Инкрементальный энкодер и arduino: устройство, схема подключения, код

Содержание

• Урок 55. Работа с инкрементальным энкодером в Ардуино. Библиотека Encod_er.h
• Как использовать поворотный энкодер в проекте на микроконтроллере
• AVR. Учебный Курс. Инкрементальный энкодер
• Подключение энкодера к Arduino. GyverEncoder [30.04]

Сегодня я хочу рассказать об энкодерах вращения, какие они бывают, как работают и где применяются. И для примера рассмотрим подключение модуля KY-040 к Ардуино. А пока начнем с теории.

Энкодер вращения — это электромеханическое устройство, предназначенное для преобразования угла поворота вращающегося объекта в электрический сигнал (цифровой или аналоговый). Такие устройства находят широкое применение в промышленности, в роботостроении, автомобилестроении, компьютерной технике и т.п.

Энкодеры вращения можно разделить по принципу действия на оптические, магнитные, емкостные, индуктивные, резистивные и механические; по способу выдачи информации на абсолютные и инкрементные.
Работу энкодера вращения проще всего объяснить на примере оптического энкодера. Представьте себе вал электродвигателя, на котором закреплен диск с прорезями. С одной стороны диска расположен светоизлучающий элемент, луч света проходит через прорези и регистрируется фотоэлементом, расположенным с другой стороны (устройство, состоящее из спаренных светоизлучающего и принимающего элементов, называется фотопрерыватель). При вращении диска луч прерывается, в результате чего на выходе фотоэлемента мы получим меандр — сигнал прямоугольный формы. И частота меандра будет пропорциональна скорости вращения диска. Таким образом можно судить о скорости вращения вала электродвигателя.

Однако работающее по описанному принципу устройство не способно определить направление вращения. Чтобы исправить это добавим в него второй фотопрерыватель и расположим с некоторым смещением относительно первого. В зависимости от направления вращения диска сигнал на выходе первого фотопрерывателя будет меняться раньше или позже чем сигнал на выходе второго. А значит, анализируя как меняются эти два сигнала, мы можем определить направление вращения.

На практике смещения сигналов добиваются не за счет особого расположения фотопрерывателей, а путем добавления второй полосы с прорезями или прозрачными и непрозрачными участками. Участки на двух полосах расположены так чтобы обеспечить сдвиг сигнала по фазе на 90 градусов, поэтому работающие по такому принципу энкодеры называются квадратурными.

На этом же принципе основаны механические энкодеры, только вместо фотопрерывателей в них используются скользящие контакты. Основным недостатком таких энкодеров является дребезг контактов, который может приводить к неправильному подсчету сигналов. Кроме того скользящие контакты подвержены износу. Все это ограничивает область применения механических энкодеров.

Магнитные энкодеры строятся на базе магниточувствительных элементов, таких как датчики Холла или магниторезистивные датчики. Они просты в изготовлении, лишены недостатков контактных энкодеров и мало чувствительны к внешним факторам. Но все же проигрывают в точности емкостным, индуктивным и оптическим энкодерам.

Емкостные энкодеры имеют в своем составе диск асиметричной формы, который при вращении изменяет емкость между двумя электродами. Это изменение регистрируется и используется для определения углового положения. Емкостные энкодеры так же просты в изготовлении и надежны в эксплуатации, из внешних факторов чувствительны только к изменению влажности.

Индуктивные энкодеры работают в магнитном поле и используют явление электромагнитной индукции. Благодаря устойчивости к внешним факторам подходят для использования в неблагоприятной среде, когда другие энкодеры могут оказаться ненадежными.

Резистивный энкодер работает по тому же принципу что и обычный потенциометр: электрический сигнал на его выходе пропорционален положению ручки энкодера. Собственно и сами потенциометры могут использоваться для отслеживания углового положения, например, их можно увидеть в сервомашинках:

Приведенный выше пример оптического энкодера вращения генерирует на выходе импульсы, по которым принимающее устройство определяет текущее положение вала путём подсчёта числа импульсов счётчиком. Такие энкодеры называют инкрементными или накапливающими. Сразу же после включения инкрементного энкодера положение вала неизвестно. Для привязки системы отсчёта к началу отсчёта инкрементные энкодеры могут иметь нулевые (референтные) метки, через которые нужно пройти после включения оборудования. К недостаткам также относится то, что невозможно определить пропуск импульсов от энкодера по каким-либо причинам. Это приводит к накоплению ошибки определения угла поворота вала до тех пор, пока не будет пройдена нуль-метка.

Этих недостатков лишены абсолютные энкодеры. Они выдают на выходе сигналы, которые можно однозначно интерпретировать как угол поворота. Как и в приведенной выше схеме инкрементного энкодера, абсолютный оптический энкодер содержит светоизлучающий и принимающий элементы.

Существенное отличие в используемом диске: он имеет прозрачные и непрозрачные участки на нескольких радиусах.

Световые лучи, проходя через диск, засвечивают те или иные участки фоточувствительного элемента, который в свою очередь формирует на выходе соответствующие сигналы, уникальные для каждого положения диска.

Для кодирования углового положения абсолютные энкодеры используют диски с двоичными кодами и кодами Грея. Двоичный код удобен тем, что не требует дополнительных преобразований. В целом же использование кода Грея предпочтительнее т.к.

он более устойчив к ошибкам чтения за счет того, что каждое следующее значение отличается от предыдущего только в одном разряде. При этом вероятность считывания совершенно неверного значения полностью исключена. Более подробно о коде Грея можно почитать в Википедии.

На следующем изображении приведены примеры дисков для инкрементного квадратурного и абсолютного энкодеров.

