Как подключить энкодер к цифровой индикации схема. AVR. Учебный Курс. Инкрементальный энкодер. Обработка сигналов энкодера с помощью прерываний

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:

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 для этого только парой тумблеров щелкнуть:

Оптический подключается в зависимости от типа оптодатчика, обычно там стоит два 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.

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:

11 = 3
10 = 2
00 = 0
01 = 1
11 = 3

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.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49

// Эту задачу надо запускать каждую миллисекунду. // EncState глобальная переменная u08 -- предыдущее состояние энкодера // EncData глобальная переменная u16 -- счетный регистр энкодера void EncoderScan(void ) { u08 New; New = PINB & 0x03 ; // Берем текущее значение // И сравниваем со старым // Смотря в какую сторону оно поменялось -- увеличиваем // Или уменьшаем счетный регистр switch (EncState) { case 2 : { if (New == 3 ) EncData++; if (New == 0 ) EncData--; break ; } case 0 : { if (New == 2 ) EncData++; if (New == 1 ) EncData--; break ; } case 1 : { if (New == 0 ) EncData++; if (New == 3 ) EncData--; break ; } case 3 : { if (New == 1 ) EncData++; if (New == 2 ) EncData--; break ; } } EncState = New; // Записываем новое значение // Предыдущего состояния SetTimerTask(EncoderScan, 1 ) ; // Перезапускаем задачу через таймер диспетчера }

// Эту задачу надо запускать каждую миллисекунду. // EncState глобальная переменная u08 -- предыдущее состояние энкодера // EncData глобальная переменная u16 -- счетный регистр энкодера void EncoderScan(void) { u08 New; New = PINB & 0x03; // Берем текущее значение // И сравниваем со старым // Смотря в какую сторону оно поменялось -- увеличиваем // Или уменьшаем счетный регистр switch(EncState) { case 2: { if(New == 3) EncData++; if(New == 0) EncData--; break; } case 0: { if(New == 2) EncData++; if(New == 1) EncData--; break; } case 1: { if(New == 0) EncData++; if(New == 3) EncData--; break; } case 3: { if(New == 1) EncData++; if(New == 2) EncData--; break; } } EncState = New; // Записываем новое значение // Предыдущего состояния SetTimerTask(EncoderScan,1); // Перезапускаем задачу через таймер диспетчера }

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.

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.

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.

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.

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 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.

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.

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 } ISR (PCINT1_vect) { // 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 <<= 1; seqA |= A_val; seqB <<= 1; seqB |= B_val; // Маскировать четыре старших бита seqA &= 0b00001111; seqB &= 0b00001111; // Сравнить запсанную последовательность с ожидаемой последовательностью if (seqA == 0b00001001 && seqB == 0b00000011) { cnt1++; left = true; } if (seqA == 0b00000011 && seqB == 0b00001001) { cnt2++; right = true; } } }

Использование внешнего прерывания делает процесс более простым, но поскольку для этого прерывания назначено только два вывода, то вы не сможете использовать его для других целей, если займете его энкодером. Чтобы использовать внешнее прерывание, вы должны установить выводы 2 (INT0) и 3 (INT1) в режим входа и включить их внутренние подтягивающие резисторы. Затем выберите вариант спадающего фронта для вызова обоих прерываний в регистре EICRA . Включите внешние прерывания в регистре EIMSK . Когда начнется вращение вала энкодера, сначала ведущий сигнал падает до логического нуля, а второй сигнал некоторое время остается на уровне логической единицы. Поэтому нам нужно определить, какой из сигналов во время прерывания находится в состоянии логической единицы. После того, как ведущий сигнал упал до логического нуля, через некоторое время второй сигнал также упадет до логического нуля, что вызовет другое прерывание. Но этот раз и другой (ведущий) сигнал будет на низком логическом уровне, что означает, что это не начало вращения, поэтому мы игнорируем его.

Ниже вы можете увидеть часть кода, включающую в себя инициализацию и функцию обработки внешнего прерывания.

