В этой статье пойдет речь о энкодере и о том как его подключить к микроконтроллеру. Встретить его можно в таких устройствах как аудиосистемы, стиральные машины, микроволновкой и ряде современных устройств. К примеру в аудиосистемах энкодеры и микроконтроллеры используются для регулировки громкости. Но ладно хватит уже воды, давайте ближе к делу.
Энкодер или как его еще называют датчик угла поворота - представляет собой электромеханическое устройство, которое преобразует положение угла вала в электрический сигнал. Энкодеры делятся на 2 типа абсолютные и инкрементные.
В инкрементных энкодерах при повороте вала формируются импульсы, количество этих импульсов пропорционально углу поворота вала. Если подсчитать эти импульсы то можно узнать угол поворота вала энкодера. Если ручка энкодера находится в покое то импульсы не формируются. Такие энкодеры широко применяются в аудио системах и промышленных средствах управления.
Абсолтные энкодеры имеют совершенно другой принцип дейставия, основаная на выдачи уникального кода каждому положению вала. Формирование импульсов происходит когда вал вращается и когда он в покое. Причем информация о текущем положения вала, сохранится даже после прекращения подачи напряжения.
В нашем примере мы подключим инкрементный энкодер с микроконтроллером. Энкодер PEC12 422OF SOO24 который имеет 24 импульса за 1 оборот.
Энкодер имеет 5 выводов, 3 из них это выводы самого энкодера, а другие два это кнопка. У выводов энкодера одни вывод общий а 2 другие сигнальные. Схема подключения ничем не отличается от схемы подключения обычной кнопки. Сигнальные выводы подключаются в портам ввода/вывода микроконтроллера. А общий вывод котоый посередине соединяется к земле. С целью защиты от дребезга контактов можно добавить конденсаторы емкостью несколько нФ. Выводы к которым мы подключили энкодер настраиваем в программе как входы и включаем подтягивающие резисторы, можно подключить внешние резисторы.
Схема подключения энкодера к микроконтроллеру
Принцип действия энкодера основан на замыкании и размыкании контактов, когда ручку никто не крутит то на входе в МК имеется логическая еденица. Когда ручку начинают поворачивать то появляются два прямоугольных импульса которые сдвинуты друг относительно друга. От того в какую сторону крутим будет зависить какой сигнал опережает.
Но так как имеется друбезг контактов в любых картина будет выглядить следующим образом.
Алгоритм работы программы микроконтроллера
С определенным интервалом начинается вызов функции опроса энкодера. Эта функция считывает логические уровни, которые присутсвуют на выводах микроконтроллера и производит запись этого значения во временную переменную. Внутри функции опроса энкодера существует другая статичная переменная которая сохраняется при выходе из этой функции в ней хранится последовательность предыдуших значений. Из этой переменной берется последнее записанное значение и сравнивается с текущим для того чтобы определить были ли изменения. Если эти значения равны тот происходит выход из функции, а если они отличаются то значение статичной переменной сдвигается на 2 разряда влево и в "свободное" место записывается новое (текущее) значение.
Получается что когда вал энкодера вращается то во временную переменную будет постоянно записываться новое значение и получится повторяющаяся кодовая последовательность. Если вращаем вправо булед: 11100001, а если влево то 11010010. По этим значениям можно понять в какую сторону крутится вал.
В архиве есть 2 файла encoder.h и encoder.c. Изначалоно нужно задать порт и номер выводов к которым производится подключение это переменные LEFT_SPIN и RIGHT_SPIN. В файле "c" находится реализация функций.
Инкрементальный энкодер внешне похож на потенциометр , но в отличие от потенциометра у него нет крайних положений, он может вращаться в обоих направлениях неограниченное количество оборотов. Также надо отметить, что инкрементальный энкодер вращается не так плавно как потенциометр, а шагами. Его можно увидеть на автомобильной магнитоле, осциллографе , музыкальном центре, стиральной машине и прочей технике, где регулировка какого-то параметра осуществляется в больших пределах. Конечно, параметры можно изменять и с помощью кнопок, например, для того чтобы сделать музыку на 20 значений громче, при управлении кнопкой, надо нажать её 20 раз, а при управлении энкодером, провернуть его на определённый угол, в зависимости от алгоритма обработки.