Этот пример наглядно иллюстрирует принцип кодирования углового положения на диске абсолютного энкодера. Для каждого положения вала формируется свой уникальный код. В данном случае для кодирования 16 положений потребовалось 4 концентрических дорожки. При увеличении разрешения абсолютного энкодера возрастает число дорожек и разрядность считываемого значения. Поэтому наряду с параллельным интерфейсом в абсолютных энкодерах широко применяются последовательные интерфейсы, такие как Profibus, CANopen, SSI, BiSS, ISI, Profinet, PWM, Ethernet Powerlink, EtherNet TCP/IP, Modbus, DeviceNet, EtherCAT. Также существуют энкодеры, возвращающие значение углового положения в виде аналогового сигнала.

Абсолютные энкодеры могут быть однооборотными и многооборотными. Если однооборотные способны только выдавать значение угла поворота, то многооборотные позволяют также определять количество оборотов. Это возможно за счет наличия в их составе редуктора и дополнительного диска, который изменяет свое положение при каждом полном обороте вала энкодера.

Теперь после небольшой теоретической части можно перейти к практике. Попробуем подключить к Ардуино инкрементный энкодер вращения. У меня в распоряжении имеется модуль KY-040 (вроде того, что изображен на фото в начале этой статьи), который представляет из себя энкодер с разрешением 20 шагов на оборот со встроенной кнопкой, распаянный на плату с подтягивающими резисторами. Это идеальный компонент для организации меню: вращение вала энкодера можно интерпретировать как перемещение курсора по элементам меню, а нажатие кнопки — выбор конкретного элемента. Позже я приведу пример создания такого меню, а сейчас разберемся с подключением энкодера к Ардуино.

Модуль имеет 5 контактов, это:

• CLK и DT — выводы энкодера, они подтянуты к линии питания резисторами 10кОм;
• SW — вывод кнопки, при нажатии вывод замыкается на землю;
• + и GND — линии питания и земли. Данный энкодер является механическим, питание для него не требуется, линии нужны для цепи с подтягивающими резисторами.

Подключим энкодер к Ардуино по следующей схеме:

Существует 2 способа работы с энкодером: с использованием прерываний и путем опроса выводов энкодера в теле программы. Первый способ требует четкий сигнал на выводах энкодера, без помех. Поскольку данный энкодер является механическим, сигнал на его выходах искажен дребезгом контактов и не может быть использован для генерации прерываний (по крайней мере без дополнительных средств для восстановления сигнала, о чем будет рассказано позже). Поэтому сейчас реализуем второй способ и бороться с дребезгом будем программно. Загрузим в Ардуино нижеприведенный код, ссылка для скачивания.
unsigned long CurrentTime, LastTime;
enum eEncoderState ;
uint8_t EncoderA, EncoderB, EncoderAPrev;
int8_t counter;
bool ButtonPrev; eEncoderState GetEncoderState() < eEncoderState Result = eNone; CurrentTime = millis(); if (CurrentTime &#8212; LastTime >= 5) < LastTime = CurrentTime; if (digitalRead(pin_Btn) == LOW ) < if (ButtonPrev) < Result = eButton; ButtonPrev = 0; >> else < ButtonPrev = 1; EncoderA = digitalRead(pin_DT); EncoderB = digitalRead(pin_CLK); if ((!EncoderA) &#038;&#038; (EncoderAPrev)) < if (EncoderB) Result = eRight; else Result = eLeft; >EncoderAPrev = EncoderA; > > return Result;
> void setup() < pinMode(pin_DT, INPUT); pinMode(pin_CLK, INPUT); pinMode(pin_Btn, INPUT_PULLUP); Serial.begin(9600); counter = 0;
> void loop() < switch (GetEncoderState()) < case eNone: return; case eLeft: < counter&#8212;; break; >case eRight: < counter++; break; >case eButton: < counter = 0; break; >> Serial.println(counter);
> Для удобства работы код опроса энкодера помещен в отдельную функцию. В таком виде я использую ее в большинстве проектов с энкодером, достаточно скопировать функцию с переменными в новый скетч и в цикле опрашивать состояние энкодера. Подавление дребезга реализовано за счет добавления в функцию условия, которое обеспечивает опрос энкодера не чаще 1 раза в 5мс. Подобный код можно увидеть на различных сайтах, и везде говорится что вывод CLK &#8212; это сигнал A, а вывод DT &#8212; это B. Почему-то на моих энкодерах это не так и сигналы поменяны местами. Этот момент учтен в функции при чтении значений с контактов. И если вдруг у Вас окажется, что при вращении вала энкодера по часовой стрелке значение переменной counter будет уменьшаться, то замените в функции строки чтения значений с выводов pin_CLK и pin_DT на следующие:
EncoderA = digitalRead(pin_CLK);
EncoderB = digitalRead(pin_DT); Итак, прошиваем код в Ардуино, запускаем монитор порта и вращаем ручку энкодера. Должно получиться что-то вроде этого:

Но такой результат будет при не слишком быстром вращении, все-таки работаем с дешевым энкодером. В любом случае этого вполне достаточно для многих проектов на Ардуино. В следующий раз попробуем избавиться от контактного дребезга и задействовать прерывания для подсчета импульсов энкодера.

Урок 55. Работа с инкрементальным энкодером в Ардуино. Библиотека Encod_er.h

В уроке расскажу о принципе действия инкрементального энкодера, о подключении его к плате Ардуино. Покажу способ программной обработки сигналов энкодера и представлю библиотеку для работы с ним.

Предыдущий урок Список уроков Следующий урок

Мне заказали разработку программы для устройства, в котором в качестве управляющего элемента используется инкрементальный энкодер. Поэтому я решил написать внеплановый урок о работе с энкодером в системе Ардуино.

Совсем коротко, о чем идет речь, т.е. о классификации энкодеров.

Энкодеры это цифровые датчики угла поворота. Другими словами преобразователи угол-код.

Я подчеркиваю, что это цифровые датчики, потому что существует большое число датчиков с выходными аналоговыми сигналами. Простой переменный резистор можно считать датчиком угла. Энкодеры формируют на выходе дискретные сигналы.

Энкодеры бывают абсолютные и накапливающие (инкрементальные).

