檢測係統硬件組成

OM02光學傳感器芯片及鼠標控製器

這款光學COMS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。他集成有數字信號處理器（DSP）、雙通道正交輸出端口等。在芯片底部有一個感光眼，能夠不斷的對物體進行拍照，並將前後兩次圖像送入DSP中進行處理，得到移動的方向和距離。DSP產生的位移值，轉換成雙通道正交信號
，配合鼠標控製器
，將雙通道正交信號轉結成單片機能夠處理的PS/2數據格式。設備安裝在一套塑料的光學透鏡設備上，並一個配備有一個高強度的LED。此外
，他可提供高達400點/英寸的分辨率以及16英寸/秒以內的速度檢測。

圖1為鼠標芯片的安裝裝配圖。因OM02芯片為COMS型傳感器，因此必須配備有與之相適應的高強度發光二極管
，發射角度與底板夾角30。~45。 範圍內。在標準安裝配合後，底板距離工作表麵的有效距離在0mm~2mm內，OM02芯片可進行正常的數據接收檢測。

 
圖1：鼠標芯片傳感器裝配圖

檢測控製原理

本係統采用全閉環控製方式，如下圖圖2，將鼠標檢測到位移增量反饋回單片機，並進行數字式PID控製，運算結果通過D/A轉換芯片傳給變頻器，從而控製電機的轉速。

 
圖2：光電鼠標檢測控製原理框圖

本實驗係統主要由原動機、傳動部分、執行部分和控製部分組成。機械傳動係統作為機器的重要組成部分,不僅應能實現預期功能,而且應具有良好性能。為此,本實驗采用三相交流異步電機（Y2-63M1-4型，0.12KW）、變頻器（富士FRN0.4C1S-4C），30:1蝸輪蝸杆減速器
、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設備的主要的傳動及執行部分。通過單片機調整數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。

單片機程序設計

鼠標通信協議原理

鼠標與單片機的數據通信方式采用PS/2通信協議。

PS/2鼠標的物理接口為6腳圓形接口

，使用中隻需1引腳Data、3引腳GND
、4引腳+5VPower和5引腳Clock這4個引腳即可。

鼠shu標biao履lv行xing一yi種zhong雙shuang向xiang同tong步bu串chuan行xing通tong信xin協xie議yi，在zai時shi鍾zhong信xin號hao的de作zuo用yong下xia串chuan行xing發fa送song或huo者zhe接jie受shou數shu據ju。通tong常chang情qing況kuang下xia
，單dan片pian機ji在zai總zong線xian上shang具ju有you總zong線xian控kong製zhi優you先xian權quan

，可ke在zai任ren何he時shi候hou抑yi製zhi來lai自zi於yu鼠shu標biao的de通tong信xin。從cong鼠shu標biao到dao單dan片pian機ji的de數shu據ju在zai時shi鍾zhong的de下xia降jiang沿yan被bei讀du取qu
，相xiang反fan，單dan片pian機ji到dao鼠shu標biao的de數shu據ju在zai時shi鍾zhong的de上shang升sheng沿yan被bei讀du取qu。時shi鍾zhong信xin號hao總zong由you鼠shu標biao內nei部bu芯xin片pian提ti供gong
，時shi鍾zhong頻pin率lv一yi般ban在zai10~20KHz。

單片機對鼠標的通信

根據協議要求，單片機對鼠標的控製隻需把時鍾線拉低最少100us以上來禁止其通信
，單片機拉低數據線使之處於請求發送狀態。如圖3所示，當時鍾線升為高電平後被PS/2設備重新拉低，可開始單片機向鼠標的通信。

 
圖3：單片機對PS/2設備通訊時序

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鼠標對單片機的通信

因單片機對總線具有控製權，當鼠標要向單片機發送信息時，必須先檢查時鍾線是否為高電平。如圖4所示，當時鍾線出現高電平，數據線出現低電平，表明鼠標請求發送，單片機可以接受來自鼠標的數據。

