基于光電鼠標(biāo)傳感器的帶速度精密測(cè)量及其控制系統(tǒng)

1、<p>　　基于光電鼠標(biāo)傳感器的帶速度精密測(cè)量及其控制系統(tǒng)</p><p>　　陳智博 蔡鐘山 劉聃 肖威威 林永忠</p><p>　　Chen Zhi-bo,Cai Zhong-shan,Liu Dan,Xiao Wei-wei,Lin Yong-zhong</p><p>　　華僑大學(xué) 機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院 廈門 362021</p>&l

2、t;p>　　College of Mechanical and Electrical Engineering，HuaQiao University,Xiamen,362021</p><p>　　E-mail: czbob@126.com</p><p>　　摘要：對(duì)于普通的帶傳動(dòng)裝置進(jìn)行較高精度的速度控制，傳統(tǒng)的檢測(cè)及控制器件未必能讓人滿意。光電鼠標(biāo)芯片因以其高精度、低現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求

3、、價(jià)格低廉等因素非常適用于位置檢測(cè)場(chǎng)合。鑒于此，結(jié)合光電鼠標(biāo)芯片與AT89S51單片機(jī)，通過對(duì)普通帶傳動(dòng)裝置的改進(jìn)，可使其達(dá)到快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的傳動(dòng)速度。測(cè)試表明，這種檢測(cè)及控制方式是行之有效的。</p><p>　　Abstract: For ordinary transmission device with a higher accuracy of the speed control, the traditi

4、onal detection and control devices may not be satisfactory. Optical Mouse sensor in its high-precision, low-site environmental requirements, very low prices and other factors ,is applicable to the position detection occa

5、sions. In view of this, the use of Optical COMS Sensor with AT89S51 microcontroller, and with the improvement of the ordinary transmission device, can to achieve rapid, stable and a</p><p>　　關(guān)鍵詞：PS/2協(xié)議;低速;PI

6、D控制;單片機(jī)接口;光學(xué)鼠標(biāo)</p><p>　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 中圖分類號(hào):TP274+.2 </p><p><b>　　0 引言</b></p><p>　　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(cè)裝置是安裝在電機(jī)旋轉(zhuǎn)端的光電編碼器。但設(shè)備在長(zhǎng)期使用中，因磨損等不可預(yù)計(jì)情況，使得電機(jī)轉(zhuǎn)速與帶傳動(dòng)速度出現(xiàn)嚴(yán)重的不一致

7、。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(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求高，往往對(duì)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(biāo)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的檢測(cè)器件，通過AT89S51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的PID控制，使帶傳動(dòng)速度達(dá)到我們滿意的要求。</p><p>　　1.檢測(cè)系統(tǒng)硬件組成</p><p>　　1.1 OM02光學(xué)傳感器芯片及鼠標(biāo)控制器

8、</p><p>　　這款光學(xué)COMS傳感器是一款針對(duì)個(gè)人計(jì)算機(jī)所配置的非接觸式光電鼠標(biāo)芯片。他集成有數(shù)字信號(hào)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(duì)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(zhuǎn)換成雙通道正交信號(hào)，配合鼠標(biāo)控制器，將雙通道正交信號(hào)轉(zhuǎn)結(jié)成單片機(jī)能夠處理的PS/2數(shù)據(jù)格式。設(shè)備安裝在一套塑料的光學(xué)透鏡設(shè)備上，并一個(gè)

9、配備有一個(gè)高強(qiáng)度的LED。此外，他可提供高達(dá)400點(diǎn)/英寸的分辨率以及16英寸/秒以內(nèi)的速度檢測(cè)。</p><p>　　圖1為鼠標(biāo)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(yīng)的高強(qiáng)度發(fā)光二極管，發(fā)射角度與底板夾角30。~45。 范圍內(nèi)。在標(biāo)準(zhǔn)安裝配合后，底板距離工作表面的有效距離在0mm~2mm內(nèi)，OM02芯片可進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)接收檢測(cè)。</p><p>　　

10、圖1.鼠標(biāo)芯片傳感器裝配原理圖</p><p><b>　　1.2檢測(cè)控制原理</b></p><p>　　本系統(tǒng)采用全閉環(huán)控制方式，如下圖圖2，將鼠標(biāo)檢測(cè)到位移增量反饋回單片機(jī)，并進(jìn)行數(shù)字式PID控制，運(yùn)算結(jié)果通過D/A轉(zhuǎn)換芯片傳給變頻器，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　圖2.光電鼠標(biāo)檢測(cè)控制原理圖</p><p

