BPI-PicoW-S3 使用增量型旋转编码器[CircuitPython]

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BPI-Pico-S3 与 Raspberry Pi Pico 板尺寸相同，搭载ESP32S3芯片，8M flash，4层PCB，电镀半孔工艺，陶瓷天线，支持 2.4 GHz Wi-Fi 和 Bluetooth® LE 双模无线通信，是一款专为物联网开发和Maker DIY设计的开发板。

出厂内置 tinyUF2 + CircuitPython，推荐使用Mu编辑器上手CircuitPython开发。

BiliBili视频 https://www.bilibili.com/video/BV1yd4y1t75R

硬件接口示意图

使用增量型旋转编码器

接线参考

增量型旋转编码器	BPI-PicoW-S3
GND	GND
+	VBUS
SW
DT	GP0
CLK	GP1

• 增量型旋转编码器外观粗看与一些常见的旋转电位器相似，其关键的不同之处大致分为三点。
  
  
  • 微控制器使用ADC外设来读取旋转电位器输出的模拟信号（电压值），确定转轴当前角位；微控制器通过GPIO接收增量型旋转编码器输出的数字信号，可通过软件程序判断信号所对应的转轴动作。
  • 微控制器可在一定精度下，确定旋转电位器转轴当前角位，但因为模拟信号的持续性与抗干扰能力差的原因，无法准确判断它是否有动作；增量型旋转编码器仅在转轴运动到一个触点时，向微控制器发出一段动作数字信号，如果一个增量型旋转编码器一周有20个触点，它旋转一周就触发20次动作信号，微控制器可以精确的判断它是否动作，向哪个方向转动，信号触发了多少次。
  • 旋转电位器通常不可向任意转向进行无限旋转，会停止在最大或最小限位点；增量型旋转编码器可向任意转向进行无限旋转。
    
    
  
  

• 增量型旋转编码器采用正交编码器生成其A和B的输出信号。从A和B输出发射的脉冲是正交编码的，这意味着当增量编码器以恒定速度运动时，A和B波形是方波，A和B之间存在90度的相位差。最终A和B信号将从两个管脚传输给微控制器。
  
  

• 理论上，在任何特定时间，对于旋转编码器，A和B信号之间，顺时针旋转的相位差为+90°，逆时针旋转的相位差为−90°，具体则取决于设备内部的正交编码器设计。
  
  

• A或B输出上的脉冲频率与转轴的速度（位置变化率）成正比。较高的频率表示较快的速度，而较低的频率表示较慢的速度。当转轴静止时，静态、不变的信号输出在A和B上，所以有很多测速方案使用增量型旋转编码器。
  
  

参考 维基百科: 增量编码器 。

• 用CircuitPython设计一个程序读取在GP0与GP1引脚上的信号，当其中一个发生变化时同时输出两个引脚当前的值，连接开发板与增量型旋转编码器后运行程序。
  
  

import board
import digitalio
​
dt = digitalio.DigitalInOut(board.GP0)
clk = digitalio.DigitalInOut(board.GP1)
dt.switch_to_input()
clk.switch_to_input()
dt_last_value = 0
clk_last_value = 0
​
while True:
    if dt.value != dt_last_value or clk.value != clk_last_value:
        dt_last_value = int(dt.value)
        clk_last_value = int(clk.value)
        print((dt_last_value,clk_last_value))

• 逐级转动转轴，观察输出信号，如果有逻辑分析仪或示波器也可接入观察。
  
  

• 转轴逆时针旋转时，REPL的输出。
  
  (1, 1)
  (1, 0)
  (0, 0)
  (0, 1)
  (1, 1)
  (1, 0)
  (0, 0)
  (0, 1)
  (1, 1)
• 转轴逆时针旋转时，逻辑分析仪所观察到的波形。
  
  
  
  
  
  
• 转轴顺时针旋转时，REPL的输出。
  
  
  
  
  (1, 1)
  (0, 1)
  (0, 0)
  (1, 0)
  (1, 1)
  (0, 1)
  (0, 0)
  (1, 0)
  (1, 1)
• 转轴逆时针旋转时，逻辑分析仪所观察到的波形。
  
  
  
  
  
  
  
  

• 首先可以观察到的现象是，转轴完成一级动作后，两个引脚上的信号都为1，可以设计程序，当值都变为1时输出一次计数值，计数值可作为判断编码器完成一次动作的依据。
  
  

import board
import digitalio
​
dt = digitalio.DigitalInOut(board.GP0)
clk = digitalio.DigitalInOut(board.GP1)
dt.switch_to_input()
clk.switch_to_input()
dt_last_value = 0
clk_last_value = 0
count = 0
​
while True:
    if dt.value != dt_last_value or clk.value != clk_last_value:
        dt_last_value = int(dt.value)
        clk_last_value = int(clk.value)
        print((dt_last_value,clk_last_value))
        if (dt_last_value,clk_last_value) == (1,1):
            print('--',count_1,'--')
            count += 1

• 再确定编码器顺时针旋转与逆时针旋转的动作，在两个引脚上输出的信号变化的规律与差异。
  
  

• 逆时针旋转的规律为(1, 1)>(1, 0)>(0, 0)>(0, 1)>(1, 1)。
  
  

• 顺时针旋转的规律为(1, 1)>(0, 1)>(0, 0)>(1, 0)>(1, 1)。
  
  

由此可设计一个顺时针旋转使计数+1，逆时针旋转使计数-1的程序，并加入消抖除错的功能。
import board
import digitalio
import time
dt = digitalio.DigitalInOut(board.GP0)
clk = digitalio.DigitalInOut(board.GP1)
dt.switch_to_input()
clk.switch_to_input()
dt_last_value = 0
clk_last_value = 0
count = 0
start_sign = 0
clockwise_sign = 0
while True:
    if dt.value != dt_last_value or clk.value != clk_last_value:
        dt_last_value = int(dt.value)
        clk_last_value = int(clk.value)
        print((dt_last_value,clk_last_value))
        if start_sign == 0 and (dt_last_value,clk_last_value) == (0,0):
            start_sign = 1
        elif start_sign == 1:
            if (dt_last_value,clk_last_value) == (1, 0):
                clockwise_sign = 1
            elif (dt_last_value,clk_last_value) == (0, 1):
                clockwise_sign = -1
            elif (dt_last_value,clk_last_value) == (1, 1):
                count = count + clockwise_sign
                clockwise_sign = 0
                start_sign = 0
                print('--',count,'--')

• 此程序中的消抖除错功能的实现，并不是逐步判断验证是否符合信号规律，或许还有更多办法可以实现消抖除错，欢迎讨论。
  
  

• 另外 CircuitPython 的rotaryio模块可直接实现正反转计数功能。（内部程序有所差异，但最终实现功能基本一致）。
  
  

import rotaryio
import board
​
encoder = rotaryio.IncrementalEncoder(board.GP0,board.GP1)
last_position = 0
​
while True:
    position = encoder.position
    if position != last_position:
        print(position)
    last_position = position

BPI-PicoW-S3 + CircuitPython 教程聚合链接

BPI-PicoW-S3 wiki 页面

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