STM32編碼器在光柵尺測速場合的實際應(yīng)用

鄧軍

摘 要：STM32103F系列微控制器的定時器有一種特有工作模式——編碼器接口模式，此模式可以用來反饋馬達的實時轉(zhuǎn)子位置，測量馬達的轉(zhuǎn)速，也可以反饋光柵尺的實時位置，測量光柵頭的移動速度，在工業(yè)控制場合，尤其是需要精確定位的壓機、機床等使用場合，有著非常實用的價值?，F(xiàn)以STM32103F微控制器與海德漢（HEIDENHAIN）光柵尺LS1378C為例，詳細介紹定時器的編碼器工作原理，以及雙定時器配合測速度的編程算法。

關(guān)鍵詞：STM32編碼器；光柵尺；測速

STM32103F系列是ST公司采用高性能的32位ARM Cortex-M3內(nèi)核，主要面向工業(yè)控制領(lǐng)域推出的微控制器芯片。通用定時器有以下幾種工作模式：計數(shù)器模式、輸入捕獲模式、輸出比較模式、PWM模式、單脈沖模式、編碼器接口模式。其中，編碼器接口模式是一種有別于其他通用ARM控制器以及DSP控制器的特有模式，此模式可以用來反饋馬達的實時轉(zhuǎn)子位置，測量馬達的轉(zhuǎn)速，也可以反饋光柵尺的實時位置，測量光柵頭的移動速度，在工業(yè)控制場合，尤其是需要精確定位的壓機、機床等使用場合，有著非常實用的價值。

光柵尺位移傳感器（簡稱光柵尺），是利用光柵的光學(xué)原理工作的測量反饋裝置。光柵尺位移傳感器經(jīng)常應(yīng)用于機床與現(xiàn)在加工中心以及測量儀器等方面，可用作直線位移或者角位移的檢測。其測量輸出的信號為數(shù)字脈沖，具有檢測范圍大，檢測精度高，響應(yīng)速度快的特點。例如，在數(shù)控機床中常用于對刀具和工件的坐標進行檢測，來觀察和跟蹤走刀誤差，以起到一個補償?shù)毒叩倪\動誤差的作用。

在這里需要說明的是，光柵尺只是一個反饋裝置，它可以將位移量和位移方向通過脈沖信號輸出的方式反饋出來，但它不能直接顯示出來，它還需要一個顯示裝置，比如通過CPLD來識別，或者本文中的微控制器STM32103F來識別。光柵尺的輸出信號為相位角相差90°的兩路方波信號，如果A路超前B路90°，表示光柵尺在正向移動，反之，A路落后B路90°，表示反向移動。這兩路方波信號都為差分信號，需要經(jīng)過差分輸入芯片，比如TI的MC3486，轉(zhuǎn)化為TTL電平的方波之后，才能進定時器的輸入引腳。此例中接入的是TIM3-CH1和TIM3-CH2兩個引腳。

海德漢LS1378C為增量式直線光柵尺，量程220mm，信號周期1um，即一個方波對應(yīng)1um，經(jīng)后續(xù)電子設(shè)備進行4分頻之后測量步距為0.25um。直觀來說，STM32103F識別到一個周期的方波脈沖，計數(shù)器增長4次，表示光柵尺移動了1um。

此例中，定時器Timer3配置成編碼器接口模式，提供傳感器當前實時位置的信息。另外再開一個定時器Timer2，配置成10ms的定時工作模式，讀取10ms之內(nèi)的位置之差，即可獲得動態(tài)的信息，比如速度、加速度。

這個算法思想的前提，也就是本文討論的核心，是10ms內(nèi)定時器3計數(shù)器不溢出，因為定時器為16位，最大可計數(shù)的范圍為65535，如何保證10ms內(nèi)實際增長的計數(shù)不超過這一最大值呢？我們通過計算來說明，比如已知光柵尺連接的機械運動部件的最大速度不可能超過1m/s，那么10ms內(nèi)走的位移量為10mm，10mm/0.25um=40000次計數(shù)，40000小于65536，所以這一算法的前提成立。 如果運動部件的實際運動速度可能更快，那么把10ms定位改為5ms即可，以此類推，但定時間隔不可無限制縮小，以免加重CPU負荷。

首先，初始化定時器Timer3為編碼器模式，同時在TI1和TI2邊沿計數(shù)，PA口的6腳和7腳設(shè)置為浮空輸入，用來連接編碼器輸入信號，定時器3計數(shù)周期Period設(shè)置為65535，預(yù)分頻數(shù)設(shè)置為零（不分頻）。

接著，Timer2配置為10ms的定時，計數(shù)周期Period設(shè)置為2000，預(yù)分頻數(shù)設(shè)置為360，向下計數(shù)模式。

下面是編碼器讀取方法，在每次10ms定時調(diào)用此段：

#define MAX_COUNT 30000//10ms內(nèi)不可能超過的計數(shù)器最大值

#define ENCODER_TIM_PERIOD 65535//定時器的period值，最好比MAX_COUNT要大

int16_t speed_max = 0； // 全局變量，統(tǒng)計瞬時速度最大值，需要在每次重新測量之前清零

int32_t currentCount = 0； // 全局變量，計數(shù)器實時值，有正負，總量程220mm對應(yīng)88萬個計數(shù)，1um對應(yīng)4個計數(shù)

currentCount除以4000，即為光柵尺當前位置，單位為mm；

speed_max為最大瞬時速度，單位為mm/s。

結(jié)束語

在實際的項目使用中，如果光柵尺移動速度過快，超過了硬件反應(yīng)速度，可能導(dǎo)致脈沖丟失，顯示出一個錯誤的位移量，這種錯誤是不可接受的。為了避免超過光柵尺及硬件電路的極限處理能力，我們通過試驗測出這一極限速度，并告知用戶，用戶可采用其他機械輔助的方法限制運動速度，在極限速度與生產(chǎn)效率之間找到一個合適的平衡點，使光柵尺工作在正常狀態(tài)。如果實際生產(chǎn)中的最大瞬時移動速度超過這一限制，將發(fā)出報警以示提醒。

參考文獻

[1]嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用-基于Cortex-M3內(nèi)核和STM32F103微控制器的系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)[M].上海：同濟大學(xué)出版社，2011，5.