光電鼠標傳感器的精密測量與控制系統(tǒng)

(3)單片機發(fā)送的控制數(shù)據(jù)
按照鼠標的PS／2協(xié)議規(guī)范，實際編程時先對鼠標發(fā)送Oxff使其復位，默認采樣頻率為10O次／s，縮放比例為1：1，數(shù)據(jù)報告禁止。使用Oxea命令進入strearn模式，使用Oxe8、0x03命令設(shè)置解析度為8點／mm，使用Oxf4命令使能數(shù)據(jù)報告。配合AT89S51單片機的定時器功能，將其時間常數(shù)設(shè)置為0．1 s，每次中斷時發(fā)送Oxeb命令讀取位移數(shù)據(jù)信息，每發(fā)出一次，單片機接收到的位移數(shù)據(jù)包都包含有位移信息和按鍵動作信息。具體格式如表1所列。編譯時也只需提取X3的有效數(shù)據(jù)包即Y方向位移增量。

2．2 PID控制軟件算法
對該交流變頻調(diào)速系統(tǒng)建模，首先取電壓輸入為一個隨機值，再測得其轉(zhuǎn)速值。取兩個數(shù)值構(gòu)成一個數(shù)據(jù)對，然后對大量數(shù)據(jù)對用Matlab仿真求得其幅頻特性和相頻特性，并且對其幅頻特性和相頻特性進行相似的擬合。根據(jù)擬合的曲線可以近似求得其傳遞函數(shù)為：

使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID自適應控制對系統(tǒng)進行Matlab的仿真測試，效果令人滿意。但因其輸入層、隱含層、輸出層的多階矩陣運算使得單片機的運算時間大幅度增加，造成時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3個控制參數(shù)，但同樣可使精度達到預期的效果，運算時間也大幅度下降，為此選用增量型PID算法作為控制算法。
增量式數(shù)字PID的控制算法為：

其中kp為比列系數(shù)，ki為積分系數(shù)，kd為微分系數(shù)；e(k)為當前位移增量與上一次位移增量的變化量；同理，e(k一1)、e(k一2)各為往前時間問隔的位移變化量。
利用單片機串行中斷接收功能，可在PC機上實時在線調(diào)節(jié)PID的kp、ki、kd參數(shù)。

3 上位機監(jiān)測設(shè)計
通過單片機的串口發(fā)送端，在LabVIEW中編寫程序來完成PC機與數(shù)據(jù)通信設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，直接通過串口接收外部數(shù)據(jù)并進行圖形顯示，并可將數(shù)據(jù)存放在txt文件當中。在LabVIEW中主要是使用VISA控件實現(xiàn)串行口直接數(shù)據(jù)通信，通過RS一232串行接口和LabVIEW實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。
使用read string控件對數(shù)據(jù)進行接收，并通過Waveform graph控件就可以顯示實時波形。在LabVIEW中自帶的范例中，數(shù)據(jù)的接收并非是連續(xù)不斷的，而要通過一定的延時；因此，為了不間斷地接收單片機發(fā)送的串口數(shù)據(jù)包，須將前面的寫和延時都去掉。因串口接收到的數(shù)據(jù)是字符型的，而我們所需要的是整型數(shù)據(jù)，因此可通過強制轉(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)合得到一個完整的數(shù)組，通過Waveform graph控件以及移位寄存器即可實現(xiàn)上位機的實時顯示與記錄。

4 檢測控制性能評價
PS／2接口最大的使用頻率是33 kHz。本實驗單片機使用12 MHz的晶振，可輕松實現(xiàn)接口功能。但受其芯片特性的影響，盡管OM02的鼠標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)。
測試結(jié)果如圖5所示，圖中縱坐標為位移增量點，每一點為0．125 mm。帶在較低速的運行中盡管存在速度的上下跳動變化，但跳動量較小。圖中帶速度的設(shè)定值為32點，即40．00 mm／s(靈敏度為0．125 mm／s)，速度平均值為39．987mm／s(測量數(shù)據(jù)引自速度曲線剛開始穩(wěn)定時的前1000個時間點)。因其光電鼠標傳感器在正常工作環(huán)境中使用，系統(tǒng)呈線性變化，對此可引入速度修正系數(shù)k，以提高檢測精確度。

結(jié) 語
使用光電鼠標作為檢測帶運動的速度傳感器，其價格低廉、準確性高且使用方便，配合單片機的數(shù)字式PID編程控制以及LabVIEW虛擬儀器的圖形檢測顯示，可以很好地對速度要求較低、精度要求不太高的設(shè)備進行改裝，使其輸出速度穩(wěn)定。又因為光電鼠標技術(shù)已趨于成熟，一般情況下對檢測表面的粗糙度要求不高，在比較惡劣的工況下仍可保證運行無障礙。近些年所推出的激光鼠標，其分辨率可達到O．01 mm，效果甚佳。該實驗在某企業(yè)的生產(chǎn)部門進行了現(xiàn)場測試，效果理想。