基于光電鼠標傳感器的帶速度精密測量及其控制系統

摘要：對于普通的帶傳動(dòng)裝置進(jìn)行較高精度的速度控制，傳統的檢測及控制器件未必能讓人滿(mǎn)意。光電鼠標芯片因以其高精度、低現場(chǎng)環(huán)境要求、價(jià)格低廉等因素非常適用于位置檢測場(chǎng)合。鑒于此，結合光電鼠標芯片與AT89S51單片機，通過(guò)對普通帶傳動(dòng)裝置的改進(jìn)，可使其達到快速、穩定、準確的傳動(dòng)速度。測試表明，這種檢測及控制方式是行之有效的。

引言
帶傳動(dòng)是工業(yè)生產(chǎn)中使用普遍的傳輸裝置，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(cháng)期使用中，因磨損等不可預計情況，使得電機轉速與帶傳動(dòng)速度出現嚴重的不一致。這種半閉環(huán)控制方式在需要較高精度的帶傳動(dòng)速度控制上誤差很大。光柵尺等因價(jià)格昂貴、對現場(chǎng)環(huán)境要求高，往往對于普通工況中的的帶傳動(dòng)裝置改裝并不很適用。鑒于此，本文提出了使用一般商用的光電鼠標代替傳統的檢測器件，通過(guò)AT89S51單片機實(shí)現現場(chǎng)的PID控制，使帶傳動(dòng)速度達到我們滿(mǎn)意的要求。

1.檢測系統硬件組成
1.1 OM02光學(xué)傳感器芯片及鼠標控制器
這款光學(xué)COMS傳感器是一款針對個(gè)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(gè)感光眼，能夠不斷的對物體進(jìn)行拍照，并將前后兩次圖像送入DSP中進(jìn)行處理，得到移動(dòng)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(xué)透鏡設備上，并一個(gè)配備有一個(gè)高強度的LED。此外，他可提供高達400點(diǎn)/英寸的分辨率以及16英寸/秒以?xún)鹊乃俣葯z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(fā)光二極管，發(fā)射角度與底板夾角30。~45。 范圍內。在標準安裝配合后，底板距離工作表面的有效距離在0mm~2mm內，OM02芯片可進(jìn)行正常的數據接收檢測。

1.2檢測控制原理
本系統采用全閉環(huán)控制方式，如下圖圖2，將鼠標檢測到位移增量反饋回單片機，并進(jìn)行數字式PID控制，運算結果通過(guò)D/A轉換芯片傳給變頻器，從而控制電機的轉速。

本實(shí)驗系統主要由原動(dòng)機、傳動(dòng)部分、執行部分和控制部分組成。機械傳動(dòng)系統作為機器的重要組成部分,不僅應能實(shí)現預期功能,而且應具有良好性能。為此,本實(shí)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)設備的主要的傳動(dòng)及執行部分。通過(guò)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。

2. 單片機程序設計
2.1 鼠標通信協(xié)議原理
鼠標與單片機的數據通信方式采用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1引腳Data、3引腳GND、4引腳+5VPower和5引腳Clock這4個(gè)引腳即可。
鼠標履行一種雙向同步串行通信協(xié)議，在時(shí)鐘信號的作用下串行發(fā)送或者接受數據。通常情況下，單片機在總線(xiàn)上具有總線(xiàn)控制優(yōu)先權，可在任何時(shí)候抑制來(lái)自于鼠標的通信。從鼠標到單片機的數據在時(shí)鐘的下降沿被讀取，相反，單片機到鼠標的數據在時(shí)鐘的上升沿被讀取。時(shí)鐘信號總由鼠標內部芯片提供，時(shí)鐘頻率一般在10~20KHz。
2.1.1 單片機對鼠標的通信
根據協(xié)議要求，單片機對鼠標的控制只需把時(shí)鐘線(xiàn)拉低最少100us以上來(lái)禁止其通信，并且單片機拉低數據線(xiàn)使之處于請求發(fā)送狀態(tài)。如圖3所示，當時(shí)鐘線(xiàn)升為高電平后被PS/2設備重新拉低，即可開(kāi)始單片機向鼠標的通信。

