Sprzętowy debouncing enkodera + kod

Cześć,

po analizie działania enkodera obrotowego (mechanicznego) i ilości problemów, jakie on dostarcza,
postanowiłem skonstruować prosty układ elektroniczny, który "wygładzi" impulsy enkodera.
Układ posiada dwie wersje. Obie są na przerzutnikach Schmitta.

Pierwszy na pojedynczych układach TI SN74LVC1G17:


a drugi na układzie 74HC14PW:



Sama płytka miała być mała i nie zajmować więcej miejsca niż sam encoder.
Uzyte zostały rezystory i kondensatory o rozmiarze 0603.

Układ testowany na atmega328p z zegarem wewnętrznym ustawionym na 8MHz.

Załączam również kod programu, który odczytuje pozycje enkodera:




Przy układzie HC74HC14 trzeba negować wejścia, stąd #define SCHMITT_NEG

Enkoder zlicza poprawnie impulsy i rozpoznaje kierunek obrotu.
Częstotliwość próbkowania enkodera to 7kHz.

Testowanie enkodera odbywa się za pomocą przerwania zegarowego (ustawiane na początku).
Zasilanie 3.3V oraz 5V

Użylem dwóch różnych enkoderów:
1. Alps EC11B2024304 (20 impulsów)
2. Bourns PEC114125FS0018 (18 impulsów)

Przy bardzo powolnym kręceniu, bourns potrafi zgubić impuls, alps nie gubi.

Maksymalna prędkość obrotowa enkoderów to 60rpm. Przy szybszym kręceniu jedynie alps da dobry odczyt.
Alps wymaga większego prądu 5mA, gdy Bourns 1mA.
Układ podciąga napięcie 5V do enkoderów przez rezystory 10k, co daje prąd 0,5mA


Pozdrawiam

Maciek

Próbuje doszukać się sensu i praktycznego zastosowania tak rozbudowanej aplikacji. Ok, dla własnej satysfakcji, praktyki, doświadczenia może być. Przecież tą całą elektronikę wystarczy zastąpić odpowiednim algorytmem w programie.
Jak znajdę skompilowany przykład mojego programu odczytu enkodera to go tu umieszczę i przetestujesz tego Bournsa. Ze wszystkich enkoderów jakie posiadam (nowe, stare i regenerowane) podczas testów żaden nie gubił kroków, co najwyżej jakiś stary nie działał w ogóle. I to wszystko bez nawet jednego kondensatora na wejściu.

Dodano po 5 [minuty]:

Poza tym, zapomniałem o tym wspomnieć - na wejściach procesorów zazwyczaj jest już przerzutnik Schmitta

Używam dużo enkoderów z sprzętowym licznikiem w STM32 i jakoś nigdy nic nie przeskakiwało. Nie trzeba żadnego filtrowania ani kodu, tylko konfiguracja licznika i gotowe.

SylwekK napisał:

Przecież tą całą elektronikę wystarczy zastąpić odpowiednim algorytmem w programie.

Chyba, że podłączysz do timera w STM32 na przykład. Inna sprawa, ze ta bez sprzętowego debouncingu i tak nigdy nie miałem problemów , przynajmniej z enkoderami ALPS.

Timer w STM32 ma sprzętowe filtry itd w timerze.

Nie wiem jak to się robi w STM32. Niestety tylko AVR znam

Cytat:

Timer w STM32 ma sprzętowe filtry itd w timerze.

O, faktycznie, jakoś mi to umknęło. W takim razie nie wiem, może się przyda dla układów bez filtrów.

AVE...

Niepotrzebnie komplikujesz sobie życie. Po pierwsze: Atmega328p ma wejścia Schmitta, co widać na schemacie poglądowym w nocie katalogowej. Ba, przypuszczam że większość mikrokontrolerów, mikroprocesorów, układów FPGA i CPLD ma wejścia Schmitta. Przez to schemat można znacznie uprościć. Po drugie: schemat narysowałeś nieczytelnie.

Oto schemat uproszczonego debouncera dla Atmega328p w wersji z rezystorami podciągającymi i bez (Atmega ma własne):



Dla wejść tego mikronontrolera Vil max wynosi 0,3V, Vih min zaś 0,6V
Przy tych wartościach rezystorów (zakładam że rezystory pull-up mają wartość 10k dla drugiego schematu) przy Vcc = 5,5V sygnał po zwarciu wejścia do masy będzie miał napięcie 0,247V. Wartości kondensatorów można zmniejszyć, ale nie trzeba, bo stała czasowa dla przyrostu napięcia do 0,6V (czyli o 0,477V przy napięciu zasilania 2,7V w najgorszym razie) będzie wystarczająco krótka...

