简介：面向嵌入式初学者与电机控制方向学习者的STM32F103编码器程序实例，聚焦增量式编码器与定时器TIM的接口实现，可用于电机测速、位置检测与闭环控制的入门实践。压缩包共58个文件、约1.36MB，涵盖Keil工程与工作区文件、C源文件及启动文件、编译中间产物、HEX烧录文件，并附JLink调试配置、map映射与lst列表等，另含ili9320液晶驱动代码，工程结构完整、便于对照编译。该资源已有2030人学习下载。代码围绕GPIO输入配置、TIM编码器模式选择、预分频与计数模式设定、中断优先级设置，以及中断服务函数中读取计数值并换算转速与位移展开；同时涉及信号滤波抗干扰与PID调节的扩展思路，有助于理解定时器捕获脉冲、在中断上下文更新位置速度的完整流程，为高精度电机控制打下基础。

1. 从脉冲乱跳到稳定读数：STM32F103 编码器程序的落地边界

电机一上电，串口里的计数从 0 跳到 3000 又掉回 17，这种“玄学”读数多半不是编码器坏了，而是把 AB 相丢给了外部中断做软件解码。STM32F103 编码器程序的核心，是把增量式正交编码器的 A/B 相直接送进 TIM3 或 TIM4 的编码器接口，让硬件完成四倍频计数和方向识别，CPU 只负责按固定周期取差值。它适合手里有 F103 最小系统板、一台 5V 或 3.3V 增量编码器、需要做电机测速或位置闭环的场合；不适合把它当成绝对值编码器用，也不适合一上来就追求高线数高速响应。先把引脚、电平、计数溢出这三件事对齐，再谈 RPM 才稳。

2. 选定时器还是外部中断：TIM3 正交解码的硬件路径与引脚分配

编码器接到 F103 上，第一件事不是写代码，是决定用硬件编码器接口还是外部中断。这个选择直接决定高转速时会不会丢脉冲，也决定后面测速代码是简单取差值，还是要在中断里做软件相位判断。我一般会先看编码器铭牌上的 PPR 和输出类型，再决定把 A/B 相接到哪组定时器，而不是先把线焊上去再改代码。

2.1 外部中断方案的计数上限与适用边界

增量式正交编码器每转输出 A/B 两路方波，两路相差 90 度。常见的软件解码做法是把 A、B 都配成外部中断，在两边沿中断里读另一相电平，判断方向并做四倍频。这个方法在低速、低线数、只做简单验证时能用，但一旦线数和转速上去，中断频率会很快压满 CPU。

按 1000 线编码器算，四倍频后每转 4000 个计数。电机 3000 RPM 时是 50 转每秒，计数率达到 200k 次每秒。每次边沿都进一次中断，72MHz 主频下平均每 360 个时钟周期就要进一次中断，中断进出、现场保护、相位判断、全局变量更新都要占时间。如果编码器是 2500 线，计数率到 500k 次每秒，基本没有余量给串口、控制和别的任务。更麻烦的是抖动：编码器输出边沿不干净时，外部中断会把一个边沿拆成多个，软件四倍频跟着误判，现象就是正转时计数偶尔回退，或者静止时计数自己往上爬。

硬件编码器接口的价值就在这里。TIM3/TIM4 的编码器模式内部做正交解码，A/B 两相的上升沿和下降沿都参与计数，等于硬件完成四倍频，不需要 CPU 在每次边沿进出中断。方向位由定时器根据两相相位自动更新，计数器只负责加一或减一。对 1000 线、3000 RPM 的场合，CPU 只需要每 10ms 读一次计数器，压力从 200k 次中断降到 100 次采样。这个差别在电机闭环里很实际：中断省下来的时间可以留给 PWM、电流采样和通信。

所以选型结论很直接：外部中断方案适合先验证编码器好坏、或者线数很低且转速不高的场景；要落地到测速和位置闭环，优先用 TIM3/TIM4 的编码器接口。F103 的 TIM3/TIM4 都是 16 位计数器，做位置累计时要注意溢出，这个后面单独讲。硬件解码不是万能的，它只解决“计数”这件事，电平、上拉、共地、滤波没做好，硬件接口照样读出错数。

