Энкодеры: квадратурный сигнал, подключение и декодирование

Квадратурный сигнал

У инкрементального энкодера два выхода, A и B, сдвинутые на четверть периода. В терминах Broadcom один цикл — это 360 электрических градусов (одна пара «штрих — прорезь» на диске), сдвиг фаз A и B — 90 электрических градусов, а фронты двух каналов делят цикл на четыре состояния по 90°. Число циклов на оборот N Broadcom называет CPR (counts per revolution), Alps Alpine — числом импульсов. Некоторые производители понимают под CPR отсчёты после умножения на 4, а циклы называют PPR, поэтому определение сверяйте по даташиту.

Последовательность состояний — двухразрядный код Грея: на каждом шаге меняется только один сигнал.

При вращении в одну сторону состояния идут сверху вниз (A опережает B), в другую — снизу вверх (B опережает A). Направление определяется тем, какой сигнал переключился, в какую сторону и каким был в этот момент второй: передний фронт A при низком B — шаг вперёд, при высоком — назад; задний фронт A — наоборот. Какому направлению вала соответствует «A опережает B», указывает даташит: у HEDS-5500 — вращение против часовой стрелки, если смотреть со стороны энкодера, у EC11 — по часовой стрелке.

Индекс (канал Z или I) — третий выход, один импульс за оборот. У HEDS-5540 он шириной 90 электрических градусов (по таблице допусков 55–125°) и совпадает с состоянием, когда A и B оба низкие. По нему находят нулевое положение после включения.

Режимы x1, x2, x4 и скорость счёта

Из одного цикла можно получить один, два или четыре отсчёта — смотря какие фронты считать:

Шаг по углу и частота отсчётов при скорости n об/мин:

где k — 1, 2 или 4, а f_A — частота сигнала на одном канале. Именно f_A Broadcom называет частотой счёта и гарантирует работу HEDS-5500/5540 до 100 кГц.

Пример. HEDS-5540 с диском на 500 CPR (буква A в обозначении) на двигателе 3000 об/мин, счёт x4:

• f_A = 3000 · 500/60 = 25 кГц — четверть гарантированных 100 кГц;
• f_сч = 4 · 25 = 100 кГц, то есть 100 000 отсчётов в секунду: в среднем 10 мкс между фронтами, 720 тактов таймера на 72 МГц. Погрешность ширины состояния у HEDS-5540 — до 35 из 90 электрических градусов, поэтому самый короткий интервал — около 10 · 55/90 ≈ 6,1 мкс, 440 тактов;
• 2000 отсчётов на оборот, шаг 0,18°. Это мельче, чем погрешность самого энкодера: ошибка положения HEDS-5500/5540 — до 40 угловых минут, около 0,67°;
• гарантированный предел по частоте счёта: $n_{\max} = 100\,000 \cdot 60 / 500 = 12\,000$ об/мин, тогда f_сч = 400 кГц. Broadcom оговаривает, что модуль может работать и на более высоких частотах, но без гарантии;
• 16-битный счётчик таймера при 100 кГц проходит полный круг за 65 536 / 100 000 ≈ 0,66 с; разность двух отсчётов со знаком однозначна, пока она меньше 32 768, то есть счётчик надо читать чаще чем раз в 0,33 с.

Скорость получают двумя способами, оба описаны в RM0008: считывают счётчик через равные интервалы и делят приращение на время, или измеряют вторым таймером период между соседними событиями энкодера. Первый хорош на высоких скоростях: при опросе раз в 1 мс и 2000 отсчётах на оборот один отсчёт соответствует 60/(2000 · 0,001) = 30 об/мин. На малых скоростях точнее второй.

Механические, оптические и магнитные энкодеры

Механический энкодер EC11

Ручки регулировки и навигации по меню обычно делают на механических энкодерах. Внутри два скользящих контакта, которые замыкают выводы A и B на общий вывод C, поэтому без подтягивающих резисторов на выходах нет никакого сигнала. Рабочий ток контактов по Alps Alpine — от 1 до 10 мА при резистивной нагрузке, дребезг нормирован при подтяжке 5 кОм к 5 В, то есть при 1 мА. Если микроконтроллер питается от 3,3 В, подтяжку ставят к 3,3 В: 1 мА — это 3,3 кОм.

