В системах точного позиционирования и измерения угла поворота оптические энкодеры остаются критически важным компонентом, обеспечивающим обратную связь по положению. Среди множества датчиков данной категории, будет рассмотрен HOA0902-11 - это двухканальный фотодатчик, предназначенный для высокоточного измерения углового положения, скорости и направления вращения, его конструкция и схема работы основаны на принципе оптической модуляции света через диск.

Устройство датчика:

• Внутри установлен светодиод (ИК-излучатель), который подсвечивает импульсный диск;

• С противоположной стороны находятся два фотоприемника (фототранзистора);

• Эти два фотоприемника расположены со смещением относительно друг друга (90° фазовый сдвиг).

В данной статье будут рассмотрены

• Физические принципы работы HOA092-11;

• Схема подключения к микроконтроллеру STM32F030CCTx;

• Программная реализация (расчет пройденного пути, скорости и направления движения, а также вывод информации на дисплей).

Технические характеристики HOA092-11

Ссылка на техническую документацию HOA0902-11 [https://static.chipdip.ru/lib/059/DOC000059035.pdf]

• Напряжение питания [ 4.5 - 5.5В ];

• Тип выхода [ NPN открытый коллектор ];

• Слот (зазор) [ 3.2 мм ];

• Минимальный механический период (разрешение) [ предназначен для работы с механическим периодом равным 0,036 in (≈ 0.914 мм), что дает разрешение до 0,018 in (≈ 0,457 мм) ];

• Температурный диапазон эксплуатации [ от -40°C до +70°C ]|.

Применение

• Высокоточные оптические энкодеры;

• Системы позиционирования в робототехнике;

• Прецизионные системы контроля скорости вращения;

• Линейные и ротационные измерительные системы.

Принцип работы HOA0902

1. Инфракрасный излучатель (IRED) генерирует постоянный поток ИК-излучения;

2. Кремниевый NPN фототранзистор выполняет функцию приемника излучения;

3. Оптический зазор между излучателем и приемником обеспечивает зону детектирования.

Режимы работы:

• Выход(SPEED(TACH)) - генерирует импульс при каждом пересечении порога освещенности, т.е. как только импульсный диск будет проходить через щель, появляется импульс (ширина 8 микросекунд, частота 125 kHz), как раз этот импульс я и буду обрабатывать в микроконтроллере.

В данном проекте используется импульсный диск он состоит из 16 "окон", за одно прохождение "окна", датчик будет выдавать контроллеру по 2 импульса,

Конструкция датчика и расположение "окон" на диске сделаны так, что когда одно "окно" проходит над датчиком, два приемника оказываются в разных фазах этого "окна".

Один приемник (канал A) находится точно по центру окна, когда другой (канал B) находится уже на краю (или наоборот).

Это приводит к тому, что сигналы с каналов A и B сдвинуты относительно друг друга на 90 электрических градусов.

Зачем это нужно?

Такой сдвиг (квадратура) решает сразу несколько критически важных задач:

1. Определение направления вращения (главная причина)
Это самая важная функция, схема обработки сигнала в датчике смотрит, какой канал опережает.

• Если канал A опережает канал B → вращение по часовой стрелке.

• Если канал B опережает канал A → вращение против часовой стрелки.

2. Повышение разрешения

Удвоение количества импульсов достигается за счет обработки двух сдвинутых по фазе сигналов, что позволяет извлекать из одной механической конструкции вдвое больше полезной информации, в данной статье датчик HOA0902-11, через который проходит импульсный диск имеющий 16 "окон" при полном обороте, будет выдавать 32 импульса, таким образом получается более точное измерение угла, расстояния и скорости, что позволяет разрешению увеличиваться.

• 16 импульсов - шаг угла 360° / 16 = 22.5°;

• 32 импульса - шаг угла 360° / 32 = 11.25°.

