兩自由度振動(dòng)偏移量實(shí)時(shí)采集設備的設計與實(shí)現

　　光電鼠標的工作機理是采用一種基于CMOS成像的圖像識別方法，通過(guò)一個(gè)感光眼，不斷的對物體進(jìn)行拍照，并將前后兩次圖像進(jìn)行DSP處理，得到移動(dòng)的方向和間隔，因此，光電鼠標芯片具有一種傳感器的基本功能。振動(dòng)的檢測，其基本原理可以歸結到一種位移的檢測。只是此種位移是圍繞某個(gè)基本點(diǎn)進(jìn)行往復移動(dòng)。因此設計了一種采用光電鼠標傳感器原理進(jìn)行振動(dòng)檢測的設備。

　　該設備是完全從市場(chǎng)應用的角度進(jìn)行設計的，設備等間隔連續采集到的△x和△y值經(jīng)上位機應用程序可以繪制出設備的各種運動(dòng)參數曲線(xiàn)（包括位移、速度和加速度曲線(xiàn)）并進(jìn)行相應的運動(dòng)學(xué)分析。

　　采用現行的鼠標芯片，采集設備可以在速度≤1m/s，加速度≤160m/s2 范圍內實(shí)現偏移量在精度為15.88mm，反應時(shí)間為0.156ms的捕獲。其精確性能、高速性能和低廉的價(jià)格使得該采集設備具備了廣闊的應用前景。

　　1 總體方案設計

　　系統框圖如圖1所示，光源照在基板上，該設備固定在待測量物體上。設備主要由ADNS-3080、CY7C68013兩塊集成芯片及外圍電路組成，工作后，ADNS-3080通過(guò)其影像擷取系統（IAS）不斷捕獲基板的圖像，經(jīng)其數字信號處理器（DSP）時(shí)頻分析并提取出特征值△x、△y，保存至相應的寄存器，并使運動(dòng)觸發(fā)寄存器（Motion_Burst）的標志位置1，等待讀??；CY7C68013通過(guò)SPI總線(xiàn)與作為SPI從設備的ADNS-3080進(jìn)行通信，循環(huán)查詢(xún)△x和△y的標志位，一旦發(fā)現置1，讀取△x和△y值，并通過(guò)USB2.0接口向上位機傳輸。E2PROM采用了8KB的24C64，用于實(shí)現設備的C0或C2方式加載。CY7C68013采用端口模式模擬主SPI與ADNS-3080通信，與上位機數據傳輸采用USB中斷模式。

　　圖1 系統原理框圖

　　2 設備硬件方案選擇

　　為充分減小系統的PCB板尺寸，設備使用了集成芯片、串行交換結構技術(shù)、USB供電等手段。集成芯片的使用還提高了設備抗EMI（電磁干擾）能力；USB2.0接口的使用提供了高速、可靠的數據通信和人性化的用戶(hù)接口；非接觸式的光電測量方法，避免了傳統接觸式測量中因磨損帶來(lái)的誤差，并可用于惡劣的環(huán)境，加大了設備的使用范圍。

　　2.1 ADNS-3080

　　該集成芯片包括一個(gè)影像擷取系統（IAS），一個(gè)數字信號處理器（DSP）和一個(gè)四線(xiàn)串口（SPI接口）。

　　IAS通過(guò)透鏡和照明系統捕獲精微的表面圖像。這些圖像經(jīng)DSP處理后得出運動(dòng)的方向和距離。DSP計算出相對位移值△x和△y，等待MCU讀取。

　　它具有如下特性：（1）高速運動(dòng)的捕獲-高達40inch/s和15個(gè)gn;（2）超過(guò)6400幀/秒的可編程幀速率；（3）支持高達1600cpi的分辨率。

　　它雖然是一款高端鼠標芯片，但是其高性能的各項參數使其完全可以勝任絕大部分環(huán)境下物體兩自由度振動(dòng)偏移量的捕獲。

　　2.2 CY7C68013

　　該芯片是Cypress半導體公司高速USB系列中的一款，它帶有USB2.0串行接口引擎（SIE）、增強型的8051核（性能是標準51核的5~10倍）、8KB的RAM、高性能I/O口（最高支持96Mbit/s的傳輸）、支持三種方式（默認方式、C0、C2方式）加載設備。

　　集成的SIE和公司提供的固件開(kāi)發(fā)框架及豐富的參考源碼大大降低了開(kāi)發(fā)難度，只需簡(jiǎn)單了解USB通信協(xié)議即可開(kāi)發(fā)出優(yōu)秀的固件代碼。8KB的RAM使其固件可以無(wú)限次下載；設備插上主機后，固件會(huì )自動(dòng)從主機下載到設備RAM中，非常人性化；固件在主機上更改后再次編譯到下載驅動(dòng)（LoaderDriver）中即可實(shí)現對設備功能的增、刪、改，無(wú)須專(zhuān)門(mén)的下載器和對應的設備下載接口。

　　加載設備時(shí)，可以自由選擇是否需要外接E2PROM來(lái)實(shí)現C0或C2方式加載。C0或C2方式加載可實(shí)現設備的更靈活的枚舉功能，只需修改E2PROM中的VID（廠(chǎng)商標識符）、PID（產(chǎn)品標識符）即可使設備加載新的固件、新的USB驅動(dòng)和相應的應用程序，輕易更改設備的功能；相比C0方式，C2方式可以實(shí)現固件直接從E2PROM中讀取加載。無(wú)E2PROM連接時(shí)，設備采用默認方式加載實(shí)現設備的枚舉和重枚舉，節省硬件成本。CY7C68013使用自帶I2C總線(xiàn)跟E2PROM連接。多種加載方式充分滿(mǎn)足了用戶(hù)的多樣化需求。

　　該芯片的枚舉及重枚舉的全過(guò)程如下：

　?。?）設備上電后，復位電路直至PPL鎖存24MHz晶振，工作頻率穩定。

　?。?）Cypress內核自動(dòng)檢測I2C總線(xiàn)是否有E2PROM。若E2PROM不存在或數據無(wú)效，則使用自帶的硬件邏輯提供的默認VID和PID（默認值VID為0x04B4，PID為0x8613），以默認方式加載設備到上位機；若E2PROM數據有效，即從E2PROM讀取VIDPID，并覆蓋其自身的VIDPID，第一個(gè)字節為0xC0，則以C0方式加載設備，第一個(gè)字節為0xC2，則以C2方式加載。

　?。?）上位機檢測到USB設備插入，開(kāi)始詢(xún)問(wèn)其IDs（通過(guò)在端口0發(fā)起一個(gè)GetDescriptor請求），最重要的是VIDPID。USB設備答復為？？一個(gè)未下載的設備（nondownloadeddevice）。