上篇介紹了定時器捕獲輸入脈沖的原理，那種方式是根據捕獲的原理，手動切換上升沿與下降沿捕獲，計算脈沖寬度的過程原理比較清晰，但編程操作起來比較麻煩。

對于電機測速用到的正交編碼器，測速時需要捕獲2路脈沖，如果使用上一篇介紹的方法，編程就較為復雜。還好單片機的通用定時器具有專門的正交編碼器接口，只需配置相應的寄存器，就可實現編碼器輸入的上下沿自動捕獲與計數，非常便于編碼器的測速。

下面就來介紹下定時器的編碼器模式的使用：

1 正反轉計數原理示例

編碼器模式下，計數器的計數方向代表的電機的正轉與反轉，計數的大小代表了轉速的大小。

如下圖，電機正轉時，編碼器的通道A（TI1）的信號超前通道B，計數器向上計數，反轉時，通道A的信號滯后，向下計數。

設置信號的極性反相，可以使向下計數代表電機正轉。

2 定時器編碼器模式配置

以STM32 芯片為例，其內部有專門用來采集增量式編碼器方波信號的接口，這些接口實際上是STM32 定時器的其中一種功能。不過編碼器接口功能只有高級定時器TIM1、TIM8 和通用定時器的TIM2~TIM5 才有。

正交編碼器有兩路正交的輸入信號（關于正交編碼的介紹，可查看之前的文章：編碼器計數原理與電機測速原理——多圖解析），根據實際需要，可以設置只捕獲某個通道的上升沿或下降沿，也可以設置同時捕獲兩個通道的上升沿與下降沿，這樣就可以提高編碼器的計數精度，實現倍頻。

編碼器模式的配置實際上是通過配置SMCR寄存器和CCER寄存器來實現。

2.1 SMCR寄存器配置觸發模式

SMCR即從模式控制寄存器(slave mode control register)，查閱STM32F4的參考手冊，可以找到類似如下信息，現在我們只需關注SMS這幾位：

• 位 15 ETP：外部觸發極性 (External trigger polarity)

• 位 14 ECE：外部時鐘使能 (External clock enable)

• 位 13:12 ETPS：外部觸發預分頻器 (External trigger prescaler)

• 位 11:8 ETF[3:0]：外部觸發濾波器 (External trigger filter)

• 位 7 MSM：主/從模式 (Master/Slave mode)

• 位 6:4 TS：觸發選擇 (Trigger selection)

• 位 3 保留，必須保持復位值

• 位 2:0 SMS：從模式選擇 (Slave mode selection)

  • 000：禁止從模式––如果 CEN =“1”，預分頻器時鐘直接由內部時鐘提供。

  • 001：編碼器模式 1––計數器根據 TI1FP1 電平在 TI2FP2 邊沿 遞增/遞減計數。

  • 010：編碼器模式 2––計數器根據 TI2FP2 電平在 TI1FP1 邊沿 遞增/遞減計數。

  • 011：編碼器模式 3––計數器在 TI1FP1 和 TI2FP2 的邊沿計數，計數的方向取決于另外一個信號的電平。

  • 100：復位模式––在出現所選觸發輸入 (TRGI) 上升沿時，重新初始化計數器并生成一個寄存器更新事件。

  • 101：門控模式––觸發輸入 (TRGI) 為高電平時使能計數器時鐘。只要觸發輸入變為低電平，計數器立即停止計數（但不復位）。計數器的啟動和停止都是受控的。

  • 110：觸發模式––觸發信號 TRGI 出現上升沿時啟動計數器（但不復位）。只控制計數器的啟動。

  • 111：外部時鐘模式 1––由所選觸發信號 (TRGI) 的上升沿提供計數器時鐘。

上面的SMCR寄存器介紹中，關于TI1、TI2等的函數：

TI1 和 TI2對應編碼器的A、B兩相輸入信號。

TI1FP1 和 TI2FP2 是進行輸入濾波器和極性選擇后 TI1 和 TI2 的信號，如果不進行濾波和反相，則 TI1FP1=TI1，TI2FP2=TI2。

從上面的SMCR寄存器的功能介紹可知，選擇編碼器接口模式時：

如果計數器僅在 TI2 邊沿處計數，在 TIMx_SMCR 寄存器中寫入 SMS=001

如果計數器僅在 TI1 邊沿處計數，寫入 SMS=010

如果計數器在 TI1 和 TI2 邊沿處均計數，則寫入 SMS=011

定時器的編碼器模式根據兩個輸入的信號轉換序列，產生計數脈沖和方向信號。根據該信號轉換序列，計數器相應遞增或遞減計數，同時硬件對 TIMx_CR1 寄存器的DIR位進行相應修改。任何輸入（TI1 或 TI2）發生信號轉換時，都會計算 DIR 位。

