旋转编码器计次 红外对射传感器计次小实验及其相关库函数详解 （江协科技）

旋转编码器

旋转编码器：用来测量位置、速度或旋转方向的装置，当其旋转轴旋转时，其输出端可以输出与旋转速度和方向对应的方波信号，读取方波信号的频率和相位信息即可得知旋转轴的速度和方向

类型：机械触点式/霍尔传感器式/光栅式

器件介绍

左一器件

光栅编码器的工作原理

1. 核心组件
   光栅编码器主要由 对射式红外传感器 和 光栅编码盘 组成。
   • 对射式红外传感器：由发射端和接收端组成，发射端发出红外光，接收端检测是否接收到红外光。
   • 光栅编码盘：一个带有均匀透光 / 遮光条纹的圆盘，安装在旋转轴上，随轴一起转动。
2. 工作过程
   • 当编码盘静止时，红外传感器的接收端持续接收红外光（或持续被遮挡），输出固定电平（高或低）。
   • 当编码盘随旋转轴转动时，其透光 / 遮光条纹会交替遮挡红外光：
     • 当条纹透光时，接收端接收到红外光，输出 高电平；
     • 当条纹遮光时，接收端无法接收红外光，输出 低电平。
     • 由此产生 高低电平交替的方波信号。
3. 信号意义
   • 方波个数：代表编码盘转过的角度（每个方波对应一定的角度增量），用于测量 位置。
   • 方波频率：代表编码盘的旋转速度（频率越高，转速越快），用于测量 速度。
4. 局限性
   会议中提到的简单光栅编码器（单路输出）无法区分旋转方向，因为仅能通过一路方波信号判断位置和速度，无法识别正转或反转。若需测方向，需采用输出正交波形（两相相位差 90°）的编码器（如后续介绍的机电触点式或霍尔式编码器）。

总结

光栅编码器通过光栅编码盘切割红外光，生成周期性方波信号，通过分析信号的频率和个数实现对旋转轴速度和位置的测量，但基础型单路输出光栅编码器不具备方向检测能力。

左二器件：

一、核心组件

1. 金属触点结构

   • 内部包含两组开关触点（外侧触点 A 和 B）和一个公共触点（中间引脚）。
   • 编码盘为金属材质，边缘设计有特定形状的导电 / 绝缘区域，或通过机械结构控制触点通断。

2. 按键模块

   （可选）：

   • 旋转轴可按下，触发顶部的独立按键触点，按下时触点短路（输出低电平），松开时断开（输出高电平）。

二、工作过程

1. 旋转时的信号生成

• 初始状态：无旋转时，金属触点未接触外侧触点 A/B，公共引脚通过上拉电阻保持高电平。

• 旋转过程

  • 编码盘随轴转动时，金属盘边缘的凸起 / 凹陷区域依次接触外侧触点 A 和 B，形成

    交替通断

    • 当金属盘接触触点 A 时，公共引脚与 A 导通，输出低电平；

  • 当金属盘接触触点 B 时，公共引脚与 B 导通，输出低电平；

    • 未接触时，公共引脚通过上拉电阻保持高电平。

  • 由于触点 A 和 B 的位置设计存在 90 度相位差（即机械结构上错开 1/4 周期），A、B 两相输出波形形成 正交信号（相位差 90°）。

2. 正交波形与方向判断

• 正转时：A 相波形滞后于 B 相 90°（或 B 相超前 A 相 90°）；
• 反转时：A 相波形超前于 B 相 90°（或 B 相滞后 A 相 90°）。
• 通过检测两相波形的相位关系，即可区分旋转方向（如 MCU 通过外部中断捕获边沿信号并判断顺序）。

