我要评论本文是用stm32f103c8t6，通过磁电增量式编码器测量直流有刷电机速度的学习笔记。
编码器简介
编码器是一种能将直线位移、角位移数据转换为脉冲信号、二进制编码的设备。它本质上就是一个传感器，可以把角位移或直线位移转换成电信号，并反馈给控制器，使控制器知道当前机械运动的位置、角度等信息。
编码器按照检测原理可以分为光电式和磁电式；按照编码类型可分为增量式和绝对式。在实际的应用中，这四类编码器并不是相对独立的，它们经过组合后，就变成了光电绝对式、光电增量式、磁电绝对式和磁电增量式这四种编码器。
磁电增量式编码器
原理：利用霍尔效应，将位移转换成计数脉冲，用脉冲个数计算位移和速度。磁电增量式编码器的具体工作原理如图：
磁电增量式编码器的结构包含：磁盘、霍尔传感器以及信号转换电路 3 个部分，其中，磁盘是由交替排布的 s 极和 n 极磁极组成；霍尔传感器可以把磁场的变化转换成电信号的变化，它通常有 a、b 两相（有的还有 z 相），这两相的安装位置形成一定的夹角，这使得输出的 a、b 两相信号有 90°的相位差；信号转换电路可以把电信号转换成脉冲信号。在实际应用中，磁盘会装在电机的转轴上，它会随着电机的转轴旋转，而磁盘上面的 s 极和 n 极就会交替地经过霍尔传感器的 a、b 两相，霍尔传感器就可以把磁盘上的磁场变化转换为电信号的变化，输入到信号转换电路中，经过信号的转换之后，我们就可以得到 a、b 两相脉冲信号了。从上图中可以看到，a、b 两相脉冲信号存在 90°的相位差，而磁盘的正反转方向就决定了是 a 相信号在前还是 b 相在前。
光电绝对式编码器
原理：当码盘处于不同位置（角度）时，光敏元件根据受光与否转换出相应的电平信号，最后转换成二进制数输出。光电绝对式编码器的结构总体来说和光电增量式很类似，都是由光电码盘、光源、透镜、受光元件以及信号转换电路 5 个部分，但是它们码盘结构和输出信号含义不同。光电绝对式编码器的自然二进制码盘如图：
光电绝对式编码器的二进制码盘上有很多圈线槽，我们称为码道。上图中的二进制码盘有 4 个码道，按照自然二进制的方式排列，这个码盘一共被分为 2^4 = 16 个区域，这些区域中，黑块不透光，代表 1；白块透光，代表 0。当码盘随着电机转轴旋转，光线会照射到不同的区域，受光元件就能感受到不同的光线情况，最后经过信号的处理，就可以直接输出该区域对应的二进制码了，而我们通过这个二进制码即可得出码盘（电机转轴）的当前位置（角度）。大家需要注意：二进制码盘的每一个位置对应一个确定的二进制码，因此这一类编码器常被应用于位置以及角度测量。上述的自然二进制码盘读数很方便直观，但是它在实际应用中容易造成读数偏差很大，例如：当码盘停止旋转时，光线照射在 0000 和 1111 这两个相邻的区域之间，此时输出的二进制数可能是 0000~1111 中的任何一个，此时的读数和码盘的实际位置可能就相差很远了。为了避免读数和实际位置出现巨大偏差，我们可以改进一下二进制码的排列方式，使用格雷码形式，如图：
格雷码盘有 4 个码道，同样的也能表示 16 个二进制数，但是任意相邻的两个区域之间的二进制码只有一位不同。当我们采用格雷码盘时，如果码盘停止旋转，光线照射到码盘相邻两个区域之间，其最终输出的二进制数最多只会相差一位，此时位置的偏差范围就很小了。
stm32的编码器接口
直流有刷电机的编码器有 a、b 两相，它们会输出两个相位差为 90°的脉冲。当电机正转时，a 相脉冲在前；当电机反转时，则是 b 相脉冲在前。有了 a、b 两相脉冲信号之后，我们应该如何去处理这些信号，把它们转换成电机的转速呢？这里就涉及到一个非常重要的功能：定时器编码器接口模式。stm32 定时器的编码器接口模式就相当于带有方向选择的外部时钟，也就是说，在此模式下，外部输入的脉冲信号可以作为计数器的时钟，而计数的方向则是由脉冲相位的先后所决定的。定时器编码器接口模式的原理如图：
当电机（编码器）正转时，输出两相脉冲信号，a 相脉冲在前，此时编码器接口把脉冲信号作为计数器的脉冲，计数方式为递增计数；当电机（编码器）反转时，计数方式就变成了递减计数。
编码器接口框图
a、b 两相脉冲信号从 timx_ch1 和 timx_ch2 这两个通道输入，经过滤波器和边沿检测器（可以设置滤波和反相）的处理，进入到编码器接口控制器中，生成ck_psc，成为定时器的时钟。大家需要注意，定时器共有四个通道，通道3和通道4是不支持编码器模式的，只有通道1和通道2支持编码器模式，基本定时器tim6和tim7没有编码器模式。
输入滤波器：主要用于对输入信号进行滤波，例如设置输入滤波器为10，则会采样十次，如果这十次采样电平都是高或都是低则为有效电平，如果在高低电平之间波动，则为无效电平，直接过滤掉
边沿检测器：主要用于设置输入捕获边沿是否反相，如果设置反相，采集到的脉冲会和实际的脉冲相反，比如实际脉冲是上升沿，会采集成下降沿，一般设置不反相。
编码器接口计数原理
编码器的计数方向与脉冲信号的关系如下：
下面以一个例子来讲解上图， 假设我们把 a 相接在 ti1，b 相接在ti2，选择仅在 ti1 处计数（仅检测a 相边沿）。此时编码器接口计数方向和输入脉冲信号的关系如下表：
a、b 两相输出的脉冲信号有两种情况：当编码器正转，a 相在前；当编码器反转，b 相在前，我们选择仅在 ti1 处计数，也就是只检测 a 相的边沿。接下来我们分别介绍这两种情况下的计数方向：
