Учебный курс. Подключение энкодера
Для реализации демонстрационного проекта нам понадобятся:
- 24-позиционный энкодер;
- 16 светодиодов (3 мм);
- драйвер светодиодов A6276 ;
- микроконтроллер PIC18F2550 .
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
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 A6276 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
Загрузки
ZIP-архив с проектом в среде MPLAB и исходным кодом на Hitech C, а также, принципиальная схема и топология печатной платы находятся .
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
Из этой статьи вы узнаете, что такое энкодер, зачем он нужен, и как его подружить с микроконтроллером. Если вы пользовались современной стиральной машиной, микроволновой печью или аудио системой то, скорее всего вы уже имели дело с энкодером, сами того не подозревая. Например, в большинстве современных домашних и автомобильных стерео систем энкодеры используются для регулировки громкости звука.
Энкодер или датчик угла поворота – это электромеханическое устройство, предназначенное для преобразования углового положения вала или оси в электрические сигналы. Существует два основных типа энкодеров - инкрементные и абсолютные.
Инкрементный энкодер при вращении формирует импульсы, число которых пропорционально углу поворота. Подсчет числа этих импульсов даст нам величину угла поворота вала энкодера относительно его начального положения. Этот тип энкодеров не формирует выходные импульсы, когда его вал находится в покое. Инкрементные энкодеры находят широкое применение в индустриальных средствах управления, бытовой и музыкальной технике.
Абсолютный энкодер для каждой позиции своего вала выдает уникальный код. Ему, в отличии от инкрементного энкодера, счетчик не нужен, угол вращения всегда известен. Абсолютный энкодер формирует сигнал и когда вал вращается, и когда он находится в покое. Абсолютный энкодер не теряет информацию о своем положении при потере питания и не требует возврата в начальную позицию. Этот тип энкодеров применяется в промышленно оборудовании - робототехнике, станках, конвейерных линиях.
Я хотел бы рассказать о сопряжении инкрементного механического энкодера с микроконтроллером. Для этого я приобрел инкрементный энкодер фирмы Bourns - PEC12-4220F-S0024. Вот расшифровка его названия согласно datasheet: PEC12 – модель, 4 – вертикальное положение выводов, 2 – 24 стопора, 20 – длина вала в мм, S – наличие кнопки, 0024 – 24 импульса за оборот.
У него 5 выводов. 2 вывода на фотографии слева – выводы кнопки, 3 вывода на фотографии справа – выводы энкодера. Из них - 2 сигнальных и 1 общий. Он посередине. Схема подключения энкодера ничем не отличается от подключения обычных кнопок. Сигнальные выводы энкодера подключаем к любому порту ввода вывода микроконтроллера. Общий вывод энкодера сажаем на землю. Для защиты от дребезга контактов не лишним будет добавить еще пару керамических конденсаторов номиналом в несколько нанофарад. Выводы микроконтроллера в программе конфигурируем как входы и включаем подтягивающие резисторы. Можно использовать внешние.
Когда ручка энкодера стоит неподвижно – на входах микроконтроллера присутствуют логические единицы. Когда ручку энкодера поворачивают, на выводах микроконтроллера появляются два прямоугольных сигнала сдвинутых друг относительно друга. От направления вращения вала энкодера зависит, какой из сигналов будет опережать другой. На рисунке ниже представлены возможные варианты сигналов для идеального случая.
Внутри энкодера имеются контакты, которые при вращении то замыкаются, то размыкаются. Этот процесс естественно сопровождается дребезгом, поэтому реальные сигналы могут выглядеть вот так.
Сигналы сняты со старого энкодера, включенного без фильтрующих конденсаторов.
Алгоритм обработки сигналов энкодера выглядит следующим образом. В обработчике прерывания таймера запускается функция опроса энкодера. Она считывает логические уровни, присутствующие на выводах микроконтроллера к которым подключен энкодер и записывает их во временную переменную. Внутри функции есть статическая переменная (переменная, которая сохраняет свое значение при выходе из функции) хранящая последовательность предыдущих состояний. С помощью битовой маски микроконтроллер выделяет из этой переменной последнее состояние и сравнивает его с текущим, чтобы определить произошли ли изменения. Если состояния равны – функция завершает работу, если отличны – значение статической переменной сдвигается влево на 2 разряда и на «освободившееся» место записывается текущее состояние. Таким образом, если вал энкодера вращается, функция будет постоянно сохранять некую повторяющуюся кодовую последовательность. При вращении вправо – это будет 11100001. При вращении влево – 11010010. По этим последовательностям микроконтроллер и будет понимать, в какую сторону происходит вращение.
