HDNS2000光學(xué)感測(cè)芯片在運(yùn)動(dòng)檢測(cè)中的應(yīng)用

　　摘要：安捷倫（Agilent）公司的HDNS2000芯片是一種高性能的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器件，在目前的光學(xué)鼠標(biāo)中應(yīng)用廣泛，其易用性和廉價(jià)性使其非常適合應(yīng)用于中低精度的運(yùn)動(dòng)和位置檢測(cè)中。本文介紹HDNS2000的功能、特點(diǎn)，從硬件與軟件兩個(gè)方面討論HDNS2000與AVR單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)。

　　關(guān)鍵詞：HDNS2000 運(yùn)動(dòng)檢測(cè) AVR

　　在機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，有時(shí)需要檢測(cè)物體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，包括運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)距離。若采用機(jī)械式的結(jié)構(gòu)，比如機(jī)械鼠標(biāo)中的滾輪和軌跡球，則會(huì)由于頻繁的機(jī)械運(yùn)動(dòng)而發(fā)生故障，導(dǎo)致精度下降甚至失效，維修起來也不方便。另外它需要兩個(gè)物體表面相接觸，靠相互間的摩擦進(jìn)行工作，這在某些場(chǎng)合是不能允許的。解決方案之一就是采用光電器件，運(yùn)用光學(xué)原理來測(cè)定運(yùn)動(dòng)。安捷倫公司的HDNS2000就是為此而設(shè)計(jì)的，雖然它的市場(chǎng)是針對(duì)光學(xué)鼠標(biāo)，但也可以作為一種高性能而又廉價(jià)的器件運(yùn)用于工業(yè)控制領(lǐng)域中。

1 HDNS2000芯片介紹

1.1 主要功能與特性

　　HDNS2000是安捷倫推出的高性能的光學(xué)感測(cè)芯片，它的內(nèi)部包含三個(gè)基本模塊：圖像拾取系統(tǒng)、DSP處理器、PS/2或四狀態(tài)輸出轉(zhuǎn)換器，如圖1所示。在HDNS2000芯片的底部有一個(gè)感光眼，如同一個(gè)小型的攝像頭，不斷地對(duì)物體表面進(jìn)行拍照，接著將前后兩次的圖像送入DSP中進(jìn)行處理，以判斷物體移動(dòng)的方向和大小，最后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為PS/2格式或者以兩通道四狀態(tài)格式輸出。圖2中的（a)與(b)分別為芯片前后兩次拾取的圖像。比較圖2中的(a)和(b)可以看出，物體向左下方移動(dòng)了一點(diǎn)。

　　HDNS2000的圖像拾取系統(tǒng)每秒鐘可以拾取1500張圖像，可以精確地測(cè)量最高30.48 cm/s（12 英寸/s）的運(yùn)動(dòng)，解析度為400點(diǎn)每英寸。

1.2 引腳介紹

　　HDNS2000的主要引腳框圖如圖3所示。

　　PS2_C：PS/2接口的時(shí)鐘端。

　　MODE/XA：復(fù)用引腳，接高電平時(shí)表示選擇PS/2模式；否則，為XA輸出。

　　RB/XB：復(fù)用引腳，PS/2模式時(shí)為鼠標(biāo)右鍵輸入；否則，為XA輸出。

　　MB/YB：復(fù)用引腳，PS/2模式時(shí)為鼠標(biāo)中鍵輸入；否則，為YB輸出。

　　LB/YA：復(fù)用引腳，PS/2模式為鼠標(biāo)左鍵輸入；否則，為YA輸出。

　　XY_LED：激光LED控制輸出，在物體長(zhǎng)時(shí)間不移動(dòng)時(shí)，HDNS2000可以控制LED關(guān)閉，以節(jié)約能量。

