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一種基于光學(xué)傳感器的軌跡球電氣技術(shù)研究(自動(dòng)化)

                         崔周培，張?chǎng)�，蔡欣榮

                     （江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇連云港222006）

摘要：軌跡球是工業(yè)顯控終端操控模塊的重要組成部分。結(jié)合PMW3310傳感器芯片和LPC1758微控制器芯片，深入研究了基于光學(xué)傳感器芯片的軌跡球電氣架構(gòu)和具體實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：軌跡球；傳感器；微控制器；電氣架構(gòu)

中圖分類號(hào)：TN873  文章編號(hào)：1006 - 2394( 2016) 06 - 0017 - 03

0引言

    軌跡球是工業(yè)顯控終端操控模塊的重要組成部分，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的選擇、定位和跟蹤。當(dāng)前大多數(shù)顯控終端的軌跡球，均使用旋轉(zhuǎn)編碼器采集球體的轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)動(dòng)的球體帶動(dòng)X、Y旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生X、Y軸脈沖，送到單片機(jī)數(shù)據(jù)輸入端，經(jīng)單片機(jī)軟件處理后，產(chǎn)生數(shù)據(jù)輸出。隨著鼠標(biāo)技術(shù)的飛速發(fā)展，大量體積較小、穩(wěn)定可靠的光學(xué)傳感器在工業(yè)軌跡球中得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的軌跡球使用旋轉(zhuǎn)編碼器采集數(shù)據(jù)，滾動(dòng)球體體積較大，人體工程學(xué)設(shè)計(jì)考慮不充分。本文應(yīng)用原相科技推薦的光學(xué)傳感器芯片PMW3310，并結(jié)合NXP公司LPC1758微控制器芯片，研究一種基于光學(xué)傳感器的新型軌跡球的電氣設(shè)計(jì)。

1光學(xué)傳感器接口設(shè)計(jì)

1.1PMW3310傳感器概述

    PMW3310DH-AWQT低功耗光學(xué)傳感器是原相鼠標(biāo)傳感器系列的新產(chǎn)品。該傳感器系統(tǒng)包括導(dǎo)航集成電路，LED發(fā)光二極管和ADNS-2120-001透鏡。它提供了增強(qiáng)的功能，如可變幀率、可編程的分辨率、角度可調(diào)以及可編程的角度捕捉，以適應(yīng)各種用途。

    PMW3310傳感器采用20引腳的雙列直插式封裝( DIP)，與ADNS-2120-001透鏡相結(jié)合用于實(shí)現(xiàn)最佳性能。該傳感器通過(guò)光學(xué)捕捉連續(xù)的表面圖像（幀）和數(shù)學(xué)確定的方向及運(yùn)動(dòng)的幅度測(cè)量位置變化。它包含一個(gè)圖像采集系統(tǒng)( IAS)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和一個(gè)四線串行端口。在IAS獲取經(jīng)由透鏡和照明系統(tǒng)微觀表面的圖像，這些圖像由DSP處理以確定方向和距離的運(yùn)動(dòng)。DSP計(jì)算和相對(duì)位移值，外部微控制器從傳感器串行端口讀取和的信息，然后將它們發(fā)送到主機(jī)PC，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成PS2或者USB信號(hào)。

1.2    PMW3310傳感器電路功能與特性

    PMW3310傳感器芯片的儲(chǔ)存溫度是- 40℃~85℃，工作電壓2.7～3.3 V，VDDIO范圍1.65～3.3 V，內(nèi)置16位運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)寄存器，芯片最大靜態(tài)功耗65 m A(2.8 V供電情況)，高速運(yùn)動(dòng)檢測(cè)130英寸／s，幀速率最高可達(dá)6 500F/s。傳感器芯片連接電路見圖1。

    傳感器芯片響應(yīng)波長(zhǎng)為400 nm～1 000 nm，光照波長(zhǎng)和傳感器相對(duì)響應(yīng)率關(guān)系具體見圖2。本文選用的發(fā)光二極管為億光公司7383 M/RNW3 -APSB工業(yè)型發(fā)光管，該發(fā)光二極管材料為AIG aInP，屬于紅色特亮型發(fā)光管，發(fā)光波長(zhǎng)為619~628 nm，可視角度為200，是原相科技廣泛推薦使用的型號(hào)。