2.2 CCER寄存器配置極性

通過編程 TIMx_CCER 寄存器的 CC1P 和 CC2P 位，可以選擇 TI1 和 TI2 極性。實際上就是設置TIxFP1 是否與TIx反相，來設置正轉時是向下計數還是向下計數。

• 位 15、11、7、3 CCxNP：捕獲 /比較x 輸出極性 (Capture/Comparex output Polarity)

• 位 14、10、6、2 保留，必須保持復位值

• 位 13、9、5、1 CCxP：捕獲 /比較x 輸出極性 (Capture/Comparex output Polarity)。

  • 00：非反相/上升沿觸發電路對 TIxFP1 上升沿敏感（在復位模式、外部時鐘模式或觸發模式下執行捕獲或觸發操作）， TIxFP1 未反相 （在門控模式或編碼器模式下執行觸發操作）。

  • 01：反相/下降沿觸發 電路對 TIxFP1 下降沿敏感 （在復位模式、外部時鐘模式或觸發模式下執行捕獲或觸發操作）， TIxFP1 反相 （在門控模式或編碼器模式下執行觸發操作）。

  • 10：保留，不使用此配置。

  • 11：非反相/上升沿和下降沿均觸發 電路對 TIxFP1 上升沿和下降沿都敏感（在復位模式、外部時鐘模式或觸發模式下執行捕獲或觸發操作），TIxFP1 未反相（在門控模式下執行觸發操作）。編碼器模式下不得使用此配置!!!。

  • 0：OCx 高電平有效

  • 1：OCx低電平有效

  • CCx 通道配置為輸出：

  • CCx 通道配置為輸入：

    CCxNP/CCxP 位可針對觸發或捕獲操作選擇 TI1FP1 和 TI2FP1 的極性。

• 位 12、8、4、0 CCxE：捕獲 /比較 x 輸出使能 (Capture/Comparex output enable)

注：在編碼器模式下，極性的作用是設置TIxFP1 是否反相，不要被”上升沿敏感“誤導為是只捕獲上升沿信號！

”上升沿敏感“是在非編碼器模式下的功能。所以，編碼模式下，只能配置為00或01。

另一方面來看，編碼器模式下，只能通過SMCR的模式設置倍頻，要么是2倍頻，要么是4倍頻，貌似不能設置1倍頻(只對1個通道的上升沿或下降沿計數)。

2.3 CCMR寄存器配濾波參數

如果需要，通過配置CCMR寄存器的IC1F與IC2F，還可以對編碼器輸入信號進行濾波配置：

這些寄存器的說明在上篇文章已有介紹，這里不再展開。

3 計數方向對照表解讀

編碼器模式下，計數器的計數方向（遞增計數還是遞減計數）會根據增量編碼器的速度和方向自動進行修改，因此，其計數值始終表示編碼器的位置。計數方向對應于所連傳感器的旋轉方向。下表匯總了可能的組合（假設 TI1 和 TI2 不同時切換）。

注：STM32 的編碼器接口在計數的時候，并不是單純采集某一通道信號的上升沿或下降沿，而是需要綜合另一個通道信號的電平。（通俗的講就是，使用編碼器接口時，編碼器的兩個輸入通道A與通道B都需要進行電路連接！！！，雖然你設置了僅在某一個通道上計數，但這個通道的計數時機需要參考另一路通道的信號）表中“相反信號的電平”指的就是在計數的時候所參考的另一個通道信號的電平，這些電平決定了計數器的計數方向。

3.1 僅在TI1處計數

這里的僅在TI1處計數，就是僅統計編碼器的通道A的信號跳變，先以電機正轉為例：

注：以下的介紹中，“通道A“代表TI1，“通道B“代表TI2。

3.1.1 電機正轉（向上計數）

假定電機正轉時，編碼的通道A的信號比通道B提前1/4個周期（也即相位提前90度），在通道A的上升沿與下降沿均計數（如下圖TI1波形中的綠色和紅色箭頭），因為計數的方向代表的電機轉動的方向，所以，在正轉的情況下：

• 通道A上升沿，通道B為低電平，向上計數，代表電機正轉

• 通道A下降沿，通道B為高電平，向上計數，代表電機正轉

3.1.2 電機反轉（向下計數）

反轉的情況，編碼的通道A的信號比通道B滯后1/4個周期：

• 通道A下降沿，通道B為低電平，向上計數，代表電機反轉

• 通道A上升沿，通道B為高電平，向上計數，代表電機反轉

3.2 僅在TI2處計數

僅在TI2處計數，就是僅統計編碼器的通道B的信號跳變，同樣可以分為正轉和反轉兩種情況，具體的對應關系參考上面的”僅在TI1處計數“自行分析，實際上通道A與通道B從自身來說功能是等價的。