Главное, что надо знать про EC11, — число фиксаций и импульсов не совпадает. У EC11E15244G1 30 фиксаций и 15 импульсов на оборот; в каталоге серии EC11E есть также 18/9 и 36/18. На диаграмме Alps Alpine в каждой фиксации оба контакта разомкнуты или оба замкнуты, а между фиксациями по часовой стрелке первым переключается A, затем B. Значит, один щелчок — это полцикла, два перехода кода Грея и 2 отсчёта в режиме x4. Счёт по одному фронту A дал бы один отсчёт на два щелчка.

Контакты дребезжат: по Alps Alpine при проверке на 360°/с с подтяжкой 5 кОм дребезг (chattering) длится до 3 мс, отскок (bounce) — до 2 мс. Общие сведения о явлении — в статье «Дребезг контактов». Alps Alpine приводит пример фильтра на каждый канал: подтяжка 10 кОм к 5 В, затем 10 кОм последовательно ко входу и 0,01 мкФ на землю. Ток замкнутого контакта в этом примере — 0,5 мА, ниже минимума из таблицы, так что свои номиналы проверяйте по таблице. Постоянная времени разряда при замыкании контакта — 10 кОм · 0,01 мкФ = 100 мкс, заряда при размыкании через оба резистора — 200 мкс. Такая цепь гасит короткие выбросы, но не весь дребезг длиной в миллисекунды — остальное делает логика декодера. Фронты после RC-цепи пологие, поэтому вход микроконтроллера должен быть с триггером Шмитта.

Оптический энкодер HEDS-5500/5540

HEDS-5500 — двухканальный модуль, HEDS-5540 — трёхканальный, с индексом. Светодиод через линзу светит на металлический диск, за ним — микросхема с фотодиодами и компараторами, которые формируют чистые прямоугольные импульсы без дребезга. Питание — 4,5–5,5 В, выходы совместимы с TTL. Высокий уровень на выходе HEDS-5540 не ниже 2,4 В гарантирован при токе нагрузки до 200 мкА, и для надёжной работы Broadcom требует подтягивающие резисторы 2,7 кОм на выходах A, B и I, расположенные не дальше 1,2 м от энкодера. HEDS-5500 обычно обходится без них, но 3,2 кОм рекомендуются для более крутых фронтов, особенно выше 100 кГц. Такие энкодеры ставят на двигатели постоянного тока для обратной связи по скорости и положению.

Магнитный абсолютный AS5600

AS5600 стоит под торцом вала с диаметрально намагниченным магнитом и измеряет угол его поля. Сигналы датчиков Холла оцифровывает 12-битный АЦП, угол вычисляет блок CORDIC, а автоматическая регулировка усиления компенсирует изменения поля от температуры и зазора. Угол читают по I²C, а вывод OUT выдаёт его аналоговым напряжением, пропорциональным питанию, или ШИМ.

• Питание. Режим 5 В: 4,5–5,5 В на VDD5V с конденсатором 100 нФ, на VDD3V3 — 1 мкФ к встроенному стабилизатору. Режим 3,3 В: VDD5V и VDD3V3 соединены, 3,0–3,6 В. Ток — до 6,5 мА, в режимах пониженного потребления — до 1,5–3,4 мА.
• Интерфейс. Адрес I²C фиксированный — 0x36, частота до 1 МГц, растягивания такта нет. Подтяжки шины считают как обычно — см. I²C.
• Направление. Вывод DIR на общем проводе — угол растёт по часовой стрелке, на питании — против.
• Магнит. Нужна вертикальная составляющая поля 30–90 мТл на поверхности кристалла. Регистр STATUS (0x0B) показывает MD — магнит обнаружен, ML — слишком слабый, MH — слишком сильный; регистр AGC (0x1A) — усиление, которое лучше держать в середине диапазона: 0–255 в режиме 5 В и 0–128 в режиме 3,3 В.

Угол хранится в двух регистрах: RAW ANGLE (0x0C, 0x0D) — без масштабирования, ANGLE (0x0E, 0x0F) — с учётом запрограммированных начала и конца диапазона. Регистры читают двумя байтами подряд: в первом, H, младшие 4 бита — разряды 11:8 угла, во втором, L, — разряды 7:0. Пересчёт в градусы:

Шаг 0,088°, но интегральная нелинейность — до ±1°, шум (среднеквадратичный) — до 0,015° при самом медленном фильтре (установление 2,2 мс) и до 0,043° при самом быстром (0,286 мс). В режиме ШИМ кадр длится 4351 такт: 128 тактов высокого уровня, 4095 тактов данных и 128 низкого; код равен числу тактов высокого уровня минус 128. Частота ШИМ задаётся битами PWMF: 115, 230, 460 или 920 Гц.

