Схема управления энкодером. Как использовать поворотный энкодер в проекте на микроконтроллере. Виды и принцип действия
Модуль энкодер KY-040 является механическим датчиком угла поворота, он преобразует угол поворота вращающегося объекта(например вала) в электрические сигналы сдвинутые на 90 градусов относительно друг друга. Данный модуль имеет три вывода - CLK, DT и SW. Сигналы, сдвинутые на 90 градусов относительно друг друга появляются именно на выводах CLK и DT при вращении по/против часовой стрелки, вывод SW используется для получения состояния центральной оси энкодера, которая работает как кнопка.
Итак, не вдаваясь в подробности внутрисхемного устройства энкодера(об этом будет отдельная статья), произведем его подключение к плате Arduino Uno. Схема подключения модуля энкодера в связке с многоразрядным семисегментным индикатором:
Нам достаточно будет просто разобрать состояние сигналов которые дают вывода CLK и DT, для этого есть небольшая схемная диаграмма, которая покажет как сдвинуты сигналы при вращении в ту или иную стороны.
Из диаграммы видно что, каждый раз когда сигнал А(контакт CLK энкодера) переходит от высокого уровня к низкому, считывается состояние сигнала Б(контакт DT энкодера). Если сигнал Б даёт высокий уровень сигнала, это означает что вращение энкодера происходит по часовой стрелке. Если сигнал Б даёт низкий уровень сигнала при переходе сигнала А из низкого в высокий уровень, то это означает что вращение энкодера происходит против часовой стрелки. Считывая оба этих сигнала в программе, можно определить направление вращения, также при подсчете импульсов сигнала Б, можно инкрементировать либо декрементировать программный счетчик импульсов.
Чтобы считывать сигналы А и Б, а также сигналы центральной оси энкодера(напомню - она работает как кнопка), можно применить нижеописанную конструкцию. Эту конструкцию можно встраивать в скетч, добавляя в неё различный функционал, всё ограничивается только желанием и фантазией разработчика. Тело конструкции достаточно хорошо прокомментировано, в дальнейшем для простоты текста скетча можно убрать комментарии. Итак, конструкция для считывания и преобразования сигналов энкодера в полезные данные:
//Временные переменные для хранения уровней сигналов //полученных от энкодера unsigned char encoder_A, encoder_B, encoder_A_prev; //Переменная для отслеживания нажатий кнопки - //центральной оси энкодера static bool SW_State = false; void setup() { //Предварительные установки //Объявления переменных //Инициализации портов и т.д. } void loop() { //CLK подключаем к пину 3 на плате Arduino //DT подключаем к пину 4 на плате Arduino //Считываем значения выходов энкодера //И сохраняем их в переменных encoder_A = digitalRead(3); encoder_B = digitalRead(4); //Если уровень сигнала А низкий, //и в предидущем цикле он был высокий if(!encoder_A && encoder_A_prev) { //Если уровень сигнала В высокий if(encoder_B) { //Значит вращение происходит по часовой стрелке //Здесь можно вставить операцию инкремента //Здесь можно вставлять какие либо свои //операции по обработке данных в нужном направлении } //Если уровень сигнала В низкий else { //Значит вращение происходит против часовой стрелки //Здесь можно вставить операцию декремента //Здесь можно вставлять какие либо свои //операции по обработке данных в нужном направлении } } //Обязательно нужно сохранить состояние текущего уровня сигнала А //для использования этого значения в следующем цикле сканирования программы encoder_A_prev = encoder_A; //Работаем с центральной осью энкодера - кнопкой //Этот кусок кода образует собой как бы перекидной триггер //Считываем значение пина 2 на плате Arduino //к которому подключен контакт SW энкодера //Если центральная ось нажата - то сигнал SW будет иметь низкий уровень if(!digitalRead(2)) { //Если переменная SW_State установлена в false то установить её в true if(!SW_State) { //И запомнить состояние SW_State = true; } //И наоборот - если переменная SW_State установлена в true, //то сбросить её в false else { //И запомнить состояние SW_State = false; } } }
Скетч, для обработки сигналов энкодера и выводу значения счетчика на дисплей, показан ниже. В этот скетч встроена конструкция для считывания и преобразования сигналов энкодера, которая была описана выше.