正转：当 a 相上升沿到来时（图中①处），我们需要关注 b 相的电平高低，从图中可看到 b 相此时是低电平，结合表 7.2.2，可以得知此时计数方向为递增计数；当 a 相下降沿到来时（图中②处），从图中可以看到 b 相此时是高电平，结合表 7.2.2，可以得知此时计数方向为递增计数；当 a 相上升沿再次到来时（图中③处），同理可得此时计数方向为递增计数。综上所得，我们可以知道此时编码器正转对应的计数方向就是递增计数。
反转：当 a 相上升沿到来时（图中④处），我们需要关注 b 相的电平高低，从图中可看到 b 相此时是高电平，结合表 7.2.2，可以得知此时计数方向为递减计数；当 a 相下降沿到来时（图中⑤处），从图中可以看到 b 相此时是低电平，结合表 7.2.2，可以得知此时计数方向为递减计数；当 a 相上升沿再次到来时（图中⑥处），同理可得此时计数方向为递减计数。综上所得，我们可以知道此时编码器反转对应的计数方向就是递减计数。
注意：选择仅在 ti1 或者 ti2 处计数，就相当于对脉冲信号进行了 2 倍频（两个边沿），此时如果编码器输出 10 个脉冲信号，那么就会计数 20 次。如果选择的是在 ti1 和 ti2 处均计数，就相当于对脉冲信号进行了 4 倍频（四个边沿），此时如果编码器输出 10 个脉冲信号，那么就会计数40 次。
编码器速度换算方法
先来了解几个必要参数：
①、电机减速比：在对电机输出扭矩（即输出的力）有高要求的场景，我们会给直流有刷电机加上减速齿轮组，以增大输出扭矩，因为电机扭矩和转速成反比，因此可以降低转速来提高扭矩，本实验采用的电机减速比是1：30，也就是说电机输出转轴转一圈，内部线圈，也就是编码器转轴转了30圈。
②、编码器线数：编码器的线数指编码器的转轴每旋转一圈所输出的脉冲数，本实验采用的编码器线数是11，也就是说编码器转轴转一圈，输出11个脉冲，结合减速比可得电机转轴转一圈，输出30*11 = 330个脉冲。可以据此来计算电机的瞬时速度。
③、定时器重装载值arr：编码器输出的脉冲作为定时器的输入，每采集到一个脉冲，定时器的计数器就加一，当加到重装载值arr时会产生溢出，如果是正转会向上溢出，反转会向下溢出，一般设置arr为65535。
④、预分频系数：编码器输出的脉冲作为定时器的输入，预分频分的就是脉冲数，如果预分频系数为2，假设电机旋转一圈产生100个脉冲，则此时你单片机只能记录50个脉冲，一般不分频。
综上所述，电机转一圈，编码器采集到330*4/pcs个脉冲，再用定时器定时m秒，记录m秒内溢出的次数为n次，得到速度为 v=( n * arr+当前的计数值) / （330 * 4 / psc ）/ m 。
上式中的330是减速比乘上线数，4是设置在 ti1 和 ti2 处均计数时，采集到的脉冲会乘4，psc是分频值，arr是重装载值，得到的结果单位是转每秒。
实验代码
以下代码是通过定时器3的通道1（pa6）和通道2（pa7）设置为编码器模式以采集脉冲数。
整体流程如下：
①、使能定时器3时钟和gpioa时钟
②、初始化两个io为浮空输入
③、初始化定时器参数
④、配置定时器为编码器模式
⑤、初始化输入捕获通道
⑥、初始化nvic中断
⑦、使能定时器更新中断，使能定时器
extern int encoder; //当前速度
void motorencoder_init(u16 arr,u16 psc)
{
gpio_inittypedef gpio_initstructure;
tim_timebaseinittypedef tim_timebasestructure;
tim_icinittypedef tim_icinitstructure;
nvic_inittypedef nvic_initstructure;
rcc_apb1periphclockcmd(rcc_apb1periph_tim3, enable);//使能定时器3时钟
rcc_apb2periphclockcmd(rcc_apb2periph_gpioa , enable); //使能gpio外设时钟使能
//配置定时器复用gpio
gpio_initstructure.gpio_pin = gpio_pin_6; //tim3_ch1
gpio_initstructure.gpio_mode = gpio_mode_in_floating; //浮空输入，输入编码器脉冲
gpio_init(gpioa, &gpio_initstructure);
gpio_initstructure.gpio_pin = gpio_pin_7; //tim3_ch2
gpio_initstructure.gpio_mode = gpio_mode_in_floating; //浮空输入，输入编码器脉冲
gpio_init(gpioa, &gpio_initstructure);
//初始化定时器
tim_timebasestructure.tim_period = 65535; //设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值 80k