2.2 TIM3/TIM4 的引脚映射与输入电平

F103 上常用两组定时器做编码器接口，引脚分配如下：

接线时编码器 A 相接 CH1，B 相接 CH2，GND 必须和 F103 共地。编码器 VCC 按铭牌给，常见有 5V 和 3.3V 两种。输出类型要看清楚：推挽输出可以直接进引脚；开漏输出必须加上拉电阻，否则引脚悬空，读出来就是随机跳变。F103 内部上拉阻值较大，短线临时验证可以开内部上拉，超过十几厘米的线我一般会在编码器侧加 4.7kΩ 到 10kΩ 外部上拉，边沿会干净很多。

电平边界要单独确认。5V 供电的编码器如果输出 5V 方波，进 F103 前要确认对应引脚是否 5V 容忍，不确定就加电平转换，不要拿“别人说能直接接”当依据。PA6/PA7 是否容忍 5V 要看具体型号的数据手册，不同封装和引脚定义有差异。更稳的做法是让编码器按 3.3V 供电，或者用光耦、电平转换芯片把信号降到 3.3V。Z 相归零信号如果不用，可以悬空并关掉对应中断；要用的话单独接一个 GPIO 中断，在 Z 相边沿把计数器清零，别把 Z 相和 A/B 相混在同一个定时器通道里。

线缆也有讲究。编码器线如果和电机动力线捆在一起走，电机 PWM 的 dv/dt 会耦合进 A/B 相，现象是电机一转计数就多。常见做法是 A/B 用双绞线，屏蔽层单端接地，编码器电源和电机电源分开走，至少不要平行长距离捆扎。这些是硬件层的“后悔药”，后面软件滤波只能补一部分，补不了地环路和电平不匹配。

2.3 上电前的接线检查和第一轮手动验证

接线完成后不要急着上电机，先做一轮静态检查。步骤不复杂，但能省掉后面大量排查时间。

1. 断电状态下确认编码器供电电压、输出类型、A/B/Z 线色定义。铭牌不清楚就用万用表测一下输出是开漏还是推挽，别猜。
2. A 相接 PA6，B 相接 PA7，GND 共地。开漏输出加上拉电阻，推挽输出可以不加，但长线仍建议留上拉位置。
3. 上电后不转电机，串口读 TIM3 计数器。正常应稳定在 0 附近，允许 ±1 的末位抖动；如果持续往一个方向爬，先查上拉、共地和 A/B 是否悬空。
4. 手动慢慢转一圈，看计数是否单调增加或减少。正转增加、反转减少，或者反过来，都正常；中间出现跳变、回退、丢数，先查线长、滤波和电源。
5. 交换 A/B 两相，确认计数方向反转。这个动作用来验证相位关系，后面代码里也可以不改线，直接改 IC1/IC2 极性。

提示：静止时计数漂移，先查上拉和地，不要一上来把 IC 滤波器拉满。滤波过强会引入相位延迟，高速时反而容易丢数。

3. 把 AB 相接进 PA6/PA7：TIM3 编码器初始化代码与方向验证

硬件接好之后，代码要按固定顺序走：开时钟、配 GPIO、配定时器编码器模式、启动、清零。顺序错了常见现象是计数器不动，或者一启动就涨到一个奇怪的值。下面这套初始化按 HAL 库写，标准库的差别主要在TIM_EncoderInterfaceConfig和寄存器操作，思路一样。