Void setup() { pinMode(2, INPUT); pinMode(3, INPUT); // Включить внутренние подтягивающие резисторы digitalWrite(2, HIGH); digitalWrite(3, HIGH); EICRA = 0b00001010; // Выбрать вызов по спадающему фронту EIMSK = 0b00000011; // Включить внешнее прерывание } void loop() { // Основной цикл } ISR (INT0_vect) { // Если второй сигнал находится в состоянии логической единицы, то это новое вращение if (digitalRead(3) == HIGH) { left = true; } } ISR (INT1_vect) { // Если второй сигнал находится в состоянии логической единицы, то это новое вращение if (digitalRead(2) == HIGH) { right = true; } }

Полный код скетча Arduino, включающий основной цикл приведен ниже:

#include #include #include volatile byte seqA = 0; volatile byte seqB = 0; volatile byte cnt1 = 0; volatile byte cnt2 = 0; volatile boolean right = false; volatile boolean left = false; volatile boolean button = false; boolean backlight = true; byte menuitem = 1; byte page = 1; Adafruit_PCD8544 display = Adafruit_PCD8544(13, 12,11, 8, 10); void setup() { pinMode(A0, INPUT); pinMode(A1, INPUT); pinMode(A2, INPUT); // Включить внутренние подтягивающие резисторы digitalWrite(A0, HIGH); digitalWrite(A1, HIGH); digitalWrite(A2, HIGH); // Включить подсветку LCD pinMode(9, OUTPUT); digitalWrite(9, HIGH); PCICR = 0b00000010; // 1. PCIE1: Включить прерывание 1 по изменению состояния PCMSK1 = 0b00000111; // Включить прерывание по изменению состояния для A0, A1, A2 // Initialize LCD display.setRotation(2); // Установить ориентацию LDC display.begin(60); // Установить контрастность LCD display.clearDisplay(); // Очистить дисплей display.display(); // Применить изменения sei(); } void loop() { // Создать страницы меню if (page==1) { display.setTextSize(1); display.clearDisplay(); display.setTextColor(BLACK, WHITE); display.setCursor(15, 0); display.print("MAIN MENU"); display.drawFastHLine(0,10,83,BLACK); display.setCursor(0, 15); if (menuitem==1) { display.setTextColor(WHITE, BLACK); } else { display.setTextColor(BLACK, WHITE); } display.print(">Contrast: 99%"); display.setCursor(0, 25); if (menuitem==2) { display.setTextColor(WHITE, BLACK); } else { display.setTextColor(BLACK, WHITE); } display.print(">Test Encoder"); if (menuitem==3) { display.setTextColor(WHITE, BLACK); } else { display.setTextColor(BLACK, WHITE); } display.setCursor(0, 35); display.print(">Backlight:"); if (backlight) { display.print("ON"); } else { display.print("OFF"); } display.display(); } else if (page==2) { display.setTextSize(1); display.clearDisplay(); display.setTextColor(BLACK, WHITE); display.setCursor(15, 0); display.print("ENC. TEST"); display.drawFastHLine(0,10,83,BLACK); display.setCursor(5, 15); display.print("LEFT RIGHT"); display.setTextSize(2); display.setCursor(5, 25); display.print(cnt1); display.setCursor(55, 25); display.print(cnt2); display.setTextSize(2); display.display(); } // Выполнить действие, если от энкодера принята новая команда if (left) { left = false; menuitem--; if (menuitem==0) { menuitem=3; } } if (right) { right = false; menuitem++; if (menuitem==4) { menuitem=1; } } if (button) { button = false; if (page == 1 && menuitem==3) { digitalWrite(9, LOW); if (backlight) { backlight = false; digitalWrite(9, LOW); } else { backlight = true; digitalWrite(9, HIGH); } } else if (page == 1 && menuitem==2) { page=2; cnt1=0; cnt2=0; } else if (page == 2) { page=1; } } } ISR (PCINT1_vect) { // Если прерывание вызвано кнопкой if (!digitalRead(A0)) { button = true; } // Или 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 <<= 1; seqA |= A_val; seqB <<= 1; seqB |= B_val; // Маскировать четыре старших бита seqA &= 0b00001111; seqB &= 0b00001111; // Сравнить запсанную последовательность с ожидаемой последовательностью if (seqA == 0b00001001 && seqB == 0b00000011) { cnt1++; left = true; } if (seqA == 0b00000011 && seqB == 0b00001001) { cnt2++; right = true; } } }

Энкодер в действии вы можете увидеть на видео, приведенном ниже.

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 .

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:

1. Абсолютные.
2. 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:

1. Две единицы.
2. Ноль и единица.
3. Ноль и ноль.
4. 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.