#include "LedControl.h" /* * Подключаем библиотеку LedControl.h * и создаём объект класса LedControl * при этом, 7-ми сегметный дисплей с драйвером MAX72xx * должен быть подключен к плате Arduino следующим образом: * Arduino -> Display Module MAX72xx * Arduino -> Display Module MAX72xx * Arduino -> Display Module MAX72xx * Arduino -> Display Module MAX72xx * Arduino -> Display Module MAX72xx * Arduino -> Encoder Module * Arduino -> Encoder Module * Arduino -> Encoder Module */ LedControl lc = LedControl(12, 11, 10, 1); //Проименовываем адреса портов на плате Arduino const int Dir = 4; const int Step = 3; const int Switch = 2; //Counter - переменная для хранения значения счетчика static long Counter = 0; //SW_State - флаг триггер отслеживания нажатия центральной оси static bool SW_State = false; //Временные переменные для хранения уровней сигналов энкодера unsigned char encoder_A, encoder_B, encoder_A_prev; void setup() { //Устройство(7-ми сегментный дисплей) выводим из спящего режима lc.shutdown(0, false); //Установить яркость дисплея на 8 //Всего возможных режимов яркости от 0 до 15 lc.setIntensity(0,8); //Очистить дисплей lc.clearDisplay(0); //Конфигурируем порты для энкодера pinMode(Dir, INPUT); pinMode(Step, INPUT); pinMode(Switch, INPUT); } void loop() { //Считываем значения выходов энкодера //И сохраняем их в переменных encoder_A = digitalRead(Step); encoder_B = digitalRead(Dir); //Если уровень сигнала А низкий, //и в предидущем цикле он был высокий if(!encoder_A && encoder_A_prev) { //Если уровень сигнала В высокий if(encoder_B) { //Значит вращение происходит по часовой стрелке //Наше условие: //Если значение счетчика больше или равно максимальному числу if(Counter >= 99999999) { //Обнулить значение счетчика Counter = 0; } else { //Иначе инкрементировать при каждом щелчке на единицу Counter ++; } } //Если уровень сигнала В низкий else { //Значит вращение происходит против часовой стрелки //Если значение счетчика меньше или равно нулю if(Counter <= 0) { //проинициализировать значение максимальным числом Counter = 99999999; } else { //Иначе декрементировать при каждом щелчке на единицу Counter --; } } } //Обязательно нужно сохранить состояние текущего уровня сигнала А //для использования этого значения в следующем цикле сканирования программы encoder_A_prev = encoder_A; //Работаем с центральной осью энкодера - кнопкой //Этот кусок кода образует собой как бы перекидной триггер //Считываем значение пина 2 на плате Arduino //которомый проименован как Switch //Если центральная ось нажата - то сигнал Switch будет иметь низкий уровень if(!digitalRead(Switch)) { //Если переменная SW_State установлена в false то установить её в true if(!SW_State) { //И запомнить состояние SW_State = true; } //И наоборот - если переменная SW_State установлена в true, //то сбросить её в false else { //И запомнить состояние SW_State = false; } } //Часть программы которая заполняет разряды //семисегментного дисплея значением счетчика long intCounter = Counter; int divCounter; for(int i = 0; i < 8; i ++) { divCounter = intCounter % 10; intCounter = intCounter / 10; if(intCounter == 0 && SW_State) { if(divCounter == 0) { if(i == 0) { lc.setChar(0, 0, "0", false); } else { lc.setChar(0, i, " ", false); } } else { lc.setDigit(0, i, divCounter, false); } } else { lc.setDigit(0, i, divCounter, false); } } }
Видео, как это работает:
Надеемся, что вам понравился материал этой статьи, свои вопросы, пожелания и критику оставляйте в комментариях ниже.
- Использование промышленных оптических энкодеров в Arduino
Энкодер для частотника по своему внешнему виду похож на переменный резистор или на потенциометр. Те же три вывода, тот же корпус панели. На этом его сходство заканчивается. Внутри у него два переключателя, у которых есть общий вывод задач управления и два своих.
Чтобы энкодер заработал, средний вывод нужно подключить к земле, а два остальных через резисторы к питанию. Съем сигнала управления нужно производить непосредственно с выводов панели энкодера.
Теперь представим, что энкодер идеальный и его контакты не страдают дребезгом. Подключим к выводам энкодера осциллограф и начнем вращать ручку энкодера. Импульсы будут сдвинуты относительно друг друга на 90 градусов. Если крутить ручку мощности (кВт) вправо, влево или назад, то будем иметь последовательности панели управления:
Если осциллограммы как применение последовательности задач логических нулей и единиц, то они будут иметь такой вид:
Возьмем обычный энкодер, у которого есть дребезг контактов. Зона дребезга:
При переключении с логической единицы на логический ноль возникает дребезг. С дребезгом можно бороться двумя способами: аппаратным и программным применением.
Аппаратный способ – это подключение серии конденсаторов частотника, триггеров Шмитта, как указано на схеме панели управления:
Рекомендуется применять метод борьбы с дребезгом – программный. Такой метод описан в библиотеке Ротери. Данная библиотека содержит несколько функций, которые нужны для настройки выводов векторного контроллера на ввод, и подключение подтягивающих мощность (кВт) резисторов. В библиотеке нужно указывать соответствующие команды и задачи. Данной командой включается подтягивающий резистор внутри .
