基于HI3519 的回轉(zhuǎn)型編碼器可靠性設(shè)計(jì)及應(yīng)用

惠 進(jìn)，施文杰，王 譚，王俊林，王馬強(qiáng)，吳 斌

（1.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西西安 710065；2.湖南興川信息科技有限公司，湖南長沙 410000）

某瞄鏡系統(tǒng)依靠多傳感器獲取目標(biāo)和環(huán)境參數(shù)信息，并規(guī)律地疊加在OLED 屏上進(jìn)行顯示。由于需要將豐富的目標(biāo)和環(huán)境信息完整地顯示在尺寸有限的屏上，所以需要將信息進(jìn)行分級顯示，按照使用需求獲得并查看各種參數(shù)信息。考慮到瞄鏡系統(tǒng)小體積、低功耗的要求，采用HI3519 作為信息綜合處理平臺。利用回轉(zhuǎn)型編碼器進(jìn)行人機(jī)交互設(shè)備的輸入控制、各級菜單間的切換和展開顯示，但在系統(tǒng)調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)編碼器時(shí)常出現(xiàn)響應(yīng)異常的現(xiàn)象，包括未及時(shí)響應(yīng)以及因信號抖動引起的異常響應(yīng)。該文從研究編碼器特性入手，對與編碼器相關(guān)的硬軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化。

1 編碼器特性

RE08 型回轉(zhuǎn)編碼器分為進(jìn)行編碼的部分和按鍵部分，進(jìn)行編碼的部分有A、B、C 三個(gè)引腳，按鍵部分有SW、E 引腳。通過比較A、B 引腳輸出方波的相位差判斷旋轉(zhuǎn)方向。當(dāng)編碼器正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，A 腳輸出比B 腳輸出超前四分之一個(gè)周期；當(dāng)編碼器反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，B 腳輸出比A 腳輸出超前四分之一個(gè)周期，A、B 引腳輸出方波的相位差為90°±45°，如圖1 所示。編碼器的A 相或B 相每輸出一個(gè)脈沖，表示編碼器旋轉(zhuǎn)了一個(gè)固定角度，意味著此時(shí)綜合處理系統(tǒng)將收到一個(gè)信號切換指令。

圖1 編碼器正反向特性

2 硬件電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

鑒于該瞄鏡系統(tǒng)需要進(jìn)行多個(gè)傳感器信息處理、實(shí)現(xiàn)多級任務(wù)調(diào)度以及低功耗的要求，原設(shè)計(jì)選擇了華為海思HI3519 作為核心處理平臺。該芯片采用12 nm 先進(jìn)低功耗工藝和低功耗架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，除了具備高清音視頻編解碼功能，是一款智能圖像處理器外，其豐富的外設(shè)接口也為系統(tǒng)處理離散量提供了充足的支持[1-5]。

RE08 型回轉(zhuǎn)編碼器用于該瞄鏡系統(tǒng)中OLED 屏上疊加的主菜單的展開和各級子菜單間的切換、確認(rèn)及返回等命令的執(zhí)行。該編碼器方案主要基于海思HI3519AV100 處理器平臺進(jìn)行設(shè)計(jì)，用于人機(jī)交互設(shè)備的輸入控制，通過采用海思處理器檢測其旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的脈沖信號來判斷編碼開關(guān)的狀態(tài)[6-10]。硬件設(shè)計(jì)上，把編碼器的A、B、SW 引腳連接至海思處理器的外部中斷管腳，通過中斷觸發(fā)旋轉(zhuǎn)事件與確認(rèn)事件，實(shí)現(xiàn)編碼器與瞄鏡系統(tǒng)的指令交互。

為采集到編碼器信號，將編碼器信號輸出端和海思處理器的GPIO 模塊相連，編碼器的出線通過J17 連接器接入綜合處理板內(nèi)，其中A、B、SW 端分別通 過10 kΩ 電阻上拉至VCC（VCC 上拉電源支持1.8 V，3.3 V 和5.0 V），E、C 端子接地。編碼器前端預(yù)處理電路如圖2 所示。