3.1 GPIO 与 TIM3 编码器模式的初始化顺序

#include "stm32f1xx_hal.h" TIM_HandleTypeDef htim3; static void Encoder_TIM3_Init(void) { TIM_Encoder_InitTypeDef sConfig = {0}; GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0}; /* 1. 开时钟：TIM3 和 GPIOA 都要开 */ __HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE(); __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); /* 2. PA6 -> TIM3_CH1，PA7 -> TIM3_CH2 编码器开漏输出时内部上拉只能临时用，长线建议外部上拉 */ GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7; GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT; GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP; HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct); /* 3. 定时器基础参数：编码器模式不需要预分频，ARR 给满 */ htim3.Instance = TIM3; htim3.Init.Prescaler = 0; htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; htim3.Init.Period = 0xFFFF; htim3.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1; htim3.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE; /* 4. 编码器接口：TI12 模式，A/B 双边沿都计数，等于四倍频 */ sConfig.EncoderMode = TIM_ENCODERMODE_TI12; sConfig.IC1Polarity = TIM_ICPOLARITY_RISING; sConfig.IC1Selection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI; sConfig.IC1Prescaler = TIM_ICPSC_DIV1; sConfig.IC1Filter = 6; sConfig.IC2Polarity = TIM_ICPOLARITY_RISING; sConfig.IC2Selection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI; sConfig.IC2Prescaler = TIM_ICPSC_DIV1; sConfig.IC2Filter = 6; if (HAL_TIM_Encoder_Init(&htim3, &sConfig) != HAL_OK) { Error_Handler(); /* 工程里的错误处理函数 */ } /* 5. 启动编码器接口，并把计数器清到 0 */ HAL_TIM_Encoder_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_ALL); __HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim3, 0); } /* 读当前 16 位计数，按有符号解释，便于看正反转 */ int16_t Encoder_GetCount(void) { return (int16_t)__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim3); } /* 读定时器方向位：1 表示向上计数，-1 表示向下计数 */ int8_t Encoder_GetDir(void) { return __HAL_TIM_IS_TIM_COUNTING_DOWN(&htim3) ? -1 : 1; }

这段代码的关键参数不多，但每个都影响读数：

EncoderMode选TI12是四倍频的关键。如果只选TI1，只有 A 相参与计数，分辨率会降下来，方向判断也不如 TI12 稳。滤波器取 6 是线长和响应之间的折中；编码器线很短、信号干净时可以降到 2 到 4，电机干扰大、线长超过半米时可以往 8 到 10 调，但不要直接拉满 15，高速时相位延迟会让你看到计数滞后。

Encoder_GetCount返回int16_t，是把 0 到 65535 的计数器按有符号解释。正转超过 32767 会变成负数，反转低于 0 会回到 65535 附近。这个特性不是 bug，后面做差值累计时正好用它处理回绕。Encoder_GetDir读的是定时器 CR1 的 DIR 位，电机停止时这个位可能保持上一次方向，所以方向判断更适合用两次计数的差值符号，DIR 位只做辅助。

3.2 用差值读方向，别直接拿绝对计数做位置

直接读Encoder_GetCount()适合看瞬时计数，但做位置累计和方向判断时，我一般用两次读数的差值：

static int16_t last_count = 0; static int32_t total_count = 0; void Encoder_Update(void) { int16_t now = (int16_t)__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim3); int16_t delta = (int16_t)(now - last_count); /* 利用 int16_t 回绕处理溢出 */ last_count = now; total_count += delta; } int32_t Encoder_GetTotal(void) { return total_count; } int8_t Encoder_GetDeltaDir(void) { int16_t now = (int16_t)__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim3); int16_t delta = (int16_t)(now - last_count); if (delta > 0) return 1; if (delta < 0) return -1; return 0; /* 本次采样没动，方向保持上一次的值由上层决定 */ }

delta用int16_t相减，是因为 16 位计数器从 65535 回 0 时，直接做无符号减法会得到很大的正数；转成有符号差值后，回绕会变成 -1 或 +1，累计不会跳变。total_count用int32_t，1000 线四倍频下约 4000 计数每转，int32_t能记一百万转左右，短时间够用；如果长时间运行，需要定期清零或换成 64 位累计。Encoder_GetDeltaDir里 delta 为 0 时返回 0，是为了让上层知道“这次没动”，不要用 0 去覆盖上一次方向。

3.3 串口打印第一轮验证

初始化完成后，先用串口把计数和方向打出来，确认硬件通路再往下做测速。主循环里每 200ms 打印一次，手动转编码器看变化：

#include <stdio.h> int main(void) { HAL_Init(); SystemClock_Config(); MX_USART1_UART_Init(); /* 串口按你的工程配置，115200 8N1 即可 */ Encoder_TIM3_Init(); int16_t last_print = 0; while (1) { HAL_Delay(200); int16_t now = Encoder_GetCount(); int16_t delta = (int16_t)(now - last_print); last_print = now; printf("count=%d delta=%d dir=%d\r\n", now, delta, Encoder_GetDir()); } }