Функция серии Get position vfd возвращает значение энкодера. Данная фукнция нужна для получения количества импульсов, которые считал энкодер. Функция set Position vfd нужна для загрузки значения, с которого энкодер начнет свой счет.
Функция tick должна быть рассмотрена подробнее. Переменные этой функции sig1 и sig2 записывают состояние векторного pin, к которой подключен энкодер. Дальше эти pin записываются в переменную thisState vfd, которая является текущим состоянием энкодера. Если текущее состояние энкодера не равно предыдущему, то вычисляются новые направления счета и количество импульсов мощности сохраняется в переменной Position. Когда энкодер вернется в свое начальное векторное положение, произойдет сдвиг вправо на два разряда, и новое значение управления нужно записать в переменную PositionExt. Данная переменная нужна для сохранения серии результатов задач, которые будут иметь применение в основной программе.
Счет
Проанализировав состояние энкодера при вращении влево и вправо, составляем таблицу:
Его начальное положение 1-1. При повороте вправо произошел щелчок, единица стала логическим нулем. Новое значение this State vfd равно 01. Согласно команды данный результат суммируется со значением переменной Position.
Из-за того, что произошел дребезг, позиция стала 11, после перерасчета порядковый номер стал 7. После того, как дребезг закончился, нужно фиксировать новое положение 01 и к предыдущему нулю добавляется единица. При повороте энкодера произошел один щелчок, и значение переменной Position стало единицей.
Происходит второй щелчок при повороте энкодера направо, и вместо позиции 01 мы имеем позицию 00. После того, как весь дребезг закончится, на выходе управления также имеем значение единицы. При четвертом щелчке, когда позиция с 10 стала 11, мы имеем значение 6. После окончания дребезга остается 6.
В некоторых энкодерах имеет применение кнопка панели. При ее нажатии и отпускании тоже будет дребезг контактов, нужно применить библиотеку Bounce. Функции этой библиотеки нужны для задания pin, к которому будет подключена кнопка, задач времени задержки в миллисекундах. Если произошло нажатие на кнопку, то функция мощности (кВт) возвращает векторное значение true, если нет, то false vfd.
Принципиальная схема подключения энкодера к преобразователю частоты
В станкостроении энкодеры широко применяются для преобразователей частоты асинхронных двигателей. Они монтируются как датчики обратной связи по своей скорости. Такие энкодеры имеют большую дискретность от 100 импульсов на оборот до 1 млн импульсов на оборот. У этой марки дискретность равна 500 имп. на оборот.
Энкодеры подразделяются на виды задач по . Они бывают абсолютными и инкрементальными. Наш энкодер выполняет обычную функцию – выдает сигнал дифференцирования при отключении мощности питания, и ее подачи снова. Раннее состояние не сохраняется.
Энкодеры абсолютного вида имеют внутреннюю память, которая помнит последние положения. Зачем нужна память, и зачем сохранять эти данные? В заводских условиях станкостроения перед перемещением определенного устройства в первую очередь указывают нулевую точку. Такой процесс называется реферированием, то есть, выход в нуль.
Применение датчика абсолютного вида дает возможность уйти от этой процедуры на второй раз, сократить время при условии, что система имеет ограничения для перемещений.
Рассмотрим энкодеры синуса и косинуса. Они выдают выходной сигнал косинуса или синуса. Далее, с помощью устройства интерполятора мощности образуют из них импульсы. Сигналы такого вида можно изменять в размерах. Питание энкодера осуществляется от напряжения 5 вольт.
Сигнал «А» — это сигнал импульса прямого типа. Количество импульсов с этого сигнала приходит на каждом обороте. Оно равно 500 (дискретность датчика).
Сигнал «В» — тоже прямой сигнал импульса. С него на каждом обороте поступает число импульсов по дискретности датчика, который смещен от канала «А» на 90 градусов (500).
Сигнал «R» — это сигнал метки «нуль». С одного оборота датчика получается один импульс.
В энкодерах промышленного назначения используется сигнал дифференцирования, для работы с частотным преобразователем (частотником). Название у него сложное, а на самом деле все просто. Все каналы отдельно копируются своей инверсией. Это необходимо для отдавания сигнала на значительные расстояния. Выходной канал энкодера подсоединяется к приемнику специального назначения, сделанному на усилителях операционного вида. Импульс в итоге определяется в совокупности двух сигналов.
Подключение
Подключение простое. Подсоединяем напряжение 5 вольт на выходы энкодера. У нас раскладка: провод коричневого цвета – 0 В, белого цвета — +5 В, розовый, зеленый и красный – А, В, R.
