光電鼠標傳感器的精密測量與控制系統(tǒng) ※下載

摘要 對于普通的帶傳動裝置進行較高精度的速度控制，傳統(tǒng)的檢測及控制器件未必能讓人滿意。光電鼠標芯片因以其高精度、低現(xiàn)場環(huán)境要求、低價格等因素非常適用于位置檢測場合。鑒于此，結合光電鼠標芯片與AT89S51單片機，通過對普通帶傳動裝置的改進，可使其傳動做到快速、穩(wěn)定、準確。測試表明，這種檢測及控制方式是行之有效的。

關鍵詞? PS/2協(xié)議? 低速? PID控制? 單片機接口? 光學鼠標? 速度測量

引言

　　帶傳動是工業(yè)生產(chǎn)中普遍使用的傳輸裝置，其常用的速度檢測裝置是安裝在電機旋轉端的光電編碼器；但設備在長期使用中，因磨損等不可預計情況，使得電機轉速與帶傳動速度出現(xiàn)嚴重的不一致。這種半閉環(huán)控制方式在需要較高精度的帶傳動速度控制上誤差很大。光柵尺等因價格昂貴、對現(xiàn)場環(huán)境要求高，往往對于普通工況中帶傳動裝置的改裝并不很適用。鑒于此，本文提出了使用一般商用的光電鼠標代替?zhèn)鹘y(tǒng)的檢測器件的方法，通過AT89S51單片機實現(xiàn)現(xiàn)場的PID控制，使帶傳動速度達到滿意的要求。

1? 檢測系統(tǒng)硬件組成

1.1? OM02光學傳感器芯片及鼠標控制器

　　這款光學CMOS傳感器是一款針對個人計算機所配置的非接觸式光電鼠標芯片，集成有數(shù)字信號處理器（DSP）、雙通道正交輸出端口等。在芯片底部有一個感光眼，能夠不斷地對物體進行拍照，并將前后兩次圖像送入DSP中進行處理，得到移動的方向和距離。DSP產(chǎn)生的位移值，轉換成雙通道正交信號，配合鼠標控制器，將雙通道正交信號轉化成單片機能夠處理的PS/2數(shù)據(jù)格式。設備安裝在一套塑料的光學透鏡設備上，并配有一個高強度的LED。此外，它可提供高達400點/in的分辨率以及16 in/s以內(nèi)的檢測速度。

　　圖1為鼠標芯片傳感器的裝配圖。因OM02芯片為CMOS型傳感器，因此必須配有與之相適應的高強度發(fā)光二極管，發(fā)射角度（與底板之間的夾角)為30°~45°。在標準安裝配合后，底板距離工作表面的有效距離在0~2 mm內(nèi)，OM02芯片可進行正常的數(shù)據(jù)接收檢測。

圖1? 鼠標芯片傳感器裝配圖

1.2? 檢測控制原理及系統(tǒng)硬件設計

　　本系統(tǒng)采用全閉環(huán)控制方式，如圖2所示。將鼠標檢測到的位移增量反饋回單片機，并進行數(shù)字式PID控制，然后將運算結果通過D/A轉換芯片傳給變頻器，進而控制電機的轉速。

圖2? 光電鼠標檢測控制原理框圖

　　系統(tǒng)主要由電動機、傳動部分、執(zhí)行部分和控制部分組成。機械傳動系統(tǒng)作為機器的重要組成部分,不僅應能實現(xiàn)預期功能,而且應具有良好性能。為此,采用三相交流異步電機（Y263M14型，0.12 kW）、變頻器（富士FRN0.4C1S4C）、30∶1蝸輪蝸桿減速器、v型B相帶傳輸裝置、P204型球軸承及軸承座等作為模擬工業(yè)設備的主要傳動及執(zhí)行部分。通過單片機調(diào)整數(shù)模轉換器的輸出電壓U，可改變變頻器的輸出頻率，從而改變電機轉速。

