一本章简介

本章介绍如何使用 MicroPython 读取筑基学习板上的 EC11 旋转编码器。EC11 是一种常见的增量式旋转编码器，旋转时输出 A/B 两相正交脉冲信号，通过检测脉冲的数量和相位关系，可以判断旋转方向和旋转量。它广泛应用于音量调节、菜单选择、参数设置等人机交互场景。

STM32F407 的定时器内置了硬件编码器模式，可以自动完成 A/B 相信号的解码和计数，无需 CPU 参与，精度高、零丢脉冲。

IMPORTANT

EC11 旋转编码器与直流电机编码器 2 共用定时器通道，通过拨码开关 BIT6 切换。使用 EC11 时，BIT6 必须拨到 OFF 位置（向下，默认状态）。如果 BIT6 被拨到 ON，编码器通道会被路由到直流电机编码器 2，EC11 将无法工作。

1.1 学习目标

序号	学习目标	重要程度
1	了解增量式旋转编码器的工作原理（A/B 相正交信号）	⭐⭐⭐⭐⭐
2	掌握使用 STM32 定时器编码器模式读取 EC11 的方法	⭐⭐⭐⭐⭐
3	理解拨码开关 BIT6 对编码器通道的切换作用	⭐⭐⭐⭐⭐
4	能够实现旋转计数、方向判断和圈数计算	⭐⭐⭐⭐

1.2 重点提示

EC11 的 A 相和 B 相分别连接到 PD12（TIM4_CH1） 和 PD13（TIM4_CH2）。
使用前必须确认拨码开关 BIT6 处于 OFF 位置（向下，默认状态）。如果 BIT6 在 ON 位置，PD12/PD13 会被路由到直流电机编码器 2 的通道，EC11 无法工作。
筑基学习板板载的 EC11 型号为 EC11L1525601，每相每转输出 15 个脉冲（15 PPR），旋转一圈有 30 个定位点（手感"咔哒"），工作模式为两点一脉冲（每转过 2 个定位点，输出 1 个完整脉冲周期）。STM32 的 ENC_AB 模式在 A/B 相的每个边沿都计数（4 倍频），因此实际每转计数为 15 × 4 = 60。但由于每 2 个定位点才产生 1 个脉冲，所以用户每"咔哒"一格，计数器变化 2。
定时器编码器模式使用 16 位计数器（0~65535），长时间单方向旋转会溢出。代码中需要做溢出处理（环形计数差值计算）。
EC11 还带有按下功能（按键 3，PC13），可以在旋转的同时按下确认，非常适合做菜单选择。

1.3 基础概念与术语

增量式编码器（Incremental Encoder）：输出 A/B 两相脉冲信号，只能反映相对位置变化（增量），不能直接得到绝对位置。
正交信号（Quadrature Signal）：A 相和 B 相信号之间有 90° 的相位差。正转时 A 相超前 B 相，反转时 B 相超前 A 相，通过相位关系判断方向。
编码器模式（Encoder Mode）：STM32 定时器的一种特殊工作模式，硬件自动根据 A/B 相信号的边沿进行加减计数，无需 CPU 干预。
CPR（Counts Per Revolution）：每转计数数。筑基学习板的 EC11（EC11L1525601）为 15 PPR，4 倍频后 CPR = 60。

二硬件说明

2.1 EC11 编码器原理

EC11 内部有一个带缺口的码盘和两个光电/机械传感器（A 相和 B 相）。旋转时，两个传感器依次被触发，输出两路相位差 90° 的方波信号：

顺时针旋转：A 相信号超前 B 相 90°，定时器计数递增
逆时针旋转：B 相信号超前 A 相 90°，定时器计数递减

STM32 的定时器编码器模式会在 A/B 相的每个边沿（上升沿和下降沿）都进行计数，因此实际分辨率是编码器物理脉冲数的 4 倍（4x 模式）。

2.2 EC11 资源汇总

参数	说明
A 相引脚	PD12（TIM4_CH1）
B 相引脚	PD13（TIM4_CH2）
定时器	TIM4，编码器模式
复用功能	AF2（TIM4）
每转计数	60（CPR）
拨码开关	BIT6 = OFF（向下，默认）
按下功能	PC13（按键 3，高电平有效）

