光电鼠标传感器的精密测量与控制系统.doc

光电鼠标传感器的精密测量与控制系统 APPL ICATIONNO TES应用天地光电鼠标传感器的精密测?与控制系统3华侨大学陈智博?永忠蔡钟山刘聃肖威威对于普通的带传动装置进?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?之有效的。 PS/2协议低速PID控制单片机接口光学鼠标速度测?摘要关键词引言带传动是工业生产中普遍使用的传输装置,其常用的速度检测装置是安装在电机旋转端的光电编码器;但设备在长期使用中,因磨损等?可预计情况,使得电机转速与带传动速度出现严重的?一致。 这种半闭环控制方式在需要较高精度的带传动速度控制上误差很大。 光栅尺等因价格昂贵、对现场环境要求高,往往对于普通工况中带传动装置的改装并?很适用。 鉴于此,本文提出了使用一般商用的光电鼠标代替传统的检测器件的方法,通过AT89S51单片机实现现场的PID控制,使带传动速度达到满意的要求。 准安装配合后,底板距离工作表面的有效距离在02mm内,OM02芯片可进?正常的数据接收检测。 图1鼠标芯片传感器装配图1.2检测控制原?及系统硬件设计本系统采用全闭环控制方式,如图2所示。 将鼠标检测到的位移增?反馈回单片机,并进?数字式PID控制,然后将运算结果通过D/A转换芯片传给变频器,进而控制电机的转速。 1检测系统硬件组成1.1OM02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,集成有数字信号处?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?断地对物体进?拍照,并将前后两次图像送入DSP中进?处?,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号,配合鼠标控制器,将双通道正交信号转化成单片机能够处?的PS/2数据格式。 设备安装在一套塑?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16in/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3045。 在标3基金项目:福建省大学生创新性实验项目(闽教高xx128号)。 图2光电鼠标检测控制原?框图系统主要由电动机、传动部分、执?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,?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(Y2263M124型,0.12kW)、变频器(富士FRN0.4C1S24C)、301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?部分。 通过单片机调整数模转换器的输papermes.(投稿专用)xx?第2期Microcontrollers&EmbeddedSystems57应用天地APPL ICATIONNO TES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?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?接口为6脚圆形接口。 使用中只需第1图4鼠标对单片机通信的时序引脚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?一种双向同步?通信协议,在时钟信号的作用下?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。 时钟信号总由鼠标内部的芯片提供,时钟频率一般在1020kHz。 (1)单片机对鼠标的通信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?。 表13D型鼠标接收数据格式bit7bit6bit5bit4bit3bit2bit1bit0字节1Y溢出X溢出Y方向X方向1中按键左按键右按键字节2X方向位移?信息字节3Y方向位移?信息字节4Z方向位移?信息根据协议要求,单片机对鼠标的控制只需把时钟线拉低最少100s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。 2.2PID控制软件算法对该交流变频调速系统建模,首先取电压输入为一个随机值,再测得其转速值。 取两个数值构成一个数据对,然后对大?数据对用Matlab仿真求得其幅频特性和相频特性,并且对其幅频特性和相频特性进?相似的拟合。 根据拟合的曲线可以近似求得其传递函数为:-0.08sG(s)=1.05e/(1+0.001s)s使用神经网络PID自适应控制对系统进?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?确定因素增大;同比使用增?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?型PID算法图3单片机对PS/2设备通信的时序作为控制算法。 增?式数字PID的控制算法为:U(k)=U(k-1)+k pe(k)-e(k-1)+k ie(k)+k de(k)-2e(k-1)+e(k-2) (2)鼠标对单片机的通信因单片机对总线具有控制权,当鼠标要向单片机发送信息时,必须先检查时钟线是否为高电平。 如图4所示,当时钟线出现高电平、数据线出现低电平时,表明鼠标请求发送,单片机可以接收鼠标的数据。 (3)单片机发送的控制数据其中k p为比列系数,k i为积分系数,k d为微分系数;e(k)为当前位移增?与上一次位移增?的变化?;同?,e(k-1)、e(k-2)各为往前时间间隔的位移变化?。 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11,数据报告禁止。 使用0xea命令进入stream模式,利用单片机?中断接收功能,可在PC机上实时在线调节PID的k p、k i、k d参数。 使用0xe 8、0x03命令设置解析度为8点/mm,使用0xf4命令使能数据报告。 配合AT89S51单片机的定时器功能,将其时间常数设置为0.1s,每次中断时发送0xeb命3上位机监测设计通过单片机的?口发送端,在LabVIEW中编写程序来完成PC机与数据通信设备的数据交换,直接通过?口advmes.(广告专用)58xx?第2期APPL ICATIONNO TES应用天地接收外部数据并进?图形显示,并可将数据存放在txt文件当中。 在Lab2VIEW中主要是使用VISA控件实现?口直接数据通信,通过RS2232?接口和LabVIEW实现数据的通信。 使用read string控件对数据进?接在LabVIEW中自带的范例中,数据的接收并非是连续?断的,而要通过一定的延时;因此,为了?间断地接收单片机发送的?口数据包,须将前面的写和延时都去掉。 因?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。 图5带运动的时间位移图收,并通过Waveform graph控件就可以显示实时波形。 好地对速度要求较低、精度要求?太高的设备进?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?高,在比较恶劣的工况下仍可保证运?无障碍。 近些?所推出的激光鼠标,其分辨率可达到0.01mm,效果甚佳。 该实验在某企业的生产部门进?了现场测试,效果?想。 编者注:本文为期刊缩略版,全文见本刊网站.mes.。 参考文献1OM02Optical Mousesensor DataSheet,xx.2赵玉昆.PS/2鼠标和单片机的接口J.上海应用技术学院4检测控制性能评价PS/2接口最大的使用频率是33kHz。 本实验单片学报,xx,4 (1).3?邓伟,刑文生.光电鼠标芯片组在无接触检测运动物体中机使用12MHz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?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?点,每一点为0.125mm。 带在较低速的运?中尽管存在速度的上下跳动变化,但跳动?较小。 图中带速度的设定值为32点,即40.00mm/s(灵敏度为0.125mm/s),速度平均值为39.987mm/s(测?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。 的应用J.微计算机信息,xx,22 (722).4宋健.数字PID算法在喷雾机器人导航系统中的应用J.潍坊学院学报,xx,3 (6).陈智博,主要研究方向为机械电子工程;?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:xx210218)Micromint选择IAR Systems作为其单板计算机的工具合作伙伴单板计算机和工业嵌入式控制器供应商Micromint选择IAR Systems作为其开发工具合作伙伴。 Micromint面向工业市场的Eagle100单板计算机选用IAR EmbeddedWork2bench集成开发环境来进?开发设计。 Eagle100套件?含有IAR Systems的IAR