Абсолютные энкодеры формируют на выходе код, соответствующий текущему углу положения вала. У них нет памяти. Можно выключить устройство, повернуть вал энкодера, включить и на выходе будет новый код, показывающий новое положение вала. Такие энкодеры сложные, дорогие, часто используют для подключения стандартные цифровые интерфейсы RS-485 и им подобные.

Инкрементальные энкодеры формируют на выходе импульсы, появляющиеся при повороте вала. Принимающее устройство может определить текущий угол вала энкодера, подсчитав количество импульсов на его выходе. После включения питания инкрементальные энкодеры не способны определить положение вала. Необходимо привязать его к началу отсчета.

Но в большинстве случаев нет необходимости знать абсолютное значение текущего угла. Если мы энкодером, например, регулируем уровень громкости, то нам надо увеличить ее на несколько градаций или уменьшить.

Мы не смотрим на ручку энкодера, на ней нет шкалы. Нам необходимо определить изменение угла относительно текущего положения. То же самое касается установки параметров на дисплее.

Мы крутим ручку энкодера и смотрим, как изменяется значение параметра на экране дисплея.

В подобных случаях инкрементальные энкодеры становятся идеальными устройствами управления, установки параметров, выбора меню. Они намного удобнее, чем кнопки ”+” и ”-”.

В этих случаях можно использовать самые простые механические инкрементальные энкодеры, которые отличаются низкой ценой.

По моей партнерской ссылке механический инкрементальный энкодер с кнопкой EC11 стоит всего 50 руб. При покупке 5 штук 45 руб., при 10 &#8212; 40 руб.

Принцип действия механического инкрементального энкодера.

Импульсы на выходе инкрементального энкодера должны сообщать не только о повороте вала, но и о направлении поворота. Поэтому необходимо использовать 2 сигнала, которые обычно обозначаются A и B. Эти сигналы подключены к механическим контактам энкодера, другие выводы которых соединены на выводе C.

• 
• Если подключить к сигналам A и B подтягивающие резисторы, то диаграмма выходных сигналов при вращении энкодера будет выглядеть так.
• 

Если вы покрутите вал энкодера, то заметите, что у него есть фиксированные положения. У моего энкодера 20 таких положений на оборот. Т.е. точность определения угла 360° / 20 = 18° или 20 импульсов на оборот.

Эти, механически зафиксированные, положения отмечены на диаграмме стрелочками снизу вверх. В этот момент оба контакта разомкнуты, сигналы A и B находятся в высоком уровне.

На первых 2 отрезках диаграммы энкодер повернули по часовой стрелке. Сначала в низкий уровень упал сигнал A, затем B. На 3 и 4 интервалах вал вращают против часовой стрелки. После фиксированного положения сначала становится равным нулю сигнал B. По последовательности изменения сигналов можно определить, в какую сторону повернули энкодер.

Формализованный алгоритм анализа сигналов энкодера выглядит так.

• Если в момент перехода сигнала A в низкое состояние сигнал B находится в высоком уровне, то произошел поворот по часовой стрелке.
• Если в момент перехода сигнала A в низкое состояние сигнал B находится в низком уровне, то был поворот против часовой стрелки.

Возможны другие кодировки положения энкодера. Все, что я пишу верно, относительно EC11.

Параметры инкрементальных энкодеров.

Подробно технические характеристики и параметры энкодера EC11 в формате PDF можно посмотреть по этой ссылке EC11.pdf. Я приведу и поясню основные.

• Главный параметр – число импульсов на оборот. Определяет точность измерения угла. У моего датчика 20 импульсов на оборот, точность 18°.
• Предельно допустимые электрические параметры определяют предельные значения тока и напряжения для контактов. В моем случае это 10 мА и 5 В. Эти параметры влияют на выбор подтягивающих резисторов. Сопротивление резисторов не должно быть ниже 500 Ом.
• Прочность изоляции. Я бы не рискнул использовать подобный энкодер в цепях, гальванически связанных с высоким напряжением.
• Износоустойчивость. Разработчики гарантируют от 15 000 до 1 000 000 циклов, в зависимости от модификации.
• Рабочий диапазон температур -30 … +85 °C.
• Механические параметры: габаритные и установочные размеры, моменты вращения и т.п.

Подключение энкодера к плате Ардуино.

С электрической точки зрения энкодер это 3 кнопки: сигналы A, B и кнопка. Я использовал внутренние подтягивающие резисторы, но в рабочих схемах лучше добавить внешние резисторы сопротивлением 2 – 10 кОм.

2. Программная обработка сигналов энкодера.
3. Сначала приведу простую программу, позволяющую определить кодировку энкодера.

void setup() <
Serial.begin(9600); // инициализируем порт, скорость 9600
pinMode(2, INPUT_PULLUP); // определяем вывод как вход
pinMode(8, INPUT_PULLUP); // определяем вывод как вход
>
void loop() <
if( digitalRead(2) == HIGH ) Serial.print(H );
else Serial.print(L );
if( digitalRead(8) == HIGH ) Serial.println(H);
else Serial.println(L);
delay(200);
>

У меня энкодер подключен к выводам 2 и 8. Программа в цикле выводит через последовательный порт состояния сигналов A и B.

• Если я плавно вращаю вал по часовой стрелке у меня монитор последовательного порта выводит:
  HH -> LH -> LL -> HL -> HH
• При вращении против часовой стрелки:
  HH -> HL -> LL -> LH -> HH
• Все как на диаграмме выше.
• Алгоритм обработки сигналов энкодера простой:

• выделяем отрицательный фронт сигнала A;
• считываем состояние сигнала B;
• если у сигнала B:

• высокий уровень – был поворот по часовой стрелке;
• низкий уровень – был поворот против часовой стрелки.

Но у механического энкодера механические контакты. Им свойственно явление дребезга. К тому же энкодеры часто устанавливаю на передней панели устройства, и подключают к контроллеру достаточно длинными проводами. Т.е. нужна цифровая фильтрация сигналов и устранение дребезга. Все это реализовано в моей библиотеке Button.h. Ее вполне можно использовать для работы с энкодером.