2.3 拨码开关 BIT6 设置

CAUTION

使用 EC11 旋转编码器时，拨码开关 BIT6 必须在 OFF 位置（向下，默认状态）。如果 BIT6 被拨到 ON，PD12/PD13 会被切换到直流电机编码器 2 的通道，EC11 将完全无响应。

BIT6 状态	效果
OFF（默认，向下）	PD12/PD13 连接到 EC11 旋转编码器
ON（向上）	PD12/PD13 连接到直流电机编码器 2

三软件设计

3.1 基础部分

3.1.1 读取编码器原始计数

先用最简单的方式读取定时器计数器的值，验证硬件是否正常：

python

# EC11 编码器原始计数读取
from pyb import Pin, Timer
import time

# 配置 PD12/PD13 为 TIM4 的复用功能
Pin('PD12', mode=Pin.AF_PP, alt=Pin.AF2_TIM4)
Pin('PD13', mode=Pin.AF_PP, alt=Pin.AF2_TIM4)

# TIM4 初始化为编码器模式
tim4 = Timer(4, prescaler=0, period=0xFFFF)
tim4.channel(1, Timer.ENC_AB)

print("旋转 EC11 编码器，观察计数变化")
print("顺时针=递增，逆时针=递减")
print("-" * 40)

while True:
    count = tim4.counter()
    print("计数器: {:5d}".format(count))
    time.sleep_ms(100)

TIP

如果旋转编码器时计数值没有变化，请检查：

拨码开关 BIT6 是否在 OFF 位置（向下）
引脚配置是否正确（PD12/PD13，AF2_TIM4）
编码器模式是否正确初始化（Timer.ENC_AB）

3.1.2 带溢出处理的编码器读取

定时器计数器是 16 位的（0~65535），持续单方向旋转会溢出。需要用环形差值算法处理溢出：

python

# EC11 编码器读取（带溢出处理）
from pyb import Pin, Timer
import time

Pin('PD12', mode=Pin.AF_PP, alt=Pin.AF2_TIM4)
Pin('PD13', mode=Pin.AF_PP, alt=Pin.AF2_TIM4)

tim4 = Timer(4, prescaler=0, period=0xFFFF)
tim4.channel(1, Timer.ENC_AB)

# EC11 每转 60 个计数
EC11_CPR = 60

class EncoderSW:
    """编码器软件层：处理 16 位计数器溢出，累计绝对位置"""
    def __init__(self, timer, bits=16, name="ec11"):
        self.timer = timer
        self.bits = bits
        self.name = name
        self.mask = (1 << bits) - 1       # 0xFFFF
        self.half = (1 << (bits - 1))     # 0x8000
        self.last = self.timer.counter() & self.mask
        self.acc = 0      # 累计位置
        self.delta = 0    # 单次增量

    def update(self):
        """更新位置，返回累计值"""
        val = self.timer.counter() & self.mask
        diff = (val - self.last) & self.mask
        # 处理溢出：如果差值超过半量程，说明发生了反向溢出
        if diff & self.half:
            diff -= (self.mask + 1)
        self.delta = diff
        self.acc += diff
        self.last = val
        return self.acc

    def read(self):
        """读取累计位置"""
        return self.update()

    def hw(self):
        """读取硬件计数器原始值"""
        return self.timer.counter() & self.mask

    def step(self):
        """读取上次 update 的增量"""
        return self.delta

    def zero(self):
        """清零"""
        self.last = self.timer.counter() & self.mask
        self.acc = 0
        self.delta = 0

ec11 = EncoderSW(tim4, bits=16, name="ec11")

print("EC11 编码器监测")
print("每转计数: {}".format(EC11_CPR))
print("-" * 60)

try:
    while True:
        pos = ec11.read()
        hw = ec11.hw()
        delta = ec11.step()
        rev = pos / EC11_CPR  # 圈数

        print("位置={:8d}  硬件={:5d}  增量={:4d}  圈数={:.3f}".format(
            pos, hw, delta, rev))
        time.sleep_ms(50)
except KeyboardInterrupt:
    print("已停止")