Абсолютные энкодеры и код Грея

Инкрементальный энкодер после включения не знает, где вал, — его обнуляют по индексу или концевику. Пропущенный из-за помехи импульс остаётся ошибкой до следующего обнуления. Абсолютный энкодер выдаёт код положения, поэтому ошибка не накапливается. AS5600 абсолютен в пределах одного оборота. Если нужны обороты, программа считает их сама: читает RAW ANGLE чаще, чем вал проходит пол-оборота, и ловит переход кода через границу в обе стороны — 4095 → 0 при вращении вперёд и 0 → 4095 назад. ANGLE для этого хуже: на границе 360° у него гистерезис 10 единиц младшего разряда.

Если код положения снимается сразу с нескольких разрядов, которые переключаются не строго одновременно, обычный двоичный код опасен: при переходе 0111 → 1000 меняются все четыре разряда, и в момент перехода может прочитаться любое число. Код Грея устроен так, что соседние значения отличаются ровно одним разрядом, и на границе читается либо старое, либо новое значение. Фрэнк Грей описал его в патенте 1947 года об импульсно-кодовой передаче сигналов, где код формирует электронно-лучевая трубка с кодирующей маской, и назвал «отражённым двоичным кодом»: кодовые группы соседних уровней сигнала там тоже отличаются одной позицией.

Преобразования делаются операцией «исключающее ИЛИ»:

#include <stdint.h>

static inline uint16_t bin_to_gray(uint16_t b)
{
    return b ^ (b >> 1);
}

static inline uint16_t gray_to_bin(uint16_t g)
{
    for (uint16_t s = g >> 1; s != 0; s >>= 1)
        g ^= s;     /* fold every higher bit down */
    return g;
}

Квадратурный сигнал A, B — тот же код Грея, только двухразрядный и бесконечно повторяющийся.

Аппаратное декодирование: режим энкодера STM32

Таймеры STM32F1 умеют считать квадратурный сигнал сами (RM0008, раздел 15.3.12 «Encoder interface mode» для TIM2–TIM5 и 14.3.16 для TIM1 и TIM8). Сигналы подают на входы каналов 1 и 2 — TI1 и TI2, режим выбирают полем SMS[2:0] регистра TIMx_SMCR: 001 — счёт по фронтам TI2, 010 — по фронтам TI1, 011 — по фронтам обоих входов. Направление по таблице 85 для режима 011:

Если A подключён к TI1, а B к TI2, то при A, опережающем B, счётчик идёт вверх. Бит DIR регистра CR1 обновляется аппаратно на каждом переходе и в этом режиме доступен только для чтения. Счётчик ходит между 0 и ARR, поэтому ARR надо записать до запуска: 0xFFFF — для непрерывного счёта, 4N − 1 — чтобы счётчик проходил ровно круг за оборот. Счётчик TIM2–TIM5 у STM32F1 16-битный.

Что ещё говорит RM0008:

• Дрожание на границе. Если вал стоит около точки переключения и один сигнал дрожит, в режиме 011 счётчик ходит на один отсчёт вверх и обратно и не уплывает (рисунок 134).
• Фильтр. Поле IC1F (и IC2F) регистра CCMR1 требует N одинаковых выборок подряд: 0011 — 8 выборок на частоте таймера, при 72 МГц это 111 нс. Наибольший фильтр, 1111 при CKD = 10, — 1024 такта, около 14 мкс. Миллисекундный дребезг механического энкодера им не убрать — но в режиме 011 он и не сбивает счёт, а лишь качает счётчик на отсчёт.
• Дифференциальные выходы (A, /A, B, /B у промышленных энкодеров) переводят в однополярные компараторами — помехоустойчивость заметно выше.
• Индекс подключают к линии внешнего прерывания EXTI и по нему обнуляют счётчик.

Регистры TIM4 на STM32F103 по RM0008 (15.4.3, 15.4.7, 15.4.9), A — на PB6 (TIM4_CH1), B — на PB7 (TIM4_CH2), таблица 43:

Итого CCMR1 = 0x3131, SMCR = 0x0003. Выводы PB6 и PB7 у STM32F103 допускают 5 В (FT в таблице 5 даташита DS5319), поэтому подходят и для пятивольтового HEDS-5540 с подтяжками к 5 В. Внутреннюю подтяжку на FT-выводе при сигнале выше VDD + 0,3 В надо отключить, поэтому вход — без подтяжки (RM0008, таблица 20: MODE = 00, CNF = 01).