Ну и самая главная мысль в каждом моем уроке. Давайте сделаем обработку энкодера параллельным процессом. Программа в основном цикле занимается своими задачами, а параллельный процесс обрабатывает сигналы энкодера в прерывании по таймеру.

Button encoderA (2, 4); // сигнал A
Button encoderB (8, 4); // сигнал B
Button encoderButton(10, 40); // кнопка

long pos=0; // пооложение энкодера

void setup() <
Serial.begin(9600); // инициализируем порт, скорость 9600
Timer1.initialize(250); // инициализация таймера 1, период 250 мкс
Timer1.attachInterrupt(timerInterrupt, 250); // задаем обработчик прерываний
>

void loop() <
// сброс положения
if( encoderButton.flagClick == true ) <
encoderButton.flagClick= false;
pos= 0;
>
Serial.println(pos); // вывод положения
>

// обработчик прерывания 250 мкс
void timerInterrupt() <
encoderA.filterAvarage(); // вызов метода фильтрации
encoderB.filterAvarage(); // вызов метода фильтрации
encoderButton.filterAvarage(); // вызов метода фильтрации

// обработка сигналов энкодера
if( encoderA.flagClick == true ) <
encoderA.flagClick= false;
if( encoderB.flagPress == true) <
// против часовой стрелки
pos&#8212;;
>
else <
// по часовой стрелке
pos++;
>
>
>

В прерывании по таймеру программа обрабатывает сигналы энкодера и вычисляет его абсолютный угол. В основном цикле выводит текущее положение вала в монитор последовательного порта. При нажатии на кнопку сбрасывает текущее положение в 0. По сути, мы сделали абсолютный энкодер, только до момента выключения питания.

Вопрос, с какой частотой необходимо опрашивать энкодер. У меня в программе цикл прерывания 250 мкс и 4 выборки при фильтрации. В итоге период реакции на изменения состояния сигналов 1 мс.

Все зависит от того с какой частотой сигналы энкодера могут изменять свое состояние. А это определяют максимальная скорость вращения энкодера и параметр &#8212; число импульсов на оборот.

Если вы сделаете период опроса больше, например, несколько миллисекунд, то увидите в окне монитора порта, что импульсы пропускаются при резком повороте. Все это вы можете посчитать сами. Но я бы рекомендовал в итоге проверить работу энкодера на этой программе.

• Запомнить механическое положение вала.
• Сбросить вычисленное положение кнопкой (привязать к механическому положению).
• Теперь сколько бы вы ни вращали вал, при попадании в механическое положение, к которому он был привязан, на экране должно быть значение кратное числу импульсов на оборот. В моем случае это 0,20, 40…

Библиотека Encod_er.h.

Представленный выше способ обработки энкодера вполне имеет право на жизнь. Но в моей задаче надо было определять, с какой скоростью вращают энкодер.

Энкодером перемещался шпиндель сверлильного станка. С одной стороны нужна была высокая точность позиционирования. С другой – приходилось долго крутить ручку, чтобы переместить шпиндель в нижнее положение.

Решили при медленном вращении энкодера перемещать шпиндель по одному шагу, а при увеличении скорости вращения – увеличивать число шагов перемещения шпинделя на каждый шаг энкодера. Т.е. если медленно крутить энкодер, то шпиндель перемещается точно и медленно. При быстром вращении – шпиндель перемещается быстро.

Для реализации этого алгоритма необходимо вычислять скорость вращения энкодера. Я разработал библиотеку обработки энкодера с этой функцией.

Загрузить библиотеку Encod_er.h можно по этой ссылке:

Зарегистрируйтесь и оплатите. Всего 40 руб. в месяц за доступ ко всем ресурсам сайта!

1. Описание класса Encod_er.
2. Я привел только public свойства и методы.
3. class Encod_er <
   public:
   Encod_er(byte pinA, byte pinB, byte timeFilter);
   byte timeRight; // время/признак вращения вправо (* 8 периодов)
   byte timeLeft; // время/признак вращения влево (* 8 периодов)
   long position; // текущее положение
   void scanState(); // метод проверки состояния
   long read(); // метод чтения положения
   >;
4. Encod_er(byte pinA, byte pinB, byte timeFilter) &#8212; конструктор.

• pinA – вывод сигнала A;
• pinB – вывод сигнала B;
• timeFilter – число выборок фильтрации сигналов.

Encod_er myEncoder(2, 3, 5); // энкодер к выводам 2 и 3, 5 выборок фильтрации

void scanState() – метод сканирования состояния энкодера. Должен вызываться регулярно в параллельном процессе.

// обработчик прерывания 250 мкс
void timerInterrupt() <
myEncoder.scanState();
>

byte timeRight и timeLeft – признаки поворота энкодера соответственно вправо и влево. Если равны 0, то поворота не было. Если не равны 0, то содержат время поворота на один шаг. Время вычисляется, как

Tповорота = Tвызова scanState() * 8 * timeRight.

Т.е. единица значения timeRight или timeLeft это период вызова scanState(), умноженный на 8. В моей программе это 250 мкс * 8 = 2 мс. На 8 я умножил, чтобы использовать один байт. Значение переменных timeRight или timeLeft ограничиваются на уровне 255.

Если признаки используются, то должны сбрасываться в основном цикле.

long position – текущее положение энкодера. Может быть прочитано или записано.

long read() – метод чтения положения энкодера. Возвращает переменную position.

Все просто. Предыдущую программу можно переписать с использованием библиотеки Encod_er.h.

Encod_er encoder( 2, 8, 4);

void setup() <
Serial.begin(9600); // инициализируем порт, скорость 9600
Timer1.initialize(250); // инициализация таймера 1, период 250 мкс
Timer1.attachInterrupt(timerInterrupt, 250); // задаем обработчик прерываний
>

void loop() <
if(encoder.timeRight != 0) <
Serial.print(R=);
Serial.print(encoder.timeRight);
Serial.print( Pos=);
Serial.println(encoder.read()); // вывод текущего положения
encoder.

timeRight= 0;
>
if(encoder.timeLeft != 0) <
Serial.print(L=);
Serial.print(encoder.timeLeft);
Serial.print( Pos=);
Serial.println(encoder.read()); // вывод текущего положения
encoder.