3.1.3 带滤波处理的编码器读取

细心的朋友可能会发现，在3.1.2章节-带溢出处理的编码器读取中，如果你多转几圈就会发现圈数计数不准，可能转了10圈之后起点和终点就不一样了。

这其实和按键的抖动是一个原理，他们都是机械抖动，机械编码器的内部触点在闭合和断开的瞬间，状态转换的边缘会产生高频的机械抖动。如果直接将这种波形送给微控制器，单片机可能会在一次真实的物理转动中，把波形边缘的抖动误认为是多次快速旋转。那如何处理这个问题呢？

MicroPython 标准的 pyb.Timer API 本身并没有直接提供设置输入捕获滤波器的参数。下面代码中 tim4.channel(1, Timer.ENC_AB) 只能开启硬件的 AB 相正交解码功能，但默认情况下，STM32 内部的引脚滤波值是 0（即不滤波）。

不过，我们可以利用 MicroPython 的 machine.mem32 直接操作底层寄存器，强行开启 TIM4 的硬件滤波功能。大家可以先不用懂原理，关于输入捕获滤波的相关知识，我们会在C语言的教程中继续学习，这里先复制使用看看效果即可。

python

# EC11 编码器读取（带溢出处理）
from pyb import Pin, Timer
import time
import machine

Pin('PD12', mode=Pin.AF_PP, alt=Pin.AF2_TIM4)
Pin('PD13', mode=Pin.AF_PP, alt=Pin.AF2_TIM4)

tim4 = Timer(4, prescaler=0, period=0xFFFF)
tim4.channel(1, Timer.ENC_AB)

# 直接操作寄存器开启 STM32 硬件滤波
# ==========================================
# TIM4 的基地址是 0x40000800 (STM32F407 参考手册)
# 捕获/比较模式寄存器 1 (TIMx_CCMR1) 的偏移量是 0x18
TIM4_CCMR1 = 0x40000800 + 0x18

# 读取当前的 CCMR1 寄存器值
ccmr1 = machine.mem32[TIM4_CCMR1]

# 清除通道 1 和通道 2 的滤波位: IC1F (bit 4-7) 和 IC2F (bit 12-15)
ccmr1 &= 0xFFFF0F0F

# 设置滤波器值为 0xF (1111)
# 0xF 代表最大硬件滤波：采样频率 f_SAMPLING = f_DTS / 32，且需要连续 8 次采样电平一致才确认跳变
ccmr1 |= 0x0000F0F0

# 将修改后的值写回寄存器
machine.mem32[TIM4_CCMR1] = ccmr1
# ==========================================

# EC11 每转 60 个计数
EC11_CPR = 60

class EncoderSW:
    """编码器软件层：处理 16 位计数器溢出，累计绝对位置"""
    def __init__(self, timer, bits=16, name="ec11"):
        self.timer = timer
        self.bits = bits
        self.name = name
        self.mask = (1 << bits) - 1       # 0xFFFF
        self.half = (1 << (bits - 1))     # 0x8000
        self.last = self.timer.counter() & self.mask
        self.acc = 0      # 累计位置
        self.delta = 0    # 单次增量

    def update(self):
        """更新位置，返回累计值"""
        val = self.timer.counter() & self.mask
        diff = (val - self.last) & self.mask
        # 处理溢出：如果差值超过半量程，说明发生了反向溢出
        if diff & self.half:
            diff -= (self.mask + 1)
        self.delta = diff
        self.acc += diff
        self.last = val
        return self.acc

    def read(self):
        """读取累计位置"""
        return self.update()

    def hw(self):
        """读取硬件计数器原始值"""
        return self.timer.counter() & self.mask

