正交编码器
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16
正交编码器 接口 （QEI）
第 16 章 正交编码器接口 （QEI）
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本章包括下列主题： 16.1 16.2 16.3 16.4 16.5 16.6 16.7 16.8 16.9 16.10 16.11 16.12 16.13 模块简介 ...................................................................................................................... 16-2 控制和状态寄存器 ....................................................................................................... 16-4 可编程数字噪声滤波器 ................................................................................................ 16-9 正交解码器 ................................................................................................................ 16-10 16 位向上 / 向下位置计数器 ...................................................................................... 16-12 QEI 用作备用 16 位定时器 / 计数器 ........................................................................... 16-16 正交编码器接口中断 .................................................................................................. 16-17 I/O 引脚控制 .............................................................................................................. 16-18 低功耗模式下的 QEI 工作 .......................................................................................... 16-19 复位的影响 ................................................................................................................ 16-19 设计技巧 .................................................................................................................... 16-21 相关应用笔记 ............................................................................................................ 16-22 版本历史 .................................................................................................................... 16-23
QEICON （16 位） Bit 15 Bit 7 Bit 0 DFLTCON （8 位） Bit 0 POSCNT （16 位） Bit 15 Bit 15 Bit 0 MAXCNT （16 位） Bit 0
图 16-3：
寄存器 16-1 和寄存器 16-4 定 义 了 QEI 模块控制和数字滤波器控制寄存器 （QEICON 和 DFLTCON） 。
© 2005 Microchip Technology Inc.
DS70063C_CN 第 16-1 页
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16.1 16.1.1 模块简介 功能综述