tim_timebasestructure.tim_prescaler =0; //设置用来作为timx时钟频率除数的预分频值 不分频
tim_timebasestructure.tim_clockdivision = tim_ckd_div1; //一般不使用，默认tim_ckd_div1
tim_timebasestructure.tim_countermode = tim_countermode_up; //tim向上计数模式
tim_timebaseinit(tim3, &tim_timebasestructure);
//编码器模式配置，定时器3，双边沿检测，也就是四倍频，输入极性不反向
tim_encoderinterfaceconfig(tim3, tim_encodermode_ti12,tim_icpolarity_rising, tim_icpolarity_rising);
//输入捕获通道设置
tim_icinitstructure.tim_channel = tim_channel_1;//通道1
tim_icinitstructure.tim_icpolarity = tim_icpolarity_rising;//上升沿捕获
tim_icinitstructure.tim_icselection = tim_icselection_directti;//ti1直接连到ic1
tim_icinitstructure.tim_icprescaler = tim_icpsc_div1;//捕获不分频，每个上升沿都捕获
tim_icinitstructure.tim_icfilter = 0x06;//输入比较滤波器
tim_icinit(tim3,&tim_icinitstructure);
tim_icinitstructure.tim_channel = tim_channel_2;//通道2
tim_icinitstructure.tim_icpolarity = tim_icpolarity_rising;
tim_icinitstructure.tim_icselection = tim_icselection_directti;
tim_icinitstructure.tim_icprescaler = tim_icpsc_div1;
tim_icinitstructure.tim_icfilter = 0x06;
tim_icinit(tim3,&tim_icinitstructure);
//nvic中断配置
nvic_initstructure.nvic_irqchannel = tim3_irqn;
nvic_initstructure.nvic_irqchannelpreemptionpriority = 0;
nvic_initstructure.nvic_irqchannelsubpriority = 0;
nvic_initstructure.nvic_irqchannelcmd = enable;
nvic_init(&nvic_initstructure);
tim_clearitpendingbit(tim3, tim_it_update );//清除中断和捕获标志位
tim_clearflag(tim3, tim_flag_update);//清除中断标志位
/*开启编码器溢出中断*/
tim_itconfig(tim3, tim_it_update, enable);
tim3->cnt = 0; //定时器计数归零
tim_cmd(tim3, enable); //启动定时器
}//读取编码器
int read_encoder(void)
{
uint16_t value_1;
int16_t value_2;
value_1=tim_getcounter(tim3);//获取当前计数值
tim_setcounter(tim3,0);//将当前计数值清零
value_2 = tim3_circle_count;//获取溢出次数
tim3_circle_count = 0;//溢出次数清零
return value_1 + value_2*65535;//计算总计数值
}
void tim3_irqhandler()
{
if (tim_getitstatus(tim3, tim_it_update) != reset) //判断如果是定时器溢出中断
{
//dir==0，判断当前计数方向，如果是向上计数表示正转，则溢出次数++
if((((tim3->cr1)>>4) & 0x01)==0)tim3_circle_count++;
//dir==1，向下计数表示反转，溢出次数--
else tim3_circle_count--;
}
tim_clearitpendingbit(tim3, tim_it_update ); //清除中断标志
}关于编码器测速计算的坑
使用上述代码计算编码器脉冲时遇到了以下问题，当电机反转时，计数器会向下计数，然而每次计数器都会从0开始计数，所以就会直接溢出，从65535向下计数，tim_getcounter返回值的类型是uint16_t，也就是无符号，只有正数，如果用int型接收，32767到65535的部分会变成-32767到-1，加上溢出次数乘65535就会变成很大的负值，导致出错，所以value1必须用uint16_t接收，另外计算溢出次数时，如果是反转溢出次数会变成负数，所以value2必须用有符号类型int接收。