Инкрементальный энкодер
представляет собой два контакта, порядок замыкания которых зависит от направления вращения
.
По сути инкрементальный энкодер преобразует вращение вала в электрические импульсы , содержащие информацию о направлении вращения.
Давайте соберём тестовую схему изображенную на картинке выше и подключимся к выводу A и B осциллографом
, резисторы подтяжки - 4.7К.
Покрутим энкодер по часовой стрелке.
Теперь против часовой.
На осциллограммах видно, что в зависимости от направления вращения, изменяется порядок замыкания контактов. Но фронта не всегда получаются такие красивые.
Так как контакты механические, они подвержены дребезгу, то есть при замыкании за счёт упругости материалов, возникают многократные неконтролируемые замыкания и размыкания, которые можно увидеть на осциллограмме выше.
Бороться с дребезгом можно двумя способами, первый
состоит в добавлении конденсаторов и резисторов, как показано на картинке ниже.
Так как дребезг явление кратковременное, он легко гасится конденсатором.
На осциллограмме видно, что после установки конденсаторов, фронты стали менее крутыми, а дребезг исчез.
Второй способ - программный и тут всё зависит от реализации опроса выводов энкодера. Если состояние энкодера отслеживается с помощью внешних прерываний , то после срабатывания прерывания необходимо сделать задержку 20 - 30 миллисекунд, во время которой МК не будет реагировать на изменение состояния вывода, то есть не будет чувствовать дребезг. Если опрос выводов энкодера реализован на таймере , то интервал между опросами должно быть больше длительности дребезга, те же 20 -30 миллисекунд.
Давайте рассмотрим методы обработки данных, приходящих с энкодера
.
Первый метод, заключается в том, что одну из ножек энкодера мы подключаем к выходу внешних прерываний и настраиваем её на прерывание по спадающему фронту. В прерывании мы проверяем состояние другой ножки и если на ней ноль, то вращение происходит в одну сторону, иначе в другую. Ниже приведён код, реализующий этот метод для AVR.
Второй метод, заключается в сравнении текущего состояния и предыдущего
. Давайте выразим логические уровни последовательности импульсов в виде нулей и единичек.
Тогда мы получим конечное число состояний энкодера. Первая цифра - логический уровень первого вывода энкодера, вторая - логический уровень второго вывода.
Предположим последнее состояние в котором находился энкодер равно трем, если следующее состояние будет равно единице, то он вращается в одну сторону, если двум, то в другую. Получается, что можно фиксировать переход из одного состояние в другое и определять направление вращения, но наиболее простой является реализация при переходе от 11 к 01 и 10. Ниже приведён код реализующий описанный алгоритм для AVR,
#define F_CPU 8000000UL
#include
Энкодер покупал
В данном демонстрационном проекте мы рассмотрим задачу сопряжения элемента управления под названием энкодер с микроконтроллером PIC.
Для реализации демонстрационного проекта нам понадобятся:
- 24-позиционный энкодер;
- 16 светодиодов (3 мм);
- драйвер светодиодов ;
- микроконтроллер .
Энкодер - современный и оригинальный элемент управления цифровыми устройствами, и по внешнему виду похож на переменный резистор (см. рисунок ниже). Другое название этого элемента управления - датчик угла, датчик поворота. Вращение вала сопровождается щелчками, например 24 щелчка на один оборот. Энкодер имеет 3 вывода - A, B, C и применяется для быстрого ввода данных в цифровые устройства. Некоторые модели имеют встроенную кнопку, которая срабатывает по нажатию на вал энкодера (добавляется еще один вывод).
 |
 |
Принцип работы энкодера
При повороте на один щелчок, например, вправо, сначала замыкается контакт А+С, затем В+С. Когда в этом щелчке вал доворачивается, в той же последовательности контакты размыкаются. При повороте вала в другую сторону, последовательность замыкания с контактом С меняется, т.е. при повороте влево замыкаются сначала В+С, затем А+С.
Используя энкодер в проектах на микроконтроллерах, возможно, при помощи одного и того же энкодера, реализовать несколько различных типов ввода данных, однако, это требует некоторой обратной связи и визуализации, чтобы пользователь знал, какую информацию он вводит и в какой позиции энкодер.
