文章目录

• 1.正交编码器
• • 1.1 参数特性
  • 1.2 应用范围
• 2.正交编码器使用
• • 2.1 溢出问题
  • 2.2 中断模式
  • 2.3 循环模式
  • • 延伸

1.正交编码器

  正交编码器一般指的是增量式光栅（磁栅）编码器，通常有三路输出信号，A相、B相、Z相，俗称ABZ编码器。所谓正交，即是A相信号和B相信号相位相差90°，根据AB相位的前后，即可判断旋转机构正转还是反转。Z相信号，是旋转一圈后输出的信号，也称为零点信号。

1.1 参数特性

• 线数，旋转一圈的脉冲数，如1024线、2500线、10000线
• 工作电压，3.3V、5V
• 差分信号，工业应用，为了增加抗干扰能力，ABZ信号通常以差分信号输出
• 无Z相信号，一些编码器无Z相信号

1.2 应用范围

• 与电机结合应用，组成伺服电机，直流电机、交流电机、步进电机等
• 转速测量
• 多媒体音量调节
• 鼠标滚轮
• 游戏手柄

2.正交编码器使用

• 使用GPIO模拟，适合低速场合，如鼠标滚轮、多媒体音量调节
• 专用编码器接口，基本上主流的MCU、MPU都支持，适合高速场合使用

  一般情况下使用专门的编码器接口，即是支持正交计数的定时器，由CPU硬件上实现脉冲计数和方向判断，用户只需从定时器寄存器获取脉冲计数和方向，相比使用GPIO模拟效率和精度高。定时器接口还支持边缘采集，可以实现2倍频、4倍频信号；例如5000线编码器，通过4倍频后，单圈实现20000脉冲，最低识别精度为360/20000°。

2.1 溢出问题

  正交编码器接口定时器计数，与定时器位数密切关联；通常定时器有8位、6位、32位；目前主流ARM处理定时器以16位为主，高端处理器支持32位。对于8位计数器，溢出大小为2^8=255;16位计数器溢出大小为2 ^16=65535;32位计数器溢出大小为2 ^32=4294967294。

  以50000线编码为例，经过4倍频后，单圈为20000脉冲；如果是8位计数器，单圈则溢出78次；16位计数器，3圈后溢出。对于高速场景，是不允许的。

• 如果使能溢出中断，则中断频率过高，影响CPU其他任务
• 如果未使能中断，CPU运算能力需要在单圈溢出前获取计数值

  以主流16位定时器为例，分别实现以上两个方式溢出处理。

2.2 中断模式

  如果速度不高，或者中断频率容忍度在设计范围，不影响其他任务的正常执行，则可以开启溢出中断，增加一个圈数计算变量，实现起来是非常方便的。实现步骤如下：

• 初始正交编码器接口，复位计数值为0
• 重新溢出中断，正转时圈数值减1，反转时圈数加1
• 实际位置脉冲值=圈数编码器线数4+当前计数值（未满一圈）

伪代码

int64_t count = 0;/* init encoder timer  *//* reset encoder timer count *//* IRQ handler */
void irq_handler(void)
{if (direct == CCW){count--;}else{count++;}
}/* read real pos */
int64_t read_real_pos(void)
{int64_t pos= 0;temp = count*(2^16 + 1) + (int64_t)__HAL_TIM_GET_COUNTER(&timer);return pos;
}

  注意有符号数运算，初始值为0；正转时易于理解。对于反正：初始值计数为0，翻转值65530，产生溢出中断一次，实际值为-36636+65530=-6。

2.3 循环模式

  对于高速场景，高频中断占用大量CPU资源，导致其他任务未能及时执行，这是不允许的。定时器计数溢出后归零，在未开启溢出中断时，用户无法感知溢出多少次。因此，我们只需保证处理周期内最多允许一次溢出，处理周期依赖于实际软件复杂度、编码器线数、最大转速。先上伪代码。

#define MAX_COUNT (50000*4)
#define TURN_COUNT (MAX_COUNT/2)	int64_t pos_fun(void)
{static int64_t last_pos = 0;int64_t temp_pos = 0;int64_t real_pos = 0;int64_t current_pos = timer_read_pos();temp_pos = current_pos - last_pos;if (temp_pos >= MAX_COUNT){temp_pos -= TURN_COUNT;}else if (temp_pos < -MAX_COUNT){temp_pos += TURN_COUNT;}last_pos = current_pos;real_pos += temp_pos;return real_pos;
}

实现原理：

• MAX_COUNT 为单圈计数值
• TURN_COUNT 为一个计算临界值，通常取单圈数值的一半
• 处理时，当前计数值与上一次值比较，如果差值大于TURN_COUNT ，说明发生反转溢出，则减去单圈值；如果差值小于-TURN_COUNT ，说明发生正转溢出，则加上单圈值
• 处理周期，取决于软件设计和最大转速，确保这个周期内最多发生一次溢出

延伸

  实质上，该方式也适用于一些绝对式编码器场景；如单圈绝对式编码器，该类编码器以数字接口（SSI、CAN、BISS、并口）输出位置信息，最大支持记录一圈的绝对位置，超出单圈位置后归零。