3. Повышение помехоустойчивости и надежности Система может проверять соответствие сигналов двух каналов друг другу. Если возникает одиночный ложный импульс на одном канале, которому нет соответствия на другом, его можно отфильтровать как ошибку.

• Выход направления (DIRECTION) - это логический вывод, который формируется внутри датчика HOA0902-11 из сравнения сигналов А и В, т.е. датчик сам определяет направление вращения и выдает это как отдельный цифровой сигнал:

  DIRECTION = 0 (LOW) - вращение вперед (например, по часовой стрелке);

  DIRECTION = 1 (HIGHT) - вращение назад (против часовой стрелки).

Таким образом, не нужно в МК сравнивать А и В, чтобы вычислять направление - датчик сам это делает, достаточно просто повесить прерывание.

!!! Очень важная информация, так как датчик HOA0902-11 работает по +5В, подключать напрямую сигналы "SPEED(TACH)" и "DIRECTION(DIR)" к микроконтроллеру STM32 (у которого логика работы по +3В) опасно, есть риск повреждения выводов, в следствии МК может просто выйти из строя.

Для того чтобы напряжение было приемлемым, для МК, необходимо поставить делители напряжения, на сигналы "SPEED" и "DIRECTION".

На данной схеме изображено подключение датчика HOA0902-11 и дисплея, к микроконтроллеру STM32F030CCTx, а также реализация преобразователя со стабилизатором напряжения

Перечень элементов

Пояснения к схеме

Выводы NRST и BOOT0

Вывод NRST(reset) используется для аппаратного сброса МК, подключается через резистор R7(10кОм) к питанию +3В - подтягивает NRST к логической "1", конденсатор С5(0,1мкФ), формирует RC-цепочку, используется для подавления помех и автосброса при включении питания, данный пример схемы гарантирует корректный старт МК после подачи питания, защищает от ложных срабатываний при скачках напряжения.

Вывод BOOT0 определяет, откуда МК будет загружать программу после сброса:

• BOOT0 = 0 - загрузка из Flash-памяти(основной режим работы);

• BOOT0 = 1 - загрузка из системной памяти (встроенный загрузчик через UART, I2C, SPI).

В схеме вывод подтянут резистором R8 к земле (логический "0"), это обеспечивает автоматическую загрузку программы из flash-памяти после старта, если потребуется использовать встроенный загрузчик, можно временно подать "1" на BOOT0.

Обвязка питания VCC и VA

МК имеет несколько выводов питания:

• VCC - основное цифровое питание (3.3В);

• VA - питание аналоговой части (АЦП, компараторы и т.д.).

На выводах VCC и VA уставлен конденсатор С6 (0.1мкФ), он фильтрует высокочастотные помехи, возникающие при переключении логики, конденсатор ставиться как можно ближе к выводам МК, также дополнительно установлен танталовый конденсатор 4.7мкФ, он сглаживает низкочастотные колебания и стабилизирует питание аналоговой части.

Микросхема DA1 - MP2315 представляет собой синхронный понижающий (buck) DC-DC преобразователь с интегрированными силовыми MOSFET-ключами. Высокая частота переключения (до 2.2 МГц), компактный корпус и широкий диапазон входных напряжений (от 4.5 В до 24 В), ссылка на техническую документацию MP2315 [https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/1035056/MPS/MP2315.html].

Микросхема DA2 - LP2985 представляет собой малошумящий стабилизатор, предназначен для преобразования входного напряжения +5В в стабильное напряжение +3В, используемое МК и периферийными узлами, ссылка на техническую документацию LP2985 [https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/99706/TI/LP2985.html].

Подключение датчика HOA0902-11

• Сигнал SPEED(TACH) - подключается через делитель R1 и R3, к выводу МК-12(PA2);

• Сигнал DIR(DIRECTION) - подключается через делитель R4 и R5, к выводу МК-13(PA3).

