上篇介紹了定時器捕獲輸入脈沖的原理，那種方式是根據(jù)捕獲的原理，手動切換上升沿與下降沿捕獲，計算脈沖寬度的過程原理比較清晰，但編程操作起來比較麻煩。

對于電機測速用到的正交編碼器，測速時需要捕獲2路脈沖，如果使用上一篇介紹的方法，編程就較為復雜。還好單片機的通用定時器具有專門的正交編碼器接口，只需配置相應(yīng)的寄存器，就可實現(xiàn)編碼器輸入的上下沿自動捕獲與計數(shù)，非常便于編碼器的測速。

下面就來介紹下定時器的編碼器模式的使用：

1 正反轉(zhuǎn)計數(shù)原理示例

編碼器模式下，計數(shù)器的計數(shù)方向代表的電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，計數(shù)的大小代表了轉(zhuǎn)速的大小。

如下圖，電機正轉(zhuǎn)時，編碼器的通道A（TI1）的信號超前通道B，計數(shù)器向上計數(shù)，反轉(zhuǎn)時，通道A的信號滯后，向下計數(shù)。

設(shè)置信號的極性反相，可以使向下計數(shù)代表電機正轉(zhuǎn)。

2 定時器編碼器模式配置

以STM32 芯片為例，其內(nèi)部有專門用來采集增量式編碼器方波信號的接口，這些接口實際上是STM32 定時器的其中一種功能。不過編碼器接口功能只有高級定時器TIM1、TIM8 和通用定時器的TIM2~TIM5 才有。

正交編碼器有兩路正交的輸入信號（關(guān)于正交編碼的介紹，可查看之前的文章：編碼器計數(shù)原理與電機測速原理——多圖解析），根據(jù)實際需要，可以設(shè)置只捕獲某個通道的上升沿或下降沿，也可以設(shè)置同時捕獲兩個通道的上升沿與下降沿，這樣就可以提高編碼器的計數(shù)精度，實現(xiàn)倍頻。

編碼器模式的配置實際上是通過配置SMCR寄存器和CCER寄存器來實現(xiàn)。

2.1 SMCR寄存器配置觸發(fā)模式

SMCR即從模式控制寄存器(slave mode control register)，查閱STM32F4的參考手冊，可以找到類似如下信息，現(xiàn)在我們只需關(guān)注SMS這幾位：

• 位 15 ETP：外部觸發(fā)極性 (External trigger polarity)

• 位 14 ECE：外部時鐘使能 (External clock enable)

• 位 13:12 ETPS：外部觸發(fā)預分頻器 (External trigger prescaler)

• 位 11:8 ETF[3:0]：外部觸發(fā)濾波器 (External trigger filter)

• 位 7 MSM：主/從模式 (Master/Slave mode)

• 位 6:4 TS：觸發(fā)選擇 (Trigger selection)

• 位 3 保留，必須保持復位值

• 位 2:0 SMS：從模式選擇 (Slave mode selection)

  • 000：禁止從模式––如果 CEN =“1”，預分頻器時鐘直接由內(nèi)部時鐘提供。

  • 001：編碼器模式 1––計數(shù)器根據(jù) TI1FP1 電平在 TI2FP2 邊沿 遞增/遞減計數(shù)。

  • 010：編碼器模式 2––計數(shù)器根據(jù) TI2FP2 電平在 TI1FP1 邊沿 遞增/遞減計數(shù)。

  • 011：編碼器模式 3––計數(shù)器在 TI1FP1 和 TI2FP2 的邊沿計數(shù)，計數(shù)的方向取決于另外一個信號的電平。

  • 100：復位模式––在出現(xiàn)所選觸發(fā)輸入 (TRGI) 上升沿時，重新初始化計數(shù)器并生成一個寄存器更新事件。

  • 101：門控模式––觸發(fā)輸入 (TRGI) 為高電平時使能計數(shù)器時鐘。只要觸發(fā)輸入變?yōu)榈碗娖?，計?shù)器立即停止計數(shù)（但不復位）。計數(shù)器的啟動和停止都是受控的。