3.3 在TI1與TI2處均計數

在TI1與TI2處均計數，就是講編碼器的通道A與通道B的信號均統計并進行計數，這樣可以提高計數頻率，實現倍頻。

這里還以電機正轉為例*：

觀察下圖，編碼器在開始階段可依次捕獲到：通道A上升沿、通道B上升沿、通道A下降沿、通道B下降沿，所以有：

• 通道A上升沿，通道B為低電平，向上計數，代表電機正轉

• 通道B上升沿，通道A為高電平，向上計數，代表電機正轉

• 通道A下降沿，通道B為高電平，向上計數，代表電機正轉

• 通道B下降沿，通道A為高電平，向上計數，代表電機正轉

4 編程實現

4.1 定時器編碼器模式配置

這里使用的通用定時器中的 TIM4，配置定時器最基礎的功能就是要配置時基，使用輸入功能還要配置定時器的GPIO和輸入通道。

#define ENCODER_TIM_PSC 0     /*計數器分頻*/
#define ENCODER_TIM_PERIOD 65535  /*計數器最大值*/
#define CNT_INIT 0         /*計數器初值*/

void TIM4_ENCODER_Init(void)           
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;      /*GPIO*/
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStruct; /*時基*/
TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStruct;     /*輸入通道*/
 
 /*GPIO初始化*/  
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE); /*使能GPIO時鐘 AHB1*/          
GPIO_StructInit(&GPIO_InitStruct);    
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;    /*復用功能*/
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz; /*速度100MHz*/
GPIO_InitStruct.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; 
GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;    
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource6,GPIO_AF_TIM4);
GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource7,GPIO_AF_TIM4);

/*時基初始化*/
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);  /*使能定時器時鐘 APB1*/
TIM_DeInit(TIM4); 
TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStruct);  
TIM_TimeBaseStruct.TIM_Prescaler = ENCODER_TIM_PSC;    /*預分頻 */    
TIM_TimeBaseStruct.TIM_Period = ENCODER_TIM_PERIOD;    /*周期(重裝載值)*/
TIM_TimeBaseStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;   
TIM_TimeBaseStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; /*連續向上計數模式*/ 
TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStruct);

/*編碼器模式配置：同時捕獲通道1與通道2(即4倍頻)，極性均為Rising*/
TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM4, TIM_EncoderMode_TI12,TIM_ICPolarity_Rising, TIM_ICPolarity_Rising);
TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStruct);    
TIM_ICInitStruct.TIM_ICFilter = 0;  /*輸入通道的濾波參數*/
TIM_ICInit(TIM4, &TIM_ICInitStruct); /*輸入通道初始化*/
TIM_SetCounter(TIM4, CNT_INIT);   /*CNT設初值*/
TIM_ClearFlag(TIM4,TIM_IT_Update);  /*中斷標志清0*/
TIM_ITConfig(TIM4, TIM_IT_Update, ENABLE); /*中斷使能*/
TIM_Cmd(TIM4,ENABLE);        /*使能CR寄存器*/
}

這里將定時器的計數溢出值設為65535，即TIM4的計數最大值（TIM4為16位計數器）。目的是避免計數器溢出，簡化后續的速度計算方式（計數器器若溢出，在計算轉速時，還要將溢出的次數考慮進去）。

編碼器模式設置為TIM_EncoderMode_TI12，即兩路信號均計數，實現4倍頻。

編碼器兩個輸入的極性均設置為TIM_ICPolarity_Rising，即極性不反相。

這里編碼器模式的設置，調用了TIM_EncoderInterfaceConfig()函數，其內部即是對相關的寄存器進行配置：

void TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_EncoderMode, uint16_t TIM_IC1Polarity, uint16_t TIM_IC2Polarity)
{
uint16_t tmpsmcr = 0;
uint16_t tmpccmr1 = 0;
uint16_t tmpccer = 0;
 
/* Check the parameters */
assert_param(IS_TIM_LIST2_PERIPH(TIMx));
assert_param(IS_TIM_ENCODER_MODE(TIM_EncoderMode));
assert_param(IS_TIM_IC_POLARITY(TIM_IC1Polarity));
assert_param(IS_TIM_IC_POLARITY(TIM_IC2Polarity));

tmpsmcr = TIMx->SMCR;/* Get the TIMx SMCR register value */
tmpccmr1 = TIMx->CCMR1; /* Get the TIMx CCMR1 register value */
tmpccer = TIMx->CCER;/* Get the TIMx CCER register value */
tmpsmcr &= (uint16_t)~TIM_SMCR_SMS;/* Set the encoder Mode */
tmpsmcr |= TIM_EncoderMode;