#include "stm32f1xx.h"

/* STM32F103: TIM4 in encoder mode 3 (x4), A -> PB6 (TIM4_CH1), B -> PB7 (TIM4_CH2).
   PB6 and PB7 are 5 V tolerant; pull-up resistors are fitted at the encoder. */
void encoder_init(void)
{
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPBEN;
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM4EN;

    /* PB6, PB7: floating input, MODE = 00, CNF = 01 */
    GPIOB->CRL = (GPIOB->CRL & ~(GPIO_CRL_MODE6 | GPIO_CRL_CNF6 | GPIO_CRL_MODE7 | GPIO_CRL_CNF7))
               | GPIO_CRL_CNF6_0 | GPIO_CRL_CNF7_0;

    TIM4->CCMR1 = TIM_CCMR1_CC1S_0                 /* CC1S = 01: IC1 on TI1 */
                | TIM_CCMR1_CC2S_0                 /* CC2S = 01: IC2 on TI2 */
                | (3U << TIM_CCMR1_IC1F_Pos)       /* IC1F = 0011: f_CK_INT, N = 8 */
                | (3U << TIM_CCMR1_IC2F_Pos);      /* IC2F = 0011 */
    TIM4->CCER  = 0;                               /* CC1P = CC2P = 0: not inverted */
    TIM4->SMCR  = TIM_SMCR_SMS_1 | TIM_SMCR_SMS_0; /* SMS = 011: count on TI1 and TI2 edges */
    TIM4->ARR   = 0xFFFF;                          /* must be set before the start */
    TIM4->CNT   = 0;
    TIM4->CR1   = TIM_CR1_CEN;
}

/* Signed change since the previous call, valid while |delta| < 32768 counts */
int16_t encoder_delta(void)
{
    static uint16_t last;
    uint16_t now = (uint16_t)TIM4->CNT;
    int16_t delta = (int16_t)(uint16_t)(now - last);
    last = now;
    return delta;
}

Как устроены таймеры, PSC, ARR и остальные режимы — в статье «Таймеры STM32». Отсчёты на оборот, частоту сигналов A и B при наибольшей скорости и время полного круга счётчика считает калькулятор таймера.

ESP32. Здесь квадратуру считает блок PCNT (TRM, глава 23): 8 блоков, у каждого 16-битный знаковый счётчик и два канала со входом сигнала и входом управления, частота импульсов до 40 МГц, фильтр отбрасывает импульсы короче заданного числа тактов APB_CLK. Для счёта x4 сигнал A подают на вход сигнала канала 0 и на вход управления канала 1, B — наоборот. Из таблицы режимов раздела 23.2.2 получается настройка, совпадающая по направлению с таблицей STM32 выше:

Входы ESP32 5 В не допускают: по даташиту напряжение высокого уровня — не выше VDD + 0,3 В. Пятивольтовый HEDS-5540 подключают через согласование уровней, а подтяжки механического энкодера ставят к 3,3 В.

Программное декодирование

Когда свободного таймера нет или энкодер — ручка на передней панели, сигнал декодируют программно. Надёжный способ — таблица переходов: из прошлого и нового состояния (2A + B) получается индекс 0–15, а по нему — +1, −1 или 0. Ноль ставится и при отсутствии изменений, и при недопустимом переходе, когда за один опрос сменились оба сигнала: значит, опрос был слишком редким, два отсчёта потеряны и направление неизвестно.

#include <stdint.h>

/* Index = (previous state << 2) | current state, state = (A << 1) | B.
   +1: A leads B, -1: B leads A, 0: no change or both lines changed (two counts lost). */
static const int8_t qdec_table[16] = {
     0, -1, +1,  0,
    +1,  0,  0, -1,
    -1,  0,  0, +1,
     0, +1, -1,  0
};

/* One instance per encoder: a motor encoder and a knob must not share state */
typedef struct {
    uint8_t prev;       /* last state, (A << 1) | B */
    int32_t position;   /* x4 counts */
    int8_t  acc;        /* counts since the last detent, knob only */
} qdec_t;

/* Start from the current pin levels, otherwise the first update may count a false step */
void qdec_init(qdec_t *q, uint8_t a, uint8_t b)
{
    q->prev = (uint8_t)((a << 1) | b);
    q->position = 0;
    q->acc = 0;
}

static int8_t qdec_step(qdec_t *q, uint8_t a, uint8_t b)
{
    uint8_t curr = (uint8_t)((a << 1) | b);
    int8_t d = qdec_table[(q->prev << 2) | curr];
    q->prev = curr;
    return d;
}

