鼠标滚轮编码器 | 原理、检测与维修

原创已于 2025-11-08 11:24:48 修改 · 1k 阅读

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#鼠标滚轮编码器

于 2025-11-08 06:33:42 首次发布

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注：本文为 “鼠标滚轮编码器” 相关合辑。
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略作重排，如有内容异常，请看原文。

鼠标滚轮/编码器检测- wheel/encoder detect for mouse

阳雨风 qq125242773 于 2020-10-09 22:36:29 首次发布
已于 2025-02-06 16:37:55 修改

wheel/encoder 原理

鼠标滚轮 wheel/encoder 原理图

wheel/encoder 示波器实测波形

实测波形

wheel/encoder 单片机检测固件

struct wheel_STR
{
    unsigned char same_status_HL;   //two state: all high (=1) or low (=2)
    unsigned char diff_status;      //two state: z1-high,z2-low (=1);z1_low,z2-high (=2);
    signed char value;
};
struct wheel_STR wheel;

/*
scan in main loop
*/
void scan_wheel(void) 
{
    unsigned char z1,z2;

z1 = HAL_GPIO_ReadPin(WHEEL_Z1_PORT, WHEEL_Z1_PIN);//read_wheel_IO1();
z2 = HAL_GPIO_ReadPin(WHEEL_Z2_PORT, WHEEL_Z2_PIN);//read_wheel_IO2();

if(z1 != z2){   //diff
		wheel.diff_status =(z1)?2:1;	
}
else{ //same
    if(z1){
		if(wheel.same_status_HL==2){
			if(wheel.diff_status==1) wheel.value++;
			else if(wheel.diff_status==2) wheel.value--;
		}
		wheel.same_status_HL =1;    //all high
    }
    else{
       if(wheel.same_status_HL==1){
			if(wheel.diff_status==1) wheel.value--;
			else if(wheel.diff_status==2) wheel.value++;
       }
       wheel.same_status_HL =2;    //all low 
    }
    wheel.diff_status =0;   //clear change flag!
}
}

/*
get the wheel vaule
*/
signed char get_wheel_value(void)
{	
	signed char tmp;
	tmp = wheel.value;
	wheel.value=0;		//clear the value!
	return tmp;
}

鼠标滚轮编码器解析

爱生活的鸭于 2023-03-24 10:53:39 发布

前言

鼠标滚轮编码器为三引脚接入，一个公共引脚 C（通常接地），两个脉冲波形输入引脚 A、B。转动滚轮编码器时，两个脉冲输入引脚上会产生脉冲；顺时针或逆时针转动时，可根据同一时刻产生的电平信号变化进行逻辑判断。

一、鼠标滚轮编码器逻辑

正面从左到右依次为公共引脚、A 输入脚和 B 输入脚。
转动过程中，公共引脚与 A、B 脚的导通状态会改变输入至集成电路（IC）控制芯片引脚的电平，其电平变化逻辑如下：

顺时针转动时，电平变化顺序为：11 → 01 → 00 → 10

逆时针转动时，电平变化顺序为：11 → 10 → 00 → 01

二、使用方法

代码如下 g

unsigned char z1,z2;

// 读取编码器两个引脚（Z1、Z2）的当前电平状态
z1 = HAL_GPIO_ReadPin(WHEEL_Z1_PORT, WHEEL_Z1_PIN);//read_wheel_IO1();
z2 = HAL_GPIO_ReadPin(WHEEL_Z2_PORT, WHEEL_Z2_PIN);//read_wheel_IO2();

