增量式光电编码器详解

基本原理

增量式光电编码器主要由三个部分组成：发光二极管、码盘以及码盘背面的光传感器

码盘

码盘安装在旋转轴上，上面均匀地排列着透光和不透光的扇形区域。当码盘转动时，不透光的部分能够挡住光线，而透光区则允许光线透过，那么码盘背面的光传感器就会周期性地收到光信号，从而输出一列方波

码盘转动一周时，光传感器输出的脉冲个数是固定的，那么通过 检测一定时间内收到的脉冲个数，就可以知道在这段时间内码盘转动了多少圈，进而换算为速度。例如，一个码盘转动一周时会输出 100 个脉冲，在 0.1s 内我们收到了 500 个脉冲，这意味着 0.1s 内码盘转动了 5 周，即码盘的转速为

AB 相

如果编码器只输出一列方波（假设为 A），该怎样判断码盘是正转还是反转？因为无论是正转还是反转，都会产生同样的方波，而它们对速度的贡献显然是相反的。上面我们说过，码盘上均匀地刻着透光和不透光的扇形区域，我们在扇形区域内侧再均匀地刻上一圈透光和不透光的扇形区域，不同的是，外圈和内圈的区域是“交错”的

通过观察上图中的码盘我们可以得到如下结论

• 当外圈处于不透光区域时，内圈对应的一半为透光区域，一半为不透光区域
• 当外圈处于透光区域时，内圈对应的一半为不透光区域，一半为透光区域

我们在内外扇形区域各安装上一套发光二极管、码盘以及光传感器，那么当码盘转动时，编码器就会 输出两列相位差为 90° 方波（习惯称之为 A、B 相）

码盘沿不同方向旋转时 A、B 相输出如下，显然正转和反转输出方波的特征是不同的

通过判断 B 处于上升沿时 A 的电平状态，我们就可以知道码盘旋转的方向了

• 当码盘正转时，在 B 的上升沿，方波 A 恒为高电平
• 当码盘反转时，在 B 的上升沿，方波 A 恒为低电平

注意

1. 正/反转是相对而言的，重点在于区分不同旋转方向时的波形特征
2. 通过观察 A 上升沿时 B 的电平亦能判旋转方向，参考下文代码实现部分

速度计算

假如编码器码盘旋转一周 A/B 相输出的脉冲数目为 N，在时间 T 内统计到的有效脉冲数目为 S（正转脉冲数 + 1，反转脉冲数 - 1），小车轮子的直径为 D，那么小车的速度换算公式如下

笔者使用的编码器码盘旋转一周输出的脉冲个数为 90，小车轮子的直径为 75mm，假如 1s 内统计得到的有效脉冲数目为 500，代入上式计算小车此时的速度为

代码实现

显然，速度计算的关键在于 统计一定时间内的脉冲数目，这里提供两种思路

1. 利用中断检测 B 的上升沿，触发中断时判断 A 的电平，来决定计数值加还是减
2. 将定时器设置为编码器模式，直接读取计数值和方向

本文基于 STM32 平台开发驱动，读者了解增量编码器原理后，移植到其它平台应该是难度不大的。下面分别介绍上述两种方法的实现

方法一

实现原理：利用中断检测 B 的上升沿，触发中断时判断 A 的电平，来决定计数值加还是减

打开 CubeMX，设置相关管脚，我这里使用的是 PC2 和 PC3 来接 A、B 相

为方便观察调试，这里启用 USART 串口

打开定时器2，定时器响应时通过 USART 串口把计数值打印出来

设置定时 200ms

导入 Cube 工程，定义相关变量

int encoder_count = 0;      // 计数器
char msg[64];			    // USART 输出字符缓冲区
float speed = 0;            // 速度
int flag = 0;               // 计数标志位：0 计数，1 清零

重写外部中断回调函数

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
    // A 相上升沿中断触发
  	if(GPIO_Pin == GPIO_PIN_2)
  	{
        if(flag == 1)
        {
            // 清零速度计时器
            encoder_count = 0;
        }
        else
        {
            // 判断 B 相电平
          	if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, GPIO_PIN_3) == 0)
            {
                // 码盘正转
                encoder_count++;
            }
            else
            {
                // 码盘反转
                encoder_count--;
            }
        }
  	}
}

定时器 2 响应后，通过 USART 串口向上位机发送数据

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    if (htim->Instance == TIM2)
    {
        if (flag == 0)
        {
            // 计算速度（cm/s）
            speed = (float)encoder_count * 3.14 * 0.14 / (90 * 0.2)*100/34;
            // 格式化消息缓冲器
            sprintf(msg, "speed:%dcm/s\r\n",(int)speed);
            // 发送数据至上位机
            HAL_UART_Transmit_IT(&huart1, (uint8_t*)msg, sizeof(msg));
            // 清空速度计数器，进行下一轮计数
            flag = 1;
        }
        else
        {
            flag = 0;
        }
    }
}

在主函数中打开定时器 2

HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);

测试效果如图

方法二

使用定时器的编码器模式

设置 TIM4 的 Combined Channels 为编码器模式

配置编码模式

• Prescaler：分频系数

• Counter Mode：计数模式，设置为 UP 时码盘正转计数值增加，反转计数值减小

• Counter Period：编码器计数最大值，一般设置为 65535 以防止溢出

• Encoder Mode：计数模式，编码器计数有三种模式可选

  1. T1

     只在上升沿计数，例如在一定时间内 A/B 产生了 100 个脉冲，那么编码器计数值为200（A、B 产生脉冲数相等）。由于分频系数 Prescaler 的存在，实际调用函数得到的计数值为

     

  2. T2

     只在下降沿计数，计数值与 T1 相等

  3. TI and T2

     在上升沿、下降沿都计时，计数值为 T1/T2 的两倍

导入 CubeMx 工程，定义相关变量

uint8_t encoder_count;      	// 编码器计数
uint8_t msg[64];				// 字符缓冲区
uint8_t encoder_direction;  	// 编码器方向

打开定时器 4

HAL_TIM_Encoder_Start(&htim4, TIM_CHANNEL_ALL);

读取相关值并通过 OLED 显示出来

while (1)
{
	// 获取编码器计数值和旋转方向
    encoder_count = __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim4);
    encoder_direction = __HAL_TIM_IS_TIM_COUNTING_DOWN(&htim4);  
    // 格式化字符串缓冲区
    sprintf((char *)msg, "fre:%4d dir:%d", encoder_count*2, encoder_direction);
	// OLED 显示
    OLED_Clear();
    OLED_ShowString(0,0,msg);
    // 清零计数器
    __HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim4,0);
    HAL_Delay(500);
}

这里用函数发生器模拟 A、B 两列方波，编码器计数时采用 T1 and T2 模式，分频系数为 3，所以理论上 1s 内采集到的脉冲数目为

代码中每 500ms 读取一次编码器计数值，那么乘以 2 才是方波的真实频率

sprintf((char *)msg, "fre:%4d dir:%d", encoder_count*2, encoder_direction);