2? 單片機程序設計

2.1? 鼠標通信協(xié)議原理

　　鼠標與單片機的數(shù)據(jù)通信方式采用PS/2通信協(xié)議。PS/2鼠標的物理接口為6腳圓形接口。使用中只需第1引腳Data、第3引腳GND、第4引腳+5VPower和第5引腳Clock這4個引腳即可。

　　鼠標履行一種雙向同步串行通信協(xié)議，在時鐘信號的作用下串行發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)。通常情況下，單片機在總線上具有總線控制優(yōu)先權，可在任何時候抑制來自于鼠標的通信。從鼠標到單片機的數(shù)據(jù)在時鐘的下降沿被讀?。幌喾?，單片機到鼠標的數(shù)據(jù)在時鐘的上升沿被讀取。時鐘信號總由鼠標內(nèi)部的芯片提供，時鐘頻率一般在10~20 kHz。

（1） 單片機對鼠標的通信
　　根據(jù)協(xié)議要求，單片機對鼠標的控制只需把時鐘線拉低最少100 μs以上來禁止其通信，并且單片機拉低數(shù)據(jù)線使之處于請求發(fā)送狀態(tài)。如圖3所示，時鐘線升為高電平后被PS/2設備重新拉低，即可開始單片機向鼠標的通信。

圖3? 單片機對PS/2設備通信的時序

（2） 鼠標對單片機的通信
　　因單片機對總線具有控制權，當鼠標要向單片機發(fā)送信息時，必須先檢查時鐘線是否為高電平。如圖4所示，當時鐘線出現(xiàn)高電平、數(shù)據(jù)線出現(xiàn)低電平時，表明鼠標請求發(fā)送，單片機可以接收來自鼠標的數(shù)據(jù)。

圖4? 鼠標對單片機通信的時序

（3） 單片機發(fā)送的控制數(shù)據(jù)
　　按照鼠標的PS/2協(xié)議規(guī)范，實際編程時先對鼠標發(fā)送0xff使其復位，默認采樣頻率為100次/s，縮放比例為1∶1，數(shù)據(jù)報告禁止。使用0xea命令進入stream模式，使用0xe8、0x03命令設置解析度為8點/mm，使用0xf4命令使能數(shù)據(jù)報告。配合AT89S51單片機的定時器功能，將其時間常數(shù)設置為0.1 s，每次中斷時發(fā)送0xeb命令讀取位移數(shù)據(jù)信息，每發(fā)出一次，單片機接收到的位移數(shù)據(jù)包都包含有位移信息和按鍵動作信息。具體格式如表1所列。編譯時也只需提取X3的有效數(shù)據(jù)包即Y方向位移增量。

表1? 3D型鼠標接收數(shù)據(jù)格式

2.2? PID控制軟件算法

　　對該交流變頻調(diào)速系統(tǒng)建模，首先取電壓輸入為一個隨機值，再測得其轉速值。取兩個數(shù)值構成一個數(shù)據(jù)對，然后對大量數(shù)據(jù)對用Matlab仿真求得其幅頻特性和相頻特性，并且對其幅頻特性和相頻特性進行相似的擬合。根據(jù)擬合的曲線可以近似求得其傳遞函數(shù)為：

　　使用神經(jīng)網(wǎng)絡PID自適應控制對系統(tǒng)進行Matlab的仿真測試，效果令人滿意。但因其輸入層、隱含層、輸出層的多階矩陣運算使得單片機的運算時間大幅度增加，造成時間上的不確定因素增大；同比使用增量型PID控制，盡管后者需調(diào)整3個控制參數(shù)，但同樣可使精度達到預期的效果，運算時間也大幅度下降，為此選用增量型PID算法作為控制算法。

　　增量式數(shù)字PID的控制算法為:

　　其中kp為比列系數(shù)，ki為積分系數(shù)，kd為微分系數(shù)；e(k)為當前位移增量與上一次位移增量的變化量； 同理，e(k-1)、e（k-2）各為往前時間間隔的位移變化量。