圖2 編碼器前端預(yù)處理電路

由于編碼器在其旋轉(zhuǎn)過程中觸點(diǎn)接觸時(shí)存在機(jī)械抖動，導(dǎo)致在產(chǎn)生脈沖信號時(shí)偶爾會產(chǎn)生信號抖動，對信號檢測產(chǎn)生干擾，所以必須采取有效的方法抑制編碼開關(guān)旋轉(zhuǎn)時(shí)的抖動。為了消除編碼器抖動，添加RC 濾波電路以去除編碼器抖動和毛刺[11-13]。

RC 低通濾波器利用電容通高頻阻低頻的原理。對于需要截止的高頻，利用電容吸收的方法防止它通過；對于需要放行的低頻，利用電容高阻的特點(diǎn)讓它通過。RC 低通濾器截止頻率計(jì)算方法如式（1）所示：

RE08型回轉(zhuǎn)編碼器的信號頻率范圍是0～500 Hz，為確保有用信號在通帶不產(chǎn)生過于不平衡的衰減，設(shè)計(jì)了一個(gè)截止頻率約為720 Hz 的低通濾波器，選擇R=100 Ω，C=2.2 μF即可滿足使用要求，以濾除編碼器的高頻抖動。

濾波后的編碼器信號直接引入CPU 的GPIO 引腳，編碼器信號與HI3519 端的連接如圖3 所示。CPU 進(jìn)行數(shù)字濾波后再對信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而判斷編碼器的左旋、右旋和確認(rèn)。

圖3 編碼器信號與HI3519端連接

3 軟件流程規(guī)劃

該瞄鏡系統(tǒng)中對編碼器指令的判讀是通過海思處理器檢測編碼器旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生脈沖信號時(shí)沿的前后來判斷編碼開關(guān)是左旋、右旋還是確認(rèn)。根據(jù)編碼器的特性可見，要保證編碼開關(guān)信號檢測的可靠性，就必須避免編碼開關(guān)信號抖動引起的影響，即需要通過優(yōu)化軟件設(shè)計(jì)消除信號抖動的影響。

此外，由于先前的軟件設(shè)計(jì)是將編碼器A、B 引腳分別連接至海思處理器的GPIO 端，這樣的輪詢方式由于驅(qū)動不完善，除了占用較多CPU 資源外，還易出現(xiàn)丟數(shù)現(xiàn)象。因此改進(jìn)后的軟件設(shè)計(jì)基于中斷服務(wù)事件，由于中斷方式實(shí)時(shí)性高[14-16]，所以采取這種方式獲取編碼器的旋轉(zhuǎn)方向和按鍵信息，能夠防止丟數(shù)現(xiàn)象的發(fā)生。

結(jié)合以上兩點(diǎn)，編碼器軟件部分的整個(gè)工作流程設(shè)計(jì)為采用中斷口檢測編碼開關(guān)信號，將A、B 腳其中一個(gè)引腳接到海思處理器的中斷口，另一個(gè)引腳接到海思處理器的GPIO 口，編碼開關(guān)旋轉(zhuǎn)時(shí)中斷口出現(xiàn)上升沿或下降沿信號時(shí)，CPU 會產(chǎn)生中斷，程序進(jìn)入中斷處理函數(shù)，隨即在中斷處理函數(shù)中判斷另一個(gè)引腳的電平，即可確定編碼開關(guān)的旋轉(zhuǎn)方向。轉(zhuǎn)向判別軟件規(guī)劃流程如圖4 所示。

圖4 編碼器轉(zhuǎn)向判別軟件流程

流程中定時(shí)15 ms 是為了在軟件層面消除編碼器信號抖動，為進(jìn)行編碼器轉(zhuǎn)向判別提供穩(wěn)定的狀態(tài)前提。

依據(jù)編碼器的特性，將處理器連接編碼器A 引腳與編碼器SW 引腳的GPIO 設(shè)置為外部中斷，用于左旋、右旋與確認(rèn)按鍵的觸發(fā)，將處理器連接編碼器B 的GPIO 引腳設(shè)置為普通引腳輸入，用于獲取左旋、右旋的狀態(tài)。表1 所示為編碼器旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的判斷。

表1 旋轉(zhuǎn)編碼器狀態(tài)判斷

根據(jù)表1 進(jìn)行左旋與右旋的判斷，滿足右旋的條件即上報(bào)右旋事件，滿足左旋的條件即上報(bào)左旋事件。

部分程序設(shè)計(jì)如下：

其中，key1、key2 對應(yīng)A、B 兩個(gè)引腳的電平狀態(tài)，KEY_A 代表右旋，KEY_B 代表左旋。同樣，對于編碼器確認(rèn)按鍵的處理依照普通按鍵，下降沿中斷觸發(fā)后，通過判斷按鍵的IO 狀態(tài)上報(bào)按鍵事件。