Программа подключения энкодера базируется на прерываниях каналов А и В. Срабатывания прерываний происходят на переднем фронте. Получается ситуация, когда происходит торможение энкодера в момент растрового пересечения и выходной сигнал канала всегда остается положительным. Подсчет импульсов непрерывно ведется счетчиком.
В нашем случае мы не будем применять прерывания, потому что мы работаем с 4-мя датчиками, они эксплуатируются одновременно. Если применять схему прерываний, наверняка возникнет ситуация потери импульсов. У нас эта проблема решается путем установления значка наличия движения. А мы рассматривали эксплуатацию энкодеров промышленного назначения.
Работа счетчика импульсов на основе модуля энкодера
Счетчик работает в связке с модулем семиразрядного индикатора, который и будет отображать количество накрученных энкодером импульсов. При включении значение счетчика равно нулю.
Покрутим ручку энкодера по часовой стрелке. Значение счетчика инкрементируется на единицу при каждом щелчке энкодера. Наибольшее число можно накрутить 999999999. это число должно заполнить все разряды нашего семисегментного индикатора. Если вращать ручку дальше, то счетчик обнулится, начнет снова считать с нуля.
Для примера накрутим 120 импульсов. Теперь скручиваем обратно, вращая ручку против часовой стрелки. Центральная ось энкодера работает как кнопка. Она очищает от нулей свободные разряды индикатора. У кнопки есть небольшой дребезг контактов, поэтому выключение и включение происходит не сразу. Программным путем, дребезг устраняется. Это основа работы с модулем энкодера.
Узнайте, как использовать инкрементальный поворотный энкодер в проекте на Arduino.
Поворотный энкодер представляет собой электромеханическое устройство, которое преобразует вращательное движение в цифровую или аналоговую информацию. Он очень похож на потенциометр, но может вращаться бесконечно как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки. Существует несколько типов поворотных энкодеров. Двумя основными типами являются абсолютные и относительные (инкрементальные) энкодеры. В то время как абсолютный энкодер выдает значение, пропорциональное текущему углу вала, инкрементальный энкодер выдает шаг движения вала и его направление. Поворотные энкодеры становятся всё более и более популярными в потребительской электронике, особенно в качестве ручек управления, в дополнение к приложениям во многих других областях. Они заменяют собой потенциометры и кнопки навигации, где требуются быстрая навигация, настройка, ввод данных и выбор пункта меню. Некоторые энкодеры также включают в себя встроенную кнопку, которая создает дополнительный вход для процессора, который может использоваться в качестве другой пользовательской команды в интерфейсе управления. На рисунке ниже вы можете увидеть типовой инкрементальный поворотный энкодер с кнопкой включения.
В данной статье мы покажем вам, как использовать инкрементальный поворотный энкодер в проекте на Arduino. Мы объясним, как бороться с дребезгом контактов и интерпретировать сигналы энкодера в программе микроконтроллера, используя прерывания.
Сигнал квадратурного выхода инкрементального энкодера
Инкрементальный поворотный энкодер во время поворота вала генерирует два выходных сигнала, что также называется квадратурным выходом. В зависимости от направления один сигнал опережает другой. Ниже вы можете увидеть форму выходного сигнала инкрементального поворотного энкодера и ожидаемую последовательность битов.
Как видно из рисунка, оба выхода в изначально находятся в состоянии логической единицы. Когда вал энкодера начинает вращаться в направлении по часовой стрелке, первым падает до логического нуля состояние на выходе A, а затем с отставанием за ним следует и выход B. При вращении против часовой стрелки всё происходит наоборот. Временные интервалы на диаграмме сигнала зависят от скорости вращения, но отставание сигналов гарантируется в любом случае. На основе этой характеристики инкрементального поворотного энкодера мы напишем программу для Arduino.
Фильтрация дребезга контактов механического энкодера
Механические энкодеры имеют встроенные переключатели, которые формируют сигнал на квадратурном выходе во время вращения.
Когда имеем дело с сигналами энкодера, основной проблемой является дребезг контактов. Он вызывает ошибочное определение направления вращения и величины поворота вала энкодера и делает использование энкодеров проблематичным. Мы можем избавиться от дребезга контактов, отфильтровывая его в программе или используя дополнительные схемы фильтрации.
Фильтрация шума в программном обеспечении микроконтроллера является одним из вариантов фильтрации, но она обладает некоторыми недостатками. Вам необходимо написать более сложный код для обработки шума. Фильтрация займет время обработки и внесет задержки в основной поток программы. Вам может потребоваться установить таймеры, чтобы игнорировать интервалы дребезга контактов. В конце концов, возможно, у вас не получится получить удовлетворительный и надежный результат.
