有的输入均在上升沿和下降沿有效).

CEN=’1’ (TIMx_CR1寄存器，计数器使能)

四、STM32实战代码

对了，必须要再说明的是编码器模式下只能对应一个定时器的CH1/CH2通道，也就是刚好接A、B相！ Perfect!!!

/*TIM2初始化为编码器接口*/

void Encoder_Init_TIM2(void)

{

TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;  

TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;  

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);//使能定时器4的时钟

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);//使能PA端口时钟

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1; //端口配置

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; //浮空输入

GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);       //根据设定参数初始化GPIOA

TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure);

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0x0; // 预分频器 

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = ENCODER_TIM_PERIOD; //设定计数器自动重装值

TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;//选择时钟分频：不分频

TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;TIM向上计数  

TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);

TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM2, TIM_EncoderMode_TI12, TIM_ICPolarity_Rising, TIM_ICPolarity_Rising);//使用编码器模式3

TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStructure);

TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 10;

TIM_ICInit(TIM2, &TIM_ICInitStructure);

TIM_ClearFlag(TIM2, TIM_FLAG_Update);//清除TIM的更新标志位

TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);

//Reset counter

TIM_SetCounter(TIM2,0);

TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); 

}

/*TIM4初始化为编码器接口*/

void Encoder_Init_TIM4(void)

{

TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;  

TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;  

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);//使能定时器4的时钟

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);//使能PB端口时钟

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7; //端口配置

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; //浮空输入

GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);       //根据设定参数初始化GPIOB

TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure);

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0x0; // 预分频器 

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = ENCODER_TIM_PERIOD; //设定计数器自动重装值

TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;//选择时钟分频：不分频

TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;TIM向上计数  

TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure);

TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM4, TIM_EncoderMode_TI12, TIM_ICPolarity_Rising, TIM_ICPolarity_Rising);//使用编码器模式3

TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStructure);

TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 10;

TIM_ICInit(TIM4, &TIM_ICInitStructure);

TIM_ClearFlag(TIM4, TIM_FLAG_Update);//清除TIM的更新标志位

TIM_ITConfig(TIM4, TIM_IT_Update, ENABLE);

//Reset counter

TIM_SetCounter(TIM4,0);

TIM_Cmd(TIM4, ENABLE); 

}

/*单位时间编码器计数 输入定时器 输出速度值*/

int Read_Encoder(u8 TIMX)

{

int Encoder_TIM;    

switch(TIMX)

{

case 2:  Encoder_TIM= (short)TIM2 -> CNT;  TIM2 -> CNT=0;break;

case 3:  Encoder_TIM= (short)TIM3 -> CNT;  TIM3 -> CNT=0;break;

case 4:  Encoder_TIM= (short)TIM4 -> CNT;  TIM4 -> CNT=0;break;

default:  Encoder_TIM=0;

}

return Encoder_TIM;

}

void TIM4_IRQHandler(void)

{           

if(TIM4->SR&0X0001)//溢出中断

{                 

}    

TIM4->SR&=~(1<<0);//清除中断标志位     

}

void TIM2_IRQHandler(void)

{           

if(TIM2->SR&0X0001)//溢出中断

{                 

}    

TIM2->SR&=~(1<<0);//清除中断标志位     

}

五、经验之谈

1、编码器有个转速上限，超过这个上限是不能正常工作的，这个是硬件的限制，原则上线数越多转速就越低，这点在选型时要注意，编码器的输出一般是开漏的，所以单片机的io一定要上拉输入状态。【平衡小车之家的编码电机已经有硬件上拉】

2、定时器初始化好以后，任何时候CNT寄存器的值就是编码器的位置信息，正转他会加，反转他会减。这部分是不需要软件干预的，初始化时给的TIM_Period 值是码盘整圈的刻度值，在减溢出会自动修正为这个数，加超过此数值就回0.。

3、如果要扩展成多圈计数需要溢出中断，程序上圈计数加减方向位就行了.。

4、每个定时器的输入脚可以通过软件设定滤波 。

5、应用中如果没有绝对位置信号，或者初始化完成后还没有收到绝对位置信号前的计数只能是相对计数，收到绝对位置信号后重新修改一次CNT的值就行了。码盘一般都有零位置信号，结合到定时器捕获输入就行，上电以后要往返运动一下找到这个位置。

6、即便是滤波计数，值偶尔也会有出错误的情况，一圈多计一个或少计一个数都是很正常的。特别是转速比较高的时候，尤其明显，有个绝对位置信号做修正是很有必要的。绝对位置信号不需要一定在零位置点，收到这个信号就将CNT修正为一个固定的数值即可.。

7、开启定时器的输入中断可以达到每个步计数都作处理的效果，但是高速运转的时候可能会处理不过来。

参考

[1] https://blog.csdn.net/Zach_z/article/details/75095061

[2] https://blog.csdn.net/qq_17280755/article/details/73770598

[3] https://blog.csdn.net/muyidian/article/details/79000721