11、>　　1.2.1. 檢測(cè)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)部分、執(zhí)行部分和控制部分組成。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)作為機(jī)器的重要組成部分,不僅應(yīng)能實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能,而且應(yīng)具有良好性能。為此,本實(shí)驗(yàn)采用三相交流異步電機(jī)（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(shè)備的主要的傳動(dòng)及

12、執(zhí)行部分。通過單片機(jī)調(diào)整數(shù)模轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)速。</p><p>　　2. 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 鼠標(biāo)通信協(xié)議原理</p><p>　　鼠標(biāo)與單片機(jī)的數(shù)據(jù)通信方式采用PS/2通信協(xié)議。</p><p>　　PS/2鼠標(biāo)的物理接口為6腳圓形接口，使用中只需1引腳Data、3引腳GN

13、D、4引腳+5VPower和5引腳Clock這4個(gè)引腳即可。</p><p>　　鼠標(biāo)履行一種雙向同步串行通信協(xié)議，在時(shí)鐘信號(hào)的作用下串行發(fā)送或者接受數(shù)據(jù)。通常情況下，單片機(jī)在總線上具有總線控制優(yōu)先權(quán)，可在任何時(shí)候抑制來自于鼠標(biāo)的通信。從鼠標(biāo)到單片機(jī)的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的下降沿被讀取，相反，單片機(jī)到鼠標(biāo)的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的上升沿被讀取。時(shí)鐘信號(hào)總由鼠標(biāo)內(nèi)部芯片提供，時(shí)鐘頻率一般在10~20KHz。</p><

14、;p>　　2.1.1 單片機(jī)對(duì)鼠標(biāo)的通信</p><p>　　根據(jù)協(xié)議要求，單片機(jī)對(duì)鼠標(biāo)的控制只需把時(shí)鐘線拉低最少100us以上來禁止其通信，并且單片機(jī)拉低數(shù)據(jù)線使之處于請(qǐng)求發(fā)送狀態(tài)。如圖3所示，當(dāng)時(shí)鐘線升為高電平后被PS/2設(shè)備重新拉低，即可開始單片機(jī)向鼠標(biāo)的通信。</p><p>　　圖3.單片機(jī)對(duì)PS/2設(shè)備通信的時(shí)序圖</p><p>　　2.1.2

15、鼠標(biāo)對(duì)單片機(jī)的通信</p><p>　　因單片機(jī)對(duì)總線具有控制權(quán)，當(dāng)鼠標(biāo)要向單片機(jī)發(fā)送信息時(shí)，必須先檢查時(shí)鐘線是否為高電平。如圖4所示，當(dāng)時(shí)鐘線出現(xiàn)高電平，數(shù)據(jù)線出現(xiàn)低電平，表明鼠標(biāo)請(qǐng)求發(fā)送，單片機(jī)可以接受來自鼠標(biāo)的數(shù)據(jù)。</p><p>　　圖4鼠標(biāo)對(duì)單片機(jī)通信的時(shí)序圖</p><p>　　2.1.3單片機(jī)發(fā)送的控制數(shù)據(jù)</p><p>　

16、　按照鼠標(biāo)的PS/2協(xié)議規(guī)范，實(shí)際編程時(shí)先對(duì)鼠標(biāo)發(fā)送0xff使其復(fù)位，默認(rèn)采樣頻率為100次/秒，縮放比例1：1，數(shù)據(jù)報(bào)告禁止。使用0xea命令進(jìn)入stream模式、使用0xe8，0x03命令設(shè)置解析度為8點(diǎn)/毫米。使用0xf4命令使能數(shù)據(jù)報(bào)告。配合AT89S51單片機(jī)的定時(shí)器功能，將其時(shí)間常數(shù)設(shè)置為0.1s，每次中斷時(shí)發(fā)送0xeb命令讀取位移數(shù)據(jù)信息，每發(fā)出一次，單片機(jī)接收到的位移數(shù)據(jù)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

17、示。</p><p>　　編譯時(shí)也只需提取X3的有效數(shù)據(jù)包即Y方向位移增量</p><p>　　表1. 3D型鼠標(biāo)接收數(shù)據(jù)格式</p><p>　　2.2 PID控制軟件算法</p><p>　　對(duì)該交流變頻調(diào)速系統(tǒng)建模，可得其近似的數(shù)學(xué)模型為：</p><p>　　使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID自適應(yīng)控制對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行matlab的