/* Select the Capture Compare 1 and the Capture Compare 2 as input */
tmpccmr1 &= ((uint16_t)~TIM_CCMR1_CC1S) & ((uint16_t)~TIM_CCMR1_CC2S);
tmpccmr1 |= TIM_CCMR1_CC1S_0 | TIM_CCMR1_CC2S_0;

/* Set the TI1 and the TI2 Polarities */
tmpccer &= ((uint16_t)~TIM_CCER_CC1P) & ((uint16_t)~TIM_CCER_CC2P);
tmpccer |= (uint16_t)(TIM_IC1Polarity | (uint16_t)(TIM_IC2Polarity << (uint16_t)4));

TIMx->SMCR = tmpsmcr; /* 配置數據寫入 SMCR 寄存器 */
TIMx->CCMR1 = tmpccmr1; /* 配置數據寫入 CCMR1 寄存器 */
TIMx->CCER = tmpccer; /* 配置數據寫入 CCER 寄存器 */
}

4.2 電機轉軸轉速計算

這里使用一款直流減速電機：

• 減速比是34（即電機轉軸轉1圈，電機本身要轉34圈）

• 電機轉一圈的物理脈沖數是11

所以，電機轉軸轉1圈時，可以產生的物理脈沖為34*11=374個，又由于編碼器器模式實現了4倍頻計數，所以，電機轉軸轉1圈時，定時器可以計數374×4=1496個。

對于轉速的計算，這里使用M法測速（M法測速的具體原理參考之前的文章：http://www.nxhydt.com/d/1639052.html），即統計固定時間間隔內的編碼器的脈沖數，來計算速度值。

，單位為：轉/秒

• C：編碼器單圈總脈沖數

• 每次的統計時間（單位為秒）

• ：該時間內統計到的編碼器脈沖數

比如，對于本次實驗的電機，轉軸轉1圈時，定時器計數1496個，即C=1496個，對應程序中的TOTAL_RESOLUTION。T0可以選擇100ms，即0.1s。

程序編寫如下，這里通過另外一個定時器7來實現每100ms調用一次calc_motor_rotate_speed()函數來進行轉速的實時計算，每次使用read_encoder()讀取編碼器器的值后，都將計數值CNT設為初始值0，重新開始計數，這樣就可以保證每次讀到的都是上個100ms的計數值。

另外，這里通過將CNT的uint32類型的計數值， 轉為int16類型，就可以利用正負來區分上個100ms電機整體的轉動方向（正轉CNT從0向上計數，轉為int16還是正值；反轉CNT從0向下計數，會溢出，轉為int16就為負數）。

#define ENCODER_RESOLUTION 11  /*編碼器一圈的物理脈沖數*/
#define ENCODER_MULTIPLE 4    /*編碼器倍頻，通過定時器的編碼器模式設置*/
#define MOTOR_REDUCTION_RATIO 34 /*電機的減速比*/
/*電機轉一圈總的脈沖數(定時器能讀到的脈沖數) = 編碼器物理脈沖數*編碼器倍頻*電機減速比 */
#define TOTAL_RESOLUTION ( ENCODER_RESOLUTION*ENCODER_MULTIPLE*MOTOR_REDUCTION_RATIO )

// 讀取定時器計數值
static int read_encoder(void)
{
int encoderNum = 0;
encoderNum = (int)((int16_t)(TIM4->CNT)); /*CNT為uint32, 轉為int16*/
TIM_SetCounter(TIM4, CNT_INIT);/*CNT設初值*/

return encoderNum;
}

//計算電機轉速（被另一個定時器每100ms調用1次）
void calc_motor_rotate_speed()
{
int encoderNum = 0;
float rotateSpeed = 0;

/*讀取編碼器的值，正負代表旋轉方向*/
encoderNum = read_encoder();
/* 轉速(1秒鐘轉多少圈)=單位時間內的計數值/總分辨率*時間系數 */
rotateSpeed = (float)encoderNum/TOTAL_RESOLUTION*10;

printf("encoder: %d\t speed:%.2f rps\r\n",encoderNum,rotateSpeed);
}

5 實驗演示

通過串口發送指令，控制另外一個定時器產生指定占空比的PWM來控制電機進行恒速轉動，然后測試編碼器讀到的速度值。

(串口指令用到了字符串切割和串口接收不定長字符的功能，可參考之前的文章：與 中的部分內容，PWM的產生可參考：)

視頻中，串口打印的encoder為100ms內讀到的編碼器器的計數值，正負號代表正反轉，speed為根據編碼器的計數值計算的電機輸出軸的轉速，單位為圈每秒。

首先是全速正反轉，轉速接近5圈每秒。

然后通過調整pwm，使得電機轉軸轉速接近1圈每秒，由于轉1圈的脈沖理論上有1496個，現在是每100ms讀一次，所以能讀到149個左右，符合理論值。

視頻演示：https://www.bilibili.com/video/BV13p4y1h7F9