打印结果里，手动正转时count应该持续增加，反转持续减少，delta的符号跟着方向变。如果count不动，先查HAL_TIM_Encoder_Start有没有调用、GPIO 时钟和定时器时钟有没有开、A/B 是不是接在 PA6/PA7。如果count跳得厉害，回到第 2 章查上拉和共地。如果方向反了但计数稳定，交换 A/B 或者把IC1Polarity和IC2Polarity其中一个改成FALLING，不要改线改到一半又改代码，最后自己都记不清。

注意：printf重定向和串口初始化因工程而异，上面只保留验证逻辑。串口波特率太高、打印太频繁会占用 CPU，第一轮验证用 200ms 一次足够。

4. 从计数值到 RPM：10ms 采样、16 位溢出补偿与测速公式

计数稳定之后，下一步是把计数值变成转速。这里最容易出的问题不是公式写错，而是采样周期和计数器溢出没对齐：低速时 10ms 内没有计数，显示一直是 0；高速时一个采样周期跨过 65535，差值突然变成很大的负数。先把公式和溢出处理写清楚，再谈滤波。

4.1 M 法测速公式与四倍频系数

编码器铭牌上的 PPR 是每转脉冲数，通常指单相每转脉冲数。TIM3 用 TI12 模式后，A/B 的上升沿和下降沿都计数，实际每转计数是4 * PPR。如果在固定时间Δt内读到差值Δcount，转速换算成 RPM 是：

RPM = Δcount * 60 / (4 * PPR * Δt)

其中Δt单位是秒。若采样周期用毫秒Tms，公式变成：

RPM = Δcount * 60000 / (4 * PPR * Tms)

举个例子，PPR=1000，Tms=10，Δcount=1 时，RPM = 1 * 60000 / (4 * 1000 * 10) = 1.5。也就是说 10ms 采样下，1000 线编码器的测速分辨率是 1.5 RPM。这个分辨率在低速段很粗：电机转 1 RPM 时，10ms 内可能一个计数都没有，读数会在 0 和 1.5 之间跳。要改善低速分辨率，可以加长采样周期，或者低速段改用 T 法测脉冲周期；高速段再用 M 法。实际工程里常见做法是 M 法和 T 法结合，低速用 T 法保证分辨率，高速用 M 法保证实时性。

4.2 10ms 定时采样与溢出补偿代码

用一个 100Hz 的定时器中断做采样，TIM1 配 10ms 更新中断即可。72MHz 下分频和重装值可以这样算：72MHz / (PSC+1) / (ARR+1) = 100Hz，例如 PSC=7199、ARR=99，得到 100Hz。采样中断里读 TIM3 计数，用int16_t差值处理回绕，再累计到int32_t：

#define ENCODER_PPR 1000.0f #define SPEED_SAMPLE_MS 10.0f volatile int32_t g_encoder_total = 0; volatile int16_t g_encoder_last = 0; volatile float g_speed_rpm = 0.0f; volatile int8_t g_speed_dir = 0; /* TIM1 10ms 更新中断回调，HAL 里重写这个弱函数 */ void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) { if (htim->Instance == TIM1) { int16_t now = (int16_t)__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim3); int16_t delta = (int16_t)(now - g_encoder_last); g_encoder_last = now; /* 累计位置，int32_t 不够时再换 int64_t 或定期清零 */ g_encoder_total += delta; /* M 法测速：Δcount * 60000 / (4 * PPR * Tms) */ g_speed_rpm = (float)delta * 60000.0f / (4.0f * ENCODER_PPR * SPEED_SAMPLE_MS); /* 只有本次有计数才更新方向，静止时保持上一次方向 */ if (delta > 0) { g_speed_dir = 1; } else if (delta < 0) { g_speed_dir = -1; } } }

这段代码里，delta是本次 10ms 的计数差，g_encoder_total是累计位置。g_speed_rpm的符号由 delta 决定，负值表示反转。g_speed_dir在 delta 为 0 时不更新，避免电机静止时方向在 0 和上一次方向之间乱跳。ENCODER_PPR要按你手里编码器的铭牌改，不要拿一个“大概是 1000”的值直接跑；PPR 差一倍，转速就差一倍。

g_encoder_total用int32_t在 1000 线、4000 计数每转下能记约 53 万转，短时够用。如果设备连续运行几天，累计会溢出，常见做法是上位机按圈数取模，或者在 Z 相归零时清零。不要用int16_t做总位置，16 位在高速下几秒就回绕一次。