18、仿真測(cè)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(yùn)算使得單片機(jī)的運(yùn)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(diào)整三個(gè)控制參數(shù)，但同樣可使精度達(dá)到我們預(yù)期的效果，運(yùn)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</p><p>　　增量式數(shù)字PID的控制算法為:</p><p>　　U(k)=U(k-1)+*(e(k)

19、-e(k-1))+*e(k)+*(e(k)-2e(k-1)+ e(k-2))</p><p>　　其中e(k)為當(dāng)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。</p><p>　　利用單片機(jī)串行中斷接收功能，可在PC機(jī)上實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)PID的、、參數(shù)。 </p><p><b>　　3．上位機(jī)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)<

20、/b></p><p>　　通過單片機(jī)的串口發(fā)送，在LabVIEW中編寫程序來完成PC 機(jī)控制數(shù)據(jù)通信設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，直接通過串口接收外部數(shù)據(jù)并進(jìn)行圖形顯示，并可以將數(shù)據(jù)存放在txt文件當(dāng)中。在Labview中主要是通過VISA控件實(shí)現(xiàn)串行口直接數(shù)據(jù)通信，通過RS-232串行接口和Labview實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。</p><p>　　使用read string控件可以用來顯示。數(shù)據(jù)接

21、收并非連續(xù)不斷的接收，而是通過一定的延時(shí)。為實(shí)現(xiàn)不間斷的接收單片機(jī)發(fā)送的串口數(shù)據(jù)包，須將前面的寫和延時(shí)都去掉。因串口接收到的數(shù)據(jù)是字符型的，通過強(qiáng)制轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為單精度整型。創(chuàng)建數(shù)組將數(shù)據(jù)和數(shù)組初始化相結(jié)合得到一個(gè)完整的數(shù)組，通過Waveform graph控件以及移位寄存器即可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的實(shí)時(shí)顯示與記錄。</p><p>　　4 檢測(cè)控制性能評(píng)價(jià)</p><p>　　PS/2接口最大的

22、始終頻率是33kHz。本實(shí)驗(yàn)單片機(jī)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(biāo)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(biāo)傳輸?shù)恼`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(zhǔn)確性，采用200DPI的分辨率，配合看門狗，精度誤差和程序穩(wěn)定性將大為好轉(zhuǎn)。</p><p>　　圖5.帶運(yùn)動(dòng)的時(shí)間位移圖（橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為秒，縱坐標(biāo)為位移增量

23、點(diǎn)，每一點(diǎn)為0.125毫米）</p><p>　　測(cè)試結(jié)果為圖5所示，帶在較低速的運(yùn)行中盡管存在速度的上下跳動(dòng)變化，但跳動(dòng)量較小。圖中設(shè)定帶速度設(shè)定值為32點(diǎn)，即40.00毫米/秒，靈敏度為0.125毫米/秒，實(shí)際速度平均值為39.987毫米/秒。</p><p><b>　　5.結(jié)語</b></p><p>　　使用光電鼠標(biāo)作為檢測(cè)帶運(yùn)動(dòng)的速

24、度傳感器，其價(jià)格低廉、準(zhǔn)確性高而且使用方便，再配合單片機(jī)的數(shù)字式PID控制以及l(fā)abview軟件的圖形檢測(cè)，可以很好的對(duì)速度要求較低、要求精度不是非常高的設(shè)備進(jìn)行改裝，使其達(dá)到輸出速度穩(wěn)定。又因?yàn)楣怆娛髽?biāo)技術(shù)已趨于成熟，在一般分辨率的情況下下對(duì)檢測(cè)表面的要求不高，在比較惡劣的工況下仍可保證運(yùn)行無障礙。而近些年所推出的激光鼠標(biāo)，其分辨率可達(dá)到0.01毫米，效果甚佳。該實(shí)驗(yàn)在北京某半導(dǎo)體企業(yè)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，效果理想。</p>

25、<p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1]OM02 Optical Mouse sensor Data Sheet[P],2004</p><p>　　[2] 趙玉昆,PS／2鼠標(biāo)和單片機(jī)的接口[J], 上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào), 2004年3月,第4卷第1期</p><p>　　[3]林鄧偉，刑文生，光電鼠標(biāo)芯片