光學鼠標傳感器用于一般測量的研究

張樹漢，周奇

(重慶理工大學藥學與生物工程學院，重慶 400054)

光學鼠標傳感器用于一般測量的研究

張樹漢，周奇

(重慶理工大學藥學與生物工程學院，重慶 400054)

對于醫療儀器設計中使用的位移、角度傳感器需具備體積小、精度高、穩定可靠等要求，提出基于現有的光學鼠標傳感器設計醫療儀器中需要用到的直線位移傳感器、轉速傳感器及角度傳感器。通過分析此類傳感器的原理結構及使用方法，設計了一套基于ADNS－5090鼠標光學傳感器的試驗系統，并對這一類傳感器能否用于以上設計進行了分析驗證。實驗結果表明:該類傳感器具有響應快、精度高、線性度好等優點，在轉速測量中適合低中速轉動器件的測量。

位移測量;角度測量;轉速測量;光學鼠標傳感器;醫療儀器

在醫療儀器的設計中常常運用到位移、角度、轉速檢測，如血栓彈力圖中角度測量［1］、注射泵的位移反饋以及一些運用到電機傳動中的轉速測量。目前，用于測量位移的方法主要有光柵、容柵、編碼盤等;轉速測量方法主要有光電式、電渦流或電磁感應式等。這一類傳感器通常結構復雜［2］且價格較昂貴，有的對工作環境要求較高，而光學鼠標傳感器具有精度高，環境要求低，穩定性和可靠性好，體積小，質量輕等特點，非常適合用來設計以上各種專用傳感器。

1 光學鼠標傳感器

光學鼠標傳感器又名光學感應器，目前全球有安捷倫、微軟和羅技三大生產廠家。本研究用安捷倫公司生產的ADNS系列ADNS5090來設計實驗平臺。光學感應器的技術參數主要有CPI、采樣率、CMOS像素數、像素處理能力、最大速度和最大加速度［3］。各大公司根據市場定位不同設計了不同參數的產品以適應消費者的需求，這同時也給本研究設計不同參數傳感器提供了更多的選擇。

1.1 測量原理

如圖1、2所示，一套傳感模塊主要有基板、發光二極管、棱鏡、傳感器組成。傳感器底部有1個透鏡，由發光二極管發出的光(紅外、紫光或激光)經過棱鏡照射到檢測表面經漫反射到透鏡進入傳感器內部的CMOS傳感陣列，傳感器的圖像采集系統以3 000幀/s(ADNS－5090)的速度掃描，同時內置DSP圖像處理器對每一張圖像進行比對計算可得出檢測表面在二維平面的相對位移，并將數據數字化放置到相應的數據寄存器中供控制芯片讀取。

圖1 光學傳感器模塊組成

圖2 ADNS－5090外觀及封裝

1.2 重要參數

CPI即分辨率(單位:點數/英寸)，表示可測量出的精準度為每英寸多少點。市面上大多數為1 000 CPI，游戲級別的鼠標則達到3 000 CPI以上，譬如ADNS－6090。

采樣率為CMOS傳感器每秒采樣的次數，同時表示了內置DSP處理器的處理次數。

最大速度和最大加速度為測量時在保證精確度的前提下與被測表面的相對最大速度和加速度。

1.3 數據獲取

鼠標光學傳感器內部采用的是DSP數字處理技術，得出的結果為數字量，與大多數模擬量傳感器相比省去了AD轉換部分，抗干擾能力也得到提高。數據格式大多以二進制補碼的形式實時存儲于相應寄存器中，提高數據運算效率［4－6］。

在與控制芯片的數據交互上，為確保數據實時性，構建了一套高效的數據傳輸方案。比如數據讀取采用中斷觸發方式，通信接口采用高速串行傳輸［7］。本實驗設計使用的ADNS－5090采用了SPI接口傳輸，如圖3所示。第一個字節最高位為“1”，代表讀數據，為“0”代表寫數據;A0～A6為要讀取數據的寄存器地址;D0～D7為傳感器返回的一個字節的數據。詳細操作參考數據手冊。

