STM32学习笔记（七）丨TIM定时器及其应用（编码器接口丨用定时器实现编码器测速）

​  本次课程采用单片机型号为STM32F103C8T6。
​  课程链接：江科大自化协 STM32入门教程

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  往期笔记链接：
  STM32学习笔记（一）丨建立工程丨GPIO 通用输入输出
  STM32学习笔记（二）丨STM32程序调试丨OLED的使用
  STM32学习笔记（三）丨中断系统丨EXTI外部中断
  STM32学习笔记（四）丨TIM定时器及其应用（定时中断、内外时钟源选择）
  STM32学习笔记（五）丨TIM定时器及其应用（输出比较丨PWM驱动呼吸灯、舵机、直流电机）
  STM32学习笔记（六）丨TIM定时器及其应用（输入捕获丨测量PWM波形的频率和占空比）

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  如果上一篇笔记的内容为史诗级副本，本篇文章的内容我愿称之为传说级副本（四）。

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一、编码器接口

1.1 编码器接口简介

  编码器接口（Encoder Interface），可以接收正交编码器（又称为增量编码器）的信号，根据编码器旋转产生的正交信号脉冲，自动由硬件电路控制定时器时基单元中的计数器CNT自增或自减，从而指示编码器的位置、旋转方向和旋转速度。从原理上看，编码器接口输出的信号就相当于一个带有方向控制的外部时钟，同时控制CNT的计数时钟和计数方向。这时，CNT的值就代表了编码器的位置。如果每隔一段时间将CNT的值取出并清0，我们就能得到编码器在这一段时间内的旋转速度（注意，不是旋转速率，这里的速度只与这段时间的长短和始末位置有关），思路与测频法测正交脉冲的频率相似，只不过这里的计数器的计数方向由编码器接口决定。

正交（增量）编码器

  两个输出引脚输出的方波信号相位相差90°的编码器称为正交（增量）编码器。一个方波信号相对于另一个方波信号超前或滞后90°代表正传或反转。
  要测量编码器的旋转方向，还可以使用一个引脚输出方波表示旋转角度和速度，另一个引脚输出旋转方向：正传输出高电平，反转输出低电平。但相较于这一种方案，使用正交编码器的优势在于：

1. 正交信号精度更高。正交信号的A、B相都可以计次，且相位相差90°，相当于计次频率（计数器的变化频率）提高了一倍。
2. 正交信号可以在一定程度上免除噪声的干扰。对于正交信号而言，两个信号必须交替跳变，CNT的值才会自增或自减。如果一个信号不变，另一个信号连续跳变，则CNT的值是不会变化的。

  每个高级定时器和通用定时器都拥有1个编码器接口，且功能上没有差别。编码器接口的两个输入引脚借用了输入捕获的通道1（TIMx_CH1）和通道2（TIMx_CH2）。由于STM32中定时器的数量有限，编码器接口占用的硬件资源还是很大的，如果一个定时器被配置为编码器接口模式，那这个定时器将很难完成其他功能。

  STM32的软硬件资源是互补的。如果在实际应用中，出现了硬件资源不足的情况，可以使用软件资源作弥补，对于软件也是相同。例如，我们可以通过外部中断来实现类似编码器接口测速的功能；对于PWM，也可以在定时中断中手动翻转引脚电平来达到类似的效果；输入捕获的功能也可以由外部中断完成，可以在中断中手动将CNT取出并放在变量里，然后再清0……在有硬件资源的条件下，应该优先使用硬件资源，节约出的软件资源可以完成更重要的任务。

1.2 编码器接口的基本结构和工作模式

  编码器接口借用了定时器的CH1和CH2通道，与CH3和CH4无关。且输入捕获前端的输入滤波和极性选择部分也有使用。编码器接口的输出部分，相当于一个从模式控制器，控制CNT的自增和自减。此时72Hz内部时钟和时基单元初始化时设置的计数方向都处于失效的状态，因为此时的计数时钟和计数方向都处于编码器接口托管的状态。 所以当一个定时器被配置为编码器接口模式，这个定时器就很难完成其他工作了，因为编码器接口直接控制时基单元的时钟来源。
  在编码器接口模式下ARR也是有效的，一般将ARR设置为最大量程，这样利用补码的特性，很容易得到负数。
  编码器接口的设计逻辑为：把A相和B相的所有边沿作为计数器的计数时钟，出现边沿信号时，就计数自增或自减，此时增减由另一相的状态确定。当然，也可以仅在一相进行计数，忽略另一相，只不过这样会牺牲一部分计数的精度。