2.1.2 鼠標對單片機的通信
因單片機對總線(xiàn)具有控制權，當鼠標要向單片機發(fā)送信息時(shí)，必須先檢查時(shí)鐘線(xiàn)是否為高電平。如圖4所示，當時(shí)鐘線(xiàn)出現高電平，數據線(xiàn)出現低電平，表明鼠標請求發(fā)送，單片機可以接受來(lái)自鼠標的數據。

2.1.3單片機發(fā)送的控制數據
按照鼠標的PS/2協(xié)議規范，實(shí)際編程時(shí)先對鼠標發(fā)送0xff使其復位，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(jìn)入stream模式、使用0xe8，0x03命令設置解析度為8點(diǎn)/毫米。使用0xf4命令使能數據報告。配合AT89S51單片機的定時(shí)器功能，將其時(shí)間常數設置為0.1s，每次中斷時(shí)發(fā)送0xeb命令讀取位移數據信息，每發(fā)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(dòng)作信息。具體格式為表1所示。編譯時(shí)也只需提取X3的有效數據包即Y方向位移增量

2.2 PID控制軟件算法
使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )PID自適應控制對系統進(jìn)行matlab的仿真測試，效果頗令人滿(mǎn)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(shí)間大幅度的增加，造成時(shí)間上的不確定因素增大，同比使用增量型PID控制，盡管后者需調整三個(gè)控制參數，但同樣可使精度達到我們預期的效果，運算時(shí)間則大幅度下降，為此仍可選用增量型PID算法作為控制。算法
增量式數字PID的控制算法為:
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(shí)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(shí)時(shí)調節PID的kp，ki，kd參數。

3．上位機監測設計
通過(guò)單片機的串口發(fā)送，在LabVIEW中編寫(xiě)程序來(lái)完成PC 機控制數據通信設備進(jìn)行數據交換，直接通過(guò)串口接收外部數據并進(jìn)行圖形顯示，并可以將數據存放在txt文件當中。在Labview中主要是通過(guò)VISA控件實(shí)現串行口直接數據通信，通過(guò)RS-232串行接口和Labview實(shí)現數據的通信。

使用read string控件可以用來(lái)顯示。數據接收并非連續不斷的接收，而是通過(guò)一定的延時(shí)。為實(shí)現不間斷的接收單片機發(fā)送的串口數據包，須將前面的寫(xiě)和延時(shí)都去掉。因串口接收到的數據是字符型的，通過(guò)強制轉換將數據轉換為單精度整型。創(chuàng )建數組將數據和數組初始化相結合得到一個(gè)完整的數組，通過(guò)Waveform graph控件以及移位寄存器即可實(shí)現上位機的實(shí)時(shí)顯示與記錄。

4 檢測控制性能評價(jià)
PS/2接口最大的始終頻率是33kHz。本實(shí)驗單片機使用12MHz的晶振，可輕松完成接口功能。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(zhì)疑。為保證位移量的準確性，采用200DPI的分辨率，配合看門(mén)狗，精度誤差和程序穩定性將大為好轉。

5.結語(yǔ)
使用光電鼠標作為檢測帶運動(dòng)的速度傳感器，其價(jià)格低廉、準確性高而且使用方便，再配合單片機的數字式PID控制以及l(fā)abview軟件的圖形檢測，可以很好的對速度要求較低、要求精度不是非常高的設備進(jìn)行改裝，使其達到輸出速度穩定。又因為光電鼠標技術(shù)已趨于成熟，在一般分辨率的情況下下對檢測表面的要求不高，在比較惡劣的工況下仍可保證運行無(wú)障礙。而近些年所推出的激光鼠標，其分辨率可達到0.01毫米，效果甚佳。該實(shí)驗在北京某半導體企業(yè)進(jìn)行了現場(chǎng)測試，效果理想。