База знаний по трехмерному проектированию в Pro/Engineer, Creo, Solidworks, электронике на STM32

В этом уроке по микроконтроллеру STM32 вы научитесь:

• подключать абсолютный энкодер к микроконтроллеру
• совершать быстрое чтение порта микроконтроллера
• включать программную защиту от помех (цифровой фильтр)

Промышленный абсолютный энкодер

Промышленные абсолютные энкодеры служат для точного позиционирования механизмов и, в частности, валов электрических двигателей, в том числе на испытательных стендах для подсчета частоты вращения двигателей.Они бывают инкрементные с простым тиканьем шагов при повороте и абсолютные с выдачей конкретного числа на каждом шаге — угле поворота. Сегодня мы рассмотрим работу с абсолютным энкодером, имеющим разрешение 720 положений. Это соответствует угловому шагу (точности) 360/720 =½ градуса. Абсолютные энкодеры бывают с различными напряжениями питания и интерфейсами подключения. Рассмотрим варианты интерфейсов энкодеров.

Варианты интерфейсов энкодеров

Параллельный двоичный интерфейс представляет параллельную шину данных с определенной разрядностью. Например, для чисел от 0...1024 (разрешение 0,35 градуса) достаточно 10 разрядов (2¹⁰=1024), 10 проводников шины. Для чисел 0...720 к сожалению тоже придется использовать 10 проводников, потому что 2⁹=512. Поэтому энкодеры с таким разрешением (10 бит) после числа 719 сразу переходят на число 0. Для надежного считывания некоторые производители закладывают в такие энкодеры еще один сигнал триггера-защелки, по которому блокируется изменение выходного значения. В остальных случаях рекомендуется использовать цифровые фильтры для борьбы с помехами.

Двоично-десятичным интерфейс (BCD) представляет тоже параллельную шину данных, но с более человекочитаемым форматом чисел. В BCD-представлении используются только 10 возможных комбинаций 4-битового числа вместо 16. Поэтому существуют запрещённые комбинации битов: 1010(10₁₀), 1011(11₁₀), 1100(12₁₀), 1101(13₁₀), 1110(14₁₀) и 1111(15₁₀). Числа в виде десятков от 10 до 90 записываются в следующие 4 бита. Числа в виде сотен от 100 до 900 записываются в следующие 4 бита. И числа в виде тысяч от 1000 до 9000 записываются в следующие 4 бита. Поэтому для комбинации энкодера с 1024 значениями потребуется 4 + 4 + 4 + 1 = 13 бит (проводов).

Интерфейс с кодом Грея также является параллельным, за исключением формата выдачи чисел. Это необходимо для максимально возможного предотвращения от ошибок считывания на критически больших скоростях вращения вала. В коде Грея изменения допускаются только в одном бите при переходе на следующее число. Действует следующее правило кодирования: старший бит остается без изменения, а каждый последующий бит инвертируется, если предыдущий бит исходного двоичного кода равен единице. Ниже представлена разница бинарного кодирования и кодирования Грея

Схема подключения абсолютного энкодера к микроконтроллеру STM32

Перейдем к практической реализации работы с энкодером. На представленной схеме подключен абсолютный энкодера EP50S8-720-2F-N-5 к микроконтроллеру STM32. В соответствии с даташитом этот энкодер имеет открытый коллектр с NPN логикой и рассчитан на подключение к 5-вольтовому источнику питания. Но как показала практика он прекрасно работает от 3.3 В питания. Для функционирования выходных транзисторов энкодера не забудем применить подтягивающие к питанию резисторы.

Как видно — подключение к порту PА микроконтроллера STM32 производится не последовательно. Но в этом состоит вся прелесть этого урока.

Чтение порта микроконтроллера и программная защита от помех (цифровой фильтр)

Рассмотрим обработку порта PА.

/*main.c*/

/* USER CODE BEGIN PV */
/* Private variables ---------------------------------------------------------*/

BOOL flag = FALSE;

/* USER CODE END PV */

/* USER CODE BEGIN PFP */
/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/

uint16_t read_encoder( void )
{

	
		return  ((~GPIOA->IDR & GPIO_IDR_IDR4)>>4) | ((~GPIOA->IDR & GPIO_IDR_IDR5)>>4) | ((~GPIOA->IDR & GPIO_IDR_IDR6)>>4)  | ((~GPIOA->IDR & GPIO_IDR_IDR7)>>4) |
										((~GPIOA->IDR & GPIO_IDR_IDR8)>>4) | ((~GPIOA->IDR & GPIO_IDR_IDR9)>>4) | ((~GPIOA->IDR & GPIO_IDR_IDR10)>>4) | ((~GPIOA->IDR & GPIO_IDR_IDR11)>>4)|
										((~GPIOA->IDR & GPIO_IDR_IDR12)>>4) | ((~GPIOA->IDR & GPIO_IDR_IDR0)<<9);
		
}

/* USER CODE END PFP */

int main(void)
{

  while (1)
  {
    flag = FALSE;
	for(uint8_t i = 0; i <= 200; i++) { 
		if ( read_encoder == 55  ) 
		{
			flag = TRUE;
		} 
	}

  }
}

Всего энкодер EP50S8-720-2F-N-5 имеет 10 проводников (разрядность 10 бит) для обеспечения 720 чисел на 1 оборот. Теперь будет читать каждый из разрядов порта (не забудем выполнить инверсию порта ~GPIOA->IDR — т.к. у нас выполнена подтяжка резисторами к питанию). Младший разряд, подключаемый к PA4 мы сдвигаем на 4 разряда вправо для получения правильного конечного числа (GPIO_IDR_IDR4>>4). И самый старший разряд мы сдвигает влево на 9 (GPIO_IDR_IDR0<<9), т.к. соответствующий провод энкодера подключен к PA0, а должен соотноситься к 10 биту. Можно было бы подключить какой-либо провод к другому порту, например PВ и выполнить процедуру чтения из ноги PB0: ((~GPIOВ->IDR & GPIO_IDR_IDR0)<<9). В этом заключается универсальность процедуры чтения.

Цикл for(uint8_t i = 0; i <= 200; i++) необходим для 200-кратного подтверждения установки значения энкодера равного 55. Это своеобразный цифровой фильтр от помех, которые неизбежно могут возникнуть в 10 проводной параллельной линии связи.

Можно было бы воспользоваться сдвиговыми регистрами и считывать число в микроконтроллер STM32 по SPI протоколу. Но это уже другая история.