光學(xué)鼠標(biāo)傳感器用于一般測(cè)量的研究

張樹漢，周奇

(重慶理工大學(xué)藥學(xué)與生物工程學(xué)院，重慶 400054)

光學(xué)鼠標(biāo)傳感器用于一般測(cè)量的研究

張樹漢，周奇

(重慶理工大學(xué)藥學(xué)與生物工程學(xué)院，重慶 400054)

對(duì)于醫(yī)療儀器設(shè)計(jì)中使用的位移、角度傳感器需具備體積小、精度高、穩(wěn)定可靠等要求，提出基于現(xiàn)有的光學(xué)鼠標(biāo)傳感器設(shè)計(jì)醫(yī)療儀器中需要用到的直線位移傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器及角度傳感器。通過分析此類傳感器的原理結(jié)構(gòu)及使用方法，設(shè)計(jì)了一套基于ADNS－5090鼠標(biāo)光學(xué)傳感器的試驗(yàn)系統(tǒng)，并對(duì)這一類傳感器能否用于以上設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該類傳感器具有響應(yīng)快、精度高、線性度好等優(yōu)點(diǎn)，在轉(zhuǎn)速測(cè)量中適合低中速轉(zhuǎn)動(dòng)器件的測(cè)量。

位移測(cè)量;角度測(cè)量;轉(zhuǎn)速測(cè)量;光學(xué)鼠標(biāo)傳感器;醫(yī)療儀器

在醫(yī)療儀器的設(shè)計(jì)中常常運(yùn)用到位移、角度、轉(zhuǎn)速檢測(cè)，如血栓彈力圖中角度測(cè)量［1］、注射泵的位移反饋以及一些運(yùn)用到電機(jī)傳動(dòng)中的轉(zhuǎn)速測(cè)量。目前，用于測(cè)量位移的方法主要有光柵、容柵、編碼盤等;轉(zhuǎn)速測(cè)量方法主要有光電式、電渦流或電磁感應(yīng)式等。這一類傳感器通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜［2］且價(jià)格較昂貴，有的對(duì)工作環(huán)境要求較高，而光學(xué)鼠標(biāo)傳感器具有精度高，環(huán)境要求低，穩(wěn)定性和可靠性好，體積小，質(zhì)量輕等特點(diǎn)，非常適合用來設(shè)計(jì)以上各種專用傳感器。

1 光學(xué)鼠標(biāo)傳感器

光學(xué)鼠標(biāo)傳感器又名光學(xué)感應(yīng)器，目前全球有安捷倫、微軟和羅技三大生產(chǎn)廠家。本研究用安捷倫公司生產(chǎn)的ADNS系列ADNS5090來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。光學(xué)感應(yīng)器的技術(shù)參數(shù)主要有CPI、采樣率、CMOS像素?cái)?shù)、像素處理能力、最大速度和最大加速度［3］。各大公司根據(jù)市場(chǎng)定位不同設(shè)計(jì)了不同參數(shù)的產(chǎn)品以適應(yīng)消費(fèi)者的需求，這同時(shí)也給本研究設(shè)計(jì)不同參數(shù)傳感器提供了更多的選擇。

1.1 測(cè)量原理

如圖1、2所示，一套傳感模塊主要有基板、發(fā)光二極管、棱鏡、傳感器組成。傳感器底部有1個(gè)透鏡，由發(fā)光二極管發(fā)出的光(紅外、紫光或激光)經(jīng)過棱鏡照射到檢測(cè)表面經(jīng)漫反射到透鏡進(jìn)入傳感器內(nèi)部的CMOS傳感陣列，傳感器的圖像采集系統(tǒng)以3 000幀/s(ADNS－5090)的速度掃描，同時(shí)內(nèi)置DSP圖像處理器對(duì)每一張圖像進(jìn)行比對(duì)計(jì)算可得出檢測(cè)表面在二維平面的相對(duì)位移，并將數(shù)據(jù)數(shù)字化放置到相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器中供控制芯片讀取。

圖1 光學(xué)傳感器模塊組成

圖2 ADNS－5090外觀及封裝

1.2 重要參數(shù)

CPI即分辨率(單位:點(diǎn)數(shù)/英寸)，表示可測(cè)量出的精準(zhǔn)度為每英寸多少點(diǎn)。市面上大多數(shù)為1 000 CPI，游戲級(jí)別的鼠標(biāo)則達(dá)到3 000 CPI以上，譬如ADNS－6090。