    def step(self):
        """读取上次 update 的增量"""
        return self.delta

    def zero(self):
        """清零"""
        self.last = self.timer.counter() & self.mask
        self.acc = 0
        self.delta = 0

ec11 = EncoderSW(tim4, bits=16, name="ec11")

print("EC11 编码器监测")
print("每转计数: {}".format(EC11_CPR))
print("-" * 60)

try:
    while True:
        pos = ec11.read()
        hw = ec11.hw()
        delta = ec11.step()
        rev = pos / EC11_CPR  # 圈数

        print("位置={:8d}  硬件={:5d}  增量={:4d}  圈数={:.3f}".format(
            pos, hw, delta, rev))
        time.sleep_ms(50)
except KeyboardInterrupt:
    print("已停止")

3.2 进阶部分

3.2.1 编码器 + 按键联动

EC11 编码器自带按下功能（PC13），可以实现"旋转选择 + 按下确认"的交互模式：

python

# EC11 旋转选择 + 按下确认
from pyb import Pin, Timer, LED
import pyb

Pin('PD12', mode=Pin.AF_PP, alt=Pin.AF2_TIM4)
Pin('PD13', mode=Pin.AF_PP, alt=Pin.AF2_TIM4)

tim4 = Timer(4, prescaler=0, period=0xFFFF)
tim4.channel(1, Timer.ENC_AB)

btn_ec11 = Pin('PC13', Pin.IN, Pin.PULL_DOWN)  # EC11 按下=高电平
led = LED(1)

# 简化的编码器读取
mask = 0xFFFF
half = 0x8000
last_val = tim4.counter() & mask
position = 0

# 菜单项
menu = ["LED 开", "LED 关", "LED 闪烁", "退出"]
selected = 0
last_press = 0

print("=== EC11 菜单演示 ===")
print("旋转选择，按下确认")

def show_menu():
    print()
    for i, item in enumerate(menu):
        marker = " >> " if i == selected else "    "
        print("{}{}".format(marker, item))

show_menu()

while True:
    # 读取编码器增量
    val = tim4.counter() & mask
    diff = (val - last_val) & mask
    if diff & half:
        diff -= (mask + 1)
    last_val = val

    # 旋转切换菜单项
    if diff != 0:
        position += diff
        # 每 4 个计数切换一项（降低灵敏度）
        new_sel = (position // 4) % len(menu)
        if new_sel < 0:
            new_sel += len(menu)
        if new_sel != selected:
            selected = new_sel
            show_menu()

    # 按下确认
    if btn_ec11.value() == 1:
        now = pyb.millis()
        if now - last_press > 300:
            last_press = now
            action = menu[selected]
            print("\n确认: {}".format(action))

            if action == "LED 开":
                led.on()
            elif action == "LED 关":
                led.off()
            elif action == "LED 闪烁":
                for _ in range(5):
                    led.toggle()
                    pyb.delay(200)
            elif action == "退出":
                print("退出菜单")
                break

            show_menu()

    pyb.delay(10)

3.2.2 编码器控制 PWM 呼吸灯亮度

用 EC11 旋转编码器实时调节 PB8 LED 的亮度：

python

# EC11 控制 LED 亮度
from pyb import Pin, Timer
import time

# EC11 编码器
Pin('PD12', mode=Pin.AF_PP, alt=Pin.AF2_TIM4)
Pin('PD13', mode=Pin.AF_PP, alt=Pin.AF2_TIM4)
tim4 = Timer(4, prescaler=0, period=0xFFFF)
tim4.channel(1, Timer.ENC_AB)