/* Call on every edge of A and B (EXTI) or from a periodic timer tick */
void qdec_update(qdec_t *q, uint8_t a, uint8_t b)
{
    q->position += qdec_step(q, a, b);
}

/* EC11E15244G1 knob (30 detents, 15 pulses): two transitions per detent,
   both signals are specified at rest (A == B). Returns +1 or -1 once per detent. */
int8_t knob_update(qdec_t *q, uint8_t a, uint8_t b)
{
    q->acc += qdec_step(q, a, b);
    if (q->prev == 0 || q->prev == 3) {         /* detent reached */
        int8_t step = (int8_t)((q->acc >= 2) - (q->acc <= -2));
        q->acc = 0;                             /* bounce back to the same detent gives 0 */
        return step;
    }
    return 0;
}

Таблица сама подавляет дребезг одного канала: каждое ложное переключение даёт +1 и сразу −1. Для ручки по проводке Alps Alpine (A и B подтянуты, общий вывод на земле) поворот по часовой стрелке даёт +1. Логика фиксаций в knob_update рассчитана на EC11E15244G1, у которого в фиксации заданы уровни обоих сигналов. Alps Alpine предупреждает, что у части энкодеров в фиксации задан только уровень A, а B не определён, — для них сверяйте диаграмму своего типа.

Прерывания или опрос. Прерывание на оба фронта обоих сигналов срабатывает на каждый отсчёт x4. Для двигателя из примера выше это 100 000 прерываний в секунду — в среднем 720 тактов на каждое при 72 МГц, а в самом коротком состоянии около 440. На 12 000 об/мин остаётся 180 тактов в среднем — здесь нужен таймер. Для механической ручки удобнее опрос по таймеру раз в 1 мс: при 360°/с, на которых Alps Alpine проверяет дребезг, у EC11 с 60 состояниями на оборот одно состояние держится около 17 мс — это 16 опросов, и дребезг длиной до 3 мс таблица переварит. Прерывания по фронтам механического энкодера без фильтра, наоборот, дают пачки срабатываний на каждом щелчке.

Типичные ошибки

• Нет подтяжек или они слишком слабые. Выходы механического энкодера — просто контакты на общий вывод, без подтяжки высокого уровня на них нет. У HEDS-5540 высокий уровень не ниже 2,4 В гарантирован при нагрузке до 200 мкА, и для надёжной работы Broadcom требует подтяжки 2,7 кОм. Внутренняя подтяжка STM32F103 — 30–50 кОм (DS5319, таблица 36): при 3,3 В это 0,07–0,11 мА, на порядок меньше минимального рабочего тока контактов EC11 (1 мА), а на длинном кабеле фронты с ней затянуты. Ставьте внешние резисторы у энкодера — к 3,3 В, если микроконтроллер на 3,3 В.
• Счёт по одному фронту одного канала. Прерывание только по переднему фронту A с чтением B кажется достаточным, но если вал стоит на границе и A дрожит, каждый передний фронт добавляет отсчёт, а задний ничего не вычитает — положение уплывает. При счёте по всем фронтам дрожание компенсируется, как на рисунке 134 RM0008.
• Фиксации приняты за импульсы. У EC11E15244G1 30 щелчков и 15 импульсов: в x4 — 2 отсчёта на щелчок, при счёте по одному фронту A — один отсчёт на два щелчка.
• Дребезг механического энкодера. До 3 мс по Alps Alpine: без RC-цепи и таблицы переходов ручка «прыгает» на несколько шагов или в обратную сторону.
• Общее состояние у двух декодеров. Каждому энкодеру — своя структура состояния, а начальное состояние берут с выводов: иначе первое же обновление может дать ложный отсчёт.
• Переполнение 16-битного счётчика. Позицию копят в 32-битной переменной, прибавляя разность (int16_t)(now - last), и читают таймер чаще, чем он проходит половину круга.
• Пятивольтовый энкодер на входе 3,3 В. HEDS-5540 питается от 4,5–5,5 В, его выходы с подтяжкой к 5 В подают только на выводы, допускающие 5 В (у STM32F103 PA6 и PA7, входы TIM3, такими не являются, у ESP32 таких нет), или через согласование уровней.
• Обратное направление. Поменяйте провода A и B или инвертируйте один вход (CC1P = 1).
• Эксперименты с OTP у AS5600. Команда BURN_ANGLE (0x80 в регистр 0xFF) записывает начало и конец диапазона навсегда, выполняется не больше трёх раз и только при обнаруженном магните (MD = 1). Пока настройка не окончательная, пишите регистры без прожига.