　　VDD3：3.3 V直流電源輸入。

　　REFB：內(nèi)部參考引腳，通過電容與VDD3相連。

　　PS2_D ：PS/2接口的數(shù)據(jù)端。

　　NRESET：低電平復(fù)位引腳。

　　VDD5：5 V直流電源輸入。

　　GND：電源地。

　　OSC2：晶振輸出。

　　OSC1：晶振輸入，外接18.432 MHz晶振。

2 HDNS2000與AVR單片機(jī)接口設(shè)計(jì)

2.1 HDNS2000與AT90S8015接口

　　HDNS2000直接提供有PS/2接口，方便了PS/2鼠標(biāo)的設(shè)計(jì)；但在機(jī)電控制中，為了提高效率，宜直接采用HDNS2000的另一種輸出模式，即X向與Y向兩通道四狀態(tài)輸出模式。此時(shí)XA、XB指示X向移動(dòng)狀態(tài)，而YA、YB指示Y向移動(dòng)狀態(tài)。圖 4為HDNS2000與AVR單片機(jī)AT90S8515的接口原理圖。接口主要占用了4個(gè)引腳，其它兩個(gè)是可選的，所以，即使是AVR中最低檔的ATtiny系列也可以方便地與HDNS2000連接。

　　另外在對(duì)節(jié)能要求不高的場(chǎng)合，可以將激光LED的一端直接與地相連接，而通過控制開關(guān)三極管2N3906來主動(dòng)控制HDNS2000的工作狀態(tài)。本文作者在設(shè)計(jì)時(shí)正是采用的這種方式。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，最好采用安捷倫公司提供的套件，其中包括HDNS2000芯片、HDNS2100透鏡、HDNS2200 激光LED卡件及HLMP-ED80激光LED，激光波長(zhǎng)為639 nm。

2.2 四位狀態(tài)機(jī)的工作過程

　　在HDNS2000內(nèi)部有兩個(gè)狀態(tài)機(jī)分別指示X、Y兩個(gè)方向，每個(gè)狀態(tài)機(jī)又有四個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。圖5是狀態(tài)機(jī)的示意圖。由圖5可見，一開始系統(tǒng)處于狀態(tài)0，每當(dāng)檢測(cè)到物體向正向或反向移動(dòng)1個(gè)單位時(shí)就轉(zhuǎn)移到下一個(gè)狀態(tài)，所以只要連續(xù)監(jiān)測(cè)狀態(tài)機(jī)狀態(tài)的變化就可以判斷物體移動(dòng)的方向和距離。圖6(a)和(b)分別為負(fù)向移動(dòng)和正向移動(dòng)時(shí)狀態(tài)機(jī)輸出的波形。值得注意的是，每個(gè)狀態(tài)的最少停留時(shí)間為133μs。

2.3 接口軟件設(shè)計(jì)

　　由狀態(tài)機(jī)輸出波形圖可以看出，有一種很簡(jiǎn)單自然的接口設(shè)計(jì)方法，就是將狀態(tài)輸出引腳接到單片機(jī)的外部中斷引腳上，使其在每個(gè)波形的上下邊沿都產(chǎn)生中斷，再在中斷處理程序中，檢測(cè)另一對(duì)應(yīng)波形的電平高低，就可以判斷移動(dòng)方向。比如在XA的上升沿時(shí)，若XB是低電平就是左移，若XB是高電平就是右移。這種方法需要單片機(jī)提供足夠多的外部中斷。若同時(shí)檢測(cè)X向與Y向運(yùn)動(dòng)，且單片機(jī)1個(gè)引腳不能同時(shí)提供上升沿和下降沿中斷的情況下，就需要占用8個(gè)中斷、8條引腳；而目前許多單片機(jī)僅提供2個(gè)外部中斷引腳，這種要求顯然較為苛刻。

　　另一種方式就是降低精度要求，僅在XA與YA的上升沿進(jìn)行檢測(cè)，此時(shí)僅需要2個(gè)外部中斷引腳。但這種方式在一種極端條件下會(huì)出錯(cuò)，讀者可以自行分析。若只檢測(cè)X一個(gè)方向，則可以同時(shí)檢測(cè)上下沿中斷，這樣不會(huì)出錯(cuò)。這種方式犧牲了一點(diǎn)對(duì)運(yùn)動(dòng)換向和震顫的敏感度；但編程簡(jiǎn)單，不失為一種好方法。

