1、光电鼠标传感器的精密测量与控制系统 * 华侨大学 陈智博 林永忠 蔡钟山 刘聃 肖威威 对于普通的带传动装置进行较高精度的速度控制，传统的检测及控制器件未必能让人满意。光电鼠标芯 一 片因以其高精度、低现场环境要求、低价格等因素非常适用于位置检测场合。鉴于此，结合光电鼠标芯片 一一 与AT89S51单片机，通过对普通带传动装置的改进，可使其传动做到快速、稳定、准确。测试表明，这种 检测及控制方式是行之有效的。 关键词 Ps2协议低速PID控制 单片机接口 光学鼠标速度测量 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，
2、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 11 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
3、拍照，并将前后两次图像送人 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PS2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4o0点in的分辨率以及 16 ins以内的检测速度。 图1为鼠标芯片传感器的装配图。因0MO2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3O。45。在标 *基金项目：福建省大学生创新性实验项目(闽教高2()(7128号)。 准安装配合后，底板距离工作表面的有效距离在O2
4、mm 内，OMO2芯片可进行正常的数据接收检测。 图1 鼠标芯片传感器装配图 12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DA转换芯片传给变频器，进而控 制电机的转速。 记录显示 。 ，1 1 口 光电鼠标广一 l 蕉 H三翟 步l瘗 图2光电鼠标检测控制原理框图 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(Y263M14型，O12 kw)、变频器(富士 FRNO4C1
5、S一4C)、3O：1蜗轮蜗杆减速器、v型B相带传 输装置、P2O4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 papermesnetc0mcn(投稿专用) MicrocontrollersEmbedded systems 5 7 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 21 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。 PS2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，
6、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1O 2O 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1O0 fs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PS2设备重新拉低，即可开始单片机向鼠标的 通信。 鼠标 r-L ，一 一 ， 一 时钟线U 数据线 _ 二二)(二(口叩(
7、数据线 L 薹薹萎囊薹喜喜囊囊 位 图3 单片机对PS2设备通信的时序 (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。 (3 J单片机发送的控制数据 按照鼠标的Ps2协议规范，实际编程时先对鼠标发 送0xff使其复位，默认采样频率为1OO次s，缩放比例为 1：1，数据报告禁止。使用Oxea命令进入stream模式， 使用Oxe8、0x03命令设置解析度为8点mm，使用0xf4 命令使能数据报告。配合AT89S51单片机的定时器
8、功 能，将其时间常数设置为O1 s，每次中断时发送0xeb命 鼠标cLOcK 薹 薹 薹 薹 薹 薹 薹 薹 纂 位 图4 鼠标对单片机通信的时序 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。 表1 3D型鼠标接收数据格式 bit7 b_t6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bitO 字节1 Y溢出 X溢出 Y方向 X方向 1 中按键 左按键 右按键 字节2 x方向位移量信息 字节3 Y方向位移量信息 字节4 z方向位移量信息 22 PlD控制软件算法 对该
9、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： G(s)一1O5 。 (1+0OOls)s 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PI
10、D算法 作为控制算法。 增量式数字PID的控制算法为： U(是)一U( 一1)+愚 e(忌)一P(是一1)+ P(是)十 是 P(是)一2e(是一1)+e(愚一2) 其中志。为比列系数，走 为积分系数，是 为微分系数； e(愚)为当前位移增量与上一次位移增量的变化量；同理， e(愚一1)、e(是一2)各为往前时间间隔的位移变化量。 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的愚。 、是 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 5 8平I=机乌嵌入式彖诧应冈l墨圆圈_强鲫 advmesnetcomcn(广告专用) 本文共3页，欲获取全文，请点击链接http:/