Фильтрация шума с помощью дополнительных аппаратных средств проще, и она останавливает шум еще в его источнике. Вам понадобится RC фильтр первого порядка. На рисунке ниже вы можете увидеть, как выглядит сигнал после использования RC фильтра.
RC-фильтр замедляет время спада и время нарастания и обеспечивает аппаратное удаление дребезга контактов. При выборе пары резистор-конденсатор вы должны учитывать максимальную частоту вращения. Иначе будет отфильтрован и ожидаемый отклик энкодера.
Простое приложение
Мы создадим приложение, демонстрирующее, как использовать поворотный энкодер в проекте на Arduino. Мы будем использовать энкодер для навигации, ввода данных и выбора. Ниже приведена принципиальная схема приложения.
Схема построена на базе платы Arduino Uno. Для графического интерфейса используется LCD дисплей Nokia 5110. В качестве средств управления добален механический поворотный энкодер с кнопкой и RC-фильтрами.
Мы разработаем простое программное меню, в котором и продемонстрируем работу поворотного энкодера.
Обработка сигналов энкодера с помощью прерываний
Сигналы энкодера должны быть обнаружены и интерпретированы в программе как можно быстрее, чтобы не блокировать основной поток программы. Мы можем детектировать сигналы путем опроса в основном цикле, или используя прерывания. Опрос не эффективен, так как вам необходимо зарезервировать время и ресурсы в основном цикле, что приводит к дополнительным задержкам. Использование прерываний - это более быстрое и экономичное решение. Мы покажем вам, как использовать прерывания для обработки сигналов энкодера.
В Atmega328 есть два типа прерываний, которые можно использовать для этих целей; внешнее прерывание и прерывание по изменению состояния вывода. Выводы INT0 и INT1 назначены на внешнее прерывание, а PCINT0 - PCIN15 назначены на прерывание по изменению состояния вывода. Внешнее прерывание может определить, произошел ли спад или нарастание входного сигнала, и может быть запущено при одном из следующих состояний: нарастание, спад или переключение. Для прерывания по изменению состояния выводов существует гораздо больше аппаратных ресурсов, но оно не может обнаруживать нарастающий и спадающий фронты, и оно вызывается, когда происходит любое изменение логического состояния (переключение) на выводе.
Чтобы использовать прерывание по изменению состояния выводов, подключите выходы поворота энкодера A и B к выводам A1 и A2 , а выход кнопки - к выводу A0 платы Arduino, как показано на принципиальной схеме. Установите выводы A0 , A1 и A2 в режим входа и включите их внутренние подтягивающие резисторы. Включите прерывание по изменению состояния выводов в регистре PCICR и включите прерывания для выводов A0 , A1 и A2 в регистре PCMS1 . При обнаружении любого изменения логического состояния на одном из этих входов будет вызовано ISR(PCINT1_vect) (прерывание по изменению состояния выводов).
Поскольку прерывание по изменению состояния выводов вызывается для любого логического изменения, нам необходимо отслеживать оба сигнала (и A, и B) и обнаруживать вращение при получение ожидаемой последовательности. Как видно из диаграммы сигналов, движение по часовой стрелке генерирует A = …0011… и B = …1001… . Когда мы записываем оба сигналы в байты seqA и seqB , сдвигая последнее чтение вправо, мы можем сравнить эти значения и определить новый шаг вращения.
Вы можете увидеть часть кода, включающую инициализацию и функцию обработки прерывания по изменению состояния выводов.
Void setup() { pinMode(A0, INPUT); pinMode(A1, INPUT); pinMode(A2, INPUT); // Включить внутренние подтягивающие резисторы digitalWrite(A0, HIGH); digitalWrite(A1, HIGH); digitalWrite(A2, HIGH); PCICR = 0b00000010; // 1. PCIE1: Включить прерывание 1 по изменению состояния PCMSK1 = 0b00000111; // Включить прерывание по изменению состояния для A0, A1, A2 } void loop() { // Основной цикл } ISR (PCINT1_vect) { // Если прерывание вызвано кнопкой if (!digitalRead(A0)) { button = true; } // Если прерывание вызвано сигналами энкодера else { // Прочитать сигналы A и B boolean A_val = digitalRead(A1); boolean B_val = digitalRead(A2); // Записать сигналы A и B в отдельные последовательности seqA <<= 1; seqA |= A_val; seqB <<= 1; seqB |= B_val; // Маскировать четыре старших бита seqA &= 0b00001111; seqB &= 0b00001111; // Сравнить запсанную последовательность с ожидаемой последовательностью if (seqA == 0b00001001 && seqB == 0b00000011) { cnt1++; left = true; } if (seqA == 0b00000011 && seqB == 0b00001001) { cnt2++; right = true; } } }
Использование внешнего прерывания делает процесс более простым, но поскольку для этого прерывания назначено только два вывода, то вы не сможете использовать его для других целей, если займете его энкодером. Чтобы использовать внешнее прерывание, вы должны установить выводы 2 (INT0) и 3 (INT1) в режим входа и включить их внутренние подтягивающие резисторы. Затем выберите вариант спадающего фронта для вызова обоих прерываний в регистре EICRA . Включите внешние прерывания в регистре EIMSK . Когда начнется вращение вала энкодера, сначала ведущий сигнал падает до логического нуля, а второй сигнал некоторое время остается на уровне логической единицы. Поэтому нам нужно определить, какой из сигналов во время прерывания находится в состоянии логической единицы. После того, как ведущий сигнал упал до логического нуля, через некоторое время второй сигнал также упадет до логического нуля, что вызовет другое прерывание. Но этот раз и другой (ведущий) сигнал будет на низком логическом уровне, что означает, что это не начало вращения, поэтому мы игнорируем его.
