光电鼠标传感器的精密测量与控制系统

引 言
    带传动是工业生产中普遍使用的传输装置，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；但设备在长期使用中，因磨损等不可预计情况，使得电机转速与带传动速度出现严重的不一致。这种半闭环控制方式在需要较高精度的带传动速度控制上误差很大。光栅尺等因价格昂贵、对现场环境要求高，往往对于普通工况中带传动装置的改装并不很适用。鉴于此，本文提出了使用一般商用的光电鼠标代替传统的检测器件的方法，通过AT89S51单片机实现现场的PID控制，使带传动速度达到满意的要求。

1 检测系统硬件组成
1．1 OM02光学传感器芯片及鼠标控制器
    这款光学CMOS传感器是一款针对个人计算机所配置的非接触式光电鼠标芯片，集成有数字信号处理器(DSP)、双通道正交输出端口等。在芯片底部有一个感光眼，能够不断地对物体进行拍照，并将前后两次图像送入DSP中进行处理，得到移动的方向和距离。DSP产生的位移值，转换成双通道正交信号，配合鼠标控制器，将双通道正交信号转化成单片机能够处理的PS／2数据格式。设备安装在一套塑料的光学透镜设备上，并配有一个高强度的LED。此外，它可提供高达40O点／in的分辨率以及16 in／s以内的检测速度。
    图1为鼠标芯片传感器的装配图。因OM02芯片为CMOS型传感器，因此必须配有与之相适应的高强度发光二极管，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O～2 mm内，OM02芯片可进行正常的数据接收检测。

1．2 检测控制原理及系统硬件设计
    本系统采用全闭环控制方式，如图2所示。将鼠标检测到的位移增量反馈回单片机，并进行数字式PID控制，然后将运算结果通过D／A转换芯片传给变频器，进而控制电机的转速。

    系统主要由电动机、传动部分、执行部分和控制部分组成。机械传动系统作为机器的重要组成部分，不仅应能实现预期功能，而且应具有良好性能。为此，采用三相交流异步电机(Y2—63M1—4型，O．12 kW)、变频器(富士FRNO．4C1S一4C)、30：1蜗轮蜗杆减速器、v型B相带传输装置、P204型球轴承及轴承座等作为模拟工业设备的主要传动及执行部分。通过单片机调整数模转换器的输出电压U，可改变变频器的输出频率，从而改变电机转速。

2 单片机程序设计
2．1 鼠标通信协议原理
    鼠标与单片机的数据通信方式采用PS／2通信协议。PS／2鼠标的物理接口为6脚圆形接口。使用中只需第1引脚Data、第3引脚GND、第4引脚+5VPower和第5引脚Clock这4个引脚即可。
    鼠标履行一种双向同步串行通信协议，在时钟信号的作用下串行发送或者接收数据。通常情况下，单片机在总线上具有总线控制优先权，可在任何时候抑制来自于鼠标的通信。从鼠标到单片机的数据在时钟的下降沿被读取；相反，单片机到鼠标的数据在时钟的上升沿被读取。时钟信号总由鼠标内部的芯片提供，时钟频率一般在10～20 kHz。
    (1)单片机对鼠标的通信
    根据协议要求，单片机对鼠标的控制只需把时钟线拉低最少100μs以上来禁止其通信，并且单片机拉低数据线使之处于请求发送状态。如图3所示，时钟线升为高电平后被PS／2设备重新拉低，即可开始单片机向鼠标的通信。

    (2)鼠标对单片机的通信
    因单片机对总线具有控制权，当鼠标要向单片机发送信息时，必须先检查时钟线是否为高电平。如图4所示，当时钟线出现高电平、数据线出现低电平时，表明鼠标请求发送，单片机可以接收来自鼠标的数据。

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    (3)单片机发送的控制数据
    按照鼠标的PS／2协议规范，实际编程时先对鼠标发送Oxff使其复位，默认采样频率为10O次／s，缩放比例为1：1，数据报告禁止。使用Oxea命令进入strearn模式，使用Oxe8、0x03命令设置解析度为8点／mm，使用Oxf4命令使能数据报告。配合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Oxeb命令读取位移数据信息，每发出一次，单片机接收到的位移数据包都包含有位移信息和按键动作信息。具体格式如表1所列。编译时也只需提取X3的有效数据包即Y方向位移增量。

2．2 PID控制软件算法
    对该交流变频调速系统建模，首先取电压输入为一个随机值，再测得其转速值。取两个数值构成一个数据对，然后对大量数据对用Matlab仿真求得其幅频特性和相频特性，并且对其幅频特性和相频特性进行相似的拟合。根据拟合的曲线可以近似求得其传递函数为：

   
    使用神经网络PID自适应控制对系统进行Matlab的仿真测试，效果令人满意。但因其输入层、隐含层、输出层的多阶矩阵运算使得单片机的运算时间大幅度增加，造成时间上的不确定因素增大；同比使用增量型PID控制，尽管后者需调整3个控制参数，但同样可使精度达到预期的效果，运算时间也大幅度下降，为此选用增量型PID算法作为控制算法。
    增量式数字PID的控制算法为：

    其中kp为比列系数，ki为积分系数，kd为微分系数；e(k)为当前位移增量与上一次位移增量的变化量；同理，e(k一1)、e(k一2)各为往前时间问隔的位移变化量。
    利用单片机串行中断接收功能，可在PC机上实时在线调节PID的kp、ki、kd参数。

3 上位机监测设计
    通过单片机的串口发送端，在LabVIEW中编写程序来完成PC机与数据通信设备的数据交换，直接通过串口接收外部数据并进行图形显示，并可将数据存放在txt文件当中。在LabVIEW中主要是使用VISA控件实现串行口直接数据通信，通过RS一232串行接口和LabVIEW实现数据的通信。
    使用read string控件对数据进行接收，并通过Waveform graph控件就可以显示实时波形。在LabVIEW中自带的范例中，数据的接收并非是连续不断的，而要通过一定的延时；因此，为了不间断地接收单片机发送的串口数据包，须将前面的写和延时都去掉。因串口接收到的数据是字符型的，而我们所需要的是整型数据，因此可通过强制转换将数据转换为单精度整型。创建数组，将数据和数组初始化相结合得到一个完整的数组，通过Waveform graph控件以及移位寄存器即可实现上位机的实时显示与记录。

4 检测控制性能评价
    PS／2接口最大的使用频率是33 kHz。本实验单片机使用12 MHz的晶振，可轻松实现接口功能。但受其芯片特性的影响，尽管OM02的鼠标芯片最高可使用的分辨率为400DPI，但在使用较高分辨率的情况下。鼠标传输的误码率将有所上升，其位移精度也将受到质疑。为保证位移量的准确性，采用200DPI的分辨率，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O．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。