  • 110：觸發(fā)模式––觸發(fā)信號 TRGI 出現(xiàn)上升沿時啟動計數(shù)器（但不復位）。只控制計數(shù)器的啟動。

  • 111：外部時鐘模式 1––由所選觸發(fā)信號 (TRGI) 的上升沿提供計數(shù)器時鐘。

上面的SMCR寄存器介紹中，關(guān)于TI1、TI2等的函數(shù)：

TI1 和 TI2對應(yīng)編碼器的A、B兩相輸入信號。

TI1FP1 和 TI2FP2 是進行輸入濾波器和極性選擇后 TI1 和 TI2 的信號，如果不進行濾波和反相，則 TI1FP1=TI1，TI2FP2=TI2。

從上面的SMCR寄存器的功能介紹可知，選擇編碼器接口模式時：

如果計數(shù)器僅在 TI2 邊沿處計數(shù)，在 TIMx_SMCR 寄存器中寫入 SMS=001

如果計數(shù)器僅在 TI1 邊沿處計數(shù)，寫入 SMS=010

如果計數(shù)器在 TI1 和 TI2 邊沿處均計數(shù)，則寫入 SMS=011

定時器的編碼器模式根據(jù)兩個輸入的信號轉(zhuǎn)換序列，產(chǎn)生計數(shù)脈沖和方向信號。根據(jù)該信號轉(zhuǎn)換序列，計數(shù)器相應(yīng)遞增或遞減計數(shù)，同時硬件對 TIMx_CR1 寄存器的DIR位進行相應(yīng)修改。任何輸入（TI1 或 TI2）發(fā)生信號轉(zhuǎn)換時，都會計算 DIR 位。

2.2 CCER寄存器配置極性

通過編程 TIMx_CCER 寄存器的 CC1P 和 CC2P 位，可以選擇 TI1 和 TI2 極性。實際上就是設(shè)置TIxFP1 是否與TIx反相，來設(shè)置正轉(zhuǎn)時是向下計數(shù)還是向下計數(shù)。

• 位 15、11、7、3 CCxNP：捕獲 /比較x 輸出極性 (Capture/Comparex output Polarity)

• 位 14、10、6、2 保留，必須保持復位值

• 位 13、9、5、1 CCxP：捕獲 /比較x 輸出極性 (Capture/Comparex output Polarity)。

  • 00：非反相/上升沿觸發(fā)電路對 TIxFP1 上升沿敏感（在復位模式、外部時鐘模式或觸發(fā)模式下執(zhí)行捕獲或觸發(fā)操作）， TIxFP1 未反相 （在門控模式或編碼器模式下執(zhí)行觸發(fā)操作）。

  • 01：反相/下降沿觸發(fā) 電路對 TIxFP1 下降沿敏感 （在復位模式、外部時鐘模式或觸發(fā)模式下執(zhí)行捕獲或觸發(fā)操作）， TIxFP1 反相 （在門控模式或編碼器模式下執(zhí)行觸發(fā)操作）。

  • 10：保留，不使用此配置。

  • 11：非反相/上升沿和下降沿均觸發(fā) 電路對 TIxFP1 上升沿和下降沿都敏感（在復位模式、外部時鐘模式或觸發(fā)模式下執(zhí)行捕獲或觸發(fā)操作），TIxFP1 未反相（在門控模式下執(zhí)行觸發(fā)操作）。編碼器模式下不得使用此配置!!!。

  • 0：OCx 高電平有效

  • 1：OCx低電平有效

  • CCx 通道配置為輸出：

  • CCx 通道配置為輸入：

    CCxNP/CCxP 位可針對觸發(fā)或捕獲操作選擇 TI1FP1 和 TI2FP1 的極性。

• 位 12、8、4、0 CCxE：捕獲 /比較 x 輸出使能 (Capture/Comparex output enable)

注：在編碼器模式下，極性的作用是設(shè)置TIxFP1 是否反相，不要被”上升沿敏感“誤導為是只捕獲上升沿信號！

”上升沿敏感“是在非編碼器模式下的功能。所以，編碼模式下，只能配置為00或01。

另一方面來看，編碼器模式下，只能通過SMCR的模式設(shè)置倍頻，要么是2倍頻，要么是4倍頻，貌似不能設(shè)置1倍頻(只對1個通道的上升沿或下降沿計數(shù))。

2.3 CCMR寄存器配濾波參數(shù)

如果需要，通過配置CCMR寄存器的IC1F與IC2F，還可以對編碼器輸入信號進行濾波配置：

這些寄存器的說明在上篇文章已有介紹，這里不再展開。

3 計數(shù)方向?qū)φ毡斫庾x

編碼器模式下，計數(shù)器的計數(shù)方向（遞增計數(shù)還是遞減計數(shù)）會根據(jù)增量編碼器的速度和方向自動進行修改，因此，其計數(shù)值始終表示編碼器的位置。計數(shù)方向?qū)?yīng)于所連傳感器的旋轉(zhuǎn)方向。下表匯總了可能的組合（假設(shè) TI1 和 TI2 不同時切換）。