Принципиальная схема: подключение энкодера к микроконтроллеру PIC (нажмите для увеличения)
Выводы энкодера A и B подключаются к портам микроконтроллера RB4 и RB5, вывод С энкодера подключается к «земле». Стоит заметить, что на сигнальные линии выводов A и B должны быть подключены подтягивающие резисторы. Энкодер не случайно подключен к указанным линиям ввода/вывода микроконтроллера: во-первых, порт B имеет встроенные подтягивающие резисторы и нам не придется подключать внешние, во-вторых, порт B микроконтроллера имеет очень полезную функцию - «interrupt-on-change» - прерывание по изменению уровня, что позволит нам отслеживать состояние энкодера.
16 обычных 3 мм светодиодов используются для визуализации вводимых данных и расположены они будут на печатной плате вокруг установленного энкодера. Светодиоды подключены к микросхеме A6276.
Микросхема представляет собой драйвер светодиодов с 16-битным последовательным вводом информации. Драйвер содержит 16-битный КМОП сдвиговый регистр, соответствующие защелки и драйверы для управления светодиодами и может управлять большим количеством светодиодов, чем это позволяет микроконтроллер. Кроме того, драйвером можно управлять по интерфейсу SPI, что дополнительно сокращает количество используемых линий ввода/вывода и делает проект масштабируемым.
Программное обеспечение микроконтроллера для решения нашей задачи относительно простое. Реализуется 3 режима работы (ввод информации) и обратная связь:
- Режим позиционирования на 360° - в этом режиме светодиоды указывают текущую «позицию» энкодера, пользователь может поворачивать вал энкодера влево и вправо на любой угол;
- Режим «Громкость/Уровень» - в этом режиме светодиоды указывают текущее значение между минимальным и максимальным уровнями диапазона ввода (как уровень громкости в аудиоустройствах);
- Режим 3-позиционного ротационного тумблера - в этом режиме имеется только три выбираемых позиции, которые пользователь выбирает, поворачивая вал энкодера влево/вправо.
Демонстрация работы проекта
Энкодер - штука, внешне похожая на переменный резистор, но, в отличие от последнего, не имеет ограничителей и может вращаться в любую сторону бесконечно. С помощью энкодера очень удобно организовывать всякие экранные меню, вообще, один “нажимабельный” энкодер (т.е., если он умеет работать ещё и как кнопка) идеально подходит для для организации одномерных циклических меню.
Энкодеры бывают двух типов: абсолютные - сразу выдающие код угла поворота и инкрементальные - выдающие импульсы при вращении. Для последних подсчётом импульсов и их преобразованием их в угол поворота должен заниматься микроконтроллер.
С точки зрения конструкции энкодеры бывают механические и оптические, в первых импульсы при вращении генерируются на паре контактов при их замыкании скользящим контактом вала, во вторых же роль контактов выполняют фотодиоды, а роль замыкателя - светодиод, светящий через диск с прорезями (привет шариковой мышке).
Хотя информации по программированию энкодеров в сети навалом, как и готовых библиотек для этого, но все они какие-то излишне громозкие (имхо) - опрос состояния, как правило, реализуется в виде конечного автомата в виде блока switch с вложенными if-ами, что выглядит несколько сложно (особенно, будучи написанным на ассмеблере). Хотя, реализация может быть проще.
Наибольшей популярностью в народном хозяйстве пользуются дешёвые механические инкрементальные энкодеры, их и рассмотрим. Процесс вращения вала энкодера схематично показан на рисунке (сверху - вращение по часовой стрелке, снизу - против):
Тут А и В - это те самые контакты, уровни на которых предстоит обрабатывать микроконтроллеру. Подвижный контакт замыкает их на “землю”, если они не попадают в его отверстия. Тут заметим, что на рисунке показаны только четыре отверстия для упрощения. На самом деле этих отверстий намного больше (опять вспоминаем шариковыю мышь, и как выглядит её колёсико оптического прерывателя). Выводы А и В подтягиваются резисторами к напряжению питания. В результате, при вращении получаются диаграммы, показанные на рисунке выше.