if(z1 != z2){   // 若 Z1 与 Z2 电平不同（差分状态），记录当前差分相位
    // 当 Z1 为高电平时，差分状态标记为 2；Z1 为低电平时，标记为 1
    // 用于后续判断编码器转动方向（相位差特征）
    wheel.diff_status = (z1)?2:1;	
}
else{ // 若 Z1 与 Z2 电平相同（同相状态），结合历史状态判断转动方向并计数
    if(z1){ // 此时 Z1=Z2=高电平（全高状态）
        // 若上一次同相状态为全低（same_status_HL=2），说明完成一次相位跳变
        if(wheel.same_status_HL==2){
            // 根据之前记录的差分状态判断方向：diff_status=1 对应顺时针，value 递增
            // diff_status=2 对应逆时针，value 递减
            if(wheel.diff_status==1) wheel.value++;
            else if(wheel.diff_status==2) wheel.value--;
        }
        // 更新当前同相状态为全高（标记为 1）
        wheel.same_status_HL =1;    //all high
    }
    else{ // 此时 Z1=Z2=低电平（全低状态）
        // 若上一次同相状态为全高（same_status_HL=1），说明完成一次相位跳变
        if(wheel.same_status_HL==1){
            // 根据之前记录的差分状态判断方向：diff_status=1 对应逆时针，value 递减
            // diff_status=2 对应顺时针，value 递增
            if(wheel.diff_status==1) wheel.value--;
            else if(wheel.diff_status==2) wheel.value++;
        }
        // 更新当前同相状态为全低（标记为 2）
        wheel.same_status_HL =2;    //all low 
    }
    // 清除差分状态标记（同相状态下，差分状态已用于方向判断，无需保留）
    wheel.diff_status =0;   //clear change flag!
}

总结

鼠标编码器的连接方式为：第一引脚接 GND，第二引脚和第三引脚为输出端。

编码器通过相位差判断滑动方向，通过输出低电平的持续时间判断滑动速度；但无论滑动速度和方向如何，各引脚输出的脉冲宽度均保持一致。

鼠标滚轮编码器检测代码性能优化

一、三点

针对嵌入式系统的特性（资源有限、实时性要求高），代码性能主要围绕以下三点展开：

执行效率：减少单次状态处理的时间开销，提升代码运行速度
抗干扰能力：降低外部噪声与机械抖动对信号检测的影响，提高稳定性
资源占用：内存使用与 CPU 占用率，适配嵌入式系统有限的硬件资源

二、方案

1. 中断驱动替代轮询（CPU 资源）

问题：传统主循环轮询方式需持续检测编码器状态，导致 CPU 资源被无意义占用，尤其在多任务系统中影响其他功能响应速度。

将编码器的 Z1、Z2 引脚配置为双边沿触发中断（上升沿与下降沿均触发），仅在电平状态变化时执行处理逻辑。示例代码如下（以 STM32 为例）：

// 中断服务程序（ISR）
void EXTI9_5_IRQHandler(void) {
    // 检测 Z1 引脚中断
    if (__HAL_GPIO_EXTI_GET_IT(WHEEL_Z1_PIN) != RESET) {
        HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(&wheel_z1_irq);  // 调用中断处理回调
        __HAL_GPIO_EXTI_CLEAR_IT(WHEEL_Z1_PIN);   // 清除中断标志
    }
    // 检测 Z2 引脚中断
    if (__HAL_GPIO_EXTI_GET_IT(WHEEL_Z2_PIN) != RESET) {
        HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(&wheel_z2_irq);  // 调用中断处理回调
        __HAL_GPIO_EXTI_CLEAR_IT(WHEEL_Z2_PIN);   // 清除中断标志
    }
}

优势：

CPU 仅在编码器状态变化时工作，空闲时可执行其他任务，降低 CPU 占用率
适用于多任务场景（如同时处理鼠标按键、位移检测等功能）

2. 状态机+查表法（执行效率）

问题：传统多层if-else分支判断逻辑复杂，执行效率低，尤其在无分支预测机制的单片机中影响性能。

将编码器的状态（Z1、Z2 电平组合）抽象为有限状态机，通过“当前状态-上一状态”的组合查表直接获取转动方向，替代分支判断。示例代码如下：

// 状态转换表（4×4 矩阵，行：上一状态，列：当前状态，值：转动方向（+1 顺时针，-1 逆时针，0 无有效转动））
const int8_t wheel_dir_table[4][4] = {
    { 0, -1, 1, 0},  // 上一状态为 00（Z1=0,Z2=0）时的方向映射
    { 1, 0, 0, -1},  // 上一状态为 01（Z1=0,Z2=1）时的方向映射
    {-1, 0, 0, 1},   // 上一状态为 10（Z1=1,Z2=0）时的方向映射
    { 0, 1, -1, 0}   // 上一状态为 11（Z1=1,Z2=1）时的方向映射
};

