Сопрягаем энкодер и микроконтроллер. AVR
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
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
Энкодер в действии вы можете увидеть на видео, приведенном ниже.
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:
- Абсолютные.
- 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:
- Две единицы.
- Ноль и единица.
- Ноль и ноль.
- 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.
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.
Принцип действия, схема включения и исходник библиотеки для работы с инкрементным энкодером уже рассматривался мной в одной из статей. Сегодня мы поговорим о практическом применении энкодера. В качестве примера я выбрал программу генератора прямоугольного сигнала с диапазоном рабочих частот 1 – 100 Гц. Первоначальный замысел предполагал диапазон 1 - 1000 Гц, но на практике выяснилось, что перебирать тысячу значений утомительно даже с энкодером.
Подготовка
Создаем в пустом workspace`е новый проектProject > Create New Project…
Тип шаблона C > main
Копируем в папку проекта файлы исходника библиотеки для работы с энкодером
encoder.h и encoder.c
Подключаем к нашему проекту файл encoder.c
Правая кнопка мышки в окне workspace и в открывшемся меню Add > Add Files…
Копируем файл bits_macros.h в папку проекта.
Подключаем заголовочные файлы
В начале файла main.c забиваем следующие строки
#include
#include
#include
"encoder.h"
#include
"bits_macros.h"
Задаем настройки проекта
Project > Options
Тип микроконтроллера
General Options > Target > Processor Configuration > ATMega8535
Разрешение использования имен битов определенных в заголовочных файлах
General Options > System > Enable bit defenitions...
Оптимизация кода по размеру
C/C++ Compiler > Optimisations >Size High
Тип выходного файла
Linker > Output File галочка Override default и поменять расширение на hex
Linker > Format > Other выбрать Intel Standart
Жмем Ок. Сохраняем проект и workspace.
Теперь у нас есть пустой проект с подключенной либой и заданными настройками.
Задача
Заставить микроконтроллер генерировать меандр с частотой от 1 до 100 Гц. Значение частоты должно задаваться с помощью энкодера. Поворот энкодера на одну позицию должен соответствовать изменению частоты генератора на 1 Гц.
Схема для нашего примера
К выводу, на котором будет генерироваться меандр, подключен светодиод, чтобы хоть как-то видеть результат работы программы. Вряд ли у многих под рукой осциллограф.
Алгоритм программы
Прямоугольный сигнал генерируется с помощью 16 разрядного таймера Т1, который работает в режиме СТС – сброс при совпадении. Во флэш памяти микроконтроллера храниться массив, содержащий для каждого значения требуемой частоты константу. Для доступа к элементам массива используется переменная pTimerValue. В прерываниях таймера Т1 значение константы считывается и записывается в регистр сравнения.
Для генерации сигнала используется вывод PD5 (OC1A). У него есть альтернативные функции – он может менять свое состояние на противоположное при равенстве счетного регистра и регистра сравнения.
В основной программе в бесконечном цикле while микроконтроллер опрашивает буфер энкодера и в зависимости от его значения уменьшает или увеличивает переменную pTimerValue.
В самом начале main`а располагается код инициализации периферии и необходимых переменных.
Структура программы
Для наглядности я изобразил структуру программы в виде диаграммы.
Это типовая структура построения простых программ. Прерывания естественно происходят в произвольном месте цикла.
- Инициализация.
- Бесконечный цикл (так называемый superloop), в котором происходит ожидание события, обычно в виде опроса флагов или какого-нибудь буфера.
- Параллельная работа периферийных устройств, вызывающих прерывания. В них выполняется какой-то код (желательно короткий) и выставляются флаги.
Для простых задач такого подхода хватает за глаза. Для сложных существуют другие способы организации программ. Наберитесь терпения, скоро и до них дойдет дело.
Расчет констант для таймера Т1
Рассчитаем значение константы для частоты 1 Гц. Подобный расчет я уже приводил, но будет не лишним его вспомнить
Тактовая частота микроконтроллера 16 МГц (смотрите схему). Коэффициент предделителя таймера - 256. Он позволяет получить прерывания с любой частотой из нашего диапазона.
Период одного тика таймера будет равен 1/(16 МГц/ 256) = 16 мкс
На выводе PD5 нам нужно получить сигнал частотой 1 Гц. Вывод меняет свое состояние на каждое прерывание таймера и значит, частота прерываний должна быть в 2 раза больше. Для нашего случая - 2 Гц.
Сколько тиков таймера уложится в 2 Герца? (1/2 Гц)/16 мкс = 31250
Это и есть искомая константа.
Остальные значения рассчитываются аналогично. Я для этого обычно использую Exel.
Полученные значения мы помещаем в массив
__flash
unsigned int
timerValue =
{
сохраняем его в отдельном файле – timer_value.h и подлючаем его к файлу main.c
#include "timer_value.h"
Да, еще нужно добавить парочку констант в этот файл
#define
MAX_TIM_VALUE 99
#define
MIN_TIM_VALUE 0
Убедимся, что правильно рассчитали константы для таймера. Запустим его. Код программы будет такой.