2微控制器電路設(shè)計(jì)

2.1 LPC1758芯片概述

    LPC1758 Cortex-M3微控制器用于處理要求高度集成和低功耗的嵌入式應(yīng)用。ARM Cortex-M3是新生內(nèi)核處理器，它可提供系統(tǒng)增強(qiáng)型特性，例如現(xiàn)代化調(diào)試特性和支持更高級(jí)別的塊集成。ARM Cortex-M3 CPU具有3級(jí)流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，帶獨(dú)立的本地指令和數(shù)據(jù)總線以及用于外設(shè)的稍微低性能的第三條總線。LPC1758 Cortex-M3微控制器的操作頻率達(dá)到100 MHz。

    LPC1758 Cortex-M3微控制器的外設(shè)組件包含高達(dá)512 KB的Flash存儲(chǔ)器、64 KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、以太網(wǎng)MAC、USB主機(jī)／從機(jī)/OTG接口、8通道的通用DMA控制器、4個(gè)UART、2條CAN通道、2個(gè)SSP控制器、SPI接口、3個(gè)I2 C接口、2輸入和2輸出的I2 S接口、8通道的12位ADC、10位DAC、電機(jī)控制PWM、正交編碼器接口、4個(gè)通用定時(shí)器、6輸出的通用PWM、帶獨(dú)立電池供電的超低功耗RTC和多達(dá)70個(gè)的通用I/O管腳。

2.2    LPC1758芯片電路連接

    LPC1758對(duì)外提供l路USB設(shè)備接口，該接口也可以配置成PS/2鼠標(biāo)接口，具體配置成何種接口，由R7和R8兩個(gè)電阻決定，當(dāng)焊接R7電阻時(shí)，配置成USB接口通信方式，當(dāng)焊接R8電阻時(shí)，配置成PS/2接口，兩個(gè)電阻只能焊接一個(gè)。對(duì)外USB接口或PS/2接口都提供了ESD防護(hù)功能、電磁兼容、過(guò)流等保護(hù)措施。

    當(dāng)LPC1758處于USB接口通信方式時(shí)，LPC1758每10 ms將位移數(shù)據(jù)封包以HID數(shù)據(jù)格式發(fā)送給上位機(jī)；P2是普通的數(shù)字輸入輸出口，系統(tǒng)上電后，該管腳低電平時(shí)芯片進(jìn)入ISP下載狀態(tài)，可以通過(guò)串口0將數(shù)據(jù)下載進(jìn)去。通過(guò)發(fā)光二極管V3、V4、V5的明暗，可以表示微控制器所設(shè)定的三種鼠標(biāo)DPI值，具體值可以標(biāo)在印制板上。RS-232串口作為調(diào)試使用，具體的通信數(shù)據(jù)以實(shí)際調(diào)試需要為主。LPC1758主控電路設(shè)計(jì)見圖3。

3對(duì)外接口

    本文中的新型光學(xué)傳感器軌跡球，對(duì)外數(shù)據(jù)輸出采用標(biāo)準(zhǔn)PS/2方式和USB方式，具體接口電路見圖4。USB接口和PS/2接口復(fù)用，通過(guò)圖3中R7、R8電阻選擇，ARM程序配置USB接口或者模擬PS/2接口，USB接口配置成HID協(xié)議。

3.1 PS/2通信協(xié)議

    新型光學(xué)傳感器軌跡球?qū)ν?/font>PS/2通信方式采用標(biāo)準(zhǔn)的PS/2鼠標(biāo)通信協(xié)議，支持輸入X（左右）位移、Y（上下）位移、左鍵、中鍵和右鍵，鼠標(biāo)以固定的頻率讀取輸入，并更新不同的計(jì)數(shù)器，然后標(biāo)記出反映的移動(dòng)和按鍵狀態(tài)。