光电鼠标传感器的精密测量与控制系统 - 嵌入式设计应用 - 电子发烧友网

传统的检测和控制设备可能不令人满意。光电鼠标芯片非常适用于位置检测场合，因为它具有高精度、低现场环境要求、低价格等因素。有鉴于此，结合光电鼠标芯片AT89S51单片机通带式传动装置，51单片机可以使其传动快速、稳定、准确。试验表明，这种试验和控制方法是有效的。

关键词 PS/2协议 低速 PID控制 单片机接口 光学鼠标 速度测量

引言

带式传动是工业生产中常用的传动装置，其常用的速度检测装置是安装在电机旋转端的光电编码器；但在长期使用中，由于磨损等不可预测的情况，电机转速与带式传动速度严重不一致。这种半闭环控制模式在高精度皮带传动速度控制上存在很大的误差。由于光栅尺价格昂贵，对现场环境要求高，通常不适普通工况下带式传动装置的改造。鉴于此，本文提出了用普通商用光电鼠标代替传统检测设备的方法AT89S51单片机实现现场PID控制，使带传动速度满足满意要求。

1 检测系统的硬件组成

1.1 OM光学传感器芯片和鼠标控制器

这款光学CMOS传感器是一种集数字信号处理器为一体的非接触式光电鼠标芯片(DSP)、双通道正交输出端口等。芯片底部有一个感光眼，可以不断拍照，并将前后图像发送到DSP处理，得到移动的方向和距离。DSP位移值转换为双通道正交信号，用鼠标控制器将双通道正交信号转换为单片机可处理的PS/2数据格式。设备安装在一套高强度的塑料光学透镜设备上LED。此外，它还可以提供高达400点/in分辨率和16 in/s内部检测速度。

图1是鼠标芯片传感器的组装图。OM02芯片为CMOS型式传感器必须配备高强度发光二极管，发射角度（与底板之间的夹角）为30°~45°。在标准安装配合后，底板距离工作表面的有效距离在0~2 mm内，OM02芯片可以进行正常的数据接收检测。

图1 鼠标芯片传感器装配图

1.2 检测控制原理及系统硬件设计

该系统采用全闭环控制方法，如图2所示。将鼠标检测到的位移增量反馈给单片机，并进行数字化PID控制，然后通过控制计算结果D/A将芯片转换为变频器，然后控制电机的速度。

图2 光电鼠标检控原理框图

该系统主要由电机、传动部件、执行部件和控制部件组成。机械传动系统作为机器的重要组成部分，不仅要实现预期的功能，而且要具有良好的性能。为此，采用三相交流异步电机(Y263M14型，0.12 kW)、变频器(富士FRN0.4C1S4C)、30∶蜗杆减速器1，v型B相带传输装置，P204球轴承和轴承座作为模拟工业设备的主要传动和执行部分。数模转换器的输出电压由单片机调整U，电机转速可以改变变频器的输出频率。

2 单片机程序设计

2.1 鼠标通信协议原理

鼠标和单片机的数据通信模式PS/2通信协议。PS/2鼠标的物理接口是6脚圆形接口。使用中只需要第一引脚Data、第3引脚GND、第4引脚 5VPower和第5引脚Clock这四个引脚就可以了。

鼠标在时钟信号的作用下，履行双向同步串行通信协议，串行发送或接收数据。通常，单片机在总线上有优先控制总线，可以随时抑制鼠标的通信。从鼠标到单片机的数据在时钟下降的边缘读取；相反，单片机到鼠标的数据在时钟上升的边缘读取。时钟信号总是由鼠标内部的芯片提供的，时钟频率一般为10~20 kHz。

(1) 单片机通信鼠标

根据协议要求，单片机对鼠标的控制只需将时钟线降低至少100 μs禁止上述通信，单片机降低数据线，使其处于请求发送状态。如图3所示，时钟线升高到高电平PS/2设备再次降低，可以开始单片机通信鼠标。

图3 单片机对PS/2设备通信顺序

(2) 鼠标通信单片机

由于单片机对总线有控制权，当鼠标想要向单片机发送信息时，必须首先检查时钟线是否为高电平。如图4所示，当时钟线高电平，数据线低电平时，表示鼠标需要发送，单片机可以接收鼠标数据。

图4 鼠标通信单片机的时序

(3) 单片机发送的控制数据

按照鼠标的PS/2协议规范，鼠标在实际编程中发送0xff默认采样频率为100次/s，缩放比例为1∶禁止数据报告。xea命令进入stream模式，使用0xe8、0x03命令设置的分析为8点/mm，使用0xf4命令使数据报告能力。AT89S51单片机的定时器功能将其时间常数设置为0.1 s，每次中断时发送0xeb命令读取位移数据信息。每次发送时，单片机收到的位移数据包都包含位移信息和按键动作信息。具体格式如表1所列。编译时只需提取X3的有效数据包即Y方向位移增量。

