旋转编码器编程原理实例.pdf

旋转编码器编程原理实例光电旋转编码器的原理及应用方法光电旋转编码器的原理及应用方法时间：2012-03-13 21:33:37 来源：作者：WinCEWinCE下光电编码器的驱动程序设计下光电编码器的驱动程序设计近年来，嵌入式技术发展迅速，嵌入式系统在各行各业得到了广泛的应用。然而，由于嵌入式计算机的专用性，系统的硬件、软件结构千差万别，其输入设备也不再像通用计算机那样单一。嵌入式计算机的输入没备一般有鼠标、键盘、触摸屏、按钮、旋钮等，而光电编码器(俗称“单键飞梭”)作为一种输入设备，由于其具有输入灵活，简单可靠等特点，因此特别适合应用在嵌入式仪器和手持式设备上，整个系统可以只用一个键作为输入。触摸屏由于其方便灵活、节省空间、界面直观等特点也备受青睐，但存在寿命短，长时间使用容易产生误差等缺点。如果用光电编码器辅助触摸屏作为输入设备，必将大大增强系统的可靠性，使得人机接口更加人性化。但由于光电编码器并不是 WinCE 的标准输入设备，因此其驱动程序在嵌入式操作系统 Windows CE Platform Builder 中并未给出。本文以三星公司S3C2410(ARM9芯片)为 CPU 的嵌入式系统开发板为平台，详细阐述了嵌入式操作系统 WinCE下光电编码器驱动程序的设计方法，以供同行参考。1 1 光电编码器的工作原理光电编码器的工作原理光电编码器(OptICal Encoder)俗称“单键飞梭”，其外观好像一个电位器，因其外部有一个可以左右旋转同时又可按下的旋钮，很多设备(如显示器、示波器等)用它作为人机交互接口。下面以美国 Greyhill 公司生产的光电编码器为例，介绍其工作原理及使用方法。光电编码器的内部电路如图1所示，其内部有1个发光二极管和2个光敏三极管。当左右旋转旋钮时，中间的遮光板会随旋钮一起转动，光敏三极管就会被遮光板有次序地遮挡，A、B 相就会输出图2所示的波形;当按下旋钮时，2、3两脚接通，其用法同一般按键。当顺时针旋转时，光电编码器的 A 相相位会比 B 相超前半个周期;反之，A 相会比 B相滞后半个周期。通过检测 A、B 两相的相位就可以判断旋钮是顺时针还是逆时针旋转，通过记录 A 或 B 相变化的次数，就可以得出旋钮旋转的次数，通过检测2、3脚是否接通就可以判断旋钮是否按下。其具体的鉴相规则如下：A 为上升沿，B=0时，旋钮右旋;B 为上升沿，A=l 时，旋钮右旋;A 为下降沿，B=1时，旋钮右旋;B 为下降沿，A=O 时，旋钮右旋;B 为上升沿，A=0时，旋钮左旋;A 为上升沿，B=1时，旋钮左旋;B 为下降沿，A=l 时，旋钮左旋;A 为下降沿，B=0时，旋钮左旋。通过上述方法，可以很简单地判断旋钮的旋转方向。在判断时添加适当的延时程序，以消除抖动干扰。2 WinCE2 WinCE 提供的驱动模型提供的驱动模型WinCE 操作系统支持两种类型的驱动程序。一种为本地驱动程序，是把设备驱动程序作为独立的任务实现的，直接在顶层任务中实现硬件操作，因此都有明确和专一的目的。本地设备驱动程序适合于那些集成到 Windows CE 平台的设备，诸如键盘、触摸屏、音频等设备。另一种是具有定制接口的流接口驱动程序。它是一般类型的设备驱动程序。流接口驱动程序的形式为用户一级的动态链接库(DLL)文件，用来实现一组固定的函数称为“流接口函数”，这些流接口函数使得应用程序可以通过文件系统访问这些驱动程序。本文讨论的光电编码器就属于流接口设备。2.1 流设备驱动加载过程WinCE.NET 系统运行时会启动负责流驱动的加载进程 DEVICE.exe。DEVICE.exe 进程对驱动的加载是通过装载注册表列举器(RegEnum.dll)实现的。在 WinCE.NET 中，所有设备的资源信息都由 OAL 负责记录在系统注册表中，RegEnum.dll 一个一个扫描注册表项HEKY_LOCAL_MACHINEDriverBuiltIn 下的子键，发现新设备就根据每个表项的内容进行硬件设备初始化。2.2 中断与中断处理如果一个驱动程序要处理一个中断，那么驱动程序需要首先使用 CreateEvent 函数建立一个事件，调用 InterruptInitialize 函数将该事件与中断标识绑定。然后驱动程序中的IST就可以使用WaitForSing|eObject函数来等待中断的发生。在一个硬件中断发生之后，操作系统进入异常处理程序，异常处理程序调用 OAL 的 OEMInterruptHandler 函数，该函数检测硬件并将中断标识返回给系统;系统得到该中断标识便会找到该中断标识对应的事件，并唤醒等待相应事件的线程(IST)，然后 IST 进行中断处理。处理完成之后，IST 需要调用InterruptDone 函数来告诉操作系统中断处理结束，操作系统再次调用 OAL 中的OEMInterruptDone 函数，最后完成中断的处理。