正交编码器 （又名增量式编码器或光电式编码器） ，用于检测旋转运动系统的位置和速度。正交 编码器可以对多种电机控制应用实现闭环控制，诸如开关磁阻 （SR）电机和交流感应电机 （ACIM） 。 典型的增量式编码器包括一个放置在电机传动轴上的开槽的轮子和一个用于检测该轮上槽口的发 射器 / 检测器模块。通常，有三个输出，分别为：A 相、 B 相和索引 （INDEX） ，所提供的信息 可被解码，用以提供有关电机轴的运动信息，包括距离和方向。 A 相 （QEA）和 B 相 （QEB）这两个通道间的关系是惟一的。如果 A 相超前 B 相，那么电机的 旋转方向被认为是正向的。如果 A 相落后 B 相，那么电机的旋转方向则被认为是反向的。第三个 通道称为索引脉冲，每转一圈产生一个脉冲，作为基准用来确定绝对位置。这三个信号的相关时 序图，参见图 16-1。 编码器产生的正交信号可以有四种各不相同的状态。 这些状态在图 16-1中用一个计数周期表示。 请注意，当旋转的方向改变时，这些状态的顺序与此相反。 正交解码器捕捉相位信号和索引脉冲，并将信息转换为位置脉冲的数字计数值。通常，当传动轴 向某一个方向旋转时，该计数值将递增计数；而当传动轴向另一个方向旋转时，则递减计数。 图 16-1： 正向旋转 QEA QEB INDX 01 00 10 11 反向旋转 QEA QEB INDX 11 10 00 01 正交编码器接口信号 1 个周期
正交编码器接口模式选择位111正交编码器接口使能x4模式通过与maxcnt匹配将位置计数器复位110正交编码器接口使能x4模式通过索引脉冲将位置计数器复位101正交编码器接口使能x2模式通过与maxcnt匹配将位置计数器复位100正交编码器接口使能x2模式通过索引脉冲将位置计数器复位011未使用模块禁止010未使用模块禁止001启动16位定时器000正交编码器接口定时器关闭bit相输入未交换bit位置计数器方向状态输出使能io引脚的状态由qei逻辑控制位置计数器方向状态输出禁止正常的io引脚操作bit定时器门控时间累加禁止bit43tqckps1
DS70063C_CN 第 16-2 页
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第 16 章 正交编码器接口 （QEI）
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正交编码器接口（QEI）模块提供了与增量式编码器的接口。 QEI 由对 A 相和 B 相信号进行解码 的正交解码器逻辑以及用于累计计数值的向上 / 向下计数器组成。输入端上的数字毛刺滤波器对 输入信号进行滤波。图 16-2 为 QEI 模块的简化框图。 QEI 模块包括： • • • • • • • • • 图 16-2： 三个输入引脚，即两个相位信号和一个索引脉冲 输入端上的可编程数字噪声滤波器 提供计数器脉冲和计数方向的正交解码器 16 位向上 / 向下位置计数器 计数方向状态 X2 和 X4 计数分辨率 两种位置计数器复位模式 通用 16 位定时器 / 计数器模式 由 QEI 或计数器事件产生的中断
正交编码器 接口 （QEI）
正交编码器接口模块的简化框图
时钟 分频器 QEA 数字 滤波器 TCY
QEB
数字 滤波器
正交 解码器 逻辑电路
时钟 方向
16 位向下 / 向下 计数器 （POSCNT）
复位
INDX
数字 滤波器
比较器 / 零检测相等最大计数寄存器 （MAXCNT） UPDN
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DS70063C_CN 第 16-3 页
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16.2 控制和状态寄存器
QEI 模块有四个用户可访问的寄存器。 这些寄存器可以字节或字模式进行访问。 图 16-3 中示出了 这些寄存器，如下所述： • 控制 / 状态寄存器 （QEICON） ：该寄存器允许对 QEI 操作和表示模块状态的状态标志进行 控制。 • 数字滤波器控制寄存器 （DFLTCON） ：该寄存器允许对数字输入滤波器进行控制。 • 位置计数寄存器 （POSCNT） ：该单元允许读 / 写 16 位位置计数器。 • 最大计数寄存器 （MAXCNT） ： MAXCNT 寄存器用于保持某个值，在某些操作中，该值将 与 POSCNT 寄存器的值进行比较。 注： POSCNT 寄存器允许以字节模式进行访问。然而，以字节模式读取时，该寄存器的 值可能会在随后的读操作过程中部分更新。请使用字模式进行读 / 写操作或确保计数 器在字节操作期间不计数。 QEI 编程模型
DS70063C_CN 第 16-4 页
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第 16 章 正交编码器接口 （QEI）
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寄存器 16-1： 高字节： R/W-0 CNTERR bit 15 QEICON：QEI 控制寄存器
正交编码器 接口 （QEI）
U-0 －
R/W-0 QEISIDL
R-0 INDEX
R/W-0 UPDN
R/W-0
R/W-0 QEIM<2:0>
R/W-0 bit 8
低字节： R/W-0 SWPAB bit 7 bit 15
R/W-0 PCDOUT
R/W-0 TQGATE
R/W-0 R/W-0 TQCKPS<1:0>
R/W-0 POSRES
R/W-0 TQCS
R/W-0 UDSRC bit 0