表1 3D鼠标接收数据格式

2.2 PID控制软件算法

对于交流变频调速系统的建模，首先将电压输入到随机值，然后测量其转速值。将两个值组成一个数据对，然后使用大量数据Matlab仿真获得其振幅频率特性和相频特性，并对其振幅频率特性和相频特性进行类似的拟合。根据拟合曲线可以近似获得的传输函数为：

使用神经网络PID自适应控制系统Matlab模拟测试的效果令人满意。然而，由于输入层、隐含层和输出层的多阶矩阵操作，单片机的操作时间显著增加，导致时间不确定性增加；同比增量型PID控制，虽然后者需要调整三个控制参数，但也可以使精度达到预期效果，计算时间大大降低，因此选择增量型PID算法作为控制算法。

增量式数字PID控制算法为：

其中kp为比列系数，ki为积分系数，kd微分系数；e(k) 同样，e(k-1)、e(k-2)各为往前时间间隔的位移变化量。

可在单片机串行中断接收功能PC实时在线调整机器PID的kp、ki、kd参数。

3 上位机监控设计

在单片机的串口发送端LabVIEW编写程序完成PC 机器与数据通信设备之间的数据交换可以通过串口直接接收外部数据并显示图形，并存储数据txt在文件中LabVIEW中主要是使用VISA通过串行口直接数据通信实现控件RS232串行接口和LabVIEW实现数据通信。

图5 带运动的时间位移图

使用read string通过控件接收数据Waveform graph实时波形可以显示在控件中。LabVIEW在自己的例子中，数据的接收不是连续的，而是通过一定的延迟；因此，为了不断接收单片机发送的串数据包，必须删除之前的写作和延迟。由于串接收到的数据是字符型的，我们需要的是整形数据，数据可以通过强制转换转换为单精度整形。通过创建数组，将数据与数组初始化相结合，获得一个完整的数组Waveform graph实时显示和记录上位机的控件和移位寄存器。

4 检测控制性能评价

PS最大使用频率为33 kHz。12 MHz晶体振动可以很容易地实现接口功能。但由于其芯片特性，尽管OM02鼠标芯片分辨率为400DPI,然而，当使用高分辨率时，鼠标传输的误码率会增加，其位移精度也会受到质疑。DPI配合看门狗，精度误差和程序稳定性将大为好转。

测试结果如图5所示，图中纵坐标为位移增量点，每一点为0.125 mm。带在较低速的运行中尽管存在速度的上下跳动变化，但跳动量较小。图中带速度的设定值为32点，即40.00  mm/s(灵敏度为0.125 mm/s)，速度平均值为39.987mm/s(测量数据引自速度曲线刚开始稳定时的前1000个时间点)。因其光电鼠标传感器在正常工作环境中使用，系统呈线性变化，对此可引入速度修正系数k，以提高检测精确度。

结语

使用光电鼠标作为检测带运动的速度传感器，其价格低廉、准确性高且使用方便，配合单片机的数字式PID编程控制以及LabVIEW虚拟仪器的图形检测显示，可以很好地对速度要求较低、精度要求不太高的设备进行改装，使其输出速度稳定。又因为光电鼠标技术已趋于成熟，一般情况下对检测表面的粗糙度要求不高，在比较恶劣的工况下仍可保证运行无障碍。近些年所推出的激光鼠标，其分辨率可达到0.01 mm，效果甚佳。该实验在某企业的生产部门进行了现场测试，效果理想。

编者注： 本文为期刊缩略版，全文见本刊网站www.mesnet.com.cn。

参考文献

[1] OM02 OpTIcal Mouse sensor Data Sheet,2004.

[2] 赵玉昆.PS／2鼠标和单片机的接口[J]. 上海应用技术学院学报, 2004,4(1).

[3] 林邓伟，刑文生. 光电鼠标芯片组在无接触检测运动物体中的应用[J]. 微计算机信息，2006,22(72).

[4] 宋健. 数字PID算法在喷雾机器人导航系统中的应用[J]. 潍坊学院学报，2003，3(6).

陈智博，主要研究方向为机械电子工程；

林永忠(本科)，主要研究方向为自动检测与控制；

蔡钟山、刘聃(本科)，主要研究方向为检测技术与自动化装置；

肖威威(本科)，主要研究方向为机械制造及自动化。

(收修改稿日期：2008-10-18)