光学鼠标传感器用于一般测量的研究

张树汉，周奇

(重庆理工大学药学与生物工程学院，重庆 400054)

光学鼠标传感器用于一般测量的研究

张树汉，周奇

(重庆理工大学药学与生物工程学院，重庆 400054)

对于医疗仪器设计中使用的位移、角度传感器需具备体积小、精度高、稳定可靠等要求，提出基于现有的光学鼠标传感器设计医疗仪器中需要用到的直线位移传感器、转速传感器及角度传感器。通过分析此类传感器的原理结构及使用方法，设计了一套基于ADNS－5090鼠标光学传感器的试验系统，并对这一类传感器能否用于以上设计进行了分析验证。实验结果表明:该类传感器具有响应快、精度高、线性度好等优点，在转速测量中适合低中速转动器件的测量。

位移测量;角度测量;转速测量;光学鼠标传感器;医疗仪器

在医疗仪器的设计中常常运用到位移、角度、转速检测，如血栓弹力图中角度测量［1］、注射泵的位移反馈以及一些运用到电机传动中的转速测量。目前，用于测量位移的方法主要有光栅、容栅、编码盘等;转速测量方法主要有光电式、电涡流或电磁感应式等。这一类传感器通常结构复杂［2］且价格较昂贵，有的对工作环境要求较高，而光学鼠标传感器具有精度高，环境要求低，稳定性和可靠性好，体积小，质量轻等特点，非常适合用来设计以上各种专用传感器。

1 光学鼠标传感器

光学鼠标传感器又名光学感应器，目前全球有安捷伦、微软和罗技三大生产厂家。本研究用安捷伦公司生产的ADNS系列ADNS5090来设计实验平台。光学感应器的技术参数主要有CPI、采样率、CMOS像素数、像素处理能力、最大速度和最大加速度［3］。各大公司根据市场定位不同设计了不同参数的产品以适应消费者的需求，这同时也给本研究设计不同参数传感器提供了更多的选择。

1.1 测量原理

如图1、2所示，一套传感模块主要有基板、发光二极管、棱镜、传感器组成。传感器底部有1个透镜，由发光二极管发出的光(红外、紫光或激光)经过棱镜照射到检测表面经漫反射到透镜进入传感器内部的CMOS传感阵列，传感器的图像采集系统以3 000帧/s(ADNS－5090)的速度扫描，同时内置DSP图像处理器对每一张图像进行比对计算可得出检测表面在二维平面的相对位移，并将数据数字化放置到相应的数据寄存器中供控制芯片读取。

图1 光学传感器模块组成

图2 ADNS－5090外观及封装

1.2 重要参数

CPI即分辨率(单位:点数/英寸)，表示可测量出的精准度为每英寸多少点。市面上大多数为1 000 CPI，游戏级别的鼠标则达到3 000 CPI以上，譬如ADNS－6090。

采样率为CMOS传感器每秒采样的次数，同时表示了内置DSP处理器的处理次数。

最大速度和最大加速度为测量时在保证精确度的前提下与被测表面的相对最大速度和加速度。

1.3 数据获取

鼠标光学传感器内部采用的是DSP数字处理技术，得出的结果为数字量，与大多数模拟量传感器相比省去了AD转换部分，抗干扰能力也得到提高。数据格式大多以二进制补码的形式实时存储于相应寄存器中，提高数据运算效率［4－6］。

在与控制芯片的数据交互上，为确保数据实时性，构建了一套高效的数据传输方案。比如数据读取采用中断触发方式，通信接口采用高速串行传输［7］。本实验设计使用的ADNS－5090采用了SPI接口传输，如图3所示。第一个字节最高位为“1”，代表读数据，为“0”代表写数据;A0～A6为要读取数据的寄存器地址;D0～D7为传感器返回的一个字节的数据。详细操作参考数据手册。