采樣率為CMOS傳感器每秒采樣的次數(shù)，同時(shí)表示了內(nèi)置DSP處理器的處理次數(shù)。

最大速度和最大加速度為測(cè)量時(shí)在保證精確度的前提下與被測(cè)表面的相對(duì)最大速度和加速度。

1.3 數(shù)據(jù)獲取

鼠標(biāo)光學(xué)傳感器內(nèi)部采用的是DSP數(shù)字處理技術(shù)，得出的結(jié)果為數(shù)字量，與大多數(shù)模擬量傳感器相比省去了AD轉(zhuǎn)換部分，抗干擾能力也得到提高。數(shù)據(jù)格式大多以二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式實(shí)時(shí)存儲(chǔ)于相應(yīng)寄存器中，提高數(shù)據(jù)運(yùn)算效率［4－6］。

在與控制芯片的數(shù)據(jù)交互上，為確保數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性，構(gòu)建了一套高效的數(shù)據(jù)傳輸方案。比如數(shù)據(jù)讀取采用中斷觸發(fā)方式，通信接口采用高速串行傳輸［7］。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)使用的ADNS－5090采用了SPI接口傳輸，如圖3所示。第一個(gè)字節(jié)最高位為“1”，代表讀數(shù)據(jù)，為“0”代表寫數(shù)據(jù);A0～A6為要讀取數(shù)據(jù)的寄存器地址;D0～D7為傳感器返回的一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。詳細(xì)操作參考數(shù)據(jù)手冊(cè)。

圖3 ADNS－5090 SPI接口讀數(shù)據(jù)時(shí)序圖

1.4 應(yīng)用范圍

綜合以上分析可以得出:此類傳感器的應(yīng)用范圍廣泛，不僅適用于醫(yī)療儀器中，也可用于傳輸裝置速度檢測(cè)［6］、中遠(yuǎn)距離微位移測(cè)量［7］、非接觸運(yùn)動(dòng)檢測(cè)［8］等。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證此類傳感器用于位移、轉(zhuǎn)速、角度測(cè)量的可行性，設(shè)計(jì)了基于ADNS－5090位移測(cè)量試驗(yàn)平臺(tái)。平臺(tái)主要包括傳感器模塊、單片機(jī)模塊、通用型兩相步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊(lettro公司的DMD605驅(qū)動(dòng)器)，如圖4所示。該平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)同步控制步進(jìn)電機(jī)模塊和讀取傳感器數(shù)據(jù)。由于步進(jìn)電機(jī)結(jié)合驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分可以實(shí)現(xiàn)很高的直線位移精度，因此以步進(jìn)電機(jī)的移動(dòng)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖4 試驗(yàn)平臺(tái)組成

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

如圖5所示，硬件電路包括STM32單片機(jī)、ADNS－5090傳感器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、串口轉(zhuǎn)USB、液晶顯示等。

圖5 試驗(yàn)系統(tǒng)電路原理

ADNS－5090引腳說明參考表1，其中4個(gè)引腳用于SPI通訊(8－數(shù)據(jù)輸入、1－數(shù)據(jù)輸出、4－片選、5－時(shí)鐘);2腳用于傳感器照明LED驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)方式可通過編程實(shí)現(xiàn)從默認(rèn)的低功耗省電模式到正常工作模式;3腳用于觸發(fā)單片機(jī)中斷，可通過編程配置為有數(shù)據(jù)時(shí)為高電平或短脈沖輸出;6、7腳為電源引腳，供電范圍2.8～3.7 V。

控制單元由STM32F103C8T6 32位單片機(jī)作為主控芯片，此芯片采用ARM架構(gòu)Cortex－M3內(nèi)核，運(yùn)行速度最大可達(dá)72 M，含硬件SPI外設(shè)，滿足本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)、數(shù)據(jù)液晶屏顯示及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的任務(wù)要求(圖5中除傳感器模塊電路連接完整外其余模塊為連接示意)。

表1 ADNS5090引腳說明

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使用細(xì)分從1～128撥碼開關(guān)選擇的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，并由滾珠絲桿作為直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，螺距為4 mm。由此可計(jì)算出當(dāng)細(xì)分為1(對(duì)應(yīng)200個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈)時(shí)絲桿傳送精度理論值為0.02 mm，選用更高細(xì)分可獲得更高的精度。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要包括初始化部分、數(shù)據(jù)獲取和處理部分、數(shù)據(jù)傳送部分。