Давно хотел приспособить к ноуту регулятор громкости, сделанный из энкодера . Подключать этот регулятор нужно будет к USB, чтобы все было «по-взрослому» (да и по-другому никак внешнее устройство к ноуту не подключишь). Крутим энкодер влево - громкость должна уменьшаться, вправо - должна увеличиваться. Жмем вниз ручку энкодера - запускаем какую-нибудь полезную программу, или переключаемся на регулирование тембра.

Для тех, кто не в курсе, что такое энкодер - это такая крутилка, типа ручки громкости на основе обычного резистора, только у этой крутилки нет граничных положений - крути сколько влезет в любую сторону. Крутится энкодер с приятными мягкими щелчками, а выглядит как обычный переменный резистор.

Такие устройства - не редкость в совремеменных автомагнитолах и любых бытовых устройствах, пользовательский интерфейс которых обрабатывается микроконтроллером (а это почитай любая бытовая техника), и где нужна плавная регулировка или настройка. В энкодер часто встраивают и третий контакт, работающий как кнопка на ручке - когда утапливаем ручку энкодера вниз (вдоль оси), то эта кнопка срабатывает. Очень обогащает возможности интерфейса с пользователем - на одном энкодере можно построить всю систему управления электронным устройством (зато добавляется гемор программисту, но это уже мелочи). У меня как раз и был такой энкодер.

Принцип работы энкодера довольно прост - в нем всего лишь два контакта (кнопка на ручке не в счет), которые начинают замыкать, как только пользователь начал крутить ручку энкодера. Контакты подключаются к двум ножкам микроконтроллера (работающих как цифровые входы), и при вращении ручки энкодера на этих ножках появляются импульсы, по фазе и количеству которых микроконтроллер определяет направление вращения и угол поворота ручки энкодера.

Чтобы заработал регулятор громкости, нужно решить, как минимум, три инженерные задачи:

Шаг 1 . Создание низкоскоростного USB-устройства на макетке.
Шаг 2 . Подключить к этому USB-устройству энкодер, добиться, чтобы микроконтроллер его отрабатывал, и передавал в компьютер информацию о вращении энкодера.
Шаг 3 . Разобраться, как можно программно управлять регулятором громкости. Наверняка есть какое-нибудь мультимедиа-API, которое позволяет это делать. Программа минимум - нужно написать программку, которая будет принимать сигналы от USB-устройства и управлять громкостью. Неплохо бы, конечно, написать драйвер, но за это браться страшновато. Лучше оставим на потом.

Итак, опишу процесс создания регулятора по шагам. Подробности опускаю, иначе будет слишком скучно. Кому интересно, см. исходники и документацию по ссылкам.

[Шаг 1. Создание низкоскоростного USB-устройства на макетке ]

Этот шаг прошел, даже не начавшись - как-то слишком просто и банально. Тупо скачал пример проекта по ссылке . Поправил файлик usbconfig.h - для понтов назвал мое устройство ENCODER DEMO , на большее фантазии не хватило. Проверил в Makefile тип проца (ATmega16), частоту кварца (16 МГц) - чтобы соответствовало моей макетке AVR-USB-MEGA16. Скомпилил проект в AVRStudio, прошил макетку, подключил к компьютеру - все завелось с полоборота, мое USB-устройство исправно заработало как виртуальный COM-порт - все в точности так, как написано в статье .

[Шаг 2. Подключить к USB-устройству энкодер ]

Этот шаг у меня вызывал самые большие опасения, что все заработает как надо. Что энкодер подключу и смогу его читать - в этом я не сомневался. Были сомнения, что смогу его считывать качественно, когда в фоне работает ещё и обработка протокола USB - все-таки это задача для микроконтроллера не из легких (как впоследствии оказалось - волновался я совершенно напрасно).

Как обычно, начал рыться в Интернете в поисках готовых подпрограмм для чтения энкодера. Нашел очень быстро то, что нужно - именно для AVR, очень простой код на C , файлики encoder.c и encoder.h. Что ни говори, а open source крутая штука.

Приделал два индикационных светодиода - ЗЕЛЕНЫЙ и ЖЕЛТЫЙ - для обозначения направления вращения энкодера. Подключил энкодер для удобства прямо к разъему ISP, воспользовавшись тем, что сигналы MOSI, MISO и SCK - это всего лишь ножки PB5, PB6 и PB7 микроконтроллера ATmega16 (подключил туда фазы A и B, а также кнопку энкодера).