注：STM32 的編碼器接口在計數(shù)的時候，并不是單純采集某一通道信號的上升沿或下降沿，而是需要綜合另一個通道信號的電平。（通俗的講就是，使用編碼器接口時，編碼器的兩個輸入通道A與通道B都需要進行電路連接?。?！，雖然你設(shè)置了僅在某一個通道上計數(shù)，但這個通道的計數(shù)時機需要參考另一路通道的信號）表中“相反信號的電平”指的就是在計數(shù)的時候所參考的另一個通道信號的電平，這些電平?jīng)Q定了計數(shù)器的計數(shù)方向。

3.1 僅在TI1處計數(shù)

這里的僅在TI1處計數(shù)，就是僅統(tǒng)計編碼器的通道A的信號跳變，先以電機正轉(zhuǎn)為例：

注：以下的介紹中，“通道A“代表TI1，“通道B“代表TI2。

3.1.1 電機正轉(zhuǎn)（向上計數(shù)）

假定電機正轉(zhuǎn)時，編碼的通道A的信號比通道B提前1/4個周期（也即相位提前90度），在通道A的上升沿與下降沿均計數(shù)（如下圖TI1波形中的綠色和紅色箭頭），因為計數(shù)的方向代表的電機轉(zhuǎn)動的方向，所以，在正轉(zhuǎn)的情況下：

• 通道A上升沿，通道B為低電平，向上計數(shù)，代表電機正轉(zhuǎn)

• 通道A下降沿，通道B為高電平，向上計數(shù)，代表電機正轉(zhuǎn)

3.1.2 電機反轉(zhuǎn)（向下計數(shù)）

反轉(zhuǎn)的情況，編碼的通道A的信號比通道B滯后1/4個周期：

• 通道A下降沿，通道B為低電平，向上計數(shù)，代表電機反轉(zhuǎn)

• 通道A上升沿，通道B為高電平，向上計數(shù)，代表電機反轉(zhuǎn)

3.2 僅在TI2處計數(shù)

僅在TI2處計數(shù)，就是僅統(tǒng)計編碼器的通道B的信號跳變，同樣可以分為正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩種情況，具體的對應(yīng)關(guān)系參考上面的”僅在TI1處計數(shù)“自行分析，實際上通道A與通道B從自身來說功能是等價的。

3.3 在TI1與TI2處均計數(shù)

在TI1與TI2處均計數(shù)，就是講編碼器的通道A與通道B的信號均統(tǒng)計并進行計數(shù)，這樣可以提高計數(shù)頻率，實現(xiàn)倍頻。

這里還以電機正轉(zhuǎn)為例*：

觀察下圖，編碼器在開始階段可依次捕獲到：通道A上升沿、通道B上升沿、通道A下降沿、通道B下降沿，所以有：

• 通道A上升沿，通道B為低電平，向上計數(shù)，代表電機正轉(zhuǎn)

• 通道B上升沿，通道A為高電平，向上計數(shù)，代表電機正轉(zhuǎn)

• 通道A下降沿，通道B為高電平，向上計數(shù)，代表電機正轉(zhuǎn)

• 通道B下降沿，通道A為高電平，向上計數(shù)，代表電機正轉(zhuǎn)

4 編程實現(xiàn)

4.1 定時器編碼器模式配置

這里使用的通用定時器中的 TIM4，配置定時器最基礎(chǔ)的功能就是要配置時基，使用輸入功能還要配置定時器的GPIO和輸入通道。

#define ENCODER_TIM_PSC 0     /*計數(shù)器分頻*/
#define ENCODER_TIM_PERIOD 65535  /*計數(shù)器最大值*/
#define CNT_INIT 0         /*計數(shù)器初值*/

void TIM4_ENCODER_Init(void)           
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;      /*GPIO*/
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStruct; /*時基*/
TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStruct;     /*輸入通道*/
 
 /*GPIO初始化*/  
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE); /*使能GPIO時鐘 AHB1*/          
GPIO_StructInit(&GPIO_InitStruct);    
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;    /*復用功能*/
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz; /*速度100MHz*/
GPIO_InitStruct.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; 
GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;    
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource6,GPIO_AF_TIM4);
GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource7,GPIO_AF_TIM4);

