一種利用機械鼠標快速實現角位移檢測的軟件設計方法

唐靈俊， 楊旸， 周思柱， 李寧

（長江大學 機械工程學院，湖北 荊州 434020）

0 引言

鼠標按照其工作原理可分為機械式和光電式，機械式鼠標的位移檢測原理與光電傳感器的原理相同，由鼠標底部的小球帶動光電碼盤旋轉，然后通過光電檢測部分讀取碼盤轉過的柵格數目從而換算得到線位移大小。目前95%以上用戶使用的是光電鼠標，機械鼠標漸漸被淘汰，本文對此情況采取廢物利用，通過Visual Basic語言開發軟件，讀取鼠標指針數據，實現角位移檢測。該方法最大的優點是：無需開發單片機，直接將機械鼠標的光電模塊及光電碼盤取出安裝到被測轉軸上，在電腦上運行軟件就能夠讀取角位移參數。適合任何需要快速測量物體角位移的場合，即插即用，且精度較高。

1 機械鼠標原理簡介及鼠標芯片功能介紹

不管是機械鼠標還是光電鼠標，其功能都是用來檢測鼠標在桌面上移動的距離和方向，從而來幫助人們將電腦屏幕上的鼠標指針移動到正確的位置。機械鼠標移動時，靠桌面的摩擦力帶動鼠標底部的小球滾動，小球驅動在X軸和Y軸方向布置的2個光電碼盤轉動。光電碼盤上一般有36個柵格，在碼盤兩側分別有1個紅外發光二極管和1個光電探頭，碼盤每轉過1個柵格，光線被遮擋1次，光電探頭對應產生2路電脈沖，一路用于判別碼盤轉動的方向。電脈沖經過電路及鼠標芯片處理后將碼盤轉過的角度及方向發送給電腦。

EM84510EP是專門為機械鼠標設計的一款基于PS/2通信協議的芯片，芯片內部設有濾波放大電路，用來對光電探頭發出的脈沖信號進行濾波、整形和幅值調整。因此光電探頭的輸出管腳可以直接和這款芯片引腳相連接。另外當光電碼盤的孔的邊緣處于將光線半遮半閉的位置，光電探頭就會發出許多虛假信號。這款芯片也內置了防抖動電路，能夠自動去除虛假信號。由于這款芯片是專門為鼠標設計的，因此該芯片還有一個增速功能。其具體原理是當光電碼盤轉速加快時，芯片會自動在光電探頭輸入的脈沖數目的基礎上加上一些脈沖，這使得光電碼盤在轉過相同的轉角的情況下，由于轉速的增加卻讓鼠標指針得到更多的位移。這個功能使得光電碼盤轉過的角度與電腦得到的脈沖數目呈非線性關系，不利于用來測量角度。但可以在軟件程序中，通過電腦和鼠標芯片的通訊讓芯片關閉這項功能，保證電腦得到的脈沖數能夠真正反映光電碼盤轉過的角度。鼠標芯片的采樣率是100次/s，每次采樣最多可以接受到28=256脈沖，因此對于一個36孔的光電碼盤，其最大轉速不應超過710 r/s。鼠標芯片的存儲溫度范圍是-65～150℃，因此在較為惡劣的環境下，用該芯片設計制作的角度傳感器依舊能正常工作。

圖1 脈沖處理電路圖

圖2 齒輪增速機構

2 鼠標電路簡化及光電碼盤精度提高

將機械鼠標改造成為角度傳感器，只需要用到其光電碼盤及光電檢測模塊，因此可以將鼠標的電路圖簡化成如圖1所示的形式，包括發光二極管、光敏三級管、鼠標芯片。

光電碼盤每轉過1周能夠產生36個脈沖，再由鼠標芯片進行4倍頻細分，使得光電編碼器每轉能夠產生36×4=144個脈沖。即最小能夠分辨的角度是360°÷144=2.5°，顯然精度不夠高，因此我們可以在光電碼盤前端加上兩級齒輪傳動，來將分辨率放大16倍，其最小能夠分辨的角度是 360°÷（144×16）=0.15°≈0.2°，如圖2所示。鼠標光電碼盤的大小一般為20mm，考慮到尺寸的搭配，齒輪可以選用玩具車上的塑料齒輪，這種齒輪價格十分便宜。其模數一般為0.5 mm，如：1、3號齒輪可以選用40齒（直徑 20 mm），2、4號齒輪選用10齒（直徑5 mm）。

3 軟件設計

軟件設計采用Visual Basic語言編程。程序包含兩個部分，第一部分是將芯片初始化設置，去除自動加速功能。其具體方法是，程序向芯片發送十六進制代碼E7，命令芯片關閉自動加速功能，當收到應答FA后，表明設置完成。加速功能去除后，程序執行第二部分，檢測并計算碼盤轉角位移及速度。該部分程序中包含1個時鐘控件Timer和1個計數器Counter。當光電碼盤順時針轉過1個柵格時，計數器Counter加1，逆時針減1，由此可以求得角位移。將位移對時間進行微分，即可求得角速度，其具體方法是，時鐘控件每秒觸發1次，并記錄下計數器當前值與前一秒的差值Ti。

角位移計算公式

式中：Ci為計數器Counter的值；N為齒輪1轉1圈后電腦接收到的脈沖數。

角速度計算公式

式中：Ti為時鐘控件記錄下的計數器前后2s的差值，rad/s；

一般機械鼠標采用PS/2串口輸出，對于一些不支持PS/2接口的電腦，采用一根PS/2轉USB串口數據線就能將設備插入電腦。當設備插入電腦后，電腦實際上會將該設備識別為鼠標設備，因此當光電碼盤旋轉的過程中，鼠標指針也會做出相應運動。從而鼠標指針移動的步數可以準確地反映碼盤轉過的柵格數目。通過捕捉鼠標指針，可以使得計數器Counter的數值隨著指針同步變化。然而當碼盤總是朝著一個方向轉動，鼠標指針可能超出邊界而停止。對此可以在程序中加入一個判斷函數，當指針超過邊界時，立刻通過 SetCursorPos（X0，Y0）函數將指針調回原點重新運動。程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

4結語

本文提供了一種可快速將機械鼠標改造成為角度傳感器的方法，能夠實現一定精度的任意范圍的角度測量．經過測試，其性能穩定。該方法最大的優點是無需開發單片機或者考慮外設與電腦的通訊協議，只需通過簡單的編程或者直接運行本文所給出的程序代碼，就能快速實現角位移及角速度的測量。

［1］ 汪卓飛.一種高精度角度傳感器的研究［D］.杭州：浙江工業大學，2009.

［2］ 李文強，楊錄，田二明.利用機械鼠標實現高精度位置檢測［J］.機械工程與自化，2008（3）：180-182.

［3］ 陳曦.PS/2接口協議解析及應用［J］.國外電子元器件，2004（4）：14-18.

［4］ 戰延謀，王卓柱，周皓，等.基于鼠標芯片TP8452的方向角傳感器設計［J］.計算機測量與控制，2007，15（6）：834-836.

［5］ 何緒蘭，林財興.PS/2鼠標驅動關鍵問題的研究及程序實現［J］.現代機械，2011（3）：68-72.

［6］ 李文強，楊錄，田二明.利用機械鼠標實現高精度位置檢測［J］.機械工程與自動化，2008（3）：180-182.