// 状态处理函数
void process_wheel_state(uint8_t z1, uint8_t z2) {
    static uint8_t prev_state = 0;  // 静态变量存储上一状态，初始化为 0
    uint8_t curr_state = (z1 << 1) | z2;  // 组合 Z1、Z2 电平为当前状态（0~3）
    wheel.value += wheel_dir_table[prev_state][curr_state];  // 查表更新转动计数
    prev_state = curr_state;  // 更新上一状态
}

优势：

用数组查表操作替代多层分支判断，减少 CPU 指令周期消耗
执行速度提升显著，尤其在高频检测场景下效果明显

3. 硬件+软件防抖（抗干扰能力）

问题：编码器机械触点抖动或电磁干扰可能导致电平误跳变，引发转动方向误判。

硬件防抖：在编码器引脚串联 10 kΩ电阻与 100 nF 电容，形成 RC 低通滤波器（时间常数约 10 μs），滤除高频噪声。
软件防抖：通过多次采样并采用“多数表决”机制确认电平状态，避免单次抖动影响。示例代码如下：

// 带软件防抖的引脚读取函数
uint8_t read_stable_pin(GPIO_TypeDef* port, uint16_t pin) {
    uint8_t count = 0;  // 高电平计数
    for (uint8_t i = 0; i < 5; i++) {  // 连续采样 5 次
        count += (port->IDR & pin) ? 1 : 0;  // 记录高电平次数
        delay_us(5);  // 每次采样间隔 5 μs，避开抖动期
    }
    return (count >= 3) ? 1 : 0;  // 多数表决：3 次及以上高电平则判定为高电平
}

优势：

显著降低误触发概率，适应不同环境的噪声水平
硬件与软件结合，兼顾滤波效果与灵活性

4. 内存与变量

问题：多任务或中断环境下，共享变量可能因编译器优化或并发访问导致数据不一致。

volatile修饰共享变量：防止编译器对频繁访问的变量进行优化（如缓存到寄存器），确保每次读取均来自内存。

typedef struct {
    volatile int8_t value;  // 转动计数（共享变量）
    volatile uint8_t state; // 状态标记（共享变量）
} WheelData;

原子操作保护数据更新：在读取并清零计数等关键操作中，通过关闭中断实现原子操作，避免并发修改导致的数据错误。

int8_t get_wheel_value(WheelData* wheel) {
    int8_t val;
    __disable_irq();  // 关闭中断，禁止并发访问
    val = wheel->value;  // 读取当前计数
    wheel->value = 0;    // 清零计数
    __enable_irq();   // 恢复中断
    return val;
}

优势：

保证多任务/中断环境下共享数据的一致性
避免因并发访问导致的计数错误或状态混乱

5. 寄存器直接操作（执行效率）

问题：使用 HAL 库函数（如HAL_GPIO_ReadPin）读取引脚电平时，存在冗余的参数校验与抽象层操作，增加函数调用开销。

直接访问 GPIO 寄存器（如 STM32 的IDR寄存器）读取电平状态，减少中间环节。示例代码如下：

// 宏定义：直接读取 Z1、Z2 引脚电平（以 STM32 为例）
#define READ_Z1() ((WHEEL_Z1_PORT->IDR & WHEEL_Z1_PIN) ? 1 : 0)
#define READ_Z2() ((WHEEL_Z2_PORT->IDR & WHEEL_Z2_PIN) ? 1 : 0)

优势：

减少函数调用的栈操作与参数处理开销
执行速度比库函数快约 30%，适合高频检测场景

三、指标评估

1. 四项关键指标

指标	定义	测量方式
CPU 占用率	代码在单位时间内占用 CPU 的时间比例	调试器的 CPU Utilization 工具、RTOS 任务统计、Cortex-M 的 DWT Cycle Counter
单次执行时间	处理一次编码器状态所需的实际时间（μs）	硬件 SysTick 定时器、DWT Cycle Counter
误触发率	误判为转动的次数占总检测次数的比例	统计错误计数与总计数的比值（人工测试或自动仿真）
实时响应性	从信号变化到处理完成的端到端延迟（μs）	示波器捕获外部信号与内部处理完成的时间差、代码时间戳差值计算