# PB8 LED PWM（低电平点亮）
# TIM10_CH1（AF3）
led_pin = Pin('PB8', Pin.AF_PP, af=3)  # AF3 = TIM10
tim_led = Timer(10, freq=1000)
ch_led = tim_led.channel(1, Timer.PWM, pin=led_pin)

mask = 0xFFFF
half = 0x8000
last_val = tim4.counter() & mask
brightness = 0  # 0=最亮，100=全灭

ch_led.pulse_width_percent(brightness)

print("旋转 EC11 调节 LED 亮度")

try:
    while True:
        val = tim4.counter() & mask
        diff = (val - last_val) & mask
        if diff & half:
            diff -= (mask + 1)
        last_val = val

        if diff != 0:
            brightness += diff
            brightness = max(0, min(100, brightness))
            ch_led.pulse_width_percent(brightness)
            # 低电平点亮：0%=最亮，100%=全灭
            visual = 100 - brightness
            print("亮度: {}%".format(visual))

        time.sleep_ms(10)
except KeyboardInterrupt:
    ch_led.pulse_width_percent(100)
    tim_led.deinit()
    print("已停止")

四常见问题

Q: 旋转编码器没有任何反应，计数值不变？

检查拨码开关 BIT6：必须在 OFF 位置（向下，默认状态）。这是最常见的原因。
确认引脚配置正确：PD12 和 PD13，AF2_TIM4。
确认编码器模式初始化正确：tim4.channel(1, Timer.ENC_AB)。

Q: 旋转方向反了（顺时针递减，逆时针递增）？

这取决于 A/B 相的接线顺序。如果方向反了，最简单的方法是在代码中对增量取反：diff = -diff。

Q: 旋转时计数跳变很大或不稳定？

EC11 是机械编码器，触点可能有抖动。可以在代码中加入简单的滤波（忽略绝对值过大的增量）或者通过直接修改STM32F407的寄存器来强行开启定时器输入捕获的滤波。
检查编码器是否松动或接触不良。

Q: EC11 的按下功能（PC13）和旋转功能可以同时使用吗？

可以。按下功能使用的是独立的 GPIO 引脚（PC13），与编码器的 A/B 相（PD12/PD13）互不干扰。

五本节参考文档

MicroPython pyb.Timer 文档：
- https://docs.micropython.org/en/latest/library/pyb.Timer.html
MicroPython pyb.Pin 文档：
- https://docs.micropython.org/en/latest/library/pyb.Pin.html
天空星硬件资料（原理图）：
- https://wiki.lckfb.com/zh-hans/tkx/

[1]天空星筑基学习板套件介绍

GPIO基础

定时器与PWM基础

一本章简介

1.1 学习目标

1.2 重点提示

1.3 基础概念与术语

二硬件说明

2.1 EC11 编码器原理

2.2 EC11 资源汇总

2.3 拨码开关 BIT6 设置

三软件设计

3.1 基础部分

3.1.1 读取编码器原始计数

3.1.2 带溢出处理的编码器读取

3.1.3 带滤波处理的编码器读取

3.2 进阶部分

3.2.1 编码器 + 按键联动

3.2.2 编码器控制 PWM 呼吸灯亮度

四常见问题

五本节参考文档

GPIO基础

定时器与PWM基础

​

一 本章简介 ​

1.1 学习目标 ​

1.2 重点提示 ​

1.3 基础概念与术语 ​

二 硬件说明 ​

2.1 EC11 编码器原理 ​

2.2 EC11 资源汇总 ​

2.3 拨码开关 BIT6 设置 ​

三 软件设计 ​

3.1 基础部分 ​

3.1.1 读取编码器原始计数 ​

3.1.2 带溢出处理的编码器读取 ​

3.1.3 带滤波处理的编码器读取 ​

3.2 进阶部分 ​

3.2.1 编码器 + 按键联动 ​

3.2.2 编码器控制 PWM 呼吸灯亮度 ​

四 常见问题 ​

五 本节参考文档 ​

一本章简介

1.1 学习目标

1.2 重点提示

1.3 基础概念与术语

二硬件说明

2.1 EC11 编码器原理

2.2 EC11 资源汇总

2.3 拨码开关 BIT6 设置

三软件设计

3.1 基础部分

3.1.1 读取编码器原始计数

3.1.2 带溢出处理的编码器读取

3.1.3 带滤波处理的编码器读取

3.2 进阶部分

3.2.1 编码器 + 按键联动

3.2.2 编码器控制 PWM 呼吸灯亮度

四常见问题

五本节参考文档