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STM32外设学习--TIM定时器--编码器接口

news 2025/11/8 7:57:35

我们上次学完了STM32TIM定时器的输入捕获，输出比较，定时，定时中断，这次我们来学习最后一个功能，编码器模式。

一.TIM编码器模式简介

1.简介

STM32F103C8T6的定时器编码器接口功能非常实用，它通过硬件自动处理正交编码器的脉冲和方向识别，大大简化了位置和速度测量的程序负担。下面这个表格汇总了其核心特性：

特性项目	说明
支持定时器	通用定时器：TIM2, TIM3, TIM4；高级定时器：TIM1, TIM8
使用通道	固定使用通道1 (TI1) 和通道2 (TI2)，通道3和4不可用于编码器模式
编码器模式	模式1 (仅在TI1边沿计数)、模式2 (仅在TI2边沿计数)、模式3 (TI1和TI2边沿均计数)
计数方向判断	硬件自动检测TI1和TI2的相位关系，自动控制CNT自增或自减
有效边沿	可通过极性设置选择上升沿、下降沿或双边沿触发
滤波功能	可配置输入滤波器，有效抑制信号抖动
计数器位数	16位
最大计数值	0 ~ 65535 (TIMx_ARR)

2.配置要点与步骤

配置编码器接口时，可以参考以下步骤和要点：

GPIO配置：
将编码器的A相（TI1）和B相（TI2）信号引脚连接到定时器支持编码器模式的通道上（通常是CH1和CH2）。GPIO应配置为浮空输入或上拉输入模式。如果编码器是OC（集电极开路）输出，必须在硬件上确保有上拉电阻。
时基单元配置：
- 预分频器 (PSC)：通常设置为0，即不分频-1。
- 自动重装载值 (ARR)：决定了计数器的周期，通常设置为最大值65535以获取最宽的测量范围-1。这个值也决定了计数器溢出前的最大计数值。
编码器模式配置：
通过TIM_EncoderInterfaceConfig函数进行配置。
- 模式选择：
  - TIM_EncoderMode_TI1：仅在TI1边沿计数。
  - TIM_EncoderMode_TI2：仅在TI2边沿计数
    。
  - TIM_EncoderMode_TI12：在TI1和TI2的边沿都计数，可以实现4倍频，提高分辨率。例如，一个11线的编码器在此模式下每转可产生11 x 4 = 44个脉冲。
- 极性设置：可以为TI1和TI2分别选择极性（上升沿、下降沿）。若两者均设置为上升沿，则计数器会在两个信号的所有边沿（上升沿和下降沿）进行计数，这也是实现4倍频的一种方式
滤波器设置：
通过TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter配置输入捕获滤波器，可以有效抑制信号线上的噪声干扰，取值范围通常是0x0到0xF。
启动编码器接口：
完成配置后，使能定时器以启动编码器接口。在HAL库中，使用HAL_TIM_Encoder_Start()函数。

3. 数据读取与方向判断

读取计数值：直接读取定时器的计数器寄存器（CNT）即可获得当前的计数值。在HAL库中，可以使用__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htimx)函数读取。
判断旋转方向：通过检查定时器控制寄存器1（CR1）中的DIR位，或者使用HAL库提供的__HAL_TIM_IS_TIM_COUNTING_DOWN(&htimx)宏来判断方向。返回0通常表示正向（递增），1表示反向（递减）。

4.注意计数器溢出与软件计数

STM32F103的定时器是16位的，最大计数值为65535在高速或长时间运行时，计数器可能会溢出。处理方法包括：

利用溢出中断：使能定时器的更新中断，在中断服务程序中对一个软件计数器（如OverflowCount）进行增减。最终的计数值为：CurrentCount = (int16_t)TIMx->CNT + OverflowCount * 65536。
定期采样计算差值：在固定时间间隔（如10ms）内读取两次CNT值，其差值即为该时间段内的脉冲数，可用于计算速度，并能处理单次采样期间的计数器翻转问题。

使用定时器的编码接口，再配合编码器，就可以测量旋转速度和旋转方向了。这里编码器测速一般用在电机控制的项目上。使用PWM驱动电机，再使用编码器，测量电机速度。在用PID算法进行闭环控制。一般电机的旋转速度比较高，会使用无接触的霍尔传感器，以及光栅进行测速。我们用触点式的旋转编码器，进行模拟速度。

二.TIM编码器的结构

1.结构

编码器的接口，可用来接收增量（正交）编码器的信号，那么什么是正交信号

如图就是向这样输出的两个方波信号，相位相差90°超前92°和滞后90°，分别代表正传和反转。

编码器接口可以根据编码器旋转，产生的正交信号脉冲。自动控制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。

2.例子

比如有一个编码器，有A,B两相接入到STM32的定时器的编码器接口，编码器接口，自动控制定时器，时基单元中的CNT计数器。进行自增或自减，比如初始化之后，CNT的值为0，然后编码器右转，CNT就++，右转产生一个脉冲，CNT就+1。比如右键产生十个脉冲停了下来，那么这个过程CNT就由0自增到10，停下来。

编码器左转，CNT就--，左转产生一个脉冲，CNT就-一次。比如编码器在左转产生5个脉冲，那么CNT就在原来10的基础上自减5停下来，这个编码器接口相当于一个，带有方向控制的外部时钟。

他同时控制着，CNT的计数方向和计数时钟。这样子的话CNT的值就表示了编码器的位置，如果我们每隔一段时间，取一次CNT的值，再把CNT清0，是不是每次取出来的值就表示了编码器的速度。

3.继续

每个通用定时器和高级定时器，只有一个编码器测速接口。只要这个定时器，设置为了编码器接口模式，那么他就不能进行其他的操作了。不过也可以用外部中断来接编码器，这样子就是用软件资源，来弥补硬件资源了。硬件资源和软件资源是互补的，硬件越多，软件越轻松。

比如PWM我们可以来个定时中断，然后再中断里手动计数，手动反转电平

输入捕获，可以来个外部中断，在中断里手动把CNT取出来，放在变量里。

编码器模式，也可以，直接定时中断，在终端里手动计数进行自增，自减。

4.正交编码器

正交编码器他有两个引脚，一般可以测量位置，或带有方向的速度，一般有两个输出引脚，一个是A相，一个是B相。

当我们编码器转动时候，A相和B相就会输出如图所示的方波信号，转的越快，方波的频率越高。所以方波的频率就代表了速度，我们取出任意一项的信号来测频率，就可以知道速度了。但是只有一项的信号无法测量旋转方向，因为无论正传还是反转，都是这样的方波。想要测量方向，还需要另一个线的辅助，比如我们的图片，当正传时候，A相提前B相90°，反转时A相滞后B相90°方向不是固定的，而是相对的，可以自己定义。

那么用正交信号有什么好处呢，那么就是A,B相都可以计次，相当于频率提高了一倍，让我们的精度更高。还可以抗噪声，因为正交信号两个信号必须是交替跳变的。

A相上升沿，对应B相低电平。

B相上降沿，对应A相高电平。

A相下降沿，对应B相高电平。

B相下降沿，对应A相低电平。

反转的话正好和正传相反。

所以我们编码器的逻辑就是，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，计数器就自增自减。到底是增还是减呢，计数的方向根据另一项的状态来确定。当出现某个边沿时。我们判断另一项的高低电平。如果对应的另一项状态出现在上面的表中，那么就是自增。反之另一项的状态出现在下面的表中就是自减。这样就能实现编码器的功能了。这也是我们STM32

定时器编码器接口的执行逻辑。那么接下来我们看一下这个定时器框图。