　　利用單片機串行中斷接收功能，可在PC機上實時在線調(diào)節(jié)PID的kp、ki、kd參數(shù)。

3? 上位機監(jiān)測設計

　　通過單片機的串口發(fā)送端，在LabVIEW中編寫程序來完成PC 機與數(shù)據(jù)通信設備的數(shù)據(jù)交換，直接通過串口接收外部數(shù)據(jù)并進行圖形顯示，并可將數(shù)據(jù)存放在txt文件當中。在LabVIEW中主要是使用VISA控件實現(xiàn)串行口直接數(shù)據(jù)通信，通過RS232串行接口和LabVIEW實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。

圖5? 帶運動的時間位移圖

　　使用read string控件對數(shù)據(jù)進行接收，并通過Waveform graph控件就可以顯示實時波形。在LabVIEW中自帶的范例中，數(shù)據(jù)的接收并非是連續(xù)不斷的，而要通過一定的延時；因此，為了不間斷地接收單片機發(fā)送的串口數(shù)據(jù)包，須將前面的寫和延時都去掉。因串口接收到的數(shù)據(jù)是字符型的，而我們所需要的是整型數(shù)據(jù)，因此可通過強制轉換將數(shù)據(jù)轉換為單精度整型。創(chuàng)建數(shù)組，將數(shù)據(jù)和數(shù)組初始化相結合得到一個完整的數(shù)組，通過Waveform graph控件以及移位寄存器即可實現(xiàn)上位機的實時顯示與記錄。

4? 檢測控制性能評價

　　PS/2接口最大的使用頻率是33 kHz。本實驗單片機使用12 MHz的晶振，可輕松實現(xiàn)接口功能。但受其芯片特性的影響，盡管OM02的鼠標芯片最高可使用的分辨率為400DPI,但在使用較高分辨率的情況下，鼠標傳輸?shù)恼`碼率將有所上升，其位移精度也將受到質疑。為保證位移量的準確性，采用200DPI的分辨率，配合看門狗，精度誤差和程序穩(wěn)定性將大為好轉。

　　測試結果如圖5所示，圖中縱坐標為位移增量點，每一點為0.125 mm。帶在較低速的運行中盡管存在速度的上下跳動變化，但跳動量較小。圖中帶速度的設定值為32點，即40.00? mm/s（靈敏度為0.125 mm/s），速度平均值為39.987mm/s（測量數(shù)據(jù)引自速度曲線剛開始穩(wěn)定時的前1000個時間點）。因其光電鼠標傳感器在正常工作環(huán)境中使用，系統(tǒng)呈線性變化，對此可引入速度修正系數(shù)k，以提高檢測精確度。

結語

　　使用光電鼠標作為檢測帶運動的速度傳感器，其價格低廉、準確性高且使用方便，配合單片機的數(shù)字式PID編程控制以及LabVIEW虛擬儀器的圖形檢測顯示，可以很好地對速度要求較低、精度要求不太高的設備進行改裝，使其輸出速度穩(wěn)定。又因為光電鼠標技術已趨于成熟，一般情況下對檢測表面的粗糙度要求不高，在比較惡劣的工況下仍可保證運行無障礙。近些年所推出的激光鼠標，其分辨率可達到0.01 mm，效果甚佳。該實驗在某企業(yè)的生產(chǎn)部門進行了現(xiàn)場測試，效果理想。

　　編者注： 本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

參考文獻

[1] OM02 Optical Mouse sensor Data Sheet,2004.
[2] 趙玉昆.PS／2鼠標和單片機的接口[J]. 上海應用技術學院學報, 2004,4(1).
[3] 林鄧偉，刑文生. 光電鼠標芯片組在無接觸檢測運動物體中的應用[J]. 微計算機信息，2006,22(72).
[4] 宋健. 數(shù)字PID算法在噴霧機器人導航系統(tǒng)中的應用[J]. 濰坊學院學報，2003，3(6).

陳智博，主要研究方向為機械電子工程；
林永忠（本科），主要研究方向為自動檢測與控制；
蔡鐘山、劉聃（本科），主要研究方向為檢測技術與自動化裝置；
肖威威（本科），主要研究方向為機械制造及自動化。

（收修改稿日期：2008-10-18）