• // обработчик прерывания 250 мкс
  void timerInterrupt() <
  encoder.scanState();
  >
• На каждый поворот вала в монитор последовательного порта выводится направление вращение и значение timeRight или timeLeft.

Обработку кнопки энкодера я в библиотеку не включил. Кнопку лучше обрабатывать библиотекой Button.h.

С помощью этой библиотеки я реализовал управление перемещением шпинделя сверлильного станка по описанному выше алгоритму.

Анализировал признаки timeRight и timeLeft. При ненулевом значении признаков шаговый двигатель перемещения шпинделя делал количество шагов в зависимости от значения активного признака. Зависимость задал в массиве.

Предыдущий урок Список уроков Следующий урок

Как использовать поворотный энкодер в проекте на микроконтроллере

Узнайте, как использовать инкрементальный поворотный энкодер в проекте на Arduino.

Поворотный энкодер представляет собой электромеханическое устройство, которое преобразует вращательное движение в цифровую или аналоговую информацию. Он очень похож на потенциометр, но может вращаться бесконечно как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки. Существует несколько типов поворотных энкодеров.

Двумя основными типами являются абсолютные и относительные (инкрементальные) энкодеры. В то время как абсолютный энкодер выдает значение, пропорциональное текущему углу вала, инкрементальный энкодер выдает шаг движения вала и его направление.

Поворотные энкодеры становятся всё более и более популярными в потребительской электронике, особенно в качестве ручек управления, в дополнение к приложениям во многих других областях. Они заменяют собой потенциометры и кнопки навигации, где требуются быстрая навигация, настройка, ввод данных и выбор пункта меню.

Некоторые энкодеры также включают в себя встроенную кнопку, которая создает дополнительный вход для процессора, который может использоваться в качестве другой пользовательской команды в интерфейсе управления. На рисунке ниже вы можете увидеть типовой инкрементальный поворотный энкодер с кнопкой включения.

Инкрементальный поворотный энкодер

В данной статье мы покажем вам, как использовать инкрементальный поворотный энкодер в проекте на Arduino. Мы объясним, как бороться с дребезгом контактов и интерпретировать сигналы энкодера в программе микроконтроллера, используя прерывания.

Сигнал квадратурного выхода инкрементального энкодера

Инкрементальный поворотный энкодер во время поворота вала генерирует два выходных сигнала, что также называется квадратурным выходом. В зависимости от направления один сигнал опережает другой. Ниже вы можете увидеть форму выходного сигнала инкрементального поворотного энкодера и ожидаемую последовательность битов.

Сигналы на выходах инкрементального поворотного энкодера при вращении вала по часовой стрелке и против

Как видно из рисунка, оба выхода в изначально находятся в состоянии логической единицы. Когда вал энкодера начинает вращаться в направлении по часовой стрелке, первым падает до логического нуля состояние на выходе A, а затем с отставанием за ним следует и выход B.

При вращении против часовой стрелки всё происходит наоборот. Временные интервалы на диаграмме сигнала зависят от скорости вращения, но отставание сигналов гарантируется в любом случае.

На основе этой характеристики инкрементального поворотного энкодера мы напишем программу для Arduino.

Фильтрация дребезга контактов механического энкодера

Механические энкодеры имеют встроенные переключатели, которые формируют сигнал на квадратурном выходе во время вращения.

Дребезг контактов на выходе механического энкодера

Когда имеем дело с сигналами энкодера, основной проблемой является дребезг контактов. Он вызывает ошибочное определение направления вращения и величины поворота вала энкодера и делает использование энкодеров проблематичным. Мы можем избавиться от дребезга контактов, отфильтровывая его в программе или используя дополнительные схемы фильтрации.

Фильтрация шума в программном обеспечении микроконтроллера является одним из вариантов фильтрации, но она обладает некоторыми недостатками. Вам необходимо написать более сложный код для обработки шума.

Фильтрация займет время обработки и внесет задержки в основной поток программы. Вам может потребоваться установить таймеры, чтобы игнорировать интервалы дребезга контактов.

В конце концов, возможно, у вас не получится получить удовлетворительный и надежный результат.

Фильтрация шума с помощью дополнительных аппаратных средств проще, и она останавливает шум еще в его источнике. Вам понадобится RC фильтр первого порядка. На рисунке ниже вы можете увидеть, как выглядит сигнал после использования RC фильтра.

RC фильтр и форма сигнала на его выходе

RC-фильтр замедляет время спада и время нарастания и обеспечивает аппаратное удаление дребезга контактов. При выборе пары резистор-конденсатор вы должны учитывать максимальную частоту вращения. Иначе будет отфильтрован и ожидаемый отклик энкодера.

Простое приложение

Мы создадим приложение, демонстрирующее, как использовать поворотный энкодер в проекте на Arduino. Мы будем использовать энкодер для навигации, ввода данных и выбора. Ниже приведена принципиальная схема приложения.

Принципиальная схема примера приложения с использованием поворотного энкодера на Arduino

Схема построена на базе платы Arduino Uno. Для графического интерфейса используется LCD дисплей Nokia 5110. В качестве средств управления добален механический поворотный энкодер с кнопкой и RC-фильтрами.

Собранная схема примера использования поворотного энкодера на Arduino

Мы разработаем простое программное меню, в котором и продемонстрируем работу поворотного энкодера.

Обработка сигналов энкодера с помощью прерываний

Сигналы энкодера должны быть обнаружены и интерпретированы в программе как можно быстрее, чтобы не блокировать основной поток программы. Мы можем детектировать сигналы путем опроса в основном цикле, или используя прерывания.

Опрос не эффективен, так как вам необходимо зарезервировать время и ресурсы в основном цикле, что приводит к дополнительным задержкам. Использование прерываний – это более быстрое и экономичное решение.