//программирование AVR на Си
//сайт 17.10.09
#include
#include
#include
"encoder.h"
#include
"bits_macros.h"
#include
"timer_value.h"
//индекс для доступа к элементам массива
volatile unsigned char
pTimerValue = 0;
int
main(void
)
{
//инициализация таймера Т1
TCNT1 = 0;
TCCR1A = (0<
//настройка вывода PD5 на выход
SetBit(PORTD, PD5);
SetBit(DDRD, PD5);
//ничего не делаем в бесконечном цикле
while
(1);
return
0;
}
Думаю, пояснения требует только кусок инициализации таймера.
Обнуление счетного регистра
TCNT1 = 0;
Инициализация конфигурационных регистров таймера Т1. Где биты WGM13, WGM12, WGM11, WGM10 задают режим работы таймера – СТС, COM1A1, COM1A0 – определяют поведение вывода PD5(OC1F) – в данном случае по сигналу таймера он будет менять свое состояние на противоположное Компилируем программу и грузим в микроконтроллер. Светодиод должен моргать с частотой 1 Гц. Теперь нужно “прикрутить” к этой программе энкодер. Зададим настройки в хедер файле encoder.h – порт и выводы, к которым подключен энкодер, значения констант. #define
RIGHT_SPIN 0x01 Хедер содержит прототипы трех функций. Вспомним их назначение. void ENC_InitEncoder(void)
настраивает выводы микроконтроллера, к которым подключен энкодер на вход. Эту функцию нужно вызвать в начале main`а. void ENC_PollEncoder(void)
– однократно опрашивает энкодер, анализирует текущее и предыдущее состояния и записывает в буфер соответствующие константы (RIGHT_SPIN и LEFT_SPIN). Эта функция будет сидеть в прерывании таймера Т0. unsigned char ENC_GetStateEncoder(void)
– возвращает содержимое буфера энкодера. Если поворот на одну позицию не был зафиксирован – функция вернет 0, если поворот был зафиксирован функция вернет значение соответствующей константы. При этом значение буфера очистится. Эта функция будет вызываться в основном программе – в цикле while. //программирование AVR на Си #include
#define
TCNT0_const 253 volatile unsigned char
pTimerValue = 0; int
main(void
) //инициализация таймера т0
//инициализация таймера т1
//настраиваем PD5 на выход
__enable_interrupt
(); //если не пустой
//опрос энкодера
#pragma
vector=TIMER1_COMPA_vect Вроде все должно быть понятно. if
(stateEnc != 0) { При вращении энкодера вправо pTimerValue складывается с 1, то есть инкрементируется. При вращении энкодера влево pTimerValue складывается с 0хff, что равносильно вычитанию 1. Одна и та же операция, а результат прямо противоположный.
TCCR1A = (0<
CS12, CS11, CS10 – определяют коэффициент предделителя таймера –256,
Инициализация регистра совпадения начальным значением.
OCR1A = timerValue;
В программе нет никаких прерываний. Нет никаких манипуляций с выводом PD5. Однако светодиод моргает! Программа
#define
PORT_Enc PORTA
#define
PIN_Enc PINA
#define
DDR_Enc DDRA
#define
Pin1_Enc 2
#define
Pin2_Enc 1
#define
LEFT_SPIN 0xff
Дополняем нашу программу. Можете попробовать сделать это самостоятельно.
//пример использования энкодера
//сайт 17.10.09
#include
#include
"encoder.h"
#include
"bits_macros.h"
#include
"timer_value.h"
#define
TCCR0_const 5
{
ENC_InitEncoder();
TCNT0 = TCNT0_const;
TCCR0 = TCCR0_const;
TCNT1 = 0;
TCCR1A = (0<
//разрешение прерываний от таймеров
//т0 - по переполнению, т1 - по совпадению
TIMSK = (1<
SetBit(PORTD, PD5);
SetBit(DDRD, PD5);
while
(1){
//считываем содержимое буфера энкодера
//после считывания он очищается
unsigned char
stateEnc = ENC_GetStateEncoder();
if
(stateEnc != 0){
//определяем направление вращения и изменяем переменную timerValue
if
(stateEnc == RIGHT_SPIN){
if
(pTimerValue == MAX_TIM_VALUE) pTimerValue = MIN_TIM_VALUE;
else
pTimerValue++;
}
if
(stateEnc == LEFT_SPIN) {
if
(pTimerValue == MIN_TIM_VALUE) pTimerValue = MAX_TIM_VALUE;
else
pTimerValue--;
}
}
}
return
0;
}
#pragma
vector=TIMER0_OVF_vect
__interrupt
void
timer0_ovf_my(void
)
{
TCNT0 = TCNT0_const;
ENC_PollEncoder();
}
__interrupt
void
timer1_compa_my(void
)
{
//обновляем значение регистра стравнения
OCR1A = timerValue;
}
Кусок кода, в котором изменяется значение pTimerValue, можно было бы написать еще так:
pTimerValue = pTimerValue + stateEnc;
if
(pTimerValue == (MAX_TIM_VALUE + 1)) pTimerValue = MIN_TIM_VALUE;
else if
(pTimerValue == (MIN_TIM_VALUE - 1)) pTimerValue = MAX_TIM_VALUE;
}