　　本文采用的是查詢方式，這種方式不占用任何中斷，且能夠不損精度地同時(shí)檢測(cè)X向與Y向運(yùn)動(dòng)。前面已經(jīng)提過，每個(gè)狀態(tài)的最小保持時(shí)間為133 μs，所以，只要將查詢的周期控制在60μs之下就可以抓住每個(gè)狀態(tài)的變化。對(duì)于AT90S8515，若按晶振為8 MHz計(jì)算，則只需將查詢周期匯編指令數(shù)控制在450條以下就可以了。實(shí)際上，以下給出的C語言程序經(jīng)過編譯后只有不大于60條匯編指令，完全能夠滿足系統(tǒng)要求。

　　該方法的基本思想是將狀態(tài)機(jī)的前一狀態(tài)與現(xiàn)在的狀態(tài)組合在同一字節(jié)內(nèi)，如表1所列，尋找其中的規(guī)律，簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)。表1中以PRE開頭的表示前一狀態(tài)的對(duì)應(yīng)值。

表1 組合前后兩狀態(tài)在同一字節(jié)

　　以X向移動(dòng)為例（僅看前半字節(jié)），正向移動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的值為0b1000、0b1110、0b0111、0b0001，負(fù)向移動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的值為0b0010、0b1011、0b1101、0b0100。假設(shè)狀態(tài)不變的情況已經(jīng)排除，且查詢周期足夠短，不會(huì)出現(xiàn)相對(duì)周期的組合值。所以只要能將以上兩組值區(qū)分開來就可以了，這也正是程序中兩條條件判斷語句的目的。讀者可以對(duì)照程序自行驗(yàn)證。接口程序如下：

　　while(1){

　　state=PINA&0xcc;

　　state_change=state^pre_state;

　　combo_state=sate | (pre_state>>2);

　　if(state_change & 0x0c)

　　{

　　if((combo_state & 0x06) == 0x06)

　　{asm("INC R20");goto next;}

　　if((combo_state | 0x09) == 0x09)

　　{asm("INC R20");goto next;}

　　asm("DEC R20");

　　}

　　next:

　　if(state_change & 0xc0)

　　{

　　if((temp & 0x60) == 0x60)

　　{asm("INC R21");goto end;}

　　if((temp | 0x90) == 0x90)

　　{asm("INC R21");goto end;}

　　asm("DEC R21");

　　}

　　end:pre_state=state;}

　　程序已經(jīng)事先定義了寄存器R20與R21分別為X、Y向的計(jì)數(shù)器，用來表示X、Y向移動(dòng)的距離。以上程序段利用內(nèi)嵌匯編語句優(yōu)化了程序結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，還可以對(duì)編譯器生成的匯編代碼進(jìn)行優(yōu)化，這里就不再詳述了。

結(jié) 語

　　以上軟硬件接口設(shè)計(jì)雖然是以功能強(qiáng)大的AVR單片機(jī)作為例子，但通過仔細(xì)分析不難發(fā)現(xiàn)，在簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)合，用普通的51單片機(jī)，甚至如AT89C2051在12 MHz晶振頻率下也可以實(shí)現(xiàn)其功能。所以整個(gè)系統(tǒng)會(huì)是相當(dāng)廉價(jià)的。

　　安捷倫公司最近在繼HDNS2000之后，又推出了升級(jí)芯片HDNS2051和適于無線應(yīng)用的芯片HDNS2030，除了更強(qiáng)的處理能力外，主要改進(jìn)還在于采用了單電源供電，提供了省電模式，去掉了不實(shí)用的PS/2接口，引入了同步串行口，允許用戶對(duì)分辨率進(jìn)行設(shè)置等。這些改進(jìn)極大地方便了用戶的使用，一方面擴(kuò)大了其光學(xué)感測(cè)芯片市場(chǎng)占有率，另一方面無疑也為機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)者提供了一種更強(qiáng)大、更方便、更廉價(jià)的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方案。