增量式旋转编码器在STM32平台上的应用

背景

旋钮是仪器仪表上一种常见的输入设备，它的内部是一个旋转编码器，知乎上的这篇科普文章对其工作原理做了深入浅出的介绍。

我们公司的功率分析仪的前面板也用到了该类设备，最近前面板的MCU从MSP430切换成了STM32，因此我要将编码器的驱动移植到STM32。

查看MSP430的代码，看懂其基本思路，是将旋钮的2路输出信号接到2个GPIO管脚，并让这2个管脚作为中断源，驱动在中断里检测2路输出信号的电平组合，并做一些复杂的处理，后台循环根据中断的处理结果获悉旋钮的旋转方向，以及旋转过了几个刻度。

觉得MSP430的处理逻辑太复杂了，而且经过确认，app并不需要知道旋转过了几个刻度，决定用简单的方法来实现旋钮功能。

移植思路

了解所用旋钮的信号时序

我们用的旋钮是日本帝国通信的XRE系列，其原理图：

其时序图：

可以看到，因为增量式旋转编码器的2个信号的波形相差1/4周期，因此信号A在跳变时，信号B一定处于稳定的高电平或稳定的低电平。

找到信号波形与旋转方向之间的对应关系

根据时序图可以看出，当A相处于上升沿时，B相总是低电平，结合时序图左下角的CLOCKWISE ROTATION注释，我们可以得出结论，只要在A相的上升沿中断里检测到B相为低电平，则说明旋钮在顺时针旋转。

那怎么检测逆时针旋转呢？旋钮手册里并没有COUNTER-CLOCKWISE ROTATION的内容，其实我们只要从右往左看，就是逆时针的时序图：

可以看到，在逆时针旋转场景里，当A相处于上升沿时，B相总是高电平，因此我们只需要在A相的上升沿检测一次B相的电平高低，就能判断出旋转方向！

代码编写

STM32的EXTI中断

与MSP430的GPIO自带中断功能不同，STM32的GPIO是不具备中断能力的，要想当中断管脚用，需要搭配EXTI模块。

网上关于EXTI的样例代码较少，更多的是用STM32CubeMX生成的整套工程代码，我现有的工程就是前任员工基于STM32CubeMX生成的，很难将两个工程自动合并。

想到可以将EXTI工程里的有效代码摘出来，插入现有工程里，尝试了一下，可行。

GPIO和EXTI初始化代码

void encoder_init(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

  // GPIO init
  GPIO_InitStruct.Pin = encoder_a2_Pin;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_IT_RISING;   //A相负责触发中断，确定观测时间点
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
  GPIO_InitStruct.Pin = encoder_b2_Pin;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;       //软件读取B相的电平高低，从而确定方向
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

 /* EXTI interrupt init*/
  HAL_NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 0, 0);       //encoder_a2_Pin是连接到GPIO_PIN_0的，因此对应EXTI的0号中断
  HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);
}

中断回调代码

void EXTI0_IRQHandler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN EXTI0_IRQn 0 */

  /* USER CODE END EXTI0_IRQn 0 */
  HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(encoder_a2_Pin);
  /* USER CODE BEGIN EXTI0_IRQn 1 */

  /* USER CODE END EXTI0_IRQn 1 */
}

void HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(uint16_t GPIO_Pin)
{
  /* EXTI line interrupt detected */
  if (__HAL_GPIO_EXTI_GET_IT(GPIO_Pin) != 0x00u) // 不用担心多个GPIO共用一个EXTI中断，EXTI会做区分
  {
    __HAL_GPIO_EXTI_CLEAR_IT(GPIO_Pin);
    HAL_GPIO_EXTI_Callback(GPIO_Pin);
  }
}

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
	uint8_t pin_value;

	switch (GPIO_Pin)
	{
		case encoder_a2_Pin:
		{
			pin_value = HAL_GPIO_ReadPin(encoder_b2_GPIO_Port, encoder_b2_Pin);
			if (!pin_value) {
				encoder_msg = ENCODERA_LEFT; // 逆时针旋转
			} else {
				encoder_msg = ENCODERA_RIGH; // 顺时针旋转
			}
			break;
		}
		default:
			break;
	}
}

后台循环代码

uint8_t encoder_msg = INVALID_MSG;

void encoder_process(void)
{
	uint8_t out_data[6];

	if (encoder_msg != INVALID_MSG)
	{
		data_process(ENCODER_KEY_TYPE, 0, (uint8_t *)&encoder_msg, out_data); //将旋钮消息按约定格式封装成out_data
		spi_enque_tx_data(out_data);  // 将out_data通过SPI总线上报主控板
		encoder_msg = INVALID_MSG;  // clear msg
	}
}

总结

我的代码相比老工程，在app感知不到功能差异的前提下，逻辑大大简化，中断占用量还减少了一半，值得大家参考。