/*時基初始化*/
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);  /*使能定時器時鐘 APB1*/
TIM_DeInit(TIM4); 
TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStruct);  
TIM_TimeBaseStruct.TIM_Prescaler = ENCODER_TIM_PSC;    /*預分頻 */    
TIM_TimeBaseStruct.TIM_Period = ENCODER_TIM_PERIOD;    /*周期(重裝載值)*/
TIM_TimeBaseStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;   
TIM_TimeBaseStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; /*連續(xù)向上計數(shù)模式*/ 
TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStruct);

/*編碼器模式配置：同時捕獲通道1與通道2(即4倍頻)，極性均為Rising*/
TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM4, TIM_EncoderMode_TI12,TIM_ICPolarity_Rising, TIM_ICPolarity_Rising);
TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStruct);    
TIM_ICInitStruct.TIM_ICFilter = 0;  /*輸入通道的濾波參數(shù)*/
TIM_ICInit(TIM4, &TIM_ICInitStruct); /*輸入通道初始化*/
TIM_SetCounter(TIM4, CNT_INIT);   /*CNT設(shè)初值*/
TIM_ClearFlag(TIM4,TIM_IT_Update);  /*中斷標志清0*/
TIM_ITConfig(TIM4, TIM_IT_Update, ENABLE); /*中斷使能*/
TIM_Cmd(TIM4,ENABLE);        /*使能CR寄存器*/
}

這里將定時器的計數(shù)溢出值設(shè)為65535，即TIM4的計數(shù)最大值（TIM4為16位計數(shù)器）。目的是避免計數(shù)器溢出，簡化后續(xù)的速度計算方式（計數(shù)器器若溢出，在計算轉(zhuǎn)速時，還要將溢出的次數(shù)考慮進去）。

編碼器模式設(shè)置為TIM_EncoderMode_TI12，即兩路信號均計數(shù)，實現(xiàn)4倍頻。

編碼器兩個輸入的極性均設(shè)置為TIM_ICPolarity_Rising，即極性不反相。

這里編碼器模式的設(shè)置，調(diào)用了TIM_EncoderInterfaceConfig()函數(shù)，其內(nèi)部即是對相關(guān)的寄存器進行配置：

void TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_EncoderMode, uint16_t TIM_IC1Polarity, uint16_t TIM_IC2Polarity)
{
uint16_t tmpsmcr = 0;
uint16_t tmpccmr1 = 0;
uint16_t tmpccer = 0;
 
/* Check the parameters */
assert_param(IS_TIM_LIST2_PERIPH(TIMx));
assert_param(IS_TIM_ENCODER_MODE(TIM_EncoderMode));
assert_param(IS_TIM_IC_POLARITY(TIM_IC1Polarity));
assert_param(IS_TIM_IC_POLARITY(TIM_IC2Polarity));

tmpsmcr = TIMx->SMCR;/* Get the TIMx SMCR register value */
tmpccmr1 = TIMx->CCMR1; /* Get the TIMx CCMR1 register value */
tmpccer = TIMx->CCER;/* Get the TIMx CCER register value */
tmpsmcr &= (uint16_t)~TIM_SMCR_SMS;/* Set the encoder Mode */
tmpsmcr |= TIM_EncoderMode;

/* Select the Capture Compare 1 and the Capture Compare 2 as input */
tmpccmr1 &= ((uint16_t)~TIM_CCMR1_CC1S) & ((uint16_t)~TIM_CCMR1_CC2S);
tmpccmr1 |= TIM_CCMR1_CC1S_0 | TIM_CCMR1_CC2S_0;

/* Set the TI1 and the TI2 Polarities */
tmpccer &= ((uint16_t)~TIM_CCER_CC1P) & ((uint16_t)~TIM_CCER_CC2P);
tmpccer |= (uint16_t)(TIM_IC1Polarity | (uint16_t)(TIM_IC2Polarity << (uint16_t)4));

TIMx->SMCR = tmpsmcr; /* 配置數(shù)據(jù)寫入 SMCR 寄存器 */
TIMx->CCMR1 = tmpccmr1; /* 配置數(shù)據(jù)寫入 CCMR1 寄存器 */
TIMx->CCER = tmpccer; /* 配置數(shù)據(jù)寫入 CCER 寄存器 */
}

4.2 電機轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速計算

這里使用一款直流減速電機：

• 減速比是34（即電機轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)1圈，電機本身要轉(zhuǎn)34圈）

• 電機轉(zhuǎn)一圈的物理脈沖數(shù)是11

所以，電機轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)1圈時，可以產(chǎn)生的物理脈沖為34*11=374個，又由于編碼器器模式實現(xiàn)了4倍頻計數(shù)，所以，電機轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)1圈時，定時器可以計數(shù)374×4=1496個。