初始化包括傳感器上電后軟件復(fù)位、CPI設(shè)置、中斷引腳輸出模式，其他采用默認(rèn)設(shè)置。單片機(jī)外圍部分包括SPI、按鍵、串口、中斷等初始化部分。

傳感器初始化后，一旦檢測(cè)到被測(cè)表面的移動(dòng)，MOTION引腳便拉高或產(chǎn)生一個(gè)230 μs的短脈沖，從而觸發(fā)單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)程序，程序執(zhí)行的內(nèi)容如圖6所示。除了要讀取X、Y 2個(gè)數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容外，還需讀取SUQAL和PIX_ACCUM 2個(gè)寄存器的值用于判斷傳感器獲取圖像質(zhì)量是否可靠，部分寄存器描述見表2。當(dāng)被測(cè)表面距離超過傳感器規(guī)定距離時(shí)，檢測(cè)結(jié)果不可信，最佳距離可參考相關(guān)手冊(cè)。

圖6 數(shù)據(jù)獲取示意

每次獲取到X，Y的數(shù)據(jù)后累積，便得到二維平面內(nèi)2個(gè)方向的位移，同時(shí)通過單片機(jī)自帶顯示屏顯示或通過串口發(fā)送到上位機(jī)。

表2 ADNS5090部分寄存器描述

測(cè)試程序采用步進(jìn)電機(jī)與傳感器結(jié)合的方式。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)固定步數(shù)，然后傳感器檢測(cè)位移量，同時(shí)將兩者位移通過串口打印到上位機(jī)屏幕上，重復(fù)100次，即每組測(cè)試獲取100個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，電機(jī)回到原點(diǎn)。重復(fù)此過程，并以不同參數(shù)(電機(jī)步進(jìn)值、CPI參數(shù))多次試驗(yàn)。試驗(yàn)值用于計(jì)算傳感器的線性度、重復(fù)精度及測(cè)量誤差。

2.3 數(shù)據(jù)分析

2.3.1 理論值分析

根據(jù)手冊(cè)，此類傳感器與測(cè)量精度有關(guān)的數(shù)據(jù)有測(cè)量精度CPI、最高可檢測(cè)移動(dòng)速度、最大加速度。ADNS－5090允許用戶配置的CPI參數(shù)和相應(yīng)分辨率如表3所示，最大可檢測(cè)速度為30 inch/s，最大加速度為8 G。

表3 CPI與分辨率

2.3.2 實(shí)驗(yàn)值分析

參考表3數(shù)據(jù)，并考慮到步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，試驗(yàn)選用的細(xì)分為20(對(duì)應(yīng)4 000個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈)，即電機(jī)單步步進(jìn)值為0.001 mm。

圖7中數(shù)據(jù)為單片機(jī)將數(shù)據(jù)經(jīng)串口傳至上位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)。其中上、下兩圖顯示的為4次重復(fù)測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)，線條屬性見表4。由于測(cè)量坐標(biāo)與傳感器坐標(biāo)不重合，因此實(shí)際位移Sr(紅色)應(yīng)該等于傳感器坐標(biāo)X、Y 2個(gè)方向位移的合成，計(jì)作SX/Y(青色)。理論上:

K為實(shí)際位移與測(cè)試值之比，由試驗(yàn)獲得，稱為校正系數(shù)。圖7中即為SX/Y乘上修正系數(shù)(K= 0.61)后的輸出曲線，由圖7可以看出紅色與青色線幾乎完全重合。

圖7 原始數(shù)據(jù)與修正后數(shù)據(jù)對(duì)比

表4 串口數(shù)據(jù)圖屬性

為獲得傳感器最佳校正系數(shù)，試驗(yàn)了多組數(shù)據(jù)。通過比較分別在不同校正系數(shù)下實(shí)驗(yàn)值的測(cè)量誤差，誤差最小的一組中的K值即為最佳校正系數(shù)。

表5的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是在1750cpi－0.1 mm步距下測(cè)得，終值均為10 mm，4次的平均誤差公式為:

由以上數(shù)據(jù)得:在校正系數(shù)為0.624時(shí)，測(cè)量誤差最小，約為0.2%。從這也可以看出此類傳感器的測(cè)量誤差很小。