Czesc,

tutaj przebiegi na oscyloskopie:


Rzeczywiscie, atmegi 328 i wyzsze maja lepiej wyposazone porty wejsciowe.
Ale to mial byc uklad enkodera uniwersalny, rowniez do uzycia z Atiny, ktory ma słabiej wyposazone porty.

W kwestii "gubienia" impulsów, zauwazyłem na oscyloskopie, że bourns "zawiesza się na stanie wysokim i dopiero kolejny "skok"
zmienia stan wyjscia. Być może to wina układu 74HC14(35ns), który jest wolniejszy od SN74LVC1G17 (5ns).

W przypadku Bourns'a, trzeba pilnować, aby prąd nie przekroczył 1mA oraz 60 rpm.
Ja testowałem oba enkodery z predkością 150 rpm i dają radę.



Pozdrawiam

Maciek

Jest reż fajna seria układów MAX6816/MAX6817/MAX6818 rozwiązująca problem drgania styków, dodatkowo mają zabezpieczanie ESD. ja użyłem ich w kilku projektach.
https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX6816-MAX6818.pdf

AVE...

Attiny4, 5, 9, 10 i 13 mają porty z przerzutnikami Schmitta. Ba, przypuszczam że będzie Ci trudno znaleźć mikrokontroler bez takich wejść w standardzie. Masz też rezystory podciągające po złej stronie. Zrób tak, jak narysowałem i sprawdź wtedy, czy gubisz impulsy...

@maciek.mr Pokaż jak możesz drugą stronę płytki. Jak wykonane są soldermaski i opisy?

SylwekK napisał:

Próbuje doszukać się sensu i praktycznego zastosowania tak rozbudowanej aplikacji.

Bo rozwiązanie sprzętowe to rozwiązanie sprzętowe. Jeden lubi jak ma mało elementów na płytce, drugi jak ma mało kodu do napisania. Poza tym rozwiązanie sprzętowe jest - patrząc po tematach poruszanych w dziale Arduino - łatwiejsze.
Też jestem zwolennikiem rozwiązań sprzętowych i chętnie bym wersję na 74HCT14 przygarnął.

Widok płytki z dwóch stron:


@Urgon, sprawdzę to z przeniesionymi rezystorami.

Piottr242 napisał:

Poza tym rozwiązanie sprzętowe jest - patrząc po tematach poruszanych w dziale Arduino - łatwiejsze.

Patrząc po tematach i rozwiązaniach z działu Arduino to ogólne można dojść do interesujących wniosków...
Tak jak koledzy pisali, każdy AVR, ba, chyba każdy współczesny MCU ma wejścia Schmita. Większość nowych MCU dysponuje możliwością sprzętowej cyfrowej filtracji wejść.
Skoro obsługa jest na timerze, to dodanie dosłownie 3 linii kodu eliminuje problem drgań styków, który zresztą akurat dla enkodera nie jest problemem...
Jeśli się ktoś uprze to przecież to jest zwykły filtr dolnoprzepustowy RC.

Dodano po 30 [sekundy]:

Ale trzeba przyznać, że ładnie zaprojektowana i wykonana płytka.

Zalacz filmiki z enkodera bourns i alps.
Przy wolnym obrocie bourns gubi kierunek czasami.

Bourns:


Alps

Sygnał z enkodera może mieć naprawdę paskudny kształt.
Przerobiłem ten temat podczas konstrukcji zasilacza (jest na elektrodzie).
W przypadku gdy sygnał z enkodera nie będzie poddawany dalszej obróbce w postaci cyfrowej filtracji. Korzystne jest choćby użycie prostego filtra RC. W moim projekcie sygnał z enkodera był podawany na wejścia przerwań i warunkowany w prosty sposób stąd musiałem użyć dodatkowej filtracji. Gdyby jednak poświęcić więcej czasu procesora na obróbkę sygnału można zapewne uzyskać dobre efekty również bez dodatkowego zawężania pasma z enkodera.
Zapewne jakość użytych elementów mechanicznych również jest bez znaczenia, jednak w tym kierunku nie przeprowadziłem dokładnego rozpoznania.
Testowałem również impulsator (nie enkoder). i sygnał z niego był najbardziej niezawodny w porównaniu z kwadraturowym przebiegiem enkoderów.