圖3 ADNS－5090 SPI接口讀數據時序圖

1.4 應用范圍

綜合以上分析可以得出:此類傳感器的應用范圍廣泛，不僅適用于醫療儀器中，也可用于傳輸裝置速度檢測［6］、中遠距離微位移測量［7］、非接觸運動檢測［8］等。

2 試驗系統設計

為了驗證此類傳感器用于位移、轉速、角度測量的可行性，設計了基于ADNS－5090位移測量試驗平臺。平臺主要包括傳感器模塊、單片機模塊、通用型兩相步進電機及驅動模塊(lettro公司的DMD605驅動器)，如圖4所示。該平臺主要實現單片機同步控制步進電機模塊和讀取傳感器數據。由于步進電機結合驅動器的細分可以實現很高的直線位移精度，因此以步進電機的移動數據為標準校驗試驗數據。

圖4 試驗平臺組成

2.1 硬件電路設計

如圖5所示，硬件電路包括STM32單片機、ADNS－5090傳感器、步進電機驅動、串口轉USB、液晶顯示等。

圖5 試驗系統電路原理

ADNS－5090引腳說明參考表1，其中4個引腳用于SPI通訊(8－數據輸入、1－數據輸出、4－片選、5－時鐘);2腳用于傳感器照明LED驅動，驅動方式可通過編程實現從默認的低功耗省電模式到正常工作模式;3腳用于觸發單片機中斷，可通過編程配置為有數據時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位單片機作為主控芯片，此芯片采用ARM架構Cortex－M3內核，運行速度最大可達72 M，含硬件SPI外設，滿足本實驗的數據讀取、數據傳送到上位機、數據液晶屏顯示及步進電機驅動的任務要求(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

步進電機驅動模塊使用細分從1～128撥碼開關選擇的驅動器驅動，并由滾珠絲桿作為直線傳動機構，螺距為4 mm。由此可計算出當細分為1(對應200個脈沖電機轉動一圈)時絲桿傳送精度理論值為0.02 mm，選用更高細分可獲得更高的精度。

2.2 軟件設計

軟件部分主要包括初始化部分、數據獲取和處理部分、數據傳送部分。

初始化包括傳感器上電后軟件復位、CPI設置、中斷引腳輸出模式，其他采用默認設置。單片機外圍部分包括SPI、按鍵、串口、中斷等初始化部分。

傳感器初始化后，一旦檢測到被測表面的移動，MOTION引腳便拉高或產生一個230 μs的短脈沖，從而觸發單片機進入中斷服務程序，程序執行的內容如圖6所示。除了要讀取X、Y 2個數據寄存器的內容外，還需讀取SUQAL和PIX_ACCUM 2個寄存器的值用于判斷傳感器獲取圖像質量是否可靠，部分寄存器描述見表2。當被測表面距離超過傳感器規定距離時，檢測結果不可信，最佳距離可參考相關手冊。

圖6 數據獲取示意

每次獲取到X，Y的數據后累積，便得到二維平面內2個方向的位移，同時通過單片機自帶顯示屏顯示或通過串口發送到上位機。

表2 ADNS5090部分寄存器描述

測試程序采用步進電機與傳感器結合的方式。步進電機轉動固定步數，然后傳感器檢測位移量，同時將兩者位移通過串口打印到上位機屏幕上，重復100次，即每組測試獲取100個試驗數據后，電機回到原點。重復此過程，并以不同參數(電機步進值、CPI參數)多次試驗。試驗值用于計算傳感器的線性度、重復精度及測量誤差。

2.3 數據分析

2.3.1 理論值分析

根據手冊，此類傳感器與測量精度有關的數據有測量精度CPI、最高可檢測移動速度、最大加速度。ADNS－5090允許用戶配置的CPI參數和相應分辨率如表3所示，最大可檢測速度為30 inch/s，最大加速度為8 G。

表3 CPI與分辨率

2.3.2 實驗值分析

參考表3數據，并考慮到步進電機運行的平穩性，試驗選用的細分為20(對應4 000個脈沖電機轉動一圈)，即電機單步步進值為0.001 mm。

圖7中數據為單片機將數據經串口傳至上位機采集到的數據。其中上、下兩圖顯示的為4次重復測量獲得的數據，線條屬性見表4。由于測量坐標與傳感器坐標不重合，因此實際位移Sr(紅色)應該等于傳感器坐標X、Y 2個方向位移的合成，計作SX/Y(青色)。理論上:

