光電鼠標(biāo)傳感器的精密測量與控制系統(tǒng)

引 言
    帶傳動是工業(yè)生產(chǎn)中普遍使用的傳輸裝置，其常用的速度檢測裝置是安裝在電機旋轉(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)計情況，使得電機轉(zhuǎn)速與帶傳動速度出現(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速度控制上誤差很大。光柵尺等因價格昂貴、對現(xiàn)場環(huán)境要求高，往往對于普通工況中帶傳動裝置的改裝并不很適用。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)的檢測器件的方法，通過AT89S51單片機實現(xiàn)現(xiàn)場的PID控制，使帶傳動速度達(dá)到滿意的要求。

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)CMOS傳感器是一款針對個人計算機所配置的非接觸式光電鼠標(biāo)芯片，集成有數(shù)字信號處理器(DSP)、雙通道正交輸出端口等。在芯片底部有一個感光眼，能夠不斷地對物體進(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，配合鼠標(biāo)控制器，將雙通道正交信號轉(zhuǎn)化成單片機能夠處理的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，并配有一個高強度的LED。此外，它可提供高達(dá)40O點／in的分辨率以及16 in／s以內(nèi)的檢測速度。
    圖1為鼠標(biāo)芯片傳感器的裝配圖。因OM02芯片為CMOS型傳感器，因此必須配有與之相適應(yīng)的高強度發(fā)光二極管，發(fā)射角度(與底板之間的夾角)為30°～45°。在標(biāo)準(zhǔn)安裝配合后，底板距離工作表面的有效距離在O～2 mm內(nèi)，OM02芯片可進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)接收檢測。

1．2 檢測控制原理及系統(tǒng)硬件設(shè)計
    本系統(tǒng)采用全閉環(huán)控制方式，如圖2所示。將鼠標(biāo)檢測到的位移增量反饋回單片機，并進(jìn)行數(shù)字式PID控制，然后將運算結(jié)果通過D／A轉(zhuǎn)換芯片傳給變頻器，進(jìn)而控制電機的轉(zhuǎn)速。

    系統(tǒng)主要由電動機、傳動部分、執(zhí)行部分和控制部分組成。機械傳動系統(tǒng)作為機器的重要組成部分，不僅應(yīng)能實現(xiàn)預(yù)期功能，而且應(yīng)具有良好性能。為此，采用三相交流異步電機(Y2—63M1—4型，O．12 kW)、變頻器(富士FRNO．4C1S一4C)、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)備的主要傳動及執(zhí)行部分。通過單片機調(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，從而改變電機轉(zhuǎn)速。

2 單片機程序設(shè)計
2．1 鼠標(biāo)通信協(xié)議原理
    鼠標(biāo)與單片機的數(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。使用中只需第1引腳Data、第3引腳GND、第4引腳+5VPower和第5引腳Clock這4個引腳即可。
    鼠標(biāo)履行一種雙向同步串行通信協(xié)議，在時鐘信號的作用下串行發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)。通常情況下，單片機在總線上具有總線控制優(yōu)先權(quán)，可在任何時候抑制來自于鼠標(biāo)的通信。從鼠標(biāo)到單片機的數(shù)據(jù)在時鐘的下降沿被讀??；相反，單片機到鼠標(biāo)的數(shù)據(jù)在時鐘的上升沿被讀取。時鐘信號總由鼠標(biāo)內(nèi)部的芯片提供，時鐘頻率一般在10～20 kHz。
    (1)單片機對鼠標(biāo)的通信
    根據(jù)協(xié)議要求，單片機對鼠標(biāo)的控制只需把時鐘線拉低最少100μs以上來禁止其通信，并且單片機拉低數(shù)據(jù)線使之處于請求發(fā)送狀態(tài)。如圖3所示，時鐘線升為高電平后被PS／2設(shè)備重新拉低，即可開始單片機向鼠標(biāo)的通信。

    (2)鼠標(biāo)對單片機的通信
    因單片機對總線具有控制權(quán)，當(dāng)鼠標(biāo)要向單片機發(fā)送信息時，必須先檢查時鐘線是否為高電平。如圖4所示，當(dāng)時鐘線出現(xiàn)高電平、數(shù)據(jù)線出現(xiàn)低電平時，表明鼠標(biāo)請求發(fā)送，單片機可以接收來自鼠標(biāo)的數(shù)據(jù)。

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    (3)單片機發(fā)送的控制數(shù)據(jù)
    按照鼠標(biāo)的PS／2協(xié)議規(guī)范，實際編程時先對鼠標(biāo)發(fā)送Oxff使其復(fù)位，默認(rèn)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(jìn)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(jìn)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(yīng)控制對系統(tǒng)進(jìn)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(dá)到預(yù)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(dāng)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(jìn)行圖形顯示，并可將數(shù)據(jù)存放在txt文件當(dāng)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(jìn)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(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)。
    測試結(jié)果如圖5所示，圖中縱坐標(biāo)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(biāo)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(biāo)作為檢測帶運動的速度傳感器，其價格低廉、準(zhǔn)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(jìn)行改裝，使其輸出速度穩(wěn)定。又因為光電鼠標(biāo)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(biāo)，其分辨率可達(dá)到O．01 mm，效果甚佳。該實驗在某企業(yè)的生產(chǎn)部門進(jìn)行了現(xiàn)場測試，效果理想。