使用MCU連接旋轉(zhuǎn)編碼器的方法

昨天的文章中分享了一個(gè)小技巧：

設(shè)計(jì)小技巧：如何用MCU或FPGA的一個(gè)數(shù)字IO測(cè)量2個(gè)電位計(jì)的阻值變化?

實(shí)際上是利用了我們常用的PWM功能的一個(gè)逆向思維應(yīng)用。

今天再分享一個(gè)小技巧 - 如何使用一個(gè)MCU的模擬輸入端口連接多個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器?

作為一種輸入控制器件，旋轉(zhuǎn)編碼器被大量使用，尤其在測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域，有的設(shè)備上會(huì)有多個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器用于調(diào)節(jié)多個(gè)參量。

一般來(lái)講，旋轉(zhuǎn)編碼器需要至少2根微控制器的輸入管腳，如果有內(nèi)置的按鍵，還需要第三根。如果連接2個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器那就要消耗掉6根輸入管腳，連接3個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器需要9根，以此類推。。。

常用的旋轉(zhuǎn)編碼器的外形

旋轉(zhuǎn)編碼器的典型檢測(cè)電路

然而，如果你用的MCU有ADC的功能，其實(shí)只需要一根模擬輸入管腳就可以搞定多個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器的連接。

硬禾學(xué)堂的STM32 DIY示波器板用一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器和2個(gè)按鍵作為輸入

聽起來(lái)不可思議?

我們先看一下旋轉(zhuǎn)編碼器是如何使用的。

確定旋轉(zhuǎn)方向：

編碼器在旋轉(zhuǎn)的時(shí)候會(huì)同時(shí)在其”A“和”B“管腳輸出一串脈沖，從這兩串脈沖的相位關(guān)系上就可以確定編碼器的旋轉(zhuǎn)方向 - 將一路脈沖延遲”一步“并將2個(gè)脈沖進(jìn)行異或操作。

比如：

假設(shè)管腳 'A'的輸出為：'00110011...' ，管腳'B'的輸出為 '01100110...', 將 'A'的信號(hào)延遲一步,得到'01100110...'.， 將延遲后的'A'同'B'異或，將得到'00000000...'. ，向另外要給方向旋轉(zhuǎn)，管腳'A'的輸出變?yōu)?11001100...' ('B'不變), 這樣'A' 延遲一步編程'10011001...'.再跟'B'信號(hào)異或，就給出結(jié)果'11111111...'.

用模擬的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)：

我們可以把'A'和'B'輸出的信號(hào)一起看，當(dāng)成是一個(gè)2bit的并行總線，能夠有4種組合的輸出: 0b00, 0b01, 0b10 and 0b11 (格雷碼).多個(gè)位數(shù)的二進(jìn)制值可以轉(zhuǎn)換成一個(gè)模擬電壓信號(hào)，這本質(zhì)上就是一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器.

R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)

有一種非常簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)的DAC是R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)，這種方法只使用兩個(gè)電阻值R和2R就可以構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，每增加一個(gè)位數(shù)，只需要增加兩個(gè)電阻。一個(gè)2根管腳的旋轉(zhuǎn)編碼器只需要4個(gè)電阻，如下圖：

這個(gè)電路可以產(chǎn)生4個(gè)不同電壓值的信號(hào)，這個(gè)信號(hào)用單片機(jī)的ADC進(jìn)行量化解碼，即可解碼得到管腳”A“和”B“的值。一般旋轉(zhuǎn)編碼器還有一個(gè)按鍵，考慮到按鍵的輸入檢測(cè)，電路可以變成下面這樣：

一個(gè)實(shí)際的實(shí)現(xiàn)

兩個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器再加上內(nèi)置的按鍵，共需要一個(gè)6位的DAC.一般MCU內(nèi)置的ADC為10位，可以非常輕松地解碼由此生成的模擬信號(hào)，并且每1位相當(dāng)于還有4bit的分辨率余量，因此我們可以使用5%精度的電阻 (當(dāng)然1% 會(huì)更好).

R-2R的阻值相對(duì)于上拉電阻要足夠大，以避免引起R-2R的比值失衡，同時(shí)上拉電阻也不能太小，否則流過(guò)開關(guān)觸點(diǎn)的電流會(huì)太大。

2R電阻可以簡(jiǎn)單地將兩個(gè)R阻值的電阻串聯(lián)起來(lái)，還可以節(jié)省一種阻值的電阻.

為防止觸點(diǎn)的抖動(dòng)需要加一個(gè)0.01uF的電容，否則會(huì)引起兩個(gè)編碼器之間的干擾。

觸點(diǎn)抖動(dòng)噪聲

通過(guò)電容濾除掉觸點(diǎn)抖動(dòng)噪聲

是不是又Get到一個(gè)新技能?

繼續(xù)關(guān)注電子森林，會(huì)有更多設(shè)計(jì)技巧分享給大家。

原文標(biāo)題：逆向思維: 如何用一根MCU的模擬輸入檢測(cè)多個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器?

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審核編輯：湯梓紅