摘要 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 PS/2协议 低速 PID控制 单片机接口 光学鼠标 速度测量
引言
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 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 ，配合鼠标控制器，将双通道正交信 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400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0~2 mm内，OM02芯片可进行正常的数据接收检测。
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，0.12 kW)、变频器(富士FRN0.4C1S4C)、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 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 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100 μs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。
图4 鼠标对单片机通信的时序
(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0xff使其复位，默认采样频率为100次/s，缩放比例为1∶1，数据 告禁止。使用0xea命令进入stream模式，使用0xe8、0x03命令设置解析度为8点/mm，使用0xf4命令使能数据 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0xeb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。
表1 3D型鼠标接收数据格式
使用神经 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:
图5 带运动的时间位移图
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0.01 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。
参考文献
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[4] 宋健. 数字PID算法在喷雾机器人导航系统中的应用[J]. 潍坊学院学 ，2003，3(6).
陈智博，主要研究方向为机械电子工程；
林永忠(本科)，主要研究方向为自动检测与控制；
蔡钟山、刘聃(本科)，主要研究方向为检测技术与自动化装置；
肖威威(本科)，主要研究方向为机械制造及自动化。
(收修改稿日期：2008-10-18)
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