Мы покажем вам, как использовать прерывания для обработки сигналов энкодера.

В Atmega328 есть два типа прерываний, которые можно использовать для этих целей; внешнее прерывание и прерывание по изменению состояния вывода. Выводы INT0 и INT1 назначены на внешнее прерывание, а PCINT0-PCIN15 назначены на прерывание по изменению состояния вывода.

Внешнее прерывание может определить, произошел ли спад или нарастание входного сигнала, и может быть запущено при одном из следующих состояний: нарастание, спад или переключение.

Для прерывания по изменению состояния выводов существует гораздо больше аппаратных ресурсов, но оно не может обнаруживать нарастающий и спадающий фронты, и оно вызывается, когда происходит любое изменение логического состояния (переключение) на выводе.

Чтобы использовать прерывание по изменению состояния выводов, подключите выходы поворота энкодера A и B к выводам A1 и A2, а выход кнопки – к выводу A0 платы Arduino, как показано на принципиальной схеме.

Установите выводы A0, A1 и A2 в режим входа и включите их внутренние подтягивающие резисторы. Включите прерывание по изменению состояния выводов в регистре PCICR и включите прерывания для выводов A0, A1 и A2 в регистре PCMS1.

При обнаружении любого изменения логического состояния на одном из этих входов будет вызовано ISR(PCINT1_vect) (прерывание по изменению состояния выводов).

Поскольку прерывание по изменению состояния выводов вызывается для любого логического изменения, нам необходимо отслеживать оба сигнала (и A, и B) и обнаруживать вращение при получение ожидаемой последовательности.

Как видно из диаграммы сигналов, движение по часовой стрелке генерирует A = …0011… и B = …1001….

Когда мы записываем оба сигналы в байты seqA и seqB, сдвигая последнее чтение вправо, мы можем сравнить эти значения и определить новый шаг вращения.

Вы можете увидеть часть кода, включающую инициализацию и функцию обработки прерывания по изменению состояния выводов.

void setup()
<
pinMode(A0, INPUT);
pinMode(A1, INPUT);
pinMode(A2, INPUT);

// Включить внутренние подтягивающие резисторы
digitalWrite(A0, HIGH);
digitalWrite(A1, HIGH);
digitalWrite(A2, HIGH);

PCICR = 0b00000010; // 1. PCIE1: Включить прерывание 1 по изменению состояния
PCMSK1 = 0b00000111; // Включить прерывание по изменению состояния для A0, A1, A2
>

void loop()
<
// Основной цикл
>

// Если прерывание вызвано кнопкой
if (!digitalRead(A0))
<
button = true;
>

// Если прерывание вызвано сигналами энкодера
else
<

// Прочитать сигналы A и B
boolean A_val = digitalRead(A1);
boolean B_val = digitalRead(A2);

// Записать сигналы A и B в отдельные последовательности
seqA

AVR. Учебный Курс. Инкрементальный энкодер

Энкодер это всего лишь цифровой датчик угла поворота, не более того.

Энкодеры бывают абсолютные — сразу выдающие двоичный код угла и инкрементальные, дающие лишь указание на направление и частоту вращения, а контроллер, посчитав импульсы и зная число импульсов на оборот, сам определит положение.

Если с абсолютным энкодером все просто, то с инкрементальным бывают сложности. Как его обрабатывать?

С Энкодера выходят два сигнала А и В, сдвинутых на 90 градусов по фазе, выглядит это так:

А дальше пляшем от типа энкодера. А они бывают разные.

Механический Тебе, скорей всего, в руки попадется либо механический, либо оптический с малой дискретностью. Выдающий, в лучшем случае, пару десятков импульсов на оборот. Устроен он просто — две контактные группы замыкаются в нужном порядке в зависимости от вращения.

В оптическом же может быть два фонаря и два фотодиода, святящие через диск с прорезями (шариковая мышка, ага. Оно самое).

Механический подключается совсем просто центральный на землю, два крайних (каналы) на подтянутые порты. Я, для надежности, подключил внешнюю подтяжку. Благо мне на Pinboard для этого только парой тумблеров щелкнуть:

Оптический подключается в зависимости от типа оптодатчика, обычно там стоит два фотодиода с общим анодом.

Обычно, все пытаются работать с ними через прерывания INT, но этот метод так себе. Проблема тут в дребезге — механические контакты, особенно после длительного пользования, начинают давать сбои и ложные импульсы в момент переключения. А прерывание на эти ложные импульсы все равно сработает и посчитает что нибудь не то.

Лучше считать не импульсы, а состояния.

Метод прост:
Подставим нули и единички, в соответствии с уровнем сигнала и запишем последовательность кода:

A:0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0
B:1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1

Если A и B идут на одни порт контроллера (например на A=PB0 B=PB1), то при вращении энкодера у нас возникает меняющийся код:

Теперь остается только циклически опрашивать наш энкодер сравнивая текущее состояние с новым и на основании этого делающего выводы о вращении. Причем частота опроса должна быть такой, чтобы не пропустить ни одного импульса.

Например, мой EC12 имеет 24 импульса на оборот. Вращать его предпологается вручную и я вряд ли смогу вращать его с космической скоростью, но решил все же замерить.

Подключился к осциллографу, крутнул ручку что есть мочи:

Выжал меньше килогерца. Т.е. опрашивать надо примерно 1000 раз в секунду. Можно даже реже, будет надежней в плане возможного дребезга. Сейчас, кстати, дребезга почти нет, но далеко не факт что его не будет потом, когда девайсина разболтается.

Сам опрос должен быть в виде конечного автомата. Т.е. у нас есть текущее состояние и два возможных следующих.

void EncoderScan(void)
<
u08 New;

New = PINB &#038; 0x03; // Берем текущее значение // И сравниваем со старым

// Смотря в какую сторону оно поменялось &#8212; увеличиваем
// Или уменьшаем счетный регистр

EncState = New; // Записываем новое значение // Предыдущего состояния

// Эту задачу надо запускать каждую миллисекунду.