Пусть изначально оба контакта попадают в отверстие, тогда на них будет высокий уровень напряжения (они же подтянуты к питанию). Далее, при повороте по часовой стрелке, контакт А первым будет замкнут на землю, затем, к нему присоединится и контакт В. Далее, добравшись до следующего отверстия в диске, контакт А разомкнётся и получит высокий уровень, после чего его догонит контакт В. После этих перемещений контакты вернуться в исходное состояние, и при дальнейшем вращении эта диаграмма будет циклически повторяться.
Таким образом, получается, что текущее состояние энкодера описывается двух-битовым значением. Но само по себе текущее состояние несёт мало полезной информации, и для анализа вращения его надо рассматривать в связке со значением предыдущего состояния. И вот эта пара уже однозначно определяет направление вращения ручки. Для удобства возьмём четырёх-битовое число, два старших байта которого содержат предыдущие состояния контактов А и В, а два младших - текущие.
А при вращении против часовой стрелке
|
Теперь алгоритм определения направления вращения энкодера выглядит очень просто: получаем значение и сравниваем, попадает ли оно в одно из множеств (2, 4, 11, 13) и (1, 7, 8, 14). Если да, то имеем поворот в соответствующем направлении. В противном случае, вал либо не вращался совсем, либо вращался так быстро, что проскочил несколько состояний (если такое часто случается, то стоит задуматься о повышении частоты опроса состояния), либо имел место "дребезг" контактов. Не вникая в причину, все прочие значения можно смело игнорировать.
В качестве примера рассмотрим работу энкодера в связке с микроконтроллером AVR:
Тут для подключения использованы два младших вывода порта PB микроконтроллера ATMega8. Пара резисторов подтягивают эти линии к напряжению питания (т.к. внутренних резисторов атмеги тут может оказаться недостаточно для устойчивой работы), пара конденсаторов установлены для подавления импульсных помех.
Для такой схемы подключения можно набросать следующую реализацию на языке Си:
Static uint8_t encoderGetVal() { return PINB & 3; } static uint8_t encoderGetCode() { static uint8_t prev; uint8_t val = encoderGetVal(); uint8_t code = (prev << 2) | val; prev = val; return code; } static void encoderInit() { DDRB &= ~0b11; PORTB |= 0b11; encoderGetCode(); } void onEncoderEvent(bool direction); void encoderCheck() { uint8_t code = encoderGetCode(); if (code == 1 || code == 7 || code == 8 || code == 14) { onEncoderEvent(true); } else if (code == 2 || code == 4 || code == 11 || code == 13) { onEncoderEvent(false); } }
Код прост до безобразия - пара if-ов и никаких конечных автоматов. Функция encoderInit() вызывается в начале для инициализации порта и запоминания стартового значения. Функция encoderCheck() вызывается в цикле обработки событий (внутри main() или по таймеру). Обработчик onEncoderEvent(bool) будет вызываться всякий раз, когда произойдёт вращение экнодера и получать флаг направления вращения.
Но тут есть один важный момент: энкодер - штука чувствительная, и если пытаться обрабатывать таким образом, например, события навигации по меню, то даже небольшой поворот ручки энкодера будет многократно вызывать обработчик onEncoderEvent() , в результате чего, курсор меню вместо перемещения на следующий/предыдущий элемент, будет улетать сразу в конец/начало списка. Регулировать чувствительность энкодера можно изменением частоты вызова encoderCheck() (обычно оптимальная частота ~ 10 Гц). При этом метод encoderGetCode() следует вызывать как можно чаще, чтобы всегда иметь актуальное значение последнего состояния контактов (с частотой где-то ~ 100 Гц).