3. 按键功能

• 按下旋转轴时，顶部按键触点短路，输出低电平；松开时触点断开，恢复高电平，等效于普通按键输入。

三、信号特点与应用场景

1. 信号特性 ：

   • 输出为 高低电平交替的方波信号（A 相和 B 相正交），频率对应转速，脉冲个数对应旋转角度，相位差用于方向判断。
   • 接触式设计，可能存在触点抖动（需硬件滤波或软件去抖）。

2. 适用场景 ：

   • 适合 低速调节场景（如音量调节、参数设置），因触点磨损不适合高速旋转（如电机测速）。
   • 需配合上拉电阻、滤波电容等外围电路稳定信号（如会议中提到的 10K 上拉电阻和滤波电容 C1）。

四、与其他类型的对比

• 优势：结构简单、成本低，无需复杂传感器（如红外、霍尔）。
• 缺点：触点易磨损、寿命有限，高速旋转时触点抖动严重，信号稳定性差。

总结

机械触点式传感器通过金属触点的机械通断生成电信号，利用相位差设计实现方向检测，适用于低速、高精度调节场景，但受限于接触式设计，在高速或高寿命要求场景中需改用非接触式方案（如霍尔式、光栅式）。

霍尔传感器形式的编码器附在电机后，通过圆形磁铁和霍尔传感器输出正交方波信号

独立编码器元件，输入轴转动时有波形输出可测速和测方向。

硬件电路

以旋转编码器为例：

• 旋转编码器硬件电路
  • 模块电路图：模块电路图中按键线悬空，编码器内部两触点旋转时以 90 度相位差交替导通，需配合外围电路输出高低电平。左边接 10K 上拉电阻，默认高电平，旋转时触点导通拉低电平输出。R3 是输出限流电阻，C1 是输出滤波电容（使电路更稳定），右边电路与左边相同，输出接 b 端口，c 端口接 GND。
  • 接线方法：使用模块时，VCC、GND 接电源，a 项、b 项输出接到 STM32 的 PB0 和 PB1 引脚（注意引脚编号不同），c 引脚暂时不用。

对射式红外传感器计次&旋转编码器计次

• 外部中断配置流程
  • 配置原则：打通从 GPIO 到 NVIC 信号链路，配置其中涉及的 RCC时钟、GPIO、AFIO、EXTI、NVIC 等外设模块。
  • 具体步骤：
    • 第一步配置 RCC，开启涉及外设时钟，如 RCC APT2 外设时钟控制开启 GPLB 和 AFIO 时钟，注意函数和参数对应的总线（APB2、APB1 和 AHB）要正确；
    • 第二步配置 GPIO，定义结构体，选择输入模式（如外部中断选浮空输入、上拉输入或下拉输入，此处选上拉输入，使用 PB14 号口）并初始化 GPIOB 外设；
    • 第三步配置 AFIO，虽无专门库函数文件，但可在 GPIO 的.c 文件中找到相关函数，使用 GPIO_EXTILineConfig 函数配置外部中断引脚选择（GPIO外部中断线配置）；
    • 第四步配置 EXTI，使用 Exti init 函数根据结构体参数初始化，设置中断线、状态、模式和触发信号边缘等参数；
    • 第五步配置 NVIC，先使用 NVIC priority group config 函数进行中断分组，再用 NVIC init 函数根据结构体参数初始化，设置中断通道等参数 。
• 部分外设时钟说明
  • EXTI：虽为独立外设，但无需开启时钟，原因可能与唤醒或电路设计有关，手册和网上均未找到确切答案。
  • NVIC：是内核外设，RCC 管不着，无需开启时钟。

相关库函数学习

• GPIO相关函数：

  • GPIO_AFIODeInit 复位 AFIO外设；
  • GPIO__pinlock_config 锁定 GPIO 配置；
  • GPIO__eventoutputconfig 和 GPL_eventoutputcmd 配置和开启 Aflo 事件输出功能；
  • GPIO__pin_remap_config 进行引脚重映射；
  • GPIO__exti_line_config 配置 Aflo 数据选择器以选择中断引脚；
  • GPIO__ETH_media_interface_config 用于以太网（芯片无此功能，用不到）。