2. 基准测试（优化前）

测试环境：保留原始轮询实现（scan_wheel()），关闭所有中断触发代码，在同一硬件平台（如 STM32F103）、相同系统时钟（72 MHz）下运行。
调试配置：开启调试工具的监控功能（如 Keil µVision 的 System Viewer、STM32CubeIDE 的 Profiler），记录基准指标。

3. 实现（优化后）

结合中断驱动、查表法、防抖与寄存器直接操作的优化方案，示例代码如下：

/* 中断入口：仅标记状态变化，避免 ISR 过长 */
void EXTI9_5_IRQHandler(void) {
    if (__HAL_GPIO_EXTI_GET_IT(WHEEL_Z1_PIN)) {
        __HAL_GPIO_EXTI_CLEAR_IT(WHEEL_Z1_PIN);
        wheel_irq_flag = 1;  // 标记状态变化
    }
    if (__HAL_GPIO_EXTI_GET_IT(WHEEL_Z2_PIN)) {
        __HAL_GPIO_EXTI_CLEAR_IT(WHEEL_Z2_PIN);
        wheel_irq_flag = 1;  // 标记状态变化
    }
}

/* 主循环处理：查表法更新状态 */
void process_wheel(void) {
    static uint8_t prev_state = 3;  // 初始状态假设为 11（Z1=1,Z2=1）
    uint8_t z1 = READ_Z1();         // 寄存器直接读取 Z1 电平
    uint8_t z2 = READ_Z2();         // 寄存器直接读取 Z2 电平
    uint8_t curr_state = (z1 << 1) | z2;  // 组合当前状态
    wheel.value += wheel_dir_table[prev_state][curr_state];  // 查表更新计数
    prev_state = curr_state;  // 更新上一状态
}

/* 主循环 */
int main(void) {
    HAL_Init();
    MX_GPIO_Init();         // 初始化 GPIO
    MX_EXTI_Init();         // 配置双边沿中断
    while (1) {
        if (wheel_irq_flag) {  // 仅在状态变化时处理
            wheel_irq_flag = 0;
            process_wheel();
        }
        // 执行其他任务...
    }
}

4. 指标测量方法

4.1 CPU 占用率

使用 Cortex-M 的 DWT Cycle Counter 统计 1 s 内的 CPU 占用周期：

// 启用 DWT 计数器
CoreDebug->DEMCR |= CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk;
DWT->CYCCNT = 0;
DWT->CTRL |= DWT_CTRL_CYCCNTENA_Msk;

uint32_t start = DWT->CYCCNT;
HAL_Delay(1000);  // 运行 1 s
uint32_t cycles = DWT->CYCCNT - start;
float cpu_percent = (float)cycles / (SystemCoreClock * 1.0f) * 100.0f;  // 计算占比

4.2 单次执行时间

通过 DWT 计数器测量process_wheel()函数的执行时间：

uint32_t t0 = DWT->CYCCNT;
process_wheel();  // 执行一次状态处理
uint32_t t1 = DWT->CYCCNT;
float exec_time_us = (t1 - t0) * 1e6f / SystemCoreClock;  // 转换为μs

4.3 误触发率

误触发率计算公式为：
$\text{误触发率} = \frac{\text{错误计数}}{\text{总检测次数}} \times 100\%$

人工测试：手动转动滚轮 1000 次，记录wheel.value与实际转动次数的差值作为错误计数。
自动仿真：使用逻辑分析仪捕获编码器信号，通过 Python 脚本统计错误计数。

4.4 实时响应性（端到端延迟）

延迟计算公式为：
$proc_done_ts − irq_entry_ts SystemCoreClock × 1 0 6 \text{Latency (μs)} = \frac{\text{proc\_done\_ts} - \text{irq\_entry\_ts}}{\text{SystemCoreClock}} \times 10^6$
其中，irq_entry_ts为中断入口时刻的时间戳，proc_done_ts为状态处理完成时刻的时间戳，通过 DWT 计数器记录。