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引言 帶傳動(dòng)是工業(yè)生產(chǎn)中普遍使用的傳輸裝置，其常用的速度檢測裝置是安裝在電機旋轉端的光電編碼器；但設備在長(cháng)期使用中，因磨損等不可預計情況，使得電機轉速與帶傳動(dòng)速度出現嚴重的不一致。這種半閉環(huán)控制方式在需要較高精度的帶傳動(dòng)速度控制上誤差很大。光柵尺等因價(jià)格昂貴、對現場(chǎng)環(huán)境要求高，往往對于普通工況中帶傳動(dòng)裝置的改裝并不很適用。鑒于此，本文提出了使用一般商用的光電鼠標代替傳統的檢測器件的方法，通過(guò)AT89S51單片機實(shí)現現場(chǎng)的PID控制，使帶傳動(dòng)速度達到滿(mǎn)意的要求。 1 檢測系統硬件組成 1．1 OM02光學(xué)傳感器芯片及鼠標控制器 這款光學(xué)CMOS傳感器是一款針對個(gè)人計算機所配置的非接觸式光電鼠標芯片，集成有數字信號處理器(DSP)、雙通道正交輸出端口等。在芯片底部有一個(gè)感光眼，能夠不斷地對物體進(jìn)行拍照，并將前后兩次圖像送入DSP中進(jìn)行處理，得到移動(dòng)的方向和距離。DSP產(chǎn)生的位移值，轉換成雙通道正交信號，配合鼠標控制器，將雙通道正交信號轉化成單片機能夠處理的PS／2數據格式。設備安裝在一套塑料的光學(xué)透鏡設備上，并配有一個(gè)高強度的LED。此外，它可提供高達 40O點(diǎn)／in的分辨率以及16 in／s以?xún)鹊臋z測速度。 圖1為鼠標芯片傳感器的裝配圖。因OM02芯片為CMOS型傳感器，因此必須配有與之相適應的高強度發(fā)光二極管，發(fā)射角度(與底板之間的夾角)為 30°～45°。在標準安裝配合后，底板距離工作表面的有效距離在O～2 mm內，OM02芯片可進(jìn)行正常的數據接收檢測。 
1．2 檢測控制原理及系統硬件設計 本系統采用全閉環(huán)控制方式，如圖2所示。將鼠標檢測到的位移增量反饋回單片機，并進(jìn)行數字式PID控制，然后將運算結果通過(guò)D／A轉換芯片傳給變頻器，進(jìn)而控制電機的轉速。
系統主要由電動(dòng)機、傳動(dòng)部分、執行部分和控制部分組成。機械傳動(dòng)系統作為機器的重要組成部分，不僅應能實(shí)現預期功能，而且應具有良好性能。為此，采用三相交流異步電機(Y2—63M1—4型，O．12 kW)、變頻器(富士FRNO．4C1S一4C)、30：1蝸輪蝸桿減速器、v型B相帶傳輸裝置、P204型球軸承及軸承座等作為模擬工業(yè)設備的主要傳動(dòng)及執行部分。通過(guò)單片機調整數模轉換器的輸出電壓U，可改變變頻器的輸出頻率，從而改變電機轉速。 2 單片機程序設計 2．1 鼠標通信協(xié)議原理 鼠標與單片機的數據通信方式采用PS／2通信協(xié)議。PS／2鼠標的物理接口為6腳圓形接口。使用中只需第1引腳Data、第3引腳GND、第4引腳+5VPower和第5引腳Clock這4個(gè)引腳即可。 鼠標履行一種雙向同步串行通信協(xié)議，在時(shí)鐘信號的作用下串行發(fā)送或者接收數據。通常情況下，單片機在總線(xiàn)上具有總線(xiàn)控制優(yōu)先權，可在任何時(shí)候抑制來(lái)自于鼠標的通信。從鼠標到單片機的數據在時(shí)鐘的下降沿被讀��；相反，單片機到鼠標的數據在時(shí)鐘的上升沿被讀取。時(shí)鐘信號總由鼠標內部的芯片提供，時(shí)鐘頻率一般在 10～20 kHz。 (1)單片機對鼠標的通信 根據協(xié)議要求，單片機對鼠標的控制只需把時(shí)鐘線(xiàn)拉低最少100μs以上來(lái)禁止其通信，并且單片機拉低數據線(xiàn)使之處于請求發(fā)送狀態(tài)。如圖3所示，時(shí)鐘線(xiàn)升為高電平后被PS／2設備重新拉低，即可開(kāi)始單片機向鼠標的通信。
(2)鼠標對單片機的通信 因單片機對總線(xiàn)具有控制權，當鼠標要向單片機發(fā)送信息時(shí)，必須先檢查時(shí)鐘線(xiàn)是否為高電平。如圖4所示，當時(shí)鐘線(xiàn)出現高電平、數據線(xiàn)出現低電平時(shí)，表明鼠標請求發(fā)送，單片機可以接收來(lái)自鼠標的數據。
(3)單片機發(fā)送的控制數據 按照鼠標的PS／2協(xié)議規范，實(shí)際編程時(shí)先對鼠標發(fā)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(jìn)入strearn模式，使用Oxe8、0x03命令設置解析度為8點(diǎn)／mm，使用Oxf4命令使能數據報告。配合AT89S51單片機的定時(shí)器功能，將其時(shí)間常數設置為0．1 s，每次中斷時(shí)發(fā)送Oxeb命令讀取位移數據信息，每發(fā)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(dòng)作信息。具體格式如表1所列。編譯時(shí)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(gè)隨機值，再測得其轉速值。取兩個(gè)數值構成一個(gè)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(jìn)行相似的擬合。根據擬合的曲線(xiàn)可以近似求得其傳遞函數為：