1.3 编码器接口的工作实例分析

  TI1FP1和TI2FP2均不反相时，计数器的操作实例如下图所示。下图同时也展示了编码器接口的抗噪声原理：当一个信号不变，另一个信号连续跳变，计数器就会来回加减摆动，最终计数值不变。

  TI1FP1反相，TI2FP2不反相时，计数器的操作实例如下图所示。在输入捕获模式下，极性选择模块是用来选择上升沿有效还是下降沿有效的，但编码器接口模式上升沿和下降沿都有效，所以在编码器接口模式下，极性选择不再是边沿的极性选择，而是高低电平的极性选择。
  这里反相的作用是：如果在编码器模块的使用过程中，发现数据的加减方向反了，这时就可以将任意一个引脚反相，就可以反转计数方向了。当然，也可以直接把A相和B相的输入引脚更换一下。

二、代码实现编码器测速

  本小节要实现的实验现象比较简单，这里采用编码器接口获取CNT中的值，在Encoder_Get函数中手动将CNT清0，并且采用定时中断的方法，定时1s取一次CNT的值。

• Timer.c（使用TIM2定时，每1s触发一次定时中断）

#include "stm32f10x.h"                  // Device header

void Timer_Init(void)
{
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
	
	TIM_InternalClockConfig(TIM2);
	
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 10000 - 1;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 7200 - 1;	
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;	
	TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);

	TIM_ClearFlag(TIM2, TIM_FLAG_Update);		// 避免刚初始化完成就进入中断函数的问题

	TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);
	
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
	// 初始化NVIC
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2;	// 响应优先级
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;	// 抢占优先级
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

	TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

• Encoder.c（使用TIM3配置为编码器接口模式）

#include "stm32f10x.h"                  // Device header

void Encoder_Init(void)
{
	// 1. RCC开启时钟
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	
	// 2. 配置GPIO
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;	// 和外部输入模块默认电平保持一致
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	// 3. 配置时基单元
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;	// 这里计数模式失效
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 65536 - 1;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 1 - 1;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;
	TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseInitStructure);
	
	// 4. 配置输入捕获单元
	TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStruct;
	TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStruct);							// 给结构体赋一个初始值防止未知问题
	
	// 配置CH1
	TIM_ICInitStruct.TIM_Channel = TIM_Channel_1;					
	TIM_ICInitStruct.TIM_ICFilter = 0xF;							
//	TIM_ICInitStruct.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;		
//  这里的上升沿并不代表上升沿有效，这里代表高低电平极性不翻转
//	它与TIM_EncoderInterfaceConfig中的参数操作的是同一个寄存器，属于重复配置
	
	TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStruct);
	
	// 配置CH2
	TIM_ICInitStruct.TIM_Channel = TIM_Channel_2;					
	TIM_ICInitStruct.TIM_ICFilter = 0xF;							
//	TIM_ICInitStruct.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;		
	
	TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStruct);
	
	// 5. 配置编码器接口模式
	TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM3, TIM_EncoderMode_TI12, TIM_ICPolarity_Rising, TIM_ICPolarity_Rising);
	
	// 6. 启动定时器
	TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}

int16_t Encoder_Get(void)
{
	int16_t Temp;
	Temp = TIM_GetCounter(TIM3);	// 这里TIM_GetCounter返回一个uint16_t类型的值，利用补码很方便地将正数变为负数，例如65535变为-1
	TIM_SetCounter(TIM3, 0);
	return Temp;
}

• main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Timer.h"
#include "Encoder.h"

int16_t Speed;

int main()
{
	OLED_Init();
	Timer_Init();
	Encoder_Init();
	
	OLED_ShowString(1, 1, "Speed:");

	while(1)
	{
		// 一般不建议以下做法，容易阻塞主程序
//		OLED_ShowSignedNum(1, 5, Encoder_Get(), 5);
//		Delay_ms(1000);
		OLED_ShowSignedNum(1, 7, Speed, 5);
	}
}

void TIM2_IRQHandler(void)
{
	if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) == SET)
	{
		Speed = Encoder_Get();
		TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);
	}
}

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