對于轉(zhuǎn)速的計算，這里使用M法測速（M法測速的具體原理參考之前的文章：http://ttokpm.com/d/1639052.html），即統(tǒng)計固定時間間隔內(nèi)的編碼器的脈沖數(shù)，來計算速度值。

，單位為：轉(zhuǎn)/秒

• C：編碼器單圈總脈沖數(shù)

• 每次的統(tǒng)計時間（單位為秒）

• ：該時間內(nèi)統(tǒng)計到的編碼器脈沖數(shù)

比如，對于本次實驗的電機，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)1圈時，定時器計數(shù)1496個，即C=1496個，對應(yīng)程序中的TOTAL_RESOLUTION。T0可以選擇100ms，即0.1s。

程序編寫如下，這里通過另外一個定時器7來實現(xiàn)每100ms調(diào)用一次calc_motor_rotate_speed()函數(shù)來進行轉(zhuǎn)速的實時計算，每次使用read_encoder()讀取編碼器器的值后，都將計數(shù)值CNT設(shè)為初始值0，重新開始計數(shù)，這樣就可以保證每次讀到的都是上個100ms的計數(shù)值。

另外，這里通過將CNT的uint32類型的計數(shù)值， 轉(zhuǎn)為int16類型，就可以利用正負來區(qū)分上個100ms電機整體的轉(zhuǎn)動方向（正轉(zhuǎn)CNT從0向上計數(shù)，轉(zhuǎn)為int16還是正值；反轉(zhuǎn)CNT從0向下計數(shù)，會溢出，轉(zhuǎn)為int16就為負數(shù)）。

#define ENCODER_RESOLUTION 11  /*編碼器一圈的物理脈沖數(shù)*/
#define ENCODER_MULTIPLE 4    /*編碼器倍頻，通過定時器的編碼器模式設(shè)置*/
#define MOTOR_REDUCTION_RATIO 34 /*電機的減速比*/
/*電機轉(zhuǎn)一圈總的脈沖數(shù)(定時器能讀到的脈沖數(shù)) = 編碼器物理脈沖數(shù)*編碼器倍頻*電機減速比 */
#define TOTAL_RESOLUTION ( ENCODER_RESOLUTION*ENCODER_MULTIPLE*MOTOR_REDUCTION_RATIO )

// 讀取定時器計數(shù)值
static int read_encoder(void)
{
int encoderNum = 0;
encoderNum = (int)((int16_t)(TIM4->CNT)); /*CNT為uint32, 轉(zhuǎn)為int16*/
TIM_SetCounter(TIM4, CNT_INIT);/*CNT設(shè)初值*/

return encoderNum;
}

//計算電機轉(zhuǎn)速（被另一個定時器每100ms調(diào)用1次）
void calc_motor_rotate_speed()
{
int encoderNum = 0;
float rotateSpeed = 0;

/*讀取編碼器的值，正負代表旋轉(zhuǎn)方向*/
encoderNum = read_encoder();
/* 轉(zhuǎn)速(1秒鐘轉(zhuǎn)多少圈)=單位時間內(nèi)的計數(shù)值/總分辨率*時間系數(shù) */
rotateSpeed = (float)encoderNum/TOTAL_RESOLUTION*10;

printf("encoder: %d\t speed:%.2f rps\r\n",encoderNum,rotateSpeed);
}

5 實驗演示

通過串口發(fā)送指令，控制另外一個定時器產(chǎn)生指定占空比的PWM來控制電機進行恒速轉(zhuǎn)動，然后測試編碼器讀到的速度值。

(串口指令用到了字符串切割和串口接收不定長字符的功能，可參考之前的文章：與 中的部分內(nèi)容，PWM的產(chǎn)生可參考：)

視頻中，串口打印的encoder為100ms內(nèi)讀到的編碼器器的計數(shù)值，正負號代表正反轉(zhuǎn)，speed為根據(jù)編碼器的計數(shù)值計算的電機輸出軸的轉(zhuǎn)速，單位為圈每秒。

首先是全速正反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速接近5圈每秒。

然后通過調(diào)整pwm，使得電機轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速接近1圈每秒，由于轉(zhuǎn)1圈的脈沖理論上有1496個，現(xiàn)在是每100ms讀一次，所以能讀到149個左右，符合理論值。

視頻演示：https://www.bilibili.com/video/BV13p4y1h7F9