使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )PID自適應控制對系統進(jìn)行Matlab的仿真測試，效果令人滿(mǎn)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(shí)間大幅度增加，造成時(shí)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(gè)控制參數，但同樣可使精度達到預期的效果，運算時(shí)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(shí)間問(wèn)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(shí)時(shí)在線(xiàn)調節PID的kp、ki、kd參數。 3 上位機監測設計 通過(guò)單片機的串口發(fā)送端，在LabVIEW中編寫(xiě)程序來(lái)完成PC機與數據通信設備的數據交換，直接通過(guò)串口接收外部數據并進(jìn)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(shí)現串行口直接數據通信，通過(guò)RS一232串行接口和LabVIEW實(shí)現數據的通信。 使用read string控件對數據進(jìn)行接收，并通過(guò)Waveform graph控件就可以顯示實(shí)時(shí)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(guò)一定的延時(shí)；因此，為了不間斷地接收單片機發(fā)送的串口數據包，須將前面的寫(xiě)和延時(shí)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(guò)強制轉換將數據轉換為單精度整型。創(chuàng )建數組，將數據和數組初始化相結合得到一個(gè)完整的數組，通過(guò)Waveform graph控件以及移位寄存器即可實(shí)現上位機的實(shí)時(shí)顯示與記錄。 4 檢測控制性能評價(jià) PS／2接口最大的使用頻率是33 kHz。本實(shí)驗單片機使用12 MHz的晶振，可輕松實(shí)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(zhì)疑。為保證位移量的準確性，采用200DPI的分辨率，配合看門(mén)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(diǎn)，每一點(diǎn)為0．125 mm。帶在較低速的運行中盡管存在速度的上下跳動(dòng)變化，但跳動(dòng)量較小。圖中帶速度的設定值為32點(diǎn)，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(xiàn)剛開(kāi)始穩定時(shí)的前1000個(gè)時(shí)間點(diǎn))。因其光電鼠標傳感器在正常工作環(huán)境中使用，系統呈線(xiàn)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(yǔ) 使用光電鼠標作為檢測帶運動(dòng)的速度傳感器，其價(jià)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(jìn)行改裝，使其輸出速度穩定。又因為光電鼠標技術(shù)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(wú)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(shí)驗在某企業(yè)的生產(chǎn)部門(mén)進(jìn)行了現場(chǎng)測試，效果理想。 參考文獻 1. OM02 Optical Mouse sensor Data Sheet 2004 2. 趙玉昆 PS/2 鼠標和單片機的接口 [期刊論文] -上海應用技術(shù)學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)2004(1) 3. 林鄧偉.邢文生 光電鼠標芯片組在無(wú)接觸檢測運動(dòng)物體中的應用 [期刊論文] -微計算機信息2006(20) 4. 宋健 數字PID 算法在噴霧機器人導航系統中的應用 [期刊論文] -濰坊學(xué)院學(xué)報2003(6) 作者：華僑大學(xué) 陳智博 林永忠 蔡鐘山 劉聃 肖威威 來(lái)源：?jiǎn)纹瑱C與嵌入式系統應用 2009 (2) |