K為實際位移與測試值之比，由試驗獲得，稱為校正系數。圖7中即為SX/Y乘上修正系數(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 原始數據與修正后數據對比

表4 串口數據圖屬性

為獲得傳感器最佳校正系數，試驗了多組數據。通過比較分別在不同校正系數下實驗值的測量誤差，誤差最小的一組中的K值即為最佳校正系數。

表5的試驗數據是在1750cpi－0.1 mm步距下測得，終值均為10 mm，4次的平均誤差公式為:

由以上數據得:在校正系數為0.624時，測量誤差最小，約為0.2%。從這也可以看出此類傳感器的測量誤差很小。

表5 校正系數與測量誤差

接下來選用校正系數為0.624時的4組數據中的一組，共100個數據來做線性度［9］分析，采用的運算工具為Matlab中的cftool工具箱中的線性擬合，試驗結果如圖8所示。

圖8 傳感器數據線性擬合結果

參考Matlab線性擬合定義可知:殘差平方和SSE/均方差RMSE兩項越接近零、相關系數的平方R－square越接近1線性度越好。從圖8中可以看出:傳感器測量得到的數據具有很好的線性度。

重復精度的計算采用相關運算的方式，取校正系數為0.624時的4組數據中的2、3組做相關運算。計算工具采用Matlab的corrcoef函數。計算結果如圖9所示，兩組數據的相關系數非常接近1，證明傳感器具有很高的重復精度。

圖9 傳感器數據重復精度計算結果

以上分析所用到的數據均為在同一檢測表面、同一校正系數下反復測量4次得到的4組數據。試驗發現:檢測表面的均一性對檢測結果的線性度有重要影響，這是和傳感器的光反射法檢測直接聯系的。

經驗證ADNS－5090用于測量位移時具有很好的線性度、重復精度，測量誤差在選擇正確的校正系數后僅為0.2%。同時在能得到X/Y方向穩定位移數據后，只需在算法上對X/Y數據進行處理便可用于測量角度，增加一個時間坐標(單片機用定時器實現)可用于測量速度或轉速。

3 結束語

通過以上分析表明:鼠標光學傳感器可以運用到醫療儀器中的位移、角度、轉速測量。在試驗中也發現除了傳感器本身，傳感模塊的其他部件如反射表面的粗糙度、光源、傳感器與檢測表面距離的穩定性也是設計傳感器時應該考慮的重要部分。

本試驗使用的ADNS－5090是用于一般要求的鼠標傳感器，如需更高精度和穩定性，可選用同系列或其他廠家生產的更高CPI的傳感器和激光光源鼠標光學傳感器。

本文驗證了光學鼠標傳感器在一般性測量領域的可行性，結合此類傳感器的優勢，可將此方法運用于更多的行業。

［1］De L.Pietri M.Masetti R.Montalti，etal.Use of Recombin－ant Factor IX and Thromboelastography in a Patient withHemophilia B Undergoing Liver Transplantation:A Case Report［J］.Transplantation Proceedings，2008，40 (6):2077－2079.

［2］錢建強，徐平.四象限光電探測器用于轉速測量的研究［J］.光電工程，2006，33(9):67－70.

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［5］程翀，左亮周，許滸，等.基于DSP的γ能譜數據采集系統研究［J］.武漢理工大學學報，2010(3):102－104.

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［7］楊鎮首，李軍.基于SPI接口的多機擴展和通信方法［J］.應用技術，2012(2):39－42.

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［9］黃輝，傅惠南，庫才.高基于光學鼠標傳感器的中遠距離微位移測量裝置的設計［J］.機械制造與自動化，2012，41(6):18－20.

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(責任編輯 楊黎麗)

Optical Mouse Sensor for General Measuring Studies

ZHANG Shu－han，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，主要從事醫療儀器方面研究。

張樹漢，周奇.光學鼠標傳感器用于一般測量的研究［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2014(4):118－122.

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