旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)在單片機中的應(yīng)用

王平安

（中石化西南石油工程有限公司油田工程服務(wù)分公司，四川 綿陽621000）

旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)又稱旋轉(zhuǎn)編碼器、數(shù)碼電位器等，在電子產(chǎn)品中經(jīng)常使用。該器件具有360°旋轉(zhuǎn)、調(diào)節(jié)范圍廣、調(diào)節(jié)速度可變、可控制、噪音小、壽命長的優(yōu)點［1］，功能在一定程度上類似于電位器，但其結(jié)構(gòu)、工作原理和使用方法與普通電位器完全不同［2］，在數(shù)字電路中的應(yīng)用有很多，如改變音量的大小，電機的轉(zhuǎn)速等。

在單片機電路中，通過旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)來實現(xiàn)相應(yīng)參數(shù)的改變使用起來非常的方便和簡單，可有效的改變或調(diào)節(jié)單片機的內(nèi)部參數(shù)及對外輸出參數(shù)等。旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)由于在使用過程中，其方向信號的識別和脈沖計數(shù)的增加和減少是整個設(shè)計應(yīng)用中的難點，筆者采用中斷方式、硬件自動處理、IO端口等3種方式介紹旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)在單片機中的具體應(yīng)用實現(xiàn)。

1 旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)

旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)是一種可用于取代模擬電位器的器件，常用的旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)旋轉(zhuǎn)一周輸出20個脈沖，每個脈沖代表編碼開關(guān)旋轉(zhuǎn)了一定的角度［3］。旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)有3個和5個引腳的，5腳的比3腳的僅多2個按鍵引腳，另外3個引腳的功能與只有3個引腳的旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)功能相同，分別實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)時輸出脈沖，在對編碼器進行左旋和右旋時，其輸出波形如圖1（a）和圖1（b）所示。

旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)旋轉(zhuǎn)一周分別輸出固定數(shù)目的脈沖數(shù)，通過對其波形的識別，可識別出編碼開關(guān)是左旋還是右旋，從而實現(xiàn)其輸入數(shù)值的增加及減少，以實現(xiàn)其在單片機中的調(diào)節(jié)功能。

圖1 旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)方向及旋轉(zhuǎn)脈沖數(shù)的識別

2 編碼開關(guān)信號的處理

左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)的信號判別是難點，從圖1分析編碼開關(guān)左旋和右旋的波形可知，當AC相超前BC相，轉(zhuǎn)動方向為右轉(zhuǎn)；當BC相超前AC相，則為左轉(zhuǎn)。在左旋時，BC波形的相位滯后于AC相位一定角度，當AC波形上升沿時，BC波形為低電平；在右旋時，BC波形超前于AC波形相位一定角度，當AC波形為上升沿時，BC波形的電平為高電平。

波形如圖1所示，AC信號超前BC信號一個時間Δt，該時間隨旋轉(zhuǎn)的快慢而不同，通過檢測AC信號上升時BC信號的電平值的高低，便能識別出其旋轉(zhuǎn)方向。在AC信號上升時，BC信號為ON，此時旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)右旋轉(zhuǎn)；AC信號上升時BC的信號為OFF，此時旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)左旋轉(zhuǎn)；因此，只需要在AC信號上升沿的瞬間，判斷BC信號的高低狀態(tài)，便可實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)編碼器的方向識別，通過對AC信號的脈沖數(shù)根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向來實現(xiàn)加減計數(shù)，便能實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)信號值的輸入。

在使用編程時，只需要判斷當輸出AC為跳變?yōu)楦唠娖綍r，輸出BC當時的電平狀態(tài)就可以判斷出是左旋還是右旋，對于查詢方式，無法直接獲取AC或BC的電平跳變狀態(tài)，則通過定時查詢AC和BC的狀態(tài)，便能實時對旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)的方向識別。由于對其方向的識別和脈沖信號的處理是應(yīng)用中的主要技術(shù)難點，下面介紹旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)在宏晶STC51單片機上的幾種較為典型的硬件接口及軟件識別及處理方法。