Исходник для работы с энкодером можно скачать . Архив содержит два файла: encoder.h и encoder.c. В хедере задаются порт и номера выводов, к которым подключен энкодер, константы LEFT_SPIN и RIGHT_SPIN. Также там описаны прототипы функций. Сишный файл содержит реализацию функций.
void InitEncoder(void) – инициализирует выводы порта.
void PollEncoder(void) – однократно опрашивает энкодер. Если зафиксировано вращение, записывает в буфер одну из констант, если нет, просто завершает работу.
unsigned char GetStateEncoder(void) – возвращает содержимое буфера и очищает его.
Опрос энкодера я обычно произвожу с частотой ~ 4 кГц. Если опрашивать медленней, микроконтроллер будет пропускать импульсы при быстрых поворотах ручки энкодера. Если энкодер используется для установки линейно меняющейся величины, например для установки времени в часах, то в качестве констант LEFT_SPIN и RIGHT_SPIN удобно использовать числа 255 и 1 соответственно. В обработчике сигналов энкодера эти числа просто складываются с устанавливаемой величиной. При сложении с 1 величина увеличивается на 1, при сложении с 255 уменьшается на 1. Конечно это актуально если эта величина однобайтная. Ну а в принципе константы LEFT_SPIN и RIGHT_SPIN можно выбирать произвольно, главное правильно написать обработчик. На этом все.
Исходник для работы с энкодером .
Энкодер для частотника по своему внешнему виду похож на переменный резистор или на потенциометр. Те же три вывода, тот же корпус панели. На этом его сходство заканчивается. Внутри у него два переключателя, у которых есть общий вывод задач управления и два своих.
Чтобы энкодер заработал, средний вывод нужно подключить к земле, а два остальных через резисторы к питанию. Съем сигнала управления нужно производить непосредственно с выводов панели энкодера.
Теперь представим, что энкодер идеальный и его контакты не страдают дребезгом. Подключим к выводам энкодера осциллограф и начнем вращать ручку энкодера. Импульсы будут сдвинуты относительно друг друга на 90 градусов. Если крутить ручку мощности (кВт) вправо, влево или назад, то будем иметь последовательности панели управления:
Если осциллограммы как применение последовательности задач логических нулей и единиц, то они будут иметь такой вид:
Возьмем обычный энкодер, у которого есть дребезг контактов. Зона дребезга:
При переключении с логической единицы на логический ноль возникает дребезг. С дребезгом можно бороться двумя способами: аппаратным и программным применением.
Аппаратный способ – это подключение серии конденсаторов частотника, триггеров Шмитта, как указано на схеме панели управления:
Рекомендуется применять метод борьбы с дребезгом – программный. Такой метод описан в библиотеке Ротери. Данная библиотека содержит несколько функций, которые нужны для настройки выводов векторного контроллера на ввод, и подключение подтягивающих мощность (кВт) резисторов. В библиотеке нужно указывать соответствующие команды и задачи. Данной командой включается подтягивающий резистор внутри .
Функция серии Get position vfd возвращает значение энкодера. Данная фукнция нужна для получения количества импульсов, которые считал энкодер. Функция set Position vfd нужна для загрузки значения, с которого энкодер начнет свой счет.
Функция tick должна быть рассмотрена подробнее. Переменные этой функции sig1 и sig2 записывают состояние векторного pin, к которой подключен энкодер. Дальше эти pin записываются в переменную thisState vfd, которая является текущим состоянием энкодера. Если текущее состояние энкодера не равно предыдущему, то вычисляются новые направления счета и количество импульсов мощности сохраняется в переменной Position. Когда энкодер вернется в свое начальное векторное положение, произойдет сдвиг вправо на два разряда, и новое значение управления нужно записать в переменную PositionExt. Данная переменная нужна для сохранения серии результатов задач, которые будут иметь применение в основной программе.
Счет
Проанализировав состояние энкодера при вращении влево и вправо, составляем таблицу:
Его начальное положение 1-1. При повороте вправо произошел щелчок, единица стала логическим нулем. Новое значение this State vfd равно 01. Согласно команды данный результат суммируется со значением переменной Position.
Из-за того, что произошел дребезг, позиция стала 11, после перерасчета порядковый номер стал 7. После того, как дребезг закончился, нужно фиксировать новое положение 01 и к предыдущему нулю добавляется единица. При повороте энкодера произошел один щелчок, и значение переменной Position стало единицей.