POSRES：位置计数器复位使能位 1 = 索引脉冲可使位置计数器复位 0 = 索引脉冲不能使位置计数器复位 （仅当 QEIM<2:0> = 100 或 110 时，该位适用。 ） TQCS：定时器时钟源选择位 1 = 来自 QEA 引脚 （上升沿）的外部时钟 0 = 内部时钟 （TCY） UDSRC：位置计数器方向选择控制位 1 = QEB 引脚状态定义位置计数器方向 0 = 控制 / 状态位 UPDN （QEICON<11>）定义定时器计数器 （POSCNT）方向 注： 当配置为 QEI 模式时，此控制位是 “无关位” 。 图注： R = 可读位 -n = 上电复位时的值 W = 可写位 1 = 置位 U = 未用位，读作 0 0 = 清零 x = 未知
bit 14 bit 13
bit 12
bit 11
bit 10-8
bit 7
bit 6
bit 5
bit 4-3
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DS70063C_CN 第 16-5 页
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寄存器 16-2： bit 2 QEICON：QEI 控制寄存器 （续）
CNTERR：计数错误状态标志位 1 = 发生了位置计数错误 0 = 未发生位置计数错误 （仅当 QEIM<2:0> = 110 或 100 时， CNTERR 标志位适用。 ） 未用位：读作 0 QEISIDL：空闲模式停止位 1 = 当器件进入空闲模式时，模块不再继续工作 0 = 在空闲模式下，模块继续工作 INDEX：索引引脚状态位 （只读） 1 = 索引引脚为高电平 0 = 索引引脚为低电平 UPDN：位置计数器方向状态位 1 = 位置计数器方向为正 （+） 0 = 位置计数器方向为负 （-） （当 QEIM<2:0> = 1xx 时为只读位） （当 QEIM<2:0> = 001 时为可读 / 写位） QEIM<2:0>：正交编码器接口模式选择位 111 = 正交编码器接口使能 （x4 模式） ，通过与 （MAXCNT）匹配将位置计数器复位 110 = 正交编码器接口使能 （x4 模式） ，通过索引脉冲将位置计数器复位 101 = 正交编码器接口使能 （x2 模式） ，通过与 （MAXCNT）匹配将位置计数器复位 100 = 正交编码器接口使能 （x2 模式） ，通过索引脉冲将位置计数器复位 011 = 未使用 （模块禁止） 010 = 未使用 （模块禁止） 001 = 启动 16 位定时器 000 = 正交编码器接口 / 定时器关闭 SWPAB：A 相和 B 相输入交换选择位 1 = A 相和 B 相输入已交换 0 = A 相和 B 相输入未交换 PCDOUT：位置计数器方向状态输出使能位 1 = 位置计数器方向状态输出使能 （I/O 引脚的状态由 QEI 逻辑控制） 0 = 位置计数器方向状态输出禁止 （正常的 I/O 引脚操作） TQGATE：定时器门控时间累加使能位 1 = 定时器门控时间累加使能 0 = 定时器门控时间累加禁止 TQCKPS<1:0>：定时器输入时钟预分频比选择位 11 = 预分频比是 1:256 10 = 预分频比是 1:64 01 = 预分频比是 1:8 00 = 预分频比是 1:1 （预分频器仅用于 16 位定时器模式）
正交编码器 接口 （QEI）
第 16 章 正交编码器接口 （QEI）
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本章包括下列主题： 16.1 16.2 16.3 16.4 16.5 16.6 16.7 16.8 16.9 16.10 16.11 16.12 16.13 模块简介 ...................................................................................................................... 16-2 控制和状态寄存器 ....................................................................................................... 16-4 可编程数字噪声滤波器 ................................................................................................ 16-9 正交解码器 ................................................................................................................ 16-10 16 位向上 / 向下位置计数器 ...................................................................................... 16-12 QEI 用作备用 16 位定时器 / 计数器 ........................................................................... 16-16 正交编码器接口中断 .................................................................................................. 