Подключение дисплея

• Сигнал SDA - подключается к выводу 21(PB10);

• Сигнал SCL - подключается к выводу 22(PB11).

Настройка микроконтроллера STM32F030CCTx в CubeIDE

Настройка выводов

Вывод PA2 настроен на внешнее прерывание (EXTI) (выполняет роль триггера для подсчета импульса) к нему подключается сигнал SPEED(TACH) датчика HOA0902-11, каждый раз, когда через окно датчика проходит импульсный диск, датчик формирует импульс, далее он фиксируется аппаратным модулем EXTI, который:

• Генерирует прерывание;

• Устанавливает флаг encoderDone;

• Делегирует дальнейшую обработку в функцию encoder_Handler().

Вывод PA3(DIRECTION) (GPIO_INPUT), используется для определения направления вращения.

Настройка таймеров

TIM3 используется как счетчик временных интервалов, настроен на генерацию прерываний, каждое срабатывание таймера фиксирует количество импульсов, поступивших от энкодера, таймер настраивается на прерывание раз в 100ms.

TIM14 используется в качестве системного диспетчера вывода информации на дисплей, таймер настраивается на генерацию прерываний с периодом 200mS, при каждом срабатывании прерывания происходит вызов функции display_update(), которая обновляет содержимое экрана.

Настройка приоритетов

• EXTI line 2 and 3 interrupts - [0];

• TIM13 - [1];

• TIM14 - [2].

Настройка Clock

Реализация программного кода

Ссылка на скачивание исходного кода [ https://t.me/ChipCraft В закрепленном сообщении [ #исскуствомк_исходный_код - Исходный код для Encoder_HOA0902-11_STM32F030CCT6], а также видео тестирования энкодера [#исскуствомк_тестирование_Encoder].

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

Функция display_init()

Выполняет начальную инициализацию дисплея, подключенного по интерфейсу I2C(на базе контроллера SSD1306)

• 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.

Функция encoder_Handler() обработчик инкрементального энкодера

• Вызывается при установке флага encoderDone, который формируется в прерывании внешнего входа (EXTI);

• Определяется направление вращения вала датчика по состоянию пина DIRECTION_Pin:

  • RESET - движение вперед (инкремент счетчика);

  • SET - движение назад (декремент счетчика).

• Вызывается метод get_distance_m() для расчета дистанции.

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;

  • скорость.

• Буфер графики передается на дисплей вызовом ssd1306_UpdateScreen()

Функция float get_distance_m()

Возвращает текущее значение пройденного пути в метрах, расчет выполняется как произведение общего числа импульсов pulse_counter на метрический коэффициент DIST_PER_STEP_M, который определяется из геометрии колеса и количества "окон" импульсного диска.

Формула расчета дистанции

где:

• N - Число импульсов;

• D - Диаметр колеса;

• PPR - количество импульсов на оборот.

HAL_TIM_PeriodElapsedCallback Функция обратного вызова, выполняется при переполнении таймера

• Каждые WINDOW_TIME_S секунд фиксируется количество импульсов в pulse_counter_window;

• После чтения счетчик сбрасывается;

• Рассчитывается скорость

  Формула расчета скорости

окно - это фиксированный промежуток времени, в течении которого производится расчет количества импульсов от датчика, в данном проекте будет 100 мс (0.1 с)

• Скорость определяется как отношение пройденного пути за окно.

где S - путь в окне, t - длительность окна.

также в данной функции вызывается display_update(), для визуализации текущих значений на дисплее.

Модуль process_Encoder

Модуль proj_main()

• Выполняется инициализация дисплея;

• Запуск таймеров;

• Запуск функции encoder_Handler().

Вывод

В результате проделанной работы реализована полноценная система измерения и отображения параметров энкодера, на базе датчика HOA0902-11 и микроконтроллера STM32F030CCTx.

Тест энкодера

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: https://t.me/ChipCraft.