Ниже вы можете увидеть часть кода, включающую в себя инициализацию и функцию обработки внешнего прерывания.
Void setup() { pinMode(2, INPUT); pinMode(3, INPUT); // Включить внутренние подтягивающие резисторы digitalWrite(2, HIGH); digitalWrite(3, HIGH); EICRA = 0b00001010; // Выбрать вызов по спадающему фронту EIMSK = 0b00000011; // Включить внешнее прерывание } void loop() { // Основной цикл } ISR (INT0_vect) { // Если второй сигнал находится в состоянии логической единицы, то это новое вращение if (digitalRead(3) == HIGH) { left = true; } } ISR (INT1_vect) { // Если второй сигнал находится в состоянии логической единицы, то это новое вращение if (digitalRead(2) == HIGH) { right = true; } }
Полный код скетча Arduino, включающий основной цикл приведен ниже:
#include
Энкодер в действии вы можете увидеть на видео, приведенном ниже.
Из этой статьи вы узнаете, что такое энкодер, зачем он нужен, и как его подружить с микроконтроллером. Если вы пользовались современной стиральной машиной, микроволновой печью или аудио системой то, скорее всего вы уже имели дело с энкодером, сами того не подозревая. Например, в большинстве современных домашних и автомобильных стерео систем энкодеры используются для регулировки громкости звука.
Энкодер или датчик угла поворота – это электромеханическое устройство, предназначенное для преобразования углового положения вала или оси в электрические сигналы. Существует два основных типа энкодеров - инкрементные и абсолютные.
Инкрементный энкодер при вращении формирует импульсы, число которых пропорционально углу поворота. Подсчет числа этих импульсов даст нам величину угла поворота вала энкодера относительно его начального положения. Этот тип энкодеров не формирует выходные импульсы, когда его вал находится в покое. Инкрементные энкодеры находят широкое применение в индустриальных средствах управления, бытовой и музыкальной технике.
Абсолютный энкодер для каждой позиции своего вала выдает уникальный код. Ему, в отличии от инкрементного энкодера, счетчик не нужен, угол вращения всегда известен. Абсолютный энкодер формирует сигнал и когда вал вращается, и когда он находится в покое. Абсолютный энкодер не теряет информацию о своем положении при потере питания и не требует возврата в начальную позицию. Этот тип энкодеров применяется в промышленно оборудовании - робототехнике, станках, конвейерных линиях.
Я хотел бы рассказать о сопряжении инкрементного механического энкодера с микроконтроллером. Для этого я приобрел инкрементный энкодер фирмы Bourns - PEC12-4220F-S0024. Вот расшифровка его названия согласно datasheet: PEC12 – модель, 4 – вертикальное положение выводов, 2 – 24 стопора, 20 – длина вала в мм, S – наличие кнопки, 0024 – 24 импульса за оборот.
У него 5 выводов. 2 вывода на фотографии слева – выводы кнопки, 3 вывода на фотографии справа – выводы энкодера. Из них - 2 сигнальных и 1 общий. Он посередине. Схема подключения энкодера ничем не отличается от подключения обычных кнопок. Сигнальные выводы энкодера подключаем к любому порту ввода вывода микроконтроллера. Общий вывод энкодера сажаем на землю. Для защиты от дребезга контактов не лишним будет добавить еще пару керамических конденсаторов номиналом в несколько нанофарад. Выводы микроконтроллера в программе конфигурируем как входы и включаем подтягивающие резисторы. Можно использовать внешние.
Когда ручка энкодера стоит неподвижно – на входах микроконтроллера присутствуют логические единицы. Когда ручку энкодера поворачивают, на выводах микроконтроллера появляются два прямоугольных сигнала сдвинутых друг относительно друга. От направления вращения вала энкодера зависит, какой из сигналов будет опережать другой. На рисунке ниже представлены возможные варианты сигналов для идеального случая.