Почему я под счетчик завел такую большую переменную? Целых два байта? Да все дело в том, что у моего энкодера, кроме импульсов есть еще тактильные щелчки. 24 импульса и 24 щелчка на оборот.

А по моей логике, на один импульс приходится четыре смены состояния, т.е. полный период 3201_3201_3201 и один щелчок дает 4ре деления, что некрасиво. Поэтому я считаю до 1024, а потом делю сдвигом на четыре.

Получаем на выходе один щелочок — один тик.

Скоростной опрос на прерываниях
Но это механические, с ними можно простым опросом обойтись — частота импульсов позволяет. А бывают еще и высокоскоростные энкодеры. Дающие несколько тысяч импульсов на оборот, либо работающие на приводах и вращающиеся очень быстро. Что с ними делать?

Ускорять опрос занятие тупиковое. Но нас спасает то, что у таких энкодеров, как правило, есть уже свои схемы подавления дребезгов и неопределенностей, так что на выходе у них четкий прямоугольный сигнал (правда и стоят они совершенно негуманно. От 5000р и до нескольких сотен тысяч. А что ты хотел — промышленное оборудование дешевым не бывает).

Так что без проблем можно применять прерывания. И тогда все упрощается неимоверно. Настраиваем всего одно прерывание по внешнему сигналу. Например, INT0 настраиваем так, чтобы сработка шла по восходящему фронту. И подаем на INT0 канал А.

Пунктиром показано предполагаемое положение в произвольный момент. Красные стрелки это фронты по которым сработают прерывания при движении либо в одну, либо в другую сторону.

А в обработчике прерывания INT0 щупаем вторым выводом канал В. И дальше все элементарно!

Если там высокий уровень — делаем +1, если низкий -1 нашему счетному регистру. Кода на три строчки, мне даже писать его лень.

Конечно, можно такой метод прикрутить и на механический энкодер. Но тут надо будет заблокировать прерывания INT0 на несколько миллисекунд. И НИ В КОЕМ СЛУЧАЕ нельзя делать это в обработчике.

Алгоритм прерывания с антидребезгом будет выглядеть так:

• Зашли в обработчик INT0
• Пощупали второй канал
• +1 или -1
• Запретили локально INT0
• Поставили на таймер событие разрешающее INT0 через несколько миллисекунд
• Вышли из обработчика

Сложно? Нет, не сложно. Но зачем? Проще сделать банальный опрос, как указано выше и не зависеть от выводов прерываний. Впрочем, хозяин барин.

Подключение энкодера к Arduino. GyverEncoder [30.04]

Подключение энкодера к Arduino. GyverEncoder [30.04]

• – 4.1
  – Исправлено изменение подтяжек
• – 4.2
  – Добавлена поддержка TYPE1 для алгоритма PRECISE_ALGORITHM
• – Добавлена отработка двойного клика: isSingle / isDouble

– 4.3: Исправлено ложное isSingle
– 4.4: Добавлен метод resetStates, сбрасывает все is-флаги и счётчики

– 4.5: Улучшен алгоритм BINARY_ALGORITHM (спасибо Ярославу Курусу)

Объект энкодера может быть создан несколькими способами:

Encoder enc; // не привязан к пину (для виртуального энкодера, см. пример)
Encoder enc(пин CLK, пин DT); // энкодер без кнопки (ускоренный опрос)
Encoder enc(пин CLK, пин DT, пин SW); // энкодер с кнопкой
Encoder enc(пин CLK, пин DT, пин SW, тип); // энкодер с кнопкой и указанием типа
Encoder enc(пин CLK, пин DT, ENC_NO_BUTTON, тип); // энкодер без кнопки и с указанием типа

Опрос

Опрос энкодера происходит в методе .tick(), после чего можно узнать состояние энкодера из методов is*. Сам .tick() должен вызываться как можно чаще:

• В loop() – у вас должен быть “прозрачный” loop() без задержек
• В прерывании таймера – достаточно опрашивать энкодер каждые 5 мс (зависит от скорости поворота)
• В аппаратном прерывании (достаточно завести одну таковую ногу энкодера)

Для “расшифровки” состояния энкодера используются следующие методы:

• isTurn(); // возвращает true при любом повороте, сама сбрасывается в false
• isRight(); // возвращает true при повороте направо, сама сбрасывается в false
• isLeft(); // возвращает true при повороте налево, сама сбрасывается в false
• isRightH(); // возвращает true при удержании кнопки и повороте направо, сама сбрасывается в false
• isLeftH(); // возвращает true при удержании кнопки и повороте налево, сама сбрасывается в false
• isFastR(); // возвращает true при быстром повороте
• isFastL(); // возвращает true при быстром повороте

Для кнопки энкодера:

• isPress(); // возвращает true при нажатии кнопки, сама сбрасывается в false
• isRelease(); // возвращает true при отпускании кнопки, сама сбрасывается в false
• isClick(); // возвращает true при нажатии и отпускании кнопки, сама сбрасывается в false
• isHolded(); // возвращает true при удержании кнопки, сама сбрасывается в false
• isHold(); // возвращает true при удержании кнопки, НЕ СБРАСЫВАЕТСЯ
• isSingle(); // возвращает true при одиночном клике (после таймаута), сама сбрасывается в false
• isDouble(); // возвращает true при двойном клике, сама сбрасывается в false

Примечание: isClick() возвращает true сразу же после отпускания кнопки, в то время как isSingle() возвращает true после таймаута, во время которого можно сделать второй клик и поймать уже двойной клик при помощи isDouble().