Получается, если вращаем условно по часовой, то светодиоды загораются одновременно, гаснут поочередно, если против часовой, то загораются поочередно, гаснут одновременно. Те есть нужно отслеживать порядок изменения состояния.

Попробую использовать, если получится сделаю пост о том, что получилось.

Энкодер - это устройство преобразования механического перемещения или угловых изменений положения в цифровой сигнал. В статье рассматривается самый популярный в DIY сообществе инкрементальный энкодер EC11 с кнопкой. При его вращении на выходах A и B формируются TTL сигналы в виде импульсов сдвинутые между собой по фазе на 90 градусов. Таким образом с его помощью, можно определить направление и скорость вращения, а так же рассчитать угол поворота. В отличие от потенциометров, энкодер KY-040 гораздо надежней и долговечный.

Немного подробностей

Собирая один из проектов с использованием encoder. Я не смог найти код для Ардуино выполняющий все мои условия. Так как для проекта нужно обрабатывать следующие команды: "Вращение без нажатия", "Вращение с нажатием", "Нажатие" и "Длинное нажатие", а так же требуется стабильная работа энкодера. Скетчи использующие один пин с прерыванием INT0 или INT1, работают отвратительно и при вращении вала энкодера вылетает очень много ошибок. Код без использования прерываний работает стабильно, но он не работает в фоновом режиме, его нужно встраивать в тело основной программы, что в свою очередь приводит к не своевременному срабатыванию обработчика и пропускам при вращении энкодера. Еще хуже обстоят дела с обработкой нажатия с вращением вала энкодера и обычным с нажатием. Пришлось написать свой код обработки, который исключает описанные выше проблемы. С дребезгом контактов я не стал бороться программно, так как это приводит к задержкам обработки. Проще и надежней использовать керамические конденсаторы.

Схема подключения энкодера к Ардуино

Используемые в схеме компоненты:

Arduino nano - 1 шт.

Энкодер EC11 -1 шт.

Соединительные повода - 4 шт.

Керамические конденсаторы 0,1 мкФ - 3 шт.

Скетч для Ардуино

Для того что бы отслеживать изменение положения энкодера в фоновом режиме, я использую прерывание PCINT1. Обработка всех функций происходит в прерывании, обработчик в зависимости от произошедшего действия изменяет переменную enc_state. Если значение переменной enc_state=0 - ничего не произошло, enc_state=1 - экодер вращался без нажатия, enc_state=2 - экодер вращался с нажатием, enc_state=3 - было нажатие на кнопку, enc_state=4 - было длинное нажатие на кнопку, Прерывание будет срабатывать каждый раз по изменению состояния входов, как с высокого уровня на низкий, так и наоборот. То есть при одном щелчке энкодера прерывание сработает 4 раза. Или по 2 раза для каждого из входов. Но обработчик выдаст сигнал поворота только 1 раз на все 4 прерывания.

Код обработчика при каждом срабатывании записывает в переменную lastcomb состояние входов, к которым подключен энкодер. И ждет состояние когда выходы A и B будут замкнуты на GND, это гарантированный сигнал того, что энкодер вращается. После того как этот сигнал получен, обработчик проверяет в какую сторону было вращение. Для этого он сравнивает его предыдущее значение из переменной lastcomb и в зависимости от фазы сдвига определит в какую сторону был поворот ротора. Как я писал ранее, сложнее всего отслеживать нажатие кнопки.

Так как использовать определенные тайминги я не планировал, потому, что они неизбежно приводят длительным задержкам работы обработчика и основной программы, или требуют использование таймера, которых в микроконтроллере всего 3 шт. их, как правило никогда не хватает. Собственно проблема состояла в том, чтобы разделить "нажатие с последующим вращением" от простого нажатия. В итоге как вы уже можете убедиться, я решил эту задачу. Оптимизацией кода я не стал заниматься, потому как все работает и меня все устраивает. Для наглядности в коде все действия с энкодером, отображаются в Serial мониторе программы Adruino IDE.

