光電鼠標傳感器的精密測量與控制系統

(3)單片機發送的控制數據
按照鼠標的PS／2協議規范，實際編程時先對鼠標發送Oxff使其復位，默認采樣頻率為10O次／s，縮放比例為1：1，數據報告禁止。使用Oxea命令進入strearn模式，使用Oxe8、0x03命令設置解析度為8點／mm，使用Oxf4命令使能數據報告。配合AT89S51單片機的定時器功能，將其時間常數設置為0．1 s，每次中斷時發送Oxeb命令讀取位移數據信息，每發出一次，單片機接收到的位移數據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的有效數據包即Y方向位移增量。

2．2 PID控制軟件算法
對該交流變頻調速系統建模，首先取電壓輸入為一個隨機值，再測得其轉速值。取兩個數值構成一個數據對，然后對大量數據對用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。根據擬合的曲線可以近似求得其傳遞函數為：

使用神經網絡PID自適應控制對系統進行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，盡管后者需調整3個控制參數，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。
增量式數字PID的控制算法為：

其中kp為比列系數，ki為積分系數，kd為微分系數；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機上實時在線調節PID的kp、ki、kd參數。

3 上位機監測設計
通過單片機的串口發送端，在LabVIEW中編寫程序來完成PC機與數據通信設備的數據交換，直接通過串口接收外部數據并進行圖形顯示，并可將數據存放在txt文件當中。在LabVIEW中主要是使用VISA控件實現串行口直接數據通信，通過RS一232串行接口和LabVIEW實現數據的通信。
使用read string控件對數據進行接收，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，數據的接收并非是連續不斷的，而要通過一定的延時；因此，為了不間斷地接收單片機發送的串口數據包，須將前面的寫和延時都去掉。因串口接收到的數據是字符型的，而我們所需要的是整型數據，因此可通過強制轉換將數據轉換為單精度整型。創建數組，將數據和數組初始化相結合得到一個完整的數組，通過Waveform graph控件以及移位寄存器即可實現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。鼠標傳輸的誤碼率將有所上升，其位移精度也將受到質疑。為保證位移量的準確性，采用200DPI的分辨率，配合看門狗，精度誤差和程序穩定性將大為好轉。
測試結果如圖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(測量數據引自速度曲線剛開始穩定時的前1000個時間點)。因其光電鼠標傳感器在正常工作環境中使用，系統呈線性變化，對此可引入速度修正系數k，以提高檢測精確度。

結 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備進行改裝，使其輸出速度穩定。又因為光電鼠標技術已趨于成熟，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。該實驗在某企業的生產部門進行了現場測試，效果理想。