На ассемблере этот код мог бы выглядеть следующим образом:
EQU encoder_port PORTB .EQU encoder_pin PINB .EQU encoder_ddr DDRB .DSEG .ORG SRAM_START sEncoderPrev: .BYTE 1 ... .CSEG .ORG $0000 ... Encoder_init: cbi encoder_ddr, 0 cbi encoder_ddr, 1 sbi encoder_port, 0 sbi encoder_port, 1 in r0, encoder_pin andi r0, 3 sts sEncoderPrev, r0 ... Encoder_check lds ZL, sEncoderPrev lsl ZL lsl ZL in r0, encoder_pin andi r0, 3 sts sEncoderPrev, r0 or ZL, r0 ; 1 7 8 14 -> по часовой стрелке cpi ZL, 1 breq Encoder_clockwise cpi ZL, 7 breq Encoder_clockwise cpi ZL, 8 breq Encoder_clockwise cpi ZL, 14 breq Encoder_clockwise ; 2 4 11 13 -> против часовой стрелки cpi ZL, 2 breq Encoder_counterclockwise cpi ZL, 4 breq Encoder_counterclockwise cpi ZL, 11 breq Encoder_counterclockwise cpi ZL, 13 breq Encoder_counterclockwise rjmp Encoder_done Encoder_clockwise: ; ; тут код обработчика вращения по часовой стрелке; Encoder_counterclockwise: ; ; тут код обработчика вращения против часовой стрелки; Interval_enc_done.
Коротко энкодеры можно назвать преобразователями угловых перемещений. Они служат для модификации угла поворота объекта вращения, например, вала какого-либо механизма, в сигнал электрического тока. При этом определяется не только угол поворота вала, но и его направление вращения, а также скорость вращения и текущая позиция относительно первоначального положения.
Наиболее популярными энкодеры стали при их использовании в системах точного перемещения, на станкостроительных заводах, в производственных комплексах с применением робототехники, в измерительных устройствах, в которых необходима регистрация точных измерений наклонов, поворотов, вращений и углов.
Виды и принцип действия
Энкодеры – это датчики поворота. Простейший датчик имеет ручку, которая может поворачиваться по часовой стрелке или против нее. В зависимости от угла поворота и направления выдается цифровой сигнал, информирующий о том, в каком положении находится ручка, либо в какую сторону она была повернута.
У такого энкодера, показанного на рисунке, ручка также может применяться в качестве кнопки. Это является вспомогательной функцией конкретного вида энкодера.
По типу выдаваемых данных энкодеры делятся на две большие группы:
- Абсолютные.
- Инкрементальные.
Абсолютные энкодеры
У абсолютного энкодера весь круг поворота разделен на определенное количество секторов, чаще всего одинакового размера. Эти сектора пронумерованы. Энкодер при работе выдает номер сектора, в котором на данный момент он находится. Поэтому он и называется абсолютным. У этого типа энкодера всегда можно определить, на какой угол относительно нулевого сектора повернут энкодер в конкретный момент, то есть, при повороте он выдает значения номеров секторов, до максимального значения. Далее он переходит снова на ноль.
Если вал энкодера поворачивать в другую сторону, то он начнет выдавать противоположные значения. В нашем случае у него используется пять выводов для выдачи значений поворота.
У данного алгоритма имеются свои недостатки. Из таблицы 1 виден порядок выдаваемых значений n-го энкодера. Стоит обратить внимание на две последние строчки, переход от 127 на 128.
Таблица 1
Здесь меняются абсолютно все биты. В идеальном энкодере они все меняются одновременно и нет никаких проблем. Практически в реальном энкодере биты меняются быстро, однако не одновременно. И в какой-то момент на выходе энкодера оказывается совершенно произвольное значение. Так как меняются все биты, следовательно, у энкодера будет произвольное значение от нуля до всех единиц.
Справа изображен пример такого переключения. Чем это может грозить? Разберем пример. Микроконтроллер с помощью двигателя управляет валом и поворачивает его на определенный угол. В определенный момент при переключении со 127 на 128 ячейку он получает определенное случайное значение. Контроллер делает вывод, что вал находится совершенно в другом месте, в отличие от фактического места, и начинает его вращать в другую сторону, с другой скоростью и т.д.
Через определенное время микроконтроллер получает правильное значение, начинает пытаться остановить вал и вращать его в правильную сторону. Такой процесс может продолжаться долго, при условии, что такая ошибка будет встречаться часто. Такие ошибки являются нерегулярными, и вычислить их достаточно сложно.
Код Грея
Выше описанная проблема решается с помощью введения кода Грея. Особенностью кода Грея является то, что при переключении энкодера на единицу, значение кода Грея меняется также на единицу. Меняется только один вид. Это видно в таблице 2 в сравнении двоичного кода и кода Грея.
Таблица 2
Первые две строчки совпадают, но уже во второй строчке поменялся средний бит. Далее также меняется один бит. Также стоит отметить, что последний и первый код Грея отличается на один бит, то есть код Грея может зациклиться.