3 單片機定時器T2處理旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)輸入

STC51單片機的計數(shù)器T2本身只有自動遞增或遞減的功能，利用T2的該功能，便能自動實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)的方向和脈沖的計數(shù)，通過簡單的程序便能實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的計數(shù)和方向識別。

3.1 T2處理旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)的原理

編碼開關(guān)信號的捕獲，通過采用計數(shù)器功能來實現(xiàn)。筆者采用STC89C54 RD單片機計數(shù)器T2來實現(xiàn)。STC單片機的計數(shù)器T2有3種工作模式：捕獲、自動重新裝載（遞增或遞減計數(shù)）和波特率發(fā)生器，編碼開關(guān)的信號處理采用的是自動裝載模式，通過遞增計數(shù)和遞減計數(shù)實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)正反向計數(shù)。定時器的自動重裝模式如圖2所示。

圖2 定時器自動重裝模式（DCEN＝1）

圖3 采用T2讀取旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)的硬件電路

該種方式中未采用計數(shù)器T2中斷方式，主要是由于要計數(shù)器T2產(chǎn)生中斷，需要每次中斷后改變RCAP2 H、RCAP2L中的值和TH2、TL2中的值，使得產(chǎn)生中斷的程序變得較復(fù)雜。通過T2的自動遞增和遞減計數(shù)來實現(xiàn)，T2將不會產(chǎn)生中斷，在軟件中通過讀取TH2和TL2的值，便能自動讀取出旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)的調(diào)節(jié)值，使程序變得更為簡單。

3.2 T2旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)輸入的硬件電路

利用宏晶51單片機的T2的自動重裝功能，很好的解決旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)向及計數(shù)的識別，單片機的P1.0腳是T2的計數(shù)輸入端口，P1.1是T2的方向輸入端口，如圖3所示，W1為旋轉(zhuǎn)編碼器的3個引腳，中間是公共端C腳，上端為A腳，下端為B腳，旋轉(zhuǎn)時AC、BC信號如圖1（a）和圖1（b）所示，將AC信號輸入到單片機的P1.0腳，BC信號輸入到單片機的P1.1腳。該電路中，R1和R2是輸入的上拉電阻，阻值選擇為10kΩ便可以，C1和C2為濾波電容，選擇為0.1μF，可以消除A，B信號的抖動，經(jīng)過實踐證明，該電路可保證編碼開關(guān)的正常工作。

3.3 T2處理旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)的程序

由于程序中未能使用T2中斷，程序只需要初始化T2的工作方式和對TH2、TL2賦值便完成初始化，在主程序中，并沒使用中斷函數(shù)，而是直接通過對T H2、TL2進行訪問，僅對TL2進行了數(shù)據(jù)處理。在該種方式中，TL2相當于一個寄存器使用，通過訪問TL2便能實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)的數(shù)據(jù)輸入。主要實現(xiàn)程序如下：

4 中斷方式處理旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)

由于單片機外部中斷可以實現(xiàn)脈沖邊沿信號和電平觸發(fā)信號2種中斷功能，可以很方便捕獲旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)輸入信號電平的變化，能夠及時處理脈沖信號跳變時的方向信號，從而識別旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)的旋轉(zhuǎn)方向。該電路中采用了單片機的INT0及一個IO腳來實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)的另一信號的識別，如果中斷輸入信號AC變化時，根據(jù)BC電平信號的高低便能判別旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)的左旋和右旋，并對中斷信號AC的值作增加或減少處理，實現(xiàn)編碼開關(guān)數(shù)值的處理。

4.1 INT0旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)輸入的硬件電路

INT0是單片機的中斷電路，利用該端口將在編碼開關(guān)轉(zhuǎn)動時，會產(chǎn)生中斷，由中斷程序來實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)輸入量的識別，其電路如圖4所示，P3.2為MCS51單片機的INT0中斷端口，P1.2為普通IO端口。