Поправил определения ножек, добавил код инициализации. Присоединил к проекту модуль encoder.c. Добавил в главный цикл main управление зеленым и желтым светодиодами, когда приходит инфа с энкодера. КРАСНЫЙ светодиод привязал к кнопке энкодера - когда её нажимаем, красный светодиод зажигается, отпускаем - гаснет. Скомпилировал, прошил - работает. Кручу ручку влево, и в такт щелчкам энкодера вспыхивает зеленый светодиод. Кручу ручку вправо - вспыхивает желтый светодиод. Несмотря на то, что чтение энкодера происходит методом поллинга, благодаря эффективному коду к чтению энкодеру НИКАКИХ нареканий даже при одновременной работе с библиотекой V-USB (респект, Pashgan!). Добавил вывод информации от энкодера в виртуальный COM-порт (крутим энкодер влево вывожу в консоль минусики "-", крутим вправо вывожу в консоль плюсики "+"). По таймеру каждые 10 мс вывожу состояние кнопки энкодера и индицирую её красным светодиодом (кнопка нажата - передаю символ "1", отпущена - "0"). Все работает. Скукотища.

В заключение выкинул модули cmd.c, crc16.c, eepromutil.c, strval.c. Объем кода упал до 3 килобайт - отлично, теперь поместится и в память ATtiny45 (можно в будущем задействовать макетку AVR-USB-TINY45, она меньше по размерам и дешевле).

[Шаг 3. Разобраться, как можно программно управлять регулятором громкости ]

Как обычно, прогуглил вопрос. Отсеял кучу мусора, и наконец выгреб жемчужину - . Дальше дело техники. Достаю любимый детский конструктор - Visual Studio. Ни о чем не думая, визардом генерю dialog-based приложение. Бросаю на панель движок регулятора громкости, привязываю к нему переменную, добавляю обработчик положения движка. При старте приложения настраиваю движок на минимум 0 и максимум 65535 (чтобы соответствовало границам значения громкости, которым манипулируют библиотеки управления микшером). Считываю функцией mixerGetControlDetails текущее значение громкости, и ставлю движок регулятора в соответствующее положение. В обработчике положения движка все наоборот - читаю положение движка и функцией mixerSetControlDetails устанавливаю нужную громкость. Управление громкостью делаю в точности так, как написано в статье . Проверил - работает.

Теперь осталось дело за малым - читать, что приходит с виртуального COM-порта (на нём у нас висит свежеиспеченное USB-устройство с энкодером). Если пришел минусик (-) то двигаем движок влево (уменьшаем громкость), плюсик (+), то двигаем движок вправо (увеличиваем громкость). Если приходят символы 0 и 1, то соответственно управляем состоянием чекбокса (просто для индикации - нажата кнопка энкодера, или нет). С COM-портом можно работать, как с обычным файлом (см. ). Инициализируем подключение к COM-порту как открытие файла (вызовом ::CreateFile ) в блокирующем режиме. Запускаем отдельный поток, туда в бесконечный цикл добавляем чтение файла (блокирующим вызовом ::ReadFile ) по одному символу, и этот символ анализируем. По тому, какой символ пришел, крутим движок слайдера в нужную сторону (громкость будет регулировать обработчик слайдера) или обновляем состояние чекбокса. Проверил - работает.

Вот и все, собственно. Дальше можно заниматься бесконечным (и, наверное, бесполезным) улучшательством. Сделать автоматический поиск нужного виртуального COM-порта (сейчас для упрощения имя COM-порта передается через командную строку). Переделать USB-устройство с CDC -класса на HID - это может упростить код USB-устройства, а также упростить программный поиск и открытие устройства на компьютере по VID и HID. Или написать вместо программы сервис (чтобы не надо было запускать отдельную программу). Или даже драйвер. Это очень интересно, но не умею (может, кто из хабравчан научит уму-разуму?..). Прикрутить к кнопке энкодера какое-нибудь действие. Ну и так далее до бесконечности.

Надеюсь, кому-нибудь мои изыскания пригодятся в собственных разработках. Если чего-нибудь упустил, буду рад выслушать замечания в комментариях.

[UPD120803 ]

Один грамотный человек собрал на микроконтроллере AVR