Внутри энкодера имеются контакты, которые при вращении то замыкаются, то размыкаются. Этот процесс естественно сопровождается дребезгом, поэтому реальные сигналы могут выглядеть вот так.
Сигналы сняты со старого энкодера, включенного без фильтрующих конденсаторов.
Алгоритм обработки сигналов энкодера выглядит следующим образом. В обработчике прерывания таймера запускается функция опроса энкодера. Она считывает логические уровни, присутствующие на выводах микроконтроллера к которым подключен энкодер и записывает их во временную переменную. Внутри функции есть статическая переменная (переменная, которая сохраняет свое значение при выходе из функции) хранящая последовательность предыдущих состояний. С помощью битовой маски микроконтроллер выделяет из этой переменной последнее состояние и сравнивает его с текущим, чтобы определить произошли ли изменения. Если состояния равны – функция завершает работу, если отличны – значение статической переменной сдвигается влево на 2 разряда и на «освободившееся» место записывается текущее состояние. Таким образом, если вал энкодера вращается, функция будет постоянно сохранять некую повторяющуюся кодовую последовательность. При вращении вправо – это будет 11100001. При вращении влево – 11010010. По этим последовательностям микроконтроллер и будет понимать, в какую сторону происходит вращение.
Исходник для работы с энкодером можно скачать . Архив содержит два файла: encoder.h и encoder.c. В хедере задаются порт и номера выводов, к которым подключен энкодер, константы LEFT_SPIN и RIGHT_SPIN. Также там описаны прототипы функций. Сишный файл содержит реализацию функций.
void InitEncoder(void) – инициализирует выводы порта.
void PollEncoder(void) – однократно опрашивает энкодер. Если зафиксировано вращение, записывает в буфер одну из констант, если нет, просто завершает работу.
unsigned char GetStateEncoder(void) – возвращает содержимое буфера и очищает его.
Опрос энкодера я обычно произвожу с частотой ~ 4 кГц. Если опрашивать медленней, микроконтроллер будет пропускать импульсы при быстрых поворотах ручки энкодера. Если энкодер используется для установки линейно меняющейся величины, например для установки времени в часах, то в качестве констант LEFT_SPIN и RIGHT_SPIN удобно использовать числа 255 и 1 соответственно. В обработчике сигналов энкодера эти числа просто складываются с устанавливаемой величиной. При сложении с 1 величина увеличивается на 1, при сложении с 255 уменьшается на 1. Конечно это актуально если эта величина однобайтная. Ну а в принципе константы LEFT_SPIN и RIGHT_SPIN можно выбирать произвольно, главное правильно написать обработчик. На этом все.
Исходник для работы с энкодером .
Энкодер это всего лишь цифровой датчик угла поворота, не более того.
Энкодеры бывают абсолютные — сразу выдающие двоичный код угла и инкрементальные, дающие лишь указание на направление и частоту вращения, а контроллер, посчитав импульсы и зная число импульсов на оборот, сам определит положение.
Если с абсолютным энкодером все просто, то с инкрементальным бывают сложности. Как его обрабатывать?
С Энкодера выходят два сигнала А и В, сдвинутых на 90 градусов по фазе, выглядит это так:
В оптическом же может быть два фонаря и два фотодиода, святящие через диск с прорезями (шариковая мышка, ага. Оно самое).
Механический подключается совсем просто центральный на землю, два крайних (каналы) на подтянутые порты. Я, для надежности, подключил внешнюю подтяжку. Благо мне на для этого только парой тумблеров щелкнуть:
 |
Оптический подключается в зависимости от типа оптодатчика, обычно там стоит два с общим анодом.
Обычно, все пытаются работать с ними через прерывания INT, но этот метод так себе. Проблема тут в дребезге — механические контакты, особенно после длительного пользования, начинают давать сбои и ложные импульсы в момент переключения. А прерывание на эти ложные импульсы все равно сработает и посчитает что нибудь не то.
Метод прост:
Подставим нули и единички, в соответствии с уровнем сигнала и запишем последовательность кода:
 |
A:0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0
B:1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1
Если A и B идут на одни порт контроллера (например на A=PB0 B=PB1), то при вращении энкодера у нас возникает меняющийся код:
11 = 3
10 = 2
00 = 0
01 = 1
11 = 3
Теперь остается только циклически опрашивать наш энкодер сравнивая текущее состояние с новым и на основании этого делающего выводы о вращении. Причем частота опроса должна быть такой, чтобы не пропустить ни одного импульса. Например, мой EC12 имеет 24 импульса на оборот. Вращать его предпологается вручную и я вряд ли смогу вращать его с космической скоростью, но решил все же замерить. Подключился к осциллографу, крутнул ручку что есть мочи:
 |
Выжал меньше килогерца. Т.е. опрашивать надо примерно 1000 раз в секунду. Можно даже реже, будет надежней в плане возможного дребезга. Сейчас, кстати, дребезга почти нет, но далеко не факт что его не будет потом, когда девайсина разболтается.