/*
При публичном размещении кода ссылка на первоисточник обязательна.
*/
#define btn_long_push 1000 // Длительность долинного нажатия кнопки
volatile uint8_t lastcomb=7, enc_state, btn_push=0;
volatile int enc_rotation=0, btn_enc_rotate=0;
volatile boolean btn_press=0;
volatile uint32_t timer;
//********************************
void setup()
{
pinMode(A1,INPUT_PULLUP); // ENC-A
pinMode(A2,INPUT_PULLUP); // ENC-B
pinMode(A3,INPUT_PULLUP); // BUTTON
PCICR = 0b00000010; // PCICR |= (1<<PCIE1); Включить прерывание PCINT1
PCMSK1 = 0b00001110; // Разрешить прерывание для A1, A2, A3
Serial.begin(115200);
}
//****************************************

void loop()

{

switch (enc_state)

{

case 1: {

Serial.print("Вращение без нажатия ");

Serial.println(enc_rotation);

}

break;

case 2: {

Serial.print("Вращение с нажатием ");

Serial.println(btn_enc_rotate);

}

break;

case 3: Serial.println("Нажатие кнопки ");

break;

case 4: Serial.println("Длинное нажатие кнопки ");

break;

}

enc_state=0; //обнуляем статус энкодера

}

//****************************************
ISR (PCINT1_vect) //Обработчик прерывания от пинов A1, A2, A3
{
uint8_t comb = bitRead(PINC, 3) << 2 | bitRead( PINC, 2)<<1 | bitRead(PINC, 1); //считываем состояние пинов энкодера и кнопки
if (comb == 3 && lastcomb == 7) btn_press=1; //Если было нажатие кнопки, то меняем статус
if (comb == 4) //Если было промежуточное положение энкодера, то проверяем его предыдущее состояние
{
if (lastcomb == 5) --enc_rotation; //вращение по часовой стрелке
if (lastcomb == 6) ++enc_rotation; //вращение против часовой
enc_state=1; // был поворот энкодера
btn_enc_rotate=0; //обнулить показания вращения с нажатием
}
if (comb == 0) //Если было промежуточное положение энкодера и нажатие, то проверяем его предыдущее состояние
{
if (lastcomb == 1) --btn_enc_rotate; //вращение по часовой стрелке
if (lastcomb == 2) ++btn_enc_rotate; //вращение против частовой
enc_state=2; // был поворот энкодера с нажатием
enc_rotation=0; //обнулить показания вращения без нажатия
btn_press=0; //обнулить показания кнопки
}
if (comb == 7 && lastcomb == 3 && btn_press) //Если было отпускание кнопки, то проверяем ее предыдущее состояние
{
if (millis() - timer > btn_long_push) // проверяем сколько прошло миллисекунд
{
enc_state=4; // было длинное нажатие
} else {
enc_state=3; // было нажатие
}
btn_press=0; //обнулить статус кнопки
}
timer = millis(); //сброс таймера
lastcomb = comb; //сохраняем текущее состояние энкодера
}

Заключение

Результат работы кода меня порадовал и теперь я могу продолжить работу над своим новым проектом, который скоро здесь выложу. Надеюсь эта короткая статья вам понравилась и вы сможете воспользоваться моей наработкой в своих самоделках.

Если у Вас остались вопросы и замечания, пишите их в комментариях. Я с удовольствием на них отвечу.

Использование энкодера вместе с STM32 с прерываниями.

Код лежит тут https://ideone.com/9oMlVS (сильно не пинайте, в первые использую подобный сервис).

Кусочек в прерываниях где-то увидел, не могу вспомнить где, но он сюда подошел.

Готовых решений в интернете не нашел, а из готовых библиотек ни одна не заработала как я хотел.

Оформлять в библиотеку не стал, просто есть как есть.