圖4 采用INT0中斷方式讀取編碼開關(guān)的硬件電路圖

4.2 INT0處理旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)的程序

INT0作編碼開關(guān)輸入時，采用中斷方式，在編寫程序時，需要對INT0進行中斷和初始化，在INT0產(chǎn)生中斷后，其轉(zhuǎn)向由中斷程序進行處理，該方式中，如果編碼開關(guān)沒有轉(zhuǎn)動，中斷程序?qū)⒉粫?zhí)行，可提高單片機處理其他任務(wù)的能力，通過占用1個中斷IO端口和普通IO端口便可實現(xiàn)其信息的輸入。通過中斷方式讀取的初始化實現(xiàn)程序如下：

5 IO端口處理旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)的程序

上述編碼開關(guān)輸入方法中，要占用計數(shù)器T2、中斷INT0等IO端口，由于單片機的計數(shù)器、中斷端口的數(shù)量有限，被輸入編碼開關(guān)占用后，有可能造成單片機該類輸入端口數(shù)量不夠，通過普通IO端口實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)數(shù)據(jù)輸入能夠有效解決由于單片機中斷資源不足的情況。

5.1 IO端口處理旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)硬件電路

該方式可采用普通的IO端口作為編碼開關(guān)的A、B輸入，電路硬件圖參考圖2所示，假設(shè)P1.2仍為編碼開關(guān)的BC端輸入，P3.2為AC端輸入，程序中不使用中斷方式，把P3.2作為普通IO端口方式，其他硬件原理同上面介紹的功能相同。

圖5 IO口處理編碼開關(guān)的流程圖

5.2 IO端口處理旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)的程序

在該種方式下，由于P3.2作為普通的IO端口，普通IO端口只能采用查詢方式訪問，軟件中只能采用查詢來進行訪問，如果直接采用查詢程序，必將耗費大量的單片機運算周期，降低其運行速度。通過定時查詢方式，便可有效降低程序查詢開銷，提高系統(tǒng)效率。定時查詢使用定時器產(chǎn)生定時中斷，定時查詢編碼開關(guān)AC和BC的輸入狀態(tài)，從而完成對編碼開關(guān)的輸入脈沖及旋轉(zhuǎn)方向的處理。數(shù)碼電位器的采樣頻率不能太低，否則會限制旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)的旋轉(zhuǎn)速度［4］，取的時間掃描周期為1 ms，圖5是時鐘主頻為12 MHz的程序流程圖。

6 結(jié) 語

對于旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)在單片機的應(yīng)用中介紹了3種常用方法，根據(jù)單片機的資源使用情況，可根據(jù)設(shè)計中的實際情況采用不同的方法來實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)的輸入。通過采用旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)實現(xiàn)控制參數(shù)的變化比采用傳統(tǒng)按鈕方式更加方便直觀。由于其硬件簡單，編程也容易實現(xiàn)，且它的軟、硬件可移植性強［5］，可適用于不同的單片機電路中。

［1］楊紹洲，王勝軍，陳宏文 .數(shù)碼電位器在醫(yī)學(xué)儀器的應(yīng)用和編程［J］.中國醫(yī)療器械雜志，2002，26（6）：447－448.

［2］陳國杰 .數(shù)碼電位器的單片機接口方法及其編程［J］.計算機應(yīng)用，2000（4）：38－40.

［3］王子博 .編碼器四倍頻電路的單片機高速算法設(shè)計［J］.控制與檢測，2007（11）：73－74，78.

［4］陳國杰 .數(shù)碼電位器的單片機接口方法及其編程［J］.電子技術(shù)，2000（4）：38－40.

［5］方煒，任一峰 .絕對值型編碼器數(shù)據(jù)采集設(shè)計［J］.中北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007，28（z1）：60－62.