Сам опрос должен быть в виде конечного автомата. Т.е. у нас есть текущее состояние и два возможных следующих.
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 | // Эту задачу надо запускать каждую миллисекунду. // EncState глобальная переменная u08 -- предыдущее состояние энкодера // EncData глобальная переменная u16 -- счетный регистр энкодера void EncoderScan(void ) { u08 New; New = PINB & 0x03 ; // Берем текущее значение // И сравниваем со старым // Смотря в какую сторону оно поменялось -- увеличиваем // Или уменьшаем счетный регистр switch (EncState) { case 2 : { if (New == 3 ) EncData++; if (New == 0 ) EncData--; break ; } case 0 : { if (New == 2 ) EncData++; if (New == 1 ) EncData--; break ; } case 1 : { if (New == 0 ) EncData++; if (New == 3 ) EncData--; break ; } case 3 : { if (New == 1 ) EncData++; if (New == 2 ) EncData--; break ; } } EncState = New; // Записываем новое значение // Предыдущего состояния SetTimerTask(EncoderScan, 1 ) ; // Перезапускаем задачу через таймер диспетчера } |
// Эту задачу надо запускать каждую миллисекунду. // EncState глобальная переменная u08 -- предыдущее состояние энкодера // EncData глобальная переменная u16 -- счетный регистр энкодера void EncoderScan(void) { u08 New; New = PINB & 0x03; // Берем текущее значение // И сравниваем со старым // Смотря в какую сторону оно поменялось -- увеличиваем // Или уменьшаем счетный регистр switch(EncState) { case 2: { if(New == 3) EncData++; if(New == 0) EncData--; break; } case 0: { if(New == 2) EncData++; if(New == 1) EncData--; break; } case 1: { if(New == 0) EncData++; if(New == 3) EncData--; break; } case 3: { if(New == 1) EncData++; if(New == 2) EncData--; break; } } EncState = New; // Записываем новое значение // Предыдущего состояния SetTimerTask(EncoderScan,1); // Перезапускаем задачу через таймер диспетчера }
Почему я под счетчик завел такую большую переменную? Целых два байта? Да все дело в том, что у моего энкодера, кроме импульсов есть еще тактильные щелчки. 24 импульса и 24 щелчка на оборот. А по моей логике, на один импульс приходится четыре смены состояния, т.е. полный период 3201_3201_3201 и один щелчок дает 4ре деления, что некрасиво. Поэтому я считаю до 1024, а потом делю сдвигом на четыре. Получаем на выходе один щелочок — один тик.
Скоростной опрос на прерываниях
Но это механические, с ними можно простым опросом обойтись — частота импульсов позволяет. А бывают еще и высокоскоростные энкодеры. Дающие несколько тысяч импульсов на оборот, либо работающие на приводах и вращающиеся очень быстро. Что с ними делать?
Ускорять опрос занятие тупиковое. Но нас спасает то, что у таких энкодеров, как правило, есть уже свои схемы подавления дребезгов и неопределенностей, так что на выходе у них четкий прямоугольный сигнал (правда и стоят они совершенно негуманно. От 5000р и до нескольких сотен тысяч. А что ты хотел — промышленное оборудование дешевым не бывает).
Так что без проблем можно применять прерывания. И тогда все упрощается неимоверно. Настраиваем всего одно прерывание по внешнему сигналу. Например, INT0 настраиваем так, чтобы сработка шла по восходящему фронту. И подаем на INT0 канал А.
 |
Пунктиром показано предполагаемое положение в произвольный момент. Красные стрелки это фронты по которым сработают прерывания при движении либо в одну, либо в другую сторону.
А в обработчике прерывания INT0 щупаем вторым выводом канал В. И дальше все элементарно!
Если там высокий уровень — делаем +1, если низкий -1 нашему счетному регистру. Кода на три строчки, мне даже писать его лень.
Конечно, можно такой метод прикрутить и на механический энкодер. Но тут надо будет заблокировать прерывания INT0 на несколько миллисекунд. И НИ В КОЕМ СЛУЧАЕ нельзя делать это в обработчике.
Алгоритм прерывания с антидребезгом будет выглядеть так:
- Зашли в обработчик INT0
- Пощупали второй канал
- +1 или -1
- Запретили локально INT0
- Поставили на таймер событие разрешающее INT0 через несколько миллисекунд
- Вышли из обработчика
Сложно? Нет, не сложно. Но зачем? Проще сделать банальный опрос, как указано выше и не зависеть от выводов прерываний. Впрочем, хозяин барин.