4.3 低速抖动和高速丢数的处理边界

10ms 采样下，低速抖动是 M 法的固有缺陷，不是代码写错了。1000 线编码器 1.5 RPM 的分辨率意味着 1 RPM 附近读数会在 0 和 1.5 之间跳。要压住显示抖动，可以加滑动平均，但平均会带来滞后，电机闭环里要谨慎。简单的 5 点平均可以这样写：

#define SPEED_FILTER_N 5 static float speed_buf[SPEED_FILTER_N]; static uint8_t speed_idx = 0; float Speed_Filter(float new_speed) { speed_buf[speed_idx] = new_speed; speed_idx = (speed_idx + 1) % SPEED_FILTER_N; float sum = 0.0f; for (uint8_t i = 0; i < SPEED_FILTER_N; i++) { sum += speed_buf[i]; } return sum / SPEED_FILTER_N; }

滑动平均适合显示和慢速监控，不适合高动态闭环。高速段如果发现计数丢段，先看采样周期是不是太长：3000 RPM、1000 线时 10ms 内约 2000 个计数，离 32767 还很远，一般不会因 int16_t 差值溢出；但如果你把采样周期放到 100ms，高速时差值可能超过 32767，int16_t差值会翻符号，转速突然变负。这种“高速变负”不是编码器问题，是采样周期和数据类型没对齐。采样周期越短，实时性越好，但低速分辨率越差；采样周期越长，低速分辨率越好，但高速容易溢出。10ms 是 1000 线、几千 RPM 场合的常用折中，实际项目按最高转速和最低可测转速两头算一遍再定。

5. 避坑排查：编码器读数跳变、丢脉冲、溢出翻车的 5 个现场

编码器程序调不通，很多时候不是定时器配置错，而是硬件边界和数据类型没对齐。下面这五类现场是按“先电源地、再电平、再接线、再滤波、最后软件溢出”的顺序整理的，照着查能少走弯路。

5.1 先看现象再拆原因：五类故障的定位顺序

拿到一个读数异常的现象，我一般先分三类：静止时是否稳定、手动转是否单调、电机转是否丢数。静止不稳定，优先查上拉、共地、电源；手动转不单调，查 A/B 线序、滤波、编码器本身；电机一转就出错，查动力线干扰、电平匹配、采样周期。不要一上来改代码，代码改多了最后不知道是哪一版好的。

5.2 五条现场记录：从现象到解决

1. 现象：静止时计数在 0 和 1 之间跳，电机一转就多出几百。原因：编码器是开漏输出，只靠 F103 内部上拉，线长后边沿变缓，干扰被当成脉冲。解决：在编码器侧加 4.7kΩ 到 10kΩ 外部上拉，A/B 用双绞线，屏蔽层单端接地，先别动滤波器。

2. 现象：手动慢转计数单调，但快速转时偶尔丢一段，换向时尤其明显。原因：IC 滤波器设得太大，相位延迟把高速边沿吃掉了；也可能是编码器供电不稳。解决：把 IC1Filter/IC2Filter 从 10 降到 4 到 6，示波器看 A/B 边沿和电源纹波，先保证边沿干净再调滤波。

3. 现象：正转时计数偶尔回退，delta 一正一负。原因：A/B 相序接反或者其中一相接触不良，硬件解码在相位临界点判断方向出错。解决：交换 A/B 看方向是否稳定；用万用表测线序和插头压接，确认没有虚接。线序问题不要靠软件取绝对值掩盖。

4. 现象：电机运行几秒后计数突然从 60000 多跳到负数，位置累计跟着翻车。原因：TIM3 是 16 位计数器，直接拿无符号绝对计数做位置，回绕时没处理。解决：用int16_t差值累计，像第 4 章那样每次读now - last再转有符号；总位置用int32_t，长时间运行加 Z 相归零或定期清零。

5. 现象：电机一启动，单片机复位或者串口乱码，编码器计数也跟着乱。原因：5V 编码器信号直接进 3.3V 引脚，或者电机动力线和编码器线捆在一起，地弹把 IO 打穿。解决：确认引脚 5V 容忍再决定是否直连，不确定就加电平转换；编码器电源和电机电源分开，必要时加光耦隔离，电机地和控制地单点连接。

这五条里，前三条

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