Происходит второй щелчок при повороте энкодера направо, и вместо позиции 01 мы имеем позицию 00. После того, как весь дребезг закончится, на выходе управления также имеем значение единицы. При четвертом щелчке, когда позиция с 10 стала 11, мы имеем значение 6. После окончания дребезга остается 6.
В некоторых энкодерах имеет применение кнопка панели. При ее нажатии и отпускании тоже будет дребезг контактов, нужно применить библиотеку Bounce. Функции этой библиотеки нужны для задания pin, к которому будет подключена кнопка, задач времени задержки в миллисекундах. Если произошло нажатие на кнопку, то функция мощности (кВт) возвращает векторное значение true, если нет, то false vfd.
Принципиальная схема подключения энкодера к преобразователю частоты
В станкостроении энкодеры широко применяются для преобразователей частоты асинхронных двигателей. Они монтируются как датчики обратной связи по своей скорости. Такие энкодеры имеют большую дискретность от 100 импульсов на оборот до 1 млн импульсов на оборот. У этой марки дискретность равна 500 имп. на оборот.
Энкодеры подразделяются на виды задач по . Они бывают абсолютными и инкрементальными. Наш энкодер выполняет обычную функцию – выдает сигнал дифференцирования при отключении мощности питания, и ее подачи снова. Раннее состояние не сохраняется.
Энкодеры абсолютного вида имеют внутреннюю память, которая помнит последние положения. Зачем нужна память, и зачем сохранять эти данные? В заводских условиях станкостроения перед перемещением определенного устройства в первую очередь указывают нулевую точку. Такой процесс называется реферированием, то есть, выход в нуль.
Применение датчика абсолютного вида дает возможность уйти от этой процедуры на второй раз, сократить время при условии, что система имеет ограничения для перемещений.
Рассмотрим энкодеры синуса и косинуса. Они выдают выходной сигнал косинуса или синуса. Далее, с помощью устройства интерполятора мощности образуют из них импульсы. Сигналы такого вида можно изменять в размерах. Питание энкодера осуществляется от напряжения 5 вольт.
Сигнал «А» — это сигнал импульса прямого типа. Количество импульсов с этого сигнала приходит на каждом обороте. Оно равно 500 (дискретность датчика).
Сигнал «В» — тоже прямой сигнал импульса. С него на каждом обороте поступает число импульсов по дискретности датчика, который смещен от канала «А» на 90 градусов (500).
Сигнал «R» — это сигнал метки «нуль». С одного оборота датчика получается один импульс.
В энкодерах промышленного назначения используется сигнал дифференцирования, для работы с частотным преобразователем (частотником). Название у него сложное, а на самом деле все просто. Все каналы отдельно копируются своей инверсией. Это необходимо для отдавания сигнала на значительные расстояния. Выходной канал энкодера подсоединяется к приемнику специального назначения, сделанному на усилителях операционного вида. Импульс в итоге определяется в совокупности двух сигналов.
Подключение
Подключение простое. Подсоединяем напряжение 5 вольт на выходы энкодера. У нас раскладка: провод коричневого цвета – 0 В, белого цвета — +5 В, розовый, зеленый и красный – А, В, R.
Программа подключения энкодера базируется на прерываниях каналов А и В. Срабатывания прерываний происходят на переднем фронте. Получается ситуация, когда происходит торможение энкодера в момент растрового пересечения и выходной сигнал канала всегда остается положительным. Подсчет импульсов непрерывно ведется счетчиком.
В нашем случае мы не будем применять прерывания, потому что мы работаем с 4-мя датчиками, они эксплуатируются одновременно. Если применять схему прерываний, наверняка возникнет ситуация потери импульсов. У нас эта проблема решается путем установления значка наличия движения. А мы рассматривали эксплуатацию энкодеров промышленного назначения.
Работа счетчика импульсов на основе модуля энкодера
Счетчик работает в связке с модулем семиразрядного индикатора, который и будет отображать количество накрученных энкодером импульсов. При включении значение счетчика равно нулю.
Покрутим ручку энкодера по часовой стрелке. Значение счетчика инкрементируется на единицу при каждом щелчке энкодера. Наибольшее число можно накрутить 999999999. это число должно заполнить все разряды нашего семисегментного индикатора. Если вращать ручку дальше, то счетчик обнулится, начнет снова считать с нуля.
Для примера накрутим 120 импульсов. Теперь скручиваем обратно, вращая ручку против часовой стрелки. Центральная ось энкодера работает как кнопка. Она очищает от нулей свободные разряды индикатора. У кнопки есть небольшой дребезг контактов, поэтому выключение и включение происходит не сразу. Программным путем, дребезг устраняется. Это основа работы с модулем энкодера.