Преимуществом данного кода является то, что ошибка, которая рассмотрена выше, невозможна. Из недостатков можно отметить, что микроконтроллеру необходимо переводить код Грея в двоичный код для того, чтобы понять, в каком положении находится абсолютный энкодер.
Инкрементальные энкодеры
Следующим типом является инкрементальный энкодер, который имеет более простую структуру. Но при этом он не показывает конкретное место положения своей ручки. Он показывает только направление поворота, а число делений поворота должен считать микроконтроллер.
У инкрементального энкодера есть набор полосок, которые по умолчанию подключены к земле, и при повороте они замыкаются и размыкаются. Получается сигнал, изображенный на рисунке (похож на меандр). Таких круговых полосок у энкодера две. Полоски смещены на одну четверть, и сигналы также смещены между собой на четверть. Это важно, так как позволяет определить направление вращения.
Схему инкрементального энкодера можно представить по правому рисунку. Кнопки обозначают периодические подключения энкодера к земле. Так как внутри энкодер не подключается к логической единице, то необходимо снаружи самостоятельно подтянуть логические единицы через резисторы к выводу энкодера. В этом случае, когда ни одна из ножек у энкодера не подключена к земле, на ножках будет логическая единица.
Если энкодер подключил к земле какую-то ножку, то на этой ножке будет логический ноль. В спокойном состоянии у энкодера на выходе логическая единица. При начале вращения энкодера в любую сторону, то сначала один вывод подключается к земле, затем другой. Далее эти выводы по очереди отключаются от земли, и на них опять образуется логическая единица.
Определить направление поворота можно по тому, какой из выводов раньше подключился к земле. При подсчете полных циклов можно посчитать количество щелчков поворота энкодера.
Фактически у энкодера имеется четыре состояния:
- Две единицы.
- Ноль и единица.
- Ноль и ноль.
- Единица и ноль.
Три состояния, которые не равны единицам, являются неустойчивыми, и в них энкодер не может находиться. Во многих микроконтроллерах реализована функция подсчета поворотов с помощью таймеров, у которых есть определенные входы. Таймер считает на аппаратном уровне, на сколько щелчков и в какую сторону был повернут энкодер, и выдает значение. То есть, счетчик инкрементирует какое-либо число.
По изменению этого числа можно определить, на сколько щелчков был повернут энкодер. По количеству щелчков можно определить и угол поворота. Энкодер также имеет дребезг контактов, который усложняет анализ сигналов.
Оптические энкодеры
Подобный преобразователь выполнен в виде диска, зафиксированного на валу, и изготовленного из стекла. Оптический датчик поворота отличается от других видов дополнительным оптическим растором, перемещаемым при повороте вала. При этом он превращает момент вращения в световой поток, который далее принимается фотодатчиком.
Оптический преобразователь запоминает углы вращения. При этом каждому отдельному положению соответствует особый цифровой код, который вместе с числом оборотов образует единицу измерения датчика. Энкодер подключается и работает по аналогии с инкрементальным датчиком.
По характеру функционирования они разделяются на фотоэлектрические и магнитные . Принцип работы магнитных основан на использовании , который был впервые открыт в 1879 году. При этом разность потенциалов появляется только при расположении провода постоянного тока в магнитное поле.
По точности и свойствам разрешения магнитный вид датчика уступает фотоэлектрическому, однако по конструкции он проще, менее требователен к условиям работы и пространству. Магнитный энкодер является прибором, который фиксирует прохождение магнитного полюса магнита при вращении, находящегося рядом с чувствительным элементом. Информация передатчика выражается в цифровом коде.
Фотоэлектрический энкодер является датчиком, работающим на основе фотоэлектрического принципа. Этот эффект наблюдается при воздействии светового потока на вещество. Этот принцип был открыт в 1887 году. При эксплуатации такого датчика происходит постоянное преобразование луча света в сигнал электрического тока.
Аналогами фотоэлектрического энкодера являются оптоэлектронный, оптический и . Эти датчики наиболее чувствительны к характеристикам изготовления, эксплуатации и другим факторам, по сравнению с другими моделями. Однако это оправдывается их повышенной точностью, в отличие от конкурентов.