В версии 4.4 появился метод resetStates(), который принудительно сбрасывает все флаги is-методов

Настройки в скетче

Некоторые параметры работы энкодера можно настроить из программы:

• setType(type); // тип энкодера TYPE1 одношаговый, TYPE2 двухшаговый. Если ваш энкодер работает странно, смените тип
• setTickMode(tickMode); // MANUAL / AUTO – ручной или автоматический опрос энкодера функцией tick() (по умолчанию ручной)
• setDirection(direction); // NORM / REVERSE – направление вращения энкодера
• setFastTimeout(timeout); // установка таймаута быстрого поворота
• setPinMode(mode); // тип подключения пинов энкодера, подтяжка HIGH_PULL (внутренняя) или LOW_PULL (внешняя на GND)
• setBtnPinMode(mode); // тип подключения кнопки, подтяжка HIGH_PULL (внутренняя) или LOW_PULL (внешняя на GND)

Настройки в библиотеке

В заголовочном файле библиотеки (GyverEncoder.h) есть несколько дополнительных настроек:

• ENC_DEBOUNCE_TURN 1 // время антидребезга для энкодера, миллисекунд
• ENC_DEBOUNCE_BUTTON 80 // время антидребезга для кнопки, миллисекунд
• ENC_HOLD_TIMEOUT 700 // таймаут удержания кнопки, миллисекунд
• ENC_DOUBLE_TIMEOUT 300 // таймаут двойного клика

• #define ENC_WITH_BUTTON // если закомментировать данную строку, опрос кнопки будет полностью “убран” из кода, что сделает его легче и чуть быстрее

• #define DEFAULT_ENC_PULL LOW_PULL // тип подключения энкодера по умолчанию (LOW_PULL или HIGH_PULL)
• #define DEFAULT_BTN_PULL HIGH_PULL // тип подключения кнопки энкодера по умолчанию (LOW_PULL или HIGH_PULL)

Алгоритмы опроса энкодера

Алгоритм работы библиотеки можно выбрать в заголовочном файле библиотеки (GyverEncoder.h), для этого нужно раскомментировать одну из строк с дефайнами алгоритмов:

• #define FAST_ALGORITHM // быстрый, не справляется с люфтами
• #define BINARY_ALGORITHM // медленнее, лучше справляется с люфтами
• #define PRECISE_ALGORITHM // медленнее, но работает даже с убитым энкодером (по мотивам https://github.com/mathertel/RotaryEncoder)

Работа с “виртуальным” энкодером

Версия библиотеки 4+ поддерживает работу с виртуальным энкодером, т.е. алгоритм опрашивает не напрямую цифровой пин микроконтроллера, а логическую величину, которую ему передадут. Таким образом можно попробовать опрашивать несколько энкодеров, подключенных через расширитель пинов. Для работы с таким энкодером нужно инициализировать энкодер без указания пина:

Encoder enc; // не привязан к пину

Работа с таким энкодером ничем не отличается от обычного, кроме метода tick() – в него нужно передать состояния тактовых пинов энкодера (CLK и DT), а также пина кнопки (опционально):

enc1.tick(stateCLK, stateDT, stateSW); // с кнопкой
enc1.tick(stateCLK, stateDT); // без кнопки

Смотрите пример external_enc в папке с примерами

Encoder(); // для непривязанного к пинам энкодера
Encoder(uint8_t clk, uint8_t dt, int8_t sw = -1, bool type = false); // CLK, DT, SW, тип (TYPE1 / TYPE2) TYPE1 одношаговый, TYPE2 двухшаговый. Если ваш энкодер работает странно, смените тип
// Варианты инициализации:
// Encoder enc; // не привязан к пину
// Encoder enc(пин CLK, пин DT); // энкодер без кнопки (ускоренный опрос)
// Encoder enc(пин CLK, пин DT, пин SW); // энкодер с кнопкой
// Encoder enc(пин CLK, пин DT, пин SW, тип); // энкодер с кнопкой и указанием типа
// Encoder enc(пин CLK, пин DT, ENC_NO_BUTTON, тип); // энкодер без кнопкой и с указанием типа

void tick(); // опрос энкодера, нужно вызывать постоянно или в прерывании
void setType(boolean type); // TYPE1 / TYPE2 &#8212; тип энкодера TYPE1 одношаговый, TYPE2 двухшаговый. Если ваш энкодер работает странно, смените тип
void setTickMode(boolean tickMode); // MANUAL / AUTO &#8212; ручной или автоматический опрос энкодера функцией tick(). (по умолчанию ручной)
void setDirection(boolean direction); // NORM / REVERSE &#8212; направление вращения энкодера
void setFastTimeout(int timeout); // установка таймаута быстрого поворота
void setPinMode(bool mode); // тип подключения энкодера, подтяжка HIGH_PULL (внутренняя) или LOW_PULL (внешняя на GND)
void setBtnPinMode(bool mode); // тип подключения кнопки, подтяжка HIGH_PULL (внутренняя) или LOW_PULL (внешняя на GND)

boolean isTurn(); // возвращает true при любом повороте, сама сбрасывается в false
boolean isRight(); // возвращает true при повороте направо, сама сбрасывается в false
boolean isLeft(); // возвращает true при повороте налево, сама сбрасывается в false
boolean isRightH(); // возвращает true при удержании кнопки и повороте направо, сама сбрасывается в false
boolean isLeftH(); // возвращает true при удержании кнопки и повороте налево, сама сбрасывается в false
boolean isFastR(); // возвращает true при быстром повороте
boolean isFastL(); // возвращает true при быстром повороте

boolean isPress(); // возвращает true при нажатии кнопки, сама сбрасывается в false
boolean isRelease(); // возвращает true при отпускании кнопки, сама сбрасывается в false
boolean isClick(); // возвращает true при нажатии и отпускании кнопки, сама сбрасывается в false
boolean isHolded(); // возвращает true при удержании кнопки, сама сбрасывается в false
boolean isHold(); // возвращает true при удержании кнопки, НЕ СБРАСЫВАЕТСЯ
boolean isSingle(); // возвращает true при одиночном клике (после таймаута), сама сбрасывается в false
boolean isDouble(); // возвращает true при двойном клике, сама сбрасывается в false
void resetStates(); // сбрасывает все is-флаги

Источник: xn—-dtbchbawj2amueleii7b6i.xn--p1ai