Энкодер на базе HEDR и STM32⁠⁠

Всем привет!

В данной статье я хочу Вам рассказать про датчик HEDR(от компании avago technologies) - это двухканальный инкрементальный оптический датчик, предназначен для измерения пройденного пути, линейной скорости, угловой скорости и направлении вращения вала.
С помощью данного датчика будет реализован энкодер на базе микроконтроллера STM32, который будет производить вычисление пройденного пути.

В данной статье будет рассмотрено:

• Принцип работы датчика HEDR-5420-ES214;

• Схема подключения к микроконтроллеру STM32;

• Программная реализация (расчет пройденного пути и вывод информации на дисплей).

Технические характеристики датчика HEDR-5420-ES214

Документация на датчик

• Напряжение питания [ 4.5 - 5.5В ];

• Тип выхода [ квадратурный ];

• Диаметр вала [ 5 мм ];

• Разрешение [ 200 отсчетов на оборот ];

• Рабочая температура [ от -10°C до +85°C ].

Принцип работы датчика HEDR-5420-ES214

Устройство состоит из трех основных компонентов:

• Источник света (светодиод, формирующий поток света);

• Оптическая система (линза, обеспечивает фокусировку и отражение света);

• Фотодетектор.

Линза фокусирует излучаемый свет на кодовое колесо (диск с чередующимися отражающими и неотражающими участками), при вращении диска, отраженный свет проходит обратно через оптическую систему и попадает на фотодиоды, таким образом на их поверхности формируется чередующийся рисунок света и тени, соответствующий узору кодового диска.

Эти изменения интенсивности света преобразуются в внутренние сигналы А и В, которые проходят через компараторы в составе обработки сигналов, на выходе формируются два цифровых прямоугольных сигнала - канал А и В, находящиеся в квадратурной фазе на 90°, что позволяет микроконтроллеру определять направление вращения вала, к примеру:

• если канал А опережает канал B - вращение происходит в одну сторону;

• если канал B опережает канал А - вращение происходит в противоположную сторону.

Для своей задачи применяется следующая последовательность, если канал А опережает канал B - движение энкодера считается положительным, если на оборот, то движение будет отрицательным.

Схема подключения к микроконтроллеру STM32

В данной схеме используются преобразователь напряжения DA1 (+12V +5V) и стабилизатор напряжения DA2, дисплей подключается к выводам МК 21_SCL_I2C2 и 22_SDA_I2C2, датчик HEDR подключается к выводам МК 29_CH.A и 30_CH.B, данные сигналы сначала проходят через делители, R17-R18-[CH.A] и R15-R16-[CH.B], так как датчик работает от +5V, сигналы соответственно тоже у него +5V, я всегда стараюсь дополнительно защитить МК, после делителя амплитуда сигналов снизится до +3.3V, копипастить информацию по описанию узлов преобразователя, стабилизатора, узла обвязки напряжения питания и резонатора для МК не особо хочется, поэтому кому интересно можно почитать статью [Модуль обработки и коммутации данных, с внешними управляющими устройствами по RS-485 на STM32]
Настройка микроконтроллера STM32F030CCTx в CubeIDE

Настройка RCC и SYS (в RCC выбираю Crystal/Ceramic Resonator, так как у меня внешний кварц на 8 МГц)

Настройка дисплея

Взаимодействие дисплея с МК будет через I2C2

Настройка выводов узла подключения датчика HEDR

• TIM1_CH1 (к данному выводу будет подключаться сигнал CH.A);

• TIM1_CH2 (к данному выводу будет подключаться сигнал CH.B).

Таймер используется в режиме Encoder mode - это специальный аппаратный режим, который позволяет микроконтроллеру автоматически подсчитывать импульсы от инкрементального датчика и определять направление вращения, данная конфигурация освобождает МК от необходимости программно обрабатывать прерывания по каждому импульсу.

Encoder Mode TI1 and TI2 данный параметр указывает, что используется оба канала датчика (A и B), это дает разрешение X4 - т.е. счетчик будет увеличиваться на 4 шага за один полный оборот.

Описание режимов

TI1 - подсчет ведется по фронту одного канала А, направление определяется по уровню В, разрешение 1.8 градусов;

TI2 - аналогично логике TI1, но базируется на канале В;

TI1 and TI2 - подсчет ведется на каждом фронте обоих каналов (А+, А-, В+, В-), направление определяется автоматически, т.е. количеством импульсов на оборот 200, я получаю 800 шагов на оборот, разрешение будет 0.45 градусов.

Input Filter - включает цифровую фильтрацию входного сигнала, помогает убрать дребезг и шум, значения от 0 до 15, чем выше значение, тем надежнее фильтрация, но будет повышаться задержка.

Polarity (Rising Edge) - счетчик реагирует на восходящие фронты сигнала.

Настройка Clock

Программная реализация ведомого устройства

Ссылка на скачивание исходного кода [ https://t.me/ChipCraft В закрепленном сообщении [ #исскуствомк_исходный_код — Исходный код для Encoder_HEDR_5420_STM32F030CCTx].

Модуль process_Encoder

Данный модуль реализует считывание сигналов с инкрементального датчика HEDR и вычисляет:

• Количество импульсов на оборот;

• Пройденную дистанцию;

• Отображение данных на дисплее.

#define ENCODER_MODE_X4 4

Данный параметр отражает режим подсчета импульсов, привожу формулу

Этот режим обеспечивает максимальную точность - 0.45 на один шаг.

#define WHEEL_DIAMETR_M 0.230f // 230 мм
#define WHEEL_RADIUS_M (WHEEL_DIAMETR_M / 2.0f)

Здесь я задаю геометрические размеры колеса, на валу которого установлен датчик%

Диаметр колеса 230 мм (0.230м);

Радиус вычисляется так:

#define STEPS_PER_REV (ENCODER_PPR * ENCODER_MODE_X4)

Максимальное количество шагов за один оборот

#define CIRCUMFERENCE_M (2.0f *M_PI * WHEEL_RADIUS_M)

Длина окружности колеса - это путь, который проходит колесо за один оборот

т.е. при моем радиусе 0.115, получится за один полный оборот 0.72 м.

Функция display_init() - инициализация дисплея

• Инициализируется драйвер дисплея;

• Выполняется заливка экрана черным цветом;

• На дисплее на 2 секунды отображается стартовый экран с надписью ''ChipCraft";

• После задержки экран очищается для дальнейшей работы.

библиотеку для работы с дисплеем я взял с [https://github.com/afiskon/stm32-ssd1306/tree/master]

Функция display_update()

Отвечает за визуализацию информации на дисплее:

• Экран предварительно очищается с помощью ssd1306_Fill(Black);

• В верхней части по центру отображается надпись «Encoder»;

• Ниже последовательно выводятся:

  • количество импульсов;

  • дистанция;

• Буфер графики передается на дисплей вызовом ssd1306_UpdateScreen()

Функция encoder_Handler()

Логика работы:

• считывание текущего значения таймера;

• определение разницы (delta) между текущим и предыдущим значениями;

• накопление общего счетчика enocoder_position;

• вызов функций для вычисления дистанции и обновление дисплея.

Функция get_distance_m() - вычисление пройденной дистанции

Переводит количество импульсов датчика в физическую длину пути в (метрах).

process_Encoder.c

Модуль proj_main() - главный метод

• Выполняется инициализация дисплея;

• Запуск таймера;

• Запуск функции encoder_Handler().

proj_main.c

Если статья показалась Вам интересной, буду рад выпустить для Вас еще множество статей исследований по всевозможным видам устройств, так что, если не хотите их пропустить — буду благодарен за подписку на мой ТГ-канал.