16-17 I/O 引脚控制 .............................................................................................................. 16-18 低功耗模式下的 QEI 工作 .......................................................................................... 16-19 复位的影响 ................................................................................................................ 16-19 设计技巧 .................................................................................................................... 16-21 相关应用笔记 ............................................................................................................ 16-22 版本历史 .................................................................................................................... 16-23
QEICON （16 位） Bit 15 Bit 7 Bit 0 DFLTCON （8 位） Bit 0 POSCNT （16 位） Bit 15 Bit 15 Bit 0 MAXCNT （16 位） Bit 0
图 16-3：
寄存器 16-1 和寄存器 16-4 定 义 了 QEI 模块控制和数字滤波器控制寄存器 （QEICON 和 DFLTCON） 。
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16.1 16.1.1 模块简介 功能综述
正交编码器 （又名增量式编码器或光电式编码器） ，用于检测旋转运动系统的位置和速度。正交 编码器可以对多种电机控制应用实现闭环控制，诸如开关磁阻 （SR）电机和交流感应电机 （ACIM） 。 典型的增量式编码器包括一个放置在电机传动轴上的开槽的轮子和一个用于检测该轮上槽口的发 射器 / 检测器模块。通常，有三个输出，分别为：A 相、 B 相和索引 （INDEX） ，所提供的信息 可被解码，用以提供有关电机轴的运动信息，包括距离和方向。 A 相 （QEA）和 B 相 （QEB）这两个通道间的关系是惟一的。如果 A 相超前 B 相，那么电机的 旋转方向被认为是正向的。如果 A 相落后 B 相，那么电机的旋转方向则被认为是反向的。第三个 通道称为索引脉冲，每转一圈产生一个脉冲，作为基准用来确定绝对位置。这三个信号的相关时 序图，参见图 16-1。 编码器产生的正交信号可以有四种各不相同的状态。 这些状态在图 16-1中用一个计数周期表示。 请注意，当旋转的方向改变时，这些状态的顺序与此相反。 正交解码器捕捉相位信号和索引脉冲，并将信息转换为位置脉冲的数字计数值。通常，当传动轴 向某一个方向旋转时，该计数值将递增计数；而当传动轴向另一个方向旋转时，则递减计数。 图 16-1： 正向旋转 QEA QEB INDX 01 00 10 11 反向旋转 QEA QEB INDX 11 10 00 01 正交编码器接口信号 1 个周期
正交编码器接口模式选择位111正交编码器接口使能x4模式通过与maxcnt匹配将位置计数器复位110正交编码器接口使能x4模式通过索引脉冲将位置计数器复位101正交编码器接口使能x2模式通过与maxcnt匹配将位置计数器复位100正交编码器接口使能x2模式通过索引脉冲将位置计数器复位011未使用模块禁止010未使用模块禁止001启动16位定时器000正交编码器接口定时器关闭bit相输入未交换bit位置计数器方向状态输出使能io引脚的状态由qei逻辑控制位置计数器方向状态输出禁止正常的io引脚操作bit定时器门控时间累加禁止bit43tqckps1
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第 16 章 正交编码器接口 （QEI）
16
正交编码器接口（QEI）模块提供了与增量式编码器的接口。 QEI 由对 A 相和 B 相信号进行解码 的正交解码器逻辑以及用于累计计数值的向上 / 向下计数器组成。输入端上的数字毛刺滤波器对 输入信号进行滤波。图 16-2 为 QEI 模块的简化框图。 QEI 模块包括： • • • • • • • • • 图 16-2： 三个输入引脚，即两个相位信号和一个索引脉冲 输入端上的可编程数字噪声滤波器 提供计数器脉冲和计数方向的正交解码器 16 位向上 / 向下位置计数器 计数方向状态 X2 和 X4 计数分辨率 两种位置计数器复位模式 通用 16 位定时器 / 计数器模式 由 QEI 或计数器事件产生的中断
正交编码器 接口 （QEI）
正交编码器接口模块的简化框图
时钟 分频器 QEA 数字 滤波器 TCY
QEB
数字 滤波器
