本文大纲
- 编码器的定义、作用与分类
- 编码器的工作原理
- 代码实现直流电机编码器计数
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编码器的定义、作用与分类
在实际操作中，为了保证电机驱动轮转动的速度和方向符合预期，我们需要对电机的转动速度与方向进行精确控制。
而编码器的作用是，电机每转过一个角度，编码器获得一个脉冲信号，从而获得电机的实际转动参数（速度与方向）。
编码器主要分为如下几类，可以先看一下留个印象，对编码器分类和原理的理解对后续的实践影响不大。
我们在本篇blog及相关视频中采用增量式霍尔磁编码器进行演示。
- 增量式：将位移转化为周期性电信号，继而转化成技术脉冲，用脉冲个数表示位移大小。
- 霍尔磁：通过磁电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量。
霍尔编码器由霍尔码盘和霍尔元件组成。霍尔码盘是在一定直径的圆板上等分的不同的磁极，与电动机同轴。电动机旋转时，霍尔元件通过切割磁感线产生电流，输出若干脉冲信号，为判断电机转动方向，一般输出两组存在一定相位差的方波信号。
编译器的工作原理
我们可以简单地把编译器工作的流程表示为如下四个部分：
- 编码器生成脉冲信号
- 单片机捕获脉冲信号
- 公式计算速度
- 输出速度
同时补充一些后续实践可能用到的参数概念：
- 分辨率：指编码器能够分辨的最小单位。对于增量式编码器，其分辨率表示为编码器转轴旋转一圈所产生的脉冲数，即脉冲数/转(Pulse Per Revolution或 PPR)。
- 精度精度：是指编码器每个读数与转轴实际位置间的最大误差，通常用角度、角分或角秒来表示。
- 最大响应频率：编码器每秒输出的脉冲数，单位是Hz。计算公式为:最大响应频率=分辨率*轴转速/60。
- 信号输出形式：对于增量式编码器,每个通道的信号独立输出,输出电路形式通常有集电极开路输出、推挽输出、差分输出等。
下面是编码器信号采集方式：
| 单片机 |
采集方式 |
例子 |
| 自带编码器接口 |
输入捕获法（直接使用硬件计数） |
STM32 |
| 没有编码器接口 |
外部中断法（通过外部中断读取在跳变沿触发中断） |
Arduino |
测速方法
本篇教程中我们采用M法测量转速。前文我们提到，电机每转过一个角度，编码器获得一个脉冲信号，因此，单位时间内脉冲的个数可以用来表示这段时间内的平均速度，我们可以通过计量这个数值来估算平均速度，这就是M法测速，原理如图所示。
我们可以给出如下公式：
n——平均转速（r/min）；
T——测速采样时间（s）；
m——T时间内测得的编码器脉冲个数；
N——编码器每转脉冲数。
代码实现直流电机编码器计数
我们现在需要解决的问题是，如何用代码实现定时接收编码器的脉冲并得到对应的参数，即T时间内测得的的编码器脉冲个数m。在单片机相关代码的编写中，我们一般通过外部中断或输入捕获实现，这里我先给出外部中断的具体方法，以后有时间会讲解后者。
外部中断，是单片机实时地处理外部事件的一种内部机制。当外部事件发生时，单片机的中断系统将迫使CPU暂停正在执行的程序，转而去进行中断事件的处理，中断完毕后返回被中断的程序处，继续执行下去。
这里引用江协科技STM32单片机EXTI外部中断教学视频的一例比较形象的比喻。医院看病一般是要排队的，先挂号的先看病，后挂号的后看病，这就对应了单片机在不中断情况下按顺序运行程序。但是如果有情况紧急的病人出现，医院就会暂停当前的问诊，优先去治疗他。EXTI外部中断就是这种“情况紧急”，它会迫使CPU终止当前程序（一般是main（）），处理完中断事件后才能回到当时中断的位置继续执行。
一般格式如下
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| int mian(void)
{
while(1){
}
}
void EXTI0_IRQHandler(void)
{
}
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在掌握了EXTI相关原理之后，我们可以开始编写函数来配置外部中断。
外部中断配置函数
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int Encoder_L_EXTI=0;
int Encoder_R_EXTI=0;
void Encoder_EXTIX_Init(void)
{
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPD;
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12 | GPIO_Pin_13 |GPIO_Pin_14 | GPIO_Pin_15;
GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStruct);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);
GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOB,GPIO_PinSource12);
GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOB,GPIO_PinSource13);
GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOB,GPIO_PinSource14);
GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOB,GPIO_PinSource15);
EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStruct;
EXTI_InitStruct.EXTI_Line = EXTI_Line12 | EXTI_Line13 | EXTI_Line14 | EXTI_Line15;
EXTI_InitStruct.EXTI_LineCmd = ENABLE;
EXTI_InitStruct.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
EXTI_InitStruct.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising_Falling;
EXTI_Init(&EXTI_InitStruct);
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = EXTI15_10_IRQn;
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);
}
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配置环境是单片机使用过程中比较复杂且常见的步骤，这里我们不妨先将这冗长的函数封装起来，不求甚解地进入下一步骤。
外部中断服务函数
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| void EXTI15_10_IRQHandler(void)
{
if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line12) != RESET)
{
EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line12);
if(PBin(12)==0)
{
if(PBin(13)==0) Encoder_L_EXTI++;
else Encoder_L_EXTI--;
}
else
{
if(PBin(13)==1) Encoder_L_EXTI++;
else Encoder_L_EXTI--;
}
}
if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line13) != RESET)
{
EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line13);
if(PBin(13)==0)
{
if(PBin(12)==1) Encoder_L_EXTI++;
else Encoder_L_EXTI--;
}
else
{
if(PBin(12)==0) Encoder_L_EXTI++;
else Encoder_L_EXTI--;
}
}
if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line14) != RESET)
{
EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line14);
if(PBin(14)==0)
{
if(PBin(15)==0) Encoder_R_EXTI++;
else Encoder_R_EXTI--;
}
else
{
if(PBin(15)==1) Encoder_R_EXTI++;
else Encoder_R_EXTI--;
}
}
if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line15) != RESET)
{
EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line15);
if(PBin(15)==0)
{
if(PBin(14)==1) Encoder_R_EXTI++;
else Encoder_R_EXTI--;
}
else
{
if(PBin(14)==0) Encoder_R_EXTI++;
else Encoder_R_EXTI--;
}
}
}
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随后我们编写脉冲获取函数。
脉冲获取函数
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int Read_Encoder(u8 TIMX)
{
int Encoder_TIM;
switch(TIMX)
{
case 1:Encoder_TIM=Encoder_L_EXTI; Encoder_L_EXTI=0; break;
case 2:Encoder_TIM=Encoder_R_EXTI; Encoder_R_EXTI=0; break;
case 3:Encoder_TIM=TIM3 -> CNT; TIM3 -> CNT=0;break;
case 4:Encoder_TIM=TIM4 -> CNT; TIM4 -> CNT=0;break;
default:Encoder_TIM=0;break;
}
return Encoder_TIM;
}
extern int Current_LN,Current_RN;
void Get_SpeedNow(int* CurrentVelcity_L,int* CurrentVelcity_R)
{
Current_LN = Read_Encoder(1);
Current_RN = Read_Encoder(2);
*CurrentVelcity_L = Current_LN * MPN * 100;
*CurrentVelcity_R = Current_RN * MPN * 100;
printf("The Current Left Wheel Velocity is: %d mm/s.\r\n",*CurrentVelcity_L);
printf("The Current Right Wheel Velocity is: %d mm/s.\r\n",*CurrentVelcity_R);
}
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