4. 信号采集与预处理：编码器信号的“净化”与“倍增”

各位同学，咱们接着聊。电梯平层精度要想做到毫米级，编码器信号的质量是根基。你想想看，如果信号本身都是抖的、毛刺多的，后面算法再牛也白搭。这一节，我就把编码器信号采集、抗抖动滤波和倍频技术这些实战经验，掰开了揉碎了讲给你听。

4.1 编码器信号（A/B/Z相）的采集要点

编码器输出三路信号：A相、B相和Z相。A和B相位差90度，用来判断方向和速度。Z相是零位脉冲，每转一圈出一个，用于绝对位置校准。

采集时，我个人习惯注意三点：

• 电气隔离：编码器线缆长，容易引入共模干扰。我建议用高速光耦或磁耦隔离，比如6N137或ISO7240。不隔离的话，干扰可能直接打坏MCU的IO口，我吃过这个亏。
• 上拉电阻：多数编码器是开集电极输出，必须加上拉电阻。阻值选4.7kΩ到10kΩ，具体看线长和速率。线长了选小一点，不然上升沿太缓。
• 硬件去抖：在进入MCU之前，加一个RC低通滤波，时间常数约1~10μs。这能滤掉大部分高频毛刺，减轻软件负担。

4.2 抗抖动滤波：中值滤波 vs 卡尔曼滤波

信号采集进来，抖动是难免的。电梯运行时的振动、电磁干扰，都会让脉冲边沿出现毛刺。怎么处理？我常用的两种方法：中值滤波和卡尔曼滤波。

4.2.1 中值滤波——简单粗暴但有效

中值滤波的原理很简单：连续采N个值，排序后取中间那个。比如连续采5个位置值，去掉最大最小，取中间3个的平均。这能有效抑制脉冲性的毛刺。

代码示例（C语言）：

// 中值滤波函数，窗口大小5
uint16_t median_filter(uint16_t new_value) {
    static uint16_t buffer[5] = {0};
    static uint8_t index = 0;
    uint16_t temp[5];
    uint8_t i, j;

    buffer[index++] = new_value;
    if (index >= 5) index = 0;

    // 拷贝到临时数组并排序
    for (i = 0; i < 5; i++) temp[i] = buffer[i];
    for (i = 0; i < 4; i++) {
        for (j = i+1; j < 5; j++) {
            if (temp[i] > temp[j]) {
                uint16_t t = temp[i];
                temp[i] = temp[j];
                temp[j] = t;
            }
        }
    }
    return temp[2]; // 取中值
}

嗯，这里要注意：窗口大小选3或5就够了。选太大，响应会变慢，电梯急停时位置更新跟不上。

4.2.2 卡尔曼滤波——更平滑，但计算量大

卡尔曼滤波适合信号有随机噪声的场景。它通过预测和更新两步，不断修正估计值。说白了，就是“猜一个值，然后用测量值去修正”。

在电梯平层控制中，我一般只用一维卡尔曼滤波，状态量就是位置。公式不复杂：

// 一维卡尔曼滤波
typedef struct {
    float x;  // 估计值
    float p;  // 估计误差协方差
    float q;  // 过程噪声
    float r;  // 测量噪声
} kalman_1d_t;

float kalman_update(kalman_1d_t *kf, float z) {
    // 预测
    float p_pred = kf->p + kf->q;
    // 卡尔曼增益
    float k = p_pred / (p_pred + kf->r);
    // 更新
    kf->x = kf->x + k * (z - kf->x);
    kf->p = (1 - k) * p_pred;
    return kf->x;
}

4.3 信号倍频技术（4倍频）

编码器的物理分辨率有限，比如2500线的编码器，一圈才2500个脉冲。但电梯平层要求0.1mm精度，怎么办？用倍频技术。

4倍频的原理很简单：利用A相和B相的上升沿和下降沿，每个周期内可以检测到4个边沿变化。这样，分辨率就提高了4倍。2500线的编码器，4倍频后变成10000脉冲/圈。

实现方式：

• 硬件方式：用FPGA或CPLD，直接对A/B相边沿计数。速度快，不占CPU资源。
• 软件方式：用MCU的外部中断，捕获A/B相的边沿。我建议用定时器输入捕获模式，效率更高。

软件4倍频代码思路：

// 假设A相接INT0，B相接INT1
// 每次中断记录当前A/B电平，判断方向并计数

volatile int32_t encoder_count = 0;

void EXTI0_IRQHandler(void) { // A相中断
    uint8_t a = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_0);
    uint8_t b = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_1);
    if (a == b) {
        encoder_count++; // 正转
    } else {
        encoder_count--; // 反转
    }
    EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);
}

void EXTI1_IRQHandler(void) { // B相中断
    uint8_t a = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_0);
    uint8_t b = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_1);
    if (a != b) {
        encoder_count++; // 正转
    } else {
        encoder_count--; // 反转
    }
    EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line1);
}

好了，信号采集和预处理就讲到这里。下一节我们聊聊如何用这些干净的信号做速度估算和位置闭环。记住一句话：信号质量决定控制下限，滤波和倍频是基本功，别偷懒。