 
圖4：鼠標對單片機通訊時序

單片機發送的控製數據

按照鼠標的PS/2協議規範

，實際編程時先對鼠標發送0xff使其複位
，默認采樣頻率為100次/秒，縮放比例1：1，數據報告禁止。使用0xea命令進入stream模式、使用0xe8，0x03命令設置解析度為8點/毫米。使用0xf4命令使能數據報告。配合AT89S51單片機的定時器功能，將其時間常數設置為0.1s，每次中斷時發送0xeb命令讀取位移數據信息
，每發出一次，單片機接收到的位移數據包都包含有位移信息和按鍵動作信息。具體格式為表1所示。編譯時也隻需提取X3的有效數據包即Y方向位移增量

PID控製軟件算法

使用神經網絡PID自適應控製對係統進行matlab的仿真測試
，效果頗令人滿意。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的增加
，造成時間上的不確定因素增大，同比使用增量型PID控製，盡管後者需調整三個控製參數
，但同樣可使精度達到我們預期的效果，運算時間則大幅度下降，為此仍可選用增量型PID算法作為控製。算法增量式數字PID的控製算法為:
U(k)=U(k-1)+*(e(k)-e(k-1))+*e(k)+*(e(k)-2e(k-1)+ e(k-2))

其中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機上實時調節PID的kp
，ki
，kd參數。

上位機監測設計

通過單片機的串口發送

，在LabVIEW中編寫程序來完成PC 機控製數據通信設備進行數據交換，直接通過串口接收外部數據並進行圖形顯示，並可以將數據存放在txt文件當中。在Labview中主要是通過VISA控件實現串行口直接數據通信
，通過RS-232串行接口和Labview實現數據的通信。

 
圖5：帶運動時間位移圖

使用read string控kong件jian可ke以yi用yong來lai顯xian示shi。數shu據ju接jie收shou並bing非fei連lian續xu不bu斷duan的de接jie收shou，而er是shi通tong過guo一yi定ding的de延yan時shi。為wei實shi現xian不bu間jian斷duan的de接jie收shou單dan片pian機ji發fa送song的de串chuan口kou數shu據ju包bao，須xu將jiang前qian麵mian的de寫xie和he延yan時shi都dou去qu掉diao。因yin串chuan口kou接jie收shou到dao的de數shu據ju是shi字zi符fu型xing的de
，通tong過guo強qiang製zhi轉zhuan換huan將jiang數shu據ju轉zhuan換huan為wei單dan精jing度du整zheng型xing。創chuang建jian數shu組zu將jiang數shu據ju和he數shu組zu初chu始shi化hua相xiang結jie合he得de到dao一yi個ge完wan整zheng的de數shu組zu
，通tong過guoWaveform graph控件以及移位寄存器即可實現上位機的實時顯示與記錄。

檢測控製性能評價

PS/2接口最大的始終頻率是33kHz。本實驗單片機使用12MHz的晶振
，可輕鬆完成接口功能。但受其芯片的特性的影響，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，鼠標傳輸的誤碼率將有所上升
，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，精度誤差和程序穩定性將大為好轉。

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、準確性高而且使用方便，再配合單片機的數字式PID控製以及labview軟件的圖形檢測
，可以很好的對速度要求較低

、要yao求qiu精jing度du不bu是shi非fei常chang高gao的de設she備bei進jin行xing改gai裝zhuang，使shi其qi達da到dao輸shu出chu速su度du穩wen定ding。又you因yin為wei光guang電dian鼠shu標biao技ji術shu已yi趨qu於yu成cheng熟shu，在zai一yi般ban分fen辨bian率lv的de情qing況kuang下xia下xia對dui檢jian測ce表biao麵mian的de要yao求qiu不bu高gao，在zai比bi較jiao惡e劣lie的de工gong況kuang下xia仍reng可ke保bao證zheng運yun行xing無wu障zhang礙ai。而er近jin些xie年nian所suo推tui出chu的de激ji光guang鼠shu標biao
，其qi分fen辨bian率lv可ke達da到dao0.01毫米
，效果甚佳。該實驗在北京某半導體企業進行了現場測試，效果理想。