正交 解码器 逻辑电路
时钟 方向
16 位向下 / 向下 计数器 （POSCNT）
复位
INDX
数字 滤波器
比较器 / 零检测相等最大计数寄存器 （MAXCNT） UPDN
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16.2 控制和状态寄存器
QEI 模块有四个用户可访问的寄存器。 这些寄存器可以字节或字模式进行访问。 图 16-3 中示出了 这些寄存器，如下所述： • 控制 / 状态寄存器 （QEICON） ：该寄存器允许对 QEI 操作和表示模块状态的状态标志进行 控制。 • 数字滤波器控制寄存器 （DFLTCON） ：该寄存器允许对数字输入滤波器进行控制。 • 位置计数寄存器 （POSCNT） ：该单元允许读 / 写 16 位位置计数器。 • 最大计数寄存器 （MAXCNT） ： MAXCNT 寄存器用于保持某个值，在某些操作中，该值将 与 POSCNT 寄存器的值进行比较。 注： POSCNT 寄存器允许以字节模式进行访问。然而，以字节模式读取时，该寄存器的 值可能会在随后的读操作过程中部分更新。请使用字模式进行读 / 写操作或确保计数 器在字节操作期间不计数。 QEI 编程模型
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第 16 章 正交编码器接口 （QEI）
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寄存器 16-1： 高字节： R/W-0 CNTERR bit 15 QEICON：QEI 控制寄存器
正交编码器 接口 （QEI）
U-0 －
R/W-0 QEISIDL
R-0 INDEX
R/W-0 UPDN
R/W-0
R/W-0 QEIM<2:0>
R/W-0 bit 8
低字节： R/W-0 SWPAB bit 7 bit 15
R/W-0 PCDOUT
R/W-0 TQGATE
R/W-0 R/W-0 TQCKPS<1:0>
R/W-0 POSRES
R/W-0 TQCS
R/W-0 UDSRC bit 0
POSRES：位置计数器复位使能位 1 = 索引脉冲可使位置计数器复位 0 = 索引脉冲不能使位置计数器复位 （仅当 QEIM<2:0> = 100 或 110 时，该位适用。 ） TQCS：定时器时钟源选择位 1 = 来自 QEA 引脚 （上升沿）的外部时钟 0 = 内部时钟 （TCY） UDSRC：位置计数器方向选择控制位 1 = QEB 引脚状态定义位置计数器方向 0 = 控制 / 状态位 UPDN （QEICON<11>）定义定时器计数器 （POSCNT）方向 注： 当配置为 QEI 模式时，此控制位是 “无关位” 。 图注： R = 可读位 -n = 上电复位时的值 W = 可写位 1 = 置位 U = 未用位，读作 0 0 = 清零 x = 未知
bit 14 bit 13
bit 12
bit 11
bit 10-8
bit 7
bit 6
bit 5
bit 4-3
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dsPIC30F 系列参考手册
寄存器 16-2： bit 2 QEICON：QEI 控制寄存器 （续）
CNTERR：计数错误状态标志位 1 = 发生了位置计数错误 0 = 未发生位置计数错误 （仅当 QEIM<2:0> = 110 或 100 时， CNTERR 标志位适用。 ） 未用位：读作 0 QEISIDL：空闲模式停止位 1 = 当器件进入空闲模式时，模块不再继续工作 0 = 在空闲模式下，模块继续工作 INDEX：索引引脚状态位 （只读） 1 = 索引引脚为高电平 0 = 索引引脚为低电平 UPDN：位置计数器方向状态位 1 = 位置计数器方向为正 （+） 0 = 位置计数器方向为负 （-） （当 QEIM<2:0> = 1xx 时为只读位） （当 QEIM<2:0> = 001 时为可读 / 写位） QEIM<2:0>：正交编码器接口模式选择位 111 = 正交编码器接口使能 （x4 模式） ，通过与 （MAXCNT）匹配将位置计数器复位 110 = 正交编码器接口使能 （x4 模式） ，通过索引脉冲将位置计数器复位 101 = 正交编码器接口使能 （x2 模式） ，通过与 （MAXCNT）匹配将位置计数器复位 100 = 正交编码器接口使能 （x2 模式） ，通过索引脉冲将位置计数器复位 011 = 未使用 （模块禁止） 010 = 未使用 （模块禁止） 001 = 启动 16 位定时器 000 = 正交编码器接口 / 定时器关闭 SWPAB：A 相和 B 相输入交换选择位 1 = A 相和 B 相输入已交换 0 = A 相和 B 相输入未交换 PCDOUT：位置计数器方向状态输出使能位 1 = 位置计数器方向状态输出使能 （I/O 引脚的状态由 QEI 逻辑控制） 0 = 位置计数器方向状态输出禁止 （正常的 I/O 引脚操作） TQGATE：定时器门控时间累加使能位 1 = 定时器门控时间累加使能 0 = 定时器门控时间累加禁止 TQCKPS<1:0>：定时器输入时钟预分频比选择位 11 = 预分频比是 1:256 10 = 预分频比是 1:64 01 = 预分频比是 1:8 00 = 预分频比是 1:1 （预分频器仅用于 16 位定时器模式）