表5 校正系數(shù)與測(cè)量誤差

接下來選用校正系數(shù)為0.624時(shí)的4組數(shù)據(jù)中的一組，共100個(gè)數(shù)據(jù)來做線性度［9］分析，采用的運(yùn)算工具為Matlab中的cftool工具箱中的線性擬合，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 傳感器數(shù)據(jù)線性擬合結(jié)果

參考Matlab線性擬合定義可知:殘差平方和SSE/均方差RMSE兩項(xiàng)越接近零、相關(guān)系數(shù)的平方R－square越接近1線性度越好。從圖8中可以看出:傳感器測(cè)量得到的數(shù)據(jù)具有很好的線性度。

重復(fù)精度的計(jì)算采用相關(guān)運(yùn)算的方式，取校正系數(shù)為0.624時(shí)的4組數(shù)據(jù)中的2、3組做相關(guān)運(yùn)算。計(jì)算工具采用Matlab的corrcoef函數(shù)。計(jì)算結(jié)果如圖9所示，兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)非常接近1，證明傳感器具有很高的重復(fù)精度。

圖9 傳感器數(shù)據(jù)重復(fù)精度計(jì)算結(jié)果

以上分析所用到的數(shù)據(jù)均為在同一檢測(cè)表面、同一校正系數(shù)下反復(fù)測(cè)量4次得到的4組數(shù)據(jù)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):檢測(cè)表面的均一性對(duì)檢測(cè)結(jié)果的線性度有重要影響，這是和傳感器的光反射法檢測(cè)直接聯(lián)系的。

經(jīng)驗(yàn)證ADNS－5090用于測(cè)量位移時(shí)具有很好的線性度、重復(fù)精度，測(cè)量誤差在選擇正確的校正系數(shù)后僅為0.2%。同時(shí)在能得到X/Y方向穩(wěn)定位移數(shù)據(jù)后，只需在算法上對(duì)X/Y數(shù)據(jù)進(jìn)行處理便可用于測(cè)量角度，增加一個(gè)時(shí)間坐標(biāo)(單片機(jī)用定時(shí)器實(shí)現(xiàn))可用于測(cè)量速度或轉(zhuǎn)速。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過以上分析表明:鼠標(biāo)光學(xué)傳感器可以運(yùn)用到醫(yī)療儀器中的位移、角度、轉(zhuǎn)速測(cè)量。在試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)除了傳感器本身，傳感模塊的其他部件如反射表面的粗糙度、光源、傳感器與檢測(cè)表面距離的穩(wěn)定性也是設(shè)計(jì)傳感器時(shí)應(yīng)該考慮的重要部分。

本試驗(yàn)使用的ADNS－5090是用于一般要求的鼠標(biāo)傳感器，如需更高精度和穩(wěn)定性，可選用同系列或其他廠家生產(chǎn)的更高CPI的傳感器和激光光源鼠標(biāo)光學(xué)傳感器。

本文驗(yàn)證了光學(xué)鼠標(biāo)傳感器在一般性測(cè)量領(lǐng)域的可行性，結(jié)合此類傳感器的優(yōu)勢(shì)，可將此方法運(yùn)用于更多的行業(yè)。

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(責(zé)任編輯 楊黎麗)

Optical Mouse Sensor for General Measuring Studies

ZHANG Shu－h(huán)an，ZHOU Qi
(School of Pharmacy＆Bioengineering，
Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China)

The displacement sensor and angle sensor which were used in medical instruments needed to have small size，high precision，steady and reliability.Based on the existing optical mouse sensors，this paper studied linear displacement sensors，speed sensors and angle sensors.By analyzing the principle，structure and method of these series sensors，we designed a set of experiment system based on ADNS－5090 optical mouse sensor，and we tested these kinds of sensors with the system.The results show that these kinds of sensors have the advantage of quick response，high precision and good linearity.It is suitable for surveying devices with low or medium speed rotating，and these sensors can also be used in industrial production.

displacement measurement;angle measurement;speed measurement;optical mouse sensor;medical instruments

TH89

A

1674－8425(2014)04－0118－05

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.04.025

2014－01－12

張樹漢(1987—)，男，江西贛州人，碩士研究生，主要從事醫(yī)療儀器方面研究。

張樹漢，周奇.光學(xué)鼠標(biāo)傳感器用于一般測(cè)量的研究［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014(4):118－122.

format:ZHANG Shu－h(huán)an，ZHOU Qi.Optical Mouse Sensor for General Measuring Studies［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(4):118－122.