  

• ETTI 库函数：

  • exti_deinit 清除 exti 配置；

  • exit_init 根据结构体参数配置 exit 外设；

  • exit_structinit 将外部中断配置结构体（EXTI_InitTypeDef）的成员变量初始化为库定义的默认值；

  • exit_generate_SW_interrupt 软件触发外部中断；

  • exit_byte_flag_status 获取指定标志位是否被置一；

  • exit_clear_flag 清除置一的标志位；

  • exit_get_it_status 获取中断标志位；

  • exit_clear_it_pending_bit 清除中断挂起标志位。

类型	存储寄存器	含义	操作方式
中断状态标志位	EXTI_PR（状态寄存器）	记录 “是否发生了外部中断事件”（硬件自动置 1，软件需手动清除）	硬件置 1，软件写 1 清零（EXTI_ClearFlag()）
中断使能标志位	EXTI_IMR（中断屏蔽寄存器）	控制 “是否允许中断事件触发中断服务函数”（软件配置，默认关闭）

中断挂起标志位，中断使能标志位 和 中断状态标志位的作用和区别

• 中断使能标志位是 “开关”：决定中断是否被允许触发；

• 中断挂起标志位是 “事件记录器”：标记待处理的中断请求；

• 中断状态标志位是 “状态反馈器”：广义记录设备状态（可能包含中断或非中断的状态）。

  对比维度	中断使能标志位	中断挂起标志位	中断状态标志位
  核心功能	控制中断是否触发（开关）	记录事件是否发生（待处理）	反馈设备当前状态（通用）
  触发方式	软件配置（手动使能 / 禁用）	硬件自动置位（事件触发）	硬件自动置位（状态变化）
  与中断的关系	必须使能才能触发中断服务函数	无论是否使能，事件发生时都会置位	可能与中断相关（如 EXTI_PR）或无关（如 USART_RXNE）
  清除方式	软件手动修改（无需清除，仅需禁用）	软件手动清除（必须！否则重复触发）	部分自动清除（如 USART_RXNE）或手动清除（如 EXTI_PR）

CPU 响应中断的条件

1. 外设产生中断请求（外设挂起标志位为 1）；
2. 外设中断使能（允许传递到 NVIC）；
3. NVIC 中断使能（允许传递到 CPU）；
4. NVIC_ISPR 对应位为 1（标记中断请求等待处理）。

其中，NVIC_ISPR 是 CPU 最终决定是否进入中断的直接标志位。只有当 NVIC_ISPR 为 1 时，CPU 才会实际响应中断。

附：中断流程示意图

外设事件触发 → 外设挂起标志位（如 EXTI_PR）置1  
↓（外设使能标志位为1）  
NVIC 接收请求 → NVIC 使能标志位（NVIC_ISER）为1  
↓  
NVIC 挂起标志位（NVIC_ISPR）置1 → CPU 检测到 NVIC_ISPR 为1  
↓  
CPU 进入中断服务函数 → 清除外设挂起标志位（如 EXTI_ClearFlag()）  

EXTI_GetFlagStatus、EXTI_ClearFlag、EXTI_GetITStatus、EXTI_ClearITPendingBit）

• NVIC 库函数：
  • NVIC_priority_group_config 配置中断分组；
  • NVIC_init 根据结构体参数初始化 NVIC；
  • NVIC_set_vector_table 设置中断向量表；
  • NVIC_system_LP_config 系统低功耗配置（后两个函数用得不多） 。
    

旋转编码器

中断编程建议：

• 函数时长：中断函数中不要执行耗时过长的代码，避免阻塞主程序。
• 硬件操作：避免在中断函数和主函数中调用相同函数或操作同一硬件，可在中断里操作变量或标志位，返回后再处理显示等操作，减少代码耦合性，使程序更清晰强健