摘要 传统的检测和控制装置可能无法满足普通带式传动装置的高精度速度控制。由于其高精度、低现场环境要求、低价格等因素，光电鼠标芯片非常适合位置检测场合。鉴于此，结合光电鼠标芯片和AT89S通过改进普通带式传动装置，51单片机可以使其传动快速、稳定、准确。试验表明，这种试验和控制方法是有效的。
关键词 PS/2协议 低速 PID控制 单片机接口 光学鼠标 速度测量
引言
带式传动是工业生产中常用的传动装置，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；但在长期使用中，由于磨损等不可预测的情况，电机转速与带式传动速度严重不一致。这种半闭环控制模式在高精度带传动速度控制上存在很大误差。由于价格昂贵，对现场环境要求高，光栅尺往往不适合普通工况下带传动装置的改装。鉴于此，本文提出了用普通商用光电鼠标代替传统检测设备的方法AT89S51单片机实现现场PID控制，使带传动速度满足满意要求。
1 检测系统的硬件组成
1.1 OM光学传感器芯片和鼠标控制器
这款光学CMOS传感器是一种集数字信号处理器为一体的非接触式光电鼠标芯片(DSP)、双通道正交输出端口等。在芯片底部有一个感光眼，能够不断地对物体进行拍照，并将前后两次图像送入DSP中进行处理，得到移动的方向和距离。DSP位移值转换为双通道正交信号，用鼠标控制器将双通道正交信号转换为单片机可处理的PS/2数据格式。该设备安装在一套高强度的塑料光学透镜设备上LED。此外，它还可以提供高达400点/in分辨率和16 in/s内部检测速度。
图1是鼠标芯片传感器的组装图。OM02芯片为CMOS型式传感器必须配备高强度发光二极管，发射角度（与底板之间的夹角）为30°~45°。标准安装配合后，底板与工作表面的有效距离为0~2 mm内，OM02芯片可以进行正常的数据接收检测。
图1 鼠标芯片传感器装配图
1.2 检测控制原理及系统硬件设计
该系统采用全闭环控制方法，如图2所示。将鼠标检测到的位移增量反馈给单片机，并进行数字化PID控制，然后通过控制计算结果D/A将芯片转换为变频器，然后控制电机的速度。
图2 光电鼠标检控原理框图
该系统主要由电机、传动部件、执行部件和控制部件组成。机械传动系统作为机器的重要组成部分，不仅要实现预期功能，还要具有良好的性能。为此，采用三相交流异步电机(Y263M14型，0.12 kW)、变频器(富士FRN0.4C1S4C)、30∶蜗杆减速器1，vB型相带传输装置，P作为模拟工业设备的主要传动和执行部204型球轴承和轴承座。数模转换器的输出电压通过单片机调整U，电机转速可以改变变频器的输出频率。
2 单片机程序设计
2.1 鼠标通信协议原理
鼠标和单片机的数据通信模式PS/2通信协议。PS/2鼠标的物理接口是6脚圆形接口。使用中只需要第一引脚Data、第3引脚GND、第4引脚 5VPower和第5引脚Clock这四个引脚就可以了。
鼠标在时钟信号的作用下，履行双向同步串行通信协议，串行发送或接收数据。通常情况下，单片机在总线上有优先控制总线，可以随时抑制鼠标的通信。从鼠标到单片机的数据在时钟机的数据；相反，时钟上升沿读取从单片机到鼠标的数据。鼠标内的芯片总是提供时钟信号，时钟频率一般为10~20 kHz。
(1) 单片机通信鼠标
根据协议要求，单片机对鼠标的控制只需将时钟线降低至少100 μs禁止上述通信，单片机降低数据线，使其处于请求发送状态。如图3所示，时钟线升高到高电平PS/2设备再次降低，可以开始单片机通信鼠标。
图3 单片机对PS/2设备通信顺序
(2) 鼠标通信单片机
由于单片机对总线有控制权，当鼠标想要向单片机发送信息时，必须首先检查时钟线是否为高电平。如图4所示，当时钟线高电平，数据线低电平时，表示鼠标需要发送，单片机可以接收鼠标数据。
图4 鼠标通信单片机的时间序列
(3) 单片机发送的控制数据