當(dāng)編碼器有操作事件時(shí)，海思處理器響應(yīng)了編碼器事件，瞄鏡系統(tǒng)的綜合管理軟件將由軟件決策層進(jìn)入軟件應(yīng)用層，即調(diào)用編碼器的狀態(tài)值，反映在面向用戶的對應(yīng)交互界面的動作上，實(shí)現(xiàn)該瞄鏡系統(tǒng)上層的人機(jī)交互控制。首先創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)編碼器檢測線程，打開編碼器事件；然后以10 ms 周期輪詢編碼器左旋、右旋和確認(rèn)三種狀態(tài)。當(dāng)檢測到狀態(tài)（左旋）改變一次時(shí)，生成（左旋）鍵值，并進(jìn)行相應(yīng)（左旋）鍵值功能操作，該過程表示一次動作完成。繼續(xù)輪詢編碼器狀態(tài)，檢測下次狀態(tài)的改變，周期重復(fù)該操作。

針對編碼器不同操作會生成相應(yīng)鍵值，分為編碼器右旋、編碼器左旋和編碼器確認(rèn)。以電視/紅外電子變倍為例，調(diào)用編碼器狀態(tài)的不同判決結(jié)果，瞄鏡系統(tǒng)顯示界面上會進(jìn)行對應(yīng)的切換動作。

若界面顯示“菜單退出”，當(dāng)編碼器右旋時(shí)，進(jìn)入“電視/紅外電子變倍”狀態(tài)；當(dāng)主菜單是顯示狀態(tài)時(shí)，如果右旋，電視亮度增加，當(dāng)電視亮度增大為100時(shí)，則置為0；同樣，右旋也會增加電視對比度和電視銳度，當(dāng)對比度增大為100 時(shí)，則置為0；當(dāng)銳度增大為15 時(shí)，銳度置為0。編碼器右旋對應(yīng)的“電視/紅外電子變倍”狀態(tài)如圖5 所示。

圖5 編碼器右旋對應(yīng)的“電視/紅外電子變倍”狀態(tài)

當(dāng)瞄鏡系統(tǒng)顯示界面上顯示“電視/紅外電子變倍”狀態(tài)時(shí)，若編碼器左旋，且電視亮度、對比度、銳度值大于0，則每左旋一次，電視亮度、對比度、銳度值會逐步減小。

4 實(shí)驗(yàn)對比

采用HI3519 作為某瞄鏡系統(tǒng)的綜合處理平臺，利用回轉(zhuǎn)型編碼器進(jìn)行人機(jī)交互設(shè)備的輸入控制，但在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)編碼器時(shí)常出現(xiàn)響應(yīng)異常的現(xiàn)象，如圖6 所示。即用示波器兩個(gè)表筆分別夾住編碼器的A、B 引腳，雖然旋轉(zhuǎn)編碼器執(zhí)行了旋轉(zhuǎn)動作，但波形圖上A、B 兩引腳無相位差，即沒有產(chǎn)生有效的旋轉(zhuǎn)事件。

圖6 編碼器輸出異常

該文在基于硬件優(yōu)化的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了軟件消抖和防止丟包流程的改進(jìn)，經(jīng)多次系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證，編碼器旋轉(zhuǎn)過程中系統(tǒng)響應(yīng)正常，測試波形如圖7所示。

圖7 編碼器響應(yīng)正常波形

5 結(jié)論

某瞄鏡系統(tǒng)采用HI3519 作為信息綜合處理平臺，選用回轉(zhuǎn)型編碼器來實(shí)現(xiàn)界面信息的分級顯示和參數(shù)調(diào)度。因在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)常發(fā)生編碼器響應(yīng)異常的現(xiàn)象，經(jīng)過分析編碼器特性，優(yōu)化了編碼器事件的硬件通路和軟件流程，在多次使用系統(tǒng)中編碼器事件指令響應(yīng)正常，極大提高了瞄鏡系統(tǒng)中界面參數(shù)人機(jī)交互的響應(yīng)可靠性。