【學渣的自我修養】正交編碼器的原理與使用

正交編碼器（Quadrature Encoder）是一種用於測量旋轉速度和方向的感測器，通過積分（累加）運算後，還可以用來測算距離。最常見的正交編碼器有兩個輸出信號：A相 和 B相，有些編碼器會有 Z相 的校準功能（用於消除累計誤差）。「正交」一詞來源於 AB 兩個信號的特徵，一般情況下 A相 和 B相 的輸出信號總是有 π/2 的相位差。

原理

點擊鏈接顯示動圖：

上圖中 A 和 B 分別連接到兩個感測器單元上，黑白相間的圓環稱之為「柵格」。感測器和柵格的實現方式有很多種：反射式感測器+不同反光率的柵格；對射式感測器+鏤空光柵；霍爾感測器+磁極圓環；觸點+導電軌道；等等。

下圖是編碼器順時針和逆時針旋轉時，A、B相輸出的信號圖形。根據感測器和光柵的安裝情況，也有可能是和下圖完全相反，本文的講解將以下圖為準。

讀取編碼器的數據一般有三種方式：①專用硬體模塊 ②I/O口中斷處理 ③普通 I/O口讀取並處理。從①至③，佔用的計算資源依次增大，但通用性也依次增大，本文將講解第三種讀取方式的原理和實現方式。

編碼器在旋轉時，兩條數據線上的電平將不斷變化，根據不同的變化狀態可以計算出編碼器旋轉的方向，詳細情形如下表所描述：

表中 "+1" 表示順時針旋轉一格，"-1" 表示逆時針旋轉一格。兩相數據都發生變化時，無法判定是順時針或逆時針旋轉，於是都假定變化後數據是在 A相跳變時採集的數據。當採樣頻率足夠高時，兩相數據同時發生變化的概率很小，這樣的計算方式是足夠精確的。

使用

用 C 語言來表達以上表格的含義，如下：

uint8_t state = 0;nnvoid Update(void)n{nt//tRead new state bitsntif (digitalRead(A))nt{nttstate |= 0x02;nt}ntif (dagitalRead(B))nt{nttstate |= 0x01;nt}ntntswitch (state)nt{nttcase 0x01:nttcase 0x07:nttcase 0x08:nttcase 0x0E:ntttposition -= 1;ntttbreak;nttcase 0x02:nttcase 0x04:nttcase 0x0B:nttcase 0x0D:ntttposition += 1;ntttbreak;nttcase 0x03:nttcase 0x0C:ntttposition -= 2;ntttbreak;nttcase 0x06:nttcase 0x09:ntttposition += 2;ntttbreak;nttdefault:ntt//case 0x00:ntt//case 0x05:ntt//case 0x0A:ntt//case 0x0F:nttt//position += 0;ntttbreak;nt}ntnt//tUpdate the old statentstate <<= 2;nt//tKeep the old state bits and clear other bitsntstate &= 0x0C;n}n

實現以上函數，並儘可能頻繁地調用它（例如在 Arduino 的 loop 函數中調用），就可以得到編碼器旋轉的柵格數，從而可以計算出旋轉速度和距離。

參考鏈接：

What are Quadrature Encoders

https://en.wikipedia.org/wiki/Rotary_encoder

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