图3为 WinCE.NET 中断处理的流程框图。3 3 光电编码器驱动程序的设计光电编码器驱动程序的设计3.1 光电编码器与 S3C2410的硬件接口光电编码器与 S3C24lO 的接口电路如图4所示。光电编码器的 A、B 相为集电极开路输出，由于 S3C2410的 I/O 口电平为3.3 V，所以将其通过电阻上拉到3.3V 后再分别接到 CPU的 EINT0和 EINT1上;将 Pl 直接接到3.3V，P2通过电阻下拉到 GND。当旋钮按下时，P2口输出为高电平，否则输出为低电平。工作状态下，将 EINTO、EINTl 配置成上升沿和下降沿均触发的外部中断，将 EINT2配置成上升沿触发的中断，旋钮按下时 EINT2引脚产生上升沿触发中断。3.2 外部中断初始化及中断服务程序的编写首先必须完成 CPU 的 I/O 口和中断的初始化工作，然后再编写中断处理程序。具体分为4个步骤：初始化 I/O 口。在 Port_Init()函数中，将 EINT0和 EINTl 初始化为上升沿和下降沿均触发的中断。将 EINT2初始化为上升沿触发的中断。添加中断号。在 oalint.h 下添加光电编码器中断向量的宏定义。代码为#defineSYSINTR_OED(SYSINTR_FIRMWARE+20)添加中断的初始化、禁止、复位等函数，分别在 OEMInterruptEnable()、OEMInterruptDisable()、OEM-InterruptDone()等函数中加入相关代码。返同中断标识，由 OEMInterruptHandler()函数返回中断标识(SYSINTR_OED)。3.3 编写流接口驱动程序Windows CE.net 把中断处理分成两个部分：中断服务程序(ISR)和中断服务线程(IST)。TSR 通常要求越短、越快越好，它的唯一任务就是返回中断标识。正由于ISR 很小，只能做少量的处理，因此中断处理器就调用 IST 执行大多数的中断处理。中断服务线程(IST)在从 waitForSingleObject()函数得到中断已经发生的信号前一直保持空闲;当接收到中断信号后，它就在本机设备驱动程序的 PDD 层调用子程序，这些程序反过来访问硬件以获得硬件的状态。IST 使用 InterruptInitialize()函数来注册自己，然后使用WaitForSingleObject()函数等待中断信号。如果这时中断信号到来，则应将光电编码器的状态记录下来，保存在变量 OED_Status 中。OED_Status=1表示旋钮按下，OED_Status=2表示旋钮逆时针旋转，OED_Status=3表示旋钮顺时针旋转。这里还有一种比较简单的鉴相规则，具体步骤是，当创建线程时读出 EINTl 的电平状态并保存在变量 PreEINTl 中，每次中断到来时首先判断 EINT2是否为高电平。如果为高电平，则说明按钮按下;如果 EINT2为低电平，则判断 EINTO 电平是否与 PreEINTl 相同。如果相同，则说明旋钮逆时针旋转;反之，旋钮顺时针旋转，判断的流程如图5所示。Windows CE 流接口驱动程序模型要求驱动程序开发者编写 10 个接口函数，针对光电编码器的驱动主要应完成设备初始化和数据读取 2 个函数的编写。WindowsCE 设备文件名前缀由 3 个大写字母组成，操作系统使用这 3 个字母来识别与流接口驱动程序相对应的设备。这里定义设备文件名前缀为“OED”(OptICal Encoder)，其中设备初始化函数 OED_Init()在Windows CE 装载驱动程序时用于创建中断事件和中断服务线程。在函数 OED_Read()中将光电编码器的状态(OED_Status)返回。3.4 封装驱动程序并加入到 WinCE 中根据上述方法编译出动态链接库(DLL)还不够，因为它的接口函数还没有导出，还需要告诉链接程序输出什么样的函数，因此必须建立一个后缀名为 def 的文件。在本设计中为 OpticalEnccder.def。下面是此文件的内容：一个具体的流接口驱动程序和注册表是密不可分的。向 WinCE 内核添加注册表项的方法有两种：一种是直接修改 Platform Builder 下的 reg 文件;另一种是自己编写一个注册表文件，通过添加组件的方法将动态链接库文件添加到内核中。这里用第2种方法，将OpticalEncoder.dll 添加到内核中。编写的注册表文件内容如下：最后编写一个 CEC 文件，完成对定制内核注册表部分的修改并将OpticalEncoder.dll 添加到系统内核中去，然后在 Platform Builder 中就可以直接添加已经编写好的驱动程序了。结语结语本文主要介绍了光电旋转编码器的原理及应用方法，并详细介绍了 WinCE 驱动程序的结构，成功地开发出了光电编码器在嵌入式操作系统 WinCE 下的驱动程序。实验证明，该方法正确可行，程序运行稳定可靠。