图3 ADNS－5090 SPI接口读数据时序图

1.4 应用范围

综合以上分析可以得出:此类传感器的应用范围广泛，不仅适用于医疗仪器中，也可用于传输装置速度检测［6］、中远距离微位移测量［7］、非接触运动检测［8］等。

2 试验系统设计

为了验证此类传感器用于位移、转速、角度测量的可行性，设计了基于ADNS－5090位移测量试验平台。平台主要包括传感器模块、单片机模块、通用型两相步进电机及驱动模块(lettro公司的DMD605驱动器)，如图4所示。该平台主要实现单片机同步控制步进电机模块和读取传感器数据。由于步进电机结合驱动器的细分可以实现很高的直线位移精度，因此以步进电机的移动数据为标准校验试验数据。

图4 试验平台组成

2.1 硬件电路设计

如图5所示，硬件电路包括STM32单片机、ADNS－5090传感器、步进电机驱动、串口转USB、液晶显示等。

图5 试验系统电路原理

ADNS－5090引脚说明参考表1，其中4个引脚用于SPI通讯(8－数据输入、1－数据输出、4－片选、5－时钟);2脚用于传感器照明LED驱动，驱动方式可通过编程实现从默认的低功耗省电模式到正常工作模式;3脚用于触发单片机中断，可通过编程配置为有数据时为高电平或短脉冲输出;6、7脚为电源引脚，供电范围2.8～3.7 V。

控制单元由STM32F103C8T6 32位单片机作为主控芯片，此芯片采用ARM架构Cortex－M3内核，运行速度最大可达72 M，含硬件SPI外设，满足本实验的数据读取、数据传送到上位机、数据液晶屏显示及步进电机驱动的任务要求(图5中除传感器模块电路连接完整外其余模块为连接示意)。

表1 ADNS5090引脚说明

步进电机驱动模块使用细分从1～128拨码开关选择的驱动器驱动，并由滚珠丝杆作为直线传动机构，螺距为4 mm。由此可计算出当细分为1(对应200个脉冲电机转动一圈)时丝杆传送精度理论值为0.02 mm，选用更高细分可获得更高的精度。

2.2 软件设计

软件部分主要包括初始化部分、数据获取和处理部分、数据传送部分。

初始化包括传感器上电后软件复位、CPI设置、中断引脚输出模式，其他采用默认设置。单片机外围部分包括SPI、按键、串口、中断等初始化部分。

传感器初始化后，一旦检测到被测表面的移动，MOTION引脚便拉高或产生一个230 μs的短脉冲，从而触发单片机进入中断服务程序，程序执行的内容如图6所示。除了要读取X、Y 2个数据寄存器的内容外，还需读取SUQAL和PIX_ACCUM 2个寄存器的值用于判断传感器获取图像质量是否可靠，部分寄存器描述见表2。当被测表面距离超过传感器规定距离时，检测结果不可信，最佳距离可参考相关手册。

图6 数据获取示意

每次获取到X，Y的数据后累积，便得到二维平面内2个方向的位移，同时通过单片机自带显示屏显示或通过串口发送到上位机。

表2 ADNS5090部分寄存器描述

测试程序采用步进电机与传感器结合的方式。步进电机转动固定步数，然后传感器检测位移量，同时将两者位移通过串口打印到上位机屏幕上，重复100次，即每组测试获取100个试验数据后，电机回到原点。重复此过程，并以不同参数(电机步进值、CPI参数)多次试验。试验值用于计算传感器的线性度、重复精度及测量误差。

2.3 数据分析

2.3.1 理论值分析

根据手册，此类传感器与测量精度有关的数据有测量精度CPI、最高可检测移动速度、最大加速度。ADNS－5090允许用户配置的CPI参数和相应分辨率如表3所示，最大可检测速度为30 inch/s，最大加速度为8 G。

表3 CPI与分辨率

2.3.2 实验值分析

参考表3数据，并考虑到步进电机运行的平稳性，试验选用的细分为20(对应4 000个脉冲电机转动一圈)，即电机单步步进值为0.001 mm。

图7中数据为单片机将数据经串口传至上位机采集到的数据。其中上、下两图显示的为4次重复测量获得的数据，线条属性见表4。由于测量坐标与传感器坐标不重合，因此实际位移Sr(红色)应该等于传感器坐标X、Y 2个方向位移的合成，计作SX/Y(青色)。理论上:

K为实际位移与测试值之比，由试验获得，称为校正系数。图7中即为SX/Y乘上修正系数(K= 0.61)后的输出曲线，由图7可以看出红色与青色线几乎完全重合。

图7 原始数据与修正后数据对比

表4 串口数据图属性

为获得传感器最佳校正系数，试验了多组数据。通过比较分别在不同校正系数下实验值的测量误差，误差最小的一组中的K值即为最佳校正系数。

表5的试验数据是在1750cpi－0.1 mm步距下测得，终值均为10 mm，4次的平均误差公式为:

由以上数据得:在校正系数为0.624时，测量误差最小，约为0.2%。从这也可以看出此类传感器的测量误差很小。

表5 校正系数与测量误差

接下来选用校正系数为0.624时的4组数据中的一组，共100个数据来做线性度［9］分析，采用的运算工具为Matlab中的cftool工具箱中的线性拟合，试验结果如图8所示。

图8 传感器数据线性拟合结果

参考Matlab线性拟合定义可知:残差平方和SSE/均方差RMSE两项越接近零、相关系数的平方R－square越接近1线性度越好。从图8中可以看出:传感器测量得到的数据具有很好的线性度。

重复精度的计算采用相关运算的方式，取校正系数为0.624时的4组数据中的2、3组做相关运算。计算工具采用Matlab的corrcoef函数。计算结果如图9所示，两组数据的相关系数非常接近1，证明传感器具有很高的重复精度。

图9 传感器数据重复精度计算结果

以上分析所用到的数据均为在同一检测表面、同一校正系数下反复测量4次得到的4组数据。试验发现:检测表面的均一性对检测结果的线性度有重要影响，这是和传感器的光反射法检测直接联系的。

经验证ADNS－5090用于测量位移时具有很好的线性度、重复精度，测量误差在选择正确的校正系数后仅为0.2%。同时在能得到X/Y方向稳定位移数据后，只需在算法上对X/Y数据进行处理便可用于测量角度，增加一个时间坐标(单片机用定时器实现)可用于测量速度或转速。

3 结束语

通过以上分析表明:鼠标光学传感器可以运用到医疗仪器中的位移、角度、转速测量。在试验中也发现除了传感器本身，传感模块的其他部件如反射表面的粗糙度、光源、传感器与检测表面距离的稳定性也是设计传感器时应该考虑的重要部分。

本试验使用的ADNS－5090是用于一般要求的鼠标传感器，如需更高精度和稳定性，可选用同系列或其他厂家生产的更高CPI的传感器和激光光源鼠标光学传感器。

本文验证了光学鼠标传感器在一般性测量领域的可行性，结合此类传感器的优势，可将此方法运用于更多的行业。

［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］钱建强，徐平.四象限光电探测器用于转速测量的研究［J］.光电工程，2006，33(9):67－70.

［3］Agilent ADNS－5090 Optical Mouse Sensor Data Sheet.Http://www.Semiconductor Agilent.Corn.

［4］孙开放.对二进制补码数的进一步研究［J］.电气电子教学学报，2002，24(3):35－37.

［5］程翀，左亮周，许浒，等.基于DSP的γ能谱数据采集系统研究［J］.武汉理工大学学报，2010(3):102－104.

［6］王博，费莉，张俊平，等.基于DSP的正弦逆变电源设计［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2013(2):106－120.

［7］杨镇首，李军.基于SPI接口的多机扩展和通信方法［J］.应用技术，2012(2):39－42.

［8］陈智博，林永忠，蔡钟山，等.光电鼠标传感器的精密测量与控制系统［J］.单片机嵌入式系统应用杂志，2002(2):57－59.

［9］黄辉，傅惠南，库才.高基于光学鼠标传感器的中远距离微位移测量装置的设计［J］.机械制造与自动化，2012，41(6):18－20.

［10］林邓伟，邢文生.光电鼠标芯片组在无接触检测运动物体中的应用［J］.单片机开发与应用，2006，22(7－2):131－134.

［11］康健.传感器的线性度及其线性化处理［J］.电子质量，2013(7):26－29.

(责任编辑 杨黎丽)

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

张树汉(1987—)，男，江西赣州人，硕士研究生，主要从事医疗仪器方面研究。

张树汉，周奇.光学鼠标传感器用于一般测量的研究［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，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.