基于光電鼠標(biāo)傳感器的帶速度精密測量及其控制系統(tǒng)

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)場環(huán)境要求、價(jià)格低廉等因素非常適用于位置檢測場合。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。測試表明，這種檢測及控制方式是行之有效的。

引言
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。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)的檢測器件，通過AT89S51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的PID控制，使帶傳動(dòng)速度達(dá)到我們滿意的要求。

1.檢測系統(tǒng)硬件組成
1.1 OM02光學(xué)傳感器芯片及鼠標(biāo)控制器
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)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。
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。

1.2檢測控制原理
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。

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。

2. 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)
2.1 鼠標(biāo)通信協(xié)議原理
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。
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GND、4引腳+5VPower和5引腳Clock這4個(gè)引腳即可。
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。
2.1.1 單片機(jī)對(duì)鼠標(biāo)的通信
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。

2.1.2 鼠標(biāo)對(duì)單片機(jī)的通信
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)。

2.1.3單片機(jī)發(fā)送的控制數(shù)據(jù)
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所示。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

2.2 PID控制軟件算法
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的仿真測試，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
增量式數(shù)字PID的控制算法為:
U(k)=U(k-1)+*(e(k)-e(k-1))+*e(k)+*(e(k)-2e(k-1)+ e(k-2))
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。
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kp，ki，kd參數(shù)。

3．上位機(jī)監(jiān)測設(shè)計(jì)
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。

使用read string控件可以用來顯示。數(shù)據(jù)接收并非連續(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。

4 檢測控制性能評(píng)價(jià)
PS/2接口最大的始終頻率是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)。

5.結(jié)語
使用光電鼠標(biāo)作為檢測帶運(yùn)動(dòng)的速度傳感器，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，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)場測試，效果理想。