下面用通用定时器2产生定时中断，在中断中周期性采集编码器脉冲并打印，定时周期等于1000*（7200/72000000） = 0.1s，两个通道都采集，采集到的脉冲数是正常的四倍，所以要除以4，线数是11，减速比是30，所以还要除以330，要求1s的转数还要乘10，最后转速为speed = (float)encoder*10/4/11/30，单位为转每秒。
/**************************************************************************
函数功能：通用定时器2初始化函数，
入口参数：自动重装载值 预分频系数 默认定时时钟为72mhz时，两者共同决定定时中断时间
返回 值：无
**************************************************************************/
void encoderread_tim2(u16 arr, u16 psc)
{
tim_timebaseinittypedef tim_timebaseinitstrue; //定义一个定时中断的结构体
nvic_inittypedef nvic_initstrue; //定义一个中断优先级初始化的结构体
rcc_apb1periphclockcmd(rcc_apb1periph_tim2, enable); //使能通用定时器2时钟
tim_timebaseinitstrue.tim_period=1000; //计数模式为向上计数时，定时器从0开始计数，计数超过到arr时触发定时中断服务函数
tim_timebaseinitstrue.tim_prescaler=7199; //预分频系数，决定每一个计数的时长
tim_timebaseinitstrue.tim_countermode=tim_countermode_up; //计数模式：向上计数
tim_timebaseinitstrue.tim_clockdivision=tim_ckd_div1; //一般不使用，默认tim_ckd_div1
tim_timebaseinit(tim2, &tim_timebaseinitstrue); //根据tim_timebaseinitstrue的参数初始化定时器tim2
tim_itconfig(tim2, tim_it_update, enable); //使能tim2中断，中断模式为更新中断：tim_it_update
nvic_initstrue.nvic_irqchannel=tim2_irqn; //属于tim2中断
nvic_initstrue.nvic_irqchannelcmd=enable; //中断使能
nvic_initstrue.nvic_irqchannelpreemptionpriority=1; //抢占优先级为1级，值越小优先级越高，0级优先级最高
nvic_initstrue.nvic_irqchannelsubpriority=1; //响应优先级为1级，值越小优先级越高，0级优先级最高
nvic_init(&nvic_initstrue); //根据nvic_initstrue的参数初始化vic寄存器，设置tim2中断
tim_cmd(tim2, enable); //使能定时器tim2
}
/**************************************************************************
函数功能：tim2中断服务函数 定时读取编码器数值并进行速度闭环控制 10ms进入一次
入口参数：无
返回 值：无
**************************************************************************/
void tim2_irqhandler()
{
if(tim_getitstatus(tim2, tim_it_update)==1) //当发生中断时状态寄存器(timx_sr)的bit0会被硬件置1
{
encoder=read_encoder(); //读取当前编码器读数
//因为定时器周期是0.1s，要得到1s的速度需要乘10，4是因为两个通道都采集，采集到的是四倍频，需要除以4，11是线数，30是减速比。
encoder = (float)encoder*10/4/11/30;
printf("编码器收到的值为：%d\r\n",encoder);
tim_clearitpendingbit(tim2, tim_it_update); //清除中断标志
}
}
关于编码器初始化的坑
在初始化过程中必须要清除定时器溢出中断标志位，此标志位默认置1，如果不清除标志位会默认进入一次溢出中断，第一次采集到的编码器脉冲数会加上65535，导致测速错误。
tim_clearflag(tim3, tim_flag_update);//清除中断标志位
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