Podsumowując zastosowany układ analogowy nie jest całkiem bez sensu, aczkolwiek było by bardziej sensownie rozwiązać problemy ze zniekształceniami sygnału w domenie cyfrowej.

Jak wykonałeś soldermaskę i napisy?

Jesli chodzi o płytki to zaprojektowane w Eagle'u a wykonane przez jlcpcb, jako jedna z 12 płytek na płytce 100x100.
Sam ich nie trawiłem, za male doświadczenie. Jak byłem młody to bawiłem sie fotodrukiem

Enkodery stosowane w produkcji seryjnej sprzętu RTV czy AGD są na tyle poprawnie wykonane mechaniczne, że działają z każdym obecnie używanym procesorem w amatorskich konstrukcjach.
Korzystam najczęściej z projektów urządzeń już zastosowanych w praktyce i dotąd nie spotkałem, aby przez sam enkoder układ działał niepoprawnie.
Ważniejsze są wydawałoby się drobiazgi:
-jaki i czym połączony jest enkoder z procesorem, np. długie lub luźne przewody biegnące w pobliżu "siejącej" przetwornicy
-z jakie punktu są zasilane rezystory podciągające styki enkodera
-czy obudowa enkodera jest na potencjale masy cyfrowej i czy ta masa nie tworzy anteny dla zakłóceń
Ważne jest tutaj rozpoznanie, czyli eliminowanie źródła błędów, a nie eliminowanie skutków.

Enkoder połączony płaską taśmą, nawet o długości 50 cm będzie działał poprawnie, a pięciocentymetrowy pająk na płytce stykowej może być lub będzie źródełkiem kłopotów.

W moich urządzeniach enkodery są oddalone nawet o 20m (tak, dwadzieścia metrów) i lecą w nieekranowanej wiązce razem z przewodami zasilającmi silniki - jeszcze się nie zdarzyło, zgubić impuls. Dlatego wobec powyższego nadal uważam, że tak rozbudowany układ jest w praktyce bezsensowny biorąc pod uwagę to co już mówiłem czyli powielanie przerzutnika shmitta, które procesor ma w sobie od urodzenia. Powinno się dążyć do niezbędnej minimalizacji projektu, a nie nadmiernej rozbudowy co w praktyce podnosi koszt urządzenia i samo działanie jest dyskusyjne natomiast jest to też kolejny stopień, który może ulec uszkodzeniu. Tak przy okazji - w pewnym projekcie gdzie zastosowałem pojedyncze nand shmitt (chyba w sot23-5) ulegały one uszkodzeniu przy przenoszeniu podczas chodzenia po wykładzinie (elektrostatyka).

Jak obiecałem tak wstawiam program demo do testowania enkoderów/impulsatorów. Podłączajcie pod procka przetarte ("iskrzące") stare enkodery i katujcie ile się da. Moje próby wyprowadzenia programu z równowagi nie powiodły się Konkretny impuls zawsze należał do konkretnego pyknięcia i nie udało mi się zarejestrować ani jednego błędu mimo prób bardzo wolnego (przyblokowanego) ruchu gałką.
Podaje dla ułatwienia testów dwie wersje wsadu: dla enc połówkowego czyli jeden krok to 00-01-11, następny krok 11-10-00, oraz takiego który przelatuje przez całą sekwencję od 00-01-11-10-00 i dopiero zatwierdza impuls (właściwie robi to w trakcie ).
Wsad jest na procesor Atmega32 taktowany kwarcem 16Mhz (fusów nie pamiętam, po prostu na kwarc 16Mhz ustawić)
Konfiguracja LCD następująca:


Enkoder podłączamy bez żadnych dodatkowych elementów RC (broń boże jakieś kondensatory tam pchać) bezpośrednio pod dwa pierwsze piny czyli 0 i 1 portu A.
Przerwania są 10kHz i obsługa nawet 500 impulsowego enkodera (pracował jako half) jaki z największych miałem pod ręką była bezproblemowa. Jeśli dobrze liczę to powinienem przy tej częstotliwości taktowania odbierać impulsy z częstotliwością ponad 3300Hz (3 kroki na cykl liczenia).
Wskazania kierunku obrotu to po prostu odczyt jednej ze zmiennych użytych w programie, a ta w trakcie drgania styków może się zmienić kilka razy Umieściłem ją we wsadzie tylko jako ciekawostkę. Jeśli komuś zależy na odczycie kierunku to lepiej badać już sam wynik po zmianie i będzie bardziej wiarygodnie.

Witam.
Kiedyś założyłem taki temat na Elektrodzie.
Link

Może zajrzycie