按照鼠标的PS/2协议规范，鼠标在实际编程中发送0xff默认采样频率为100次/s，缩放比例为1∶禁止数据报告。使用0xea命令进入stream模式，使用0xe8、0x03命令设置的分析为8点/mm，使用0xf命令使数据报告能据。配合AT89S51单片机的定时器功能将其时间常数设置为0.1 s，每次中断时发送0xeb每次单片机接收到的位移数据包都包含位移信息和按键动作信息，命令读取位移数据信息。具体格式如表1所列。只需提取编译X3有效数据包是Y方向位移增量。
表1 3D鼠标接收数据格式
2.2 PID控制软件算法
对于交流变频调速系统的建模，首先将电压输入到随机值，然后测量其转速值。将两个值组成一个数据对，然后使用大量数据Matlab仿真获得其振幅频率特性和相频特性，并对其振幅频率特性和相频特性进行类似的拟合。根据拟合曲线可以近似获得的传输函数为：
使用神经网络PID自适应控制系统Matlab仿真试验，效果令人满意。然而，由于输入层、隐含层和输出层的多阶矩阵操作，单片机的操作时间显著增加，导致时间不确定性增加；同比增量型PID控制，虽然后者需要调整三个控制参数，但也可以使精度达到预期效果，计算时间大大降低，因此选择增量型PID算法作为控制算法。
增量式数字PID控制算法为：
其中kp对比系数，ki为积分系数，kd微分系数；e(k)是当前位移增量和上次位移增量的变化； 同理，e(k-1)、e(k-2)各为前期间隔的位移变化。
可在单片机串行中断接收功能PC实时在线调整机器PID的kp、ki、kd参数。
3 上位机监控设计
在单片机的串口发送端LabVIEW编写程序完成PC 机器与数据通信设备之间的数据交换可以通过串口直接接收外部数据并显示图形，并存储数据txt在文件中LabVIEW主要用于中间VISA通过串行口直接数据通信实现控件RS232串行接口和LabVIEW实现数据通信。
图5 带运动的时间位移图
使用read string通过控件接收数据Waveform graph实时波形可显示在控件。在LabVIEW在自己的例子中，数据的接收不是连续的，而是通过一定的延迟；因此，为了不断接收单片机发送的串数据包，必须删除之前的写作和延迟。由于串口接收到的数据是字符型的，我们需要的是整形数据，数据可以通过强制转换转换为单精度整形。通过创建数组，将数据与数组初始化相结合，获得完整的数组Waveform graph实时显示和记录上位机的控件和移位寄存器。
4 测试控制性能评价
PS/2接口最大使用频率为33 kHz。本实验单片机使用12 MHz晶振，可轻松实现接口功能。但受其芯片特性的影响，尽管OM02鼠标芯片分辨率为400DPI,但鼠标传输的误码率情况下，鼠标传输的误码率会上升，其位移精度也会受到质疑。为保证位移的准确性，采用2000DPI配合看门狗，精度误差和程序稳定性将大大提高。
测试结果如图5所示，图中纵坐标为位移增量点，每一点为0.125 mm。在低速运行中，虽然速度上下跳动有变化，但跳动量较小。图中带速度的设定值为32点，即40点.00 mm/s(灵敏度为0.125 mm/s)，平均速度为39.987mm/s(测量数据引自速度曲线开始稳定时的前1000个时间点)。由于光电鼠标传感器在正常工作环境中使用，系统呈线性变化，可引入速度校正系数k，提高检测精度。
结语
采用光电鼠标作为检测带运动的速度传感器，价格低廉，准确性高，使用方便，配合单片机PID编程控制和LabVIEW虚拟仪器的图形检测显示，可以很好地修改速度要求低、精度要求低的设备，使其输出速度稳定。由于光电鼠标技术已经成熟，一般对检测表面的粗糙度要求不高，在恶劣的工况下仍能保证无障碍运行。近几年推出的激光鼠标分辨率可达0.01 mm，效果甚佳。实验在企业生产部门进行了现场测试，效果理想。
编者注： 本文为期刊缩略版，全文见本刊网站www.mesnet.com.cn。
参考文献
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机械电子工程是陈智博的主要研究方向；
林永忠(本科)的主要研究方向是自动检测和控制；
主要研究方向是检测技术和自动化装置；
小威威(本科)的主要研究方向是机械制造和自动化。
(2008年:2008年10-18)