一種基于光學傳感器的軌跡球電氣技術研究(自動化)

                         崔周培，張鑫，蔡欣榮

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

摘要：軌跡球是工業顯控終端操控模塊的重要組成部分。結合PMW3310傳感器芯片和LPC1758微控制器芯片，深入研究了基于光學傳感器芯片的軌跡球電氣架構和具體實現。

關鍵詞：軌跡球；傳感器；微控制器；電氣架構

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

0引言

    軌跡球是工業顯控終端操控模塊的重要組成部分，主要實現對運動目標的選擇、定位和跟蹤。當前大多數顯控終端的軌跡球，均使用旋轉編碼器采集球體的轉動數據，轉動的球體帶動X、Y旋轉編碼器轉動，產生X、Y軸脈沖，送到單片機數據輸入端，經單片機軟件處理后，產生數據輸出。隨著鼠標技術的飛速發展，大量體積較小、穩定可靠的光學傳感器在工業軌跡球中得到廣泛應用。傳統的軌跡球使用旋轉編碼器采集數據，滾動球體體積較大，人體工程學設計考慮不充分。本文應用原相科技推薦的光學傳感器芯片PMW3310，并結合NXP公司LPC1758微控制器芯片，研究一種基于光學傳感器的新型軌跡球的電氣設計。

1光學傳感器接口設計

1.1PMW3310傳感器概述

    PMW3310DH-AWQT低功耗光學傳感器是原相鼠標傳感器系列的新產品。該傳感器系統包括導航集成電路，LED發光二極管和ADNS-2120-001透鏡。它提供了增強的功能，如可變幀率、可編程的分辨率、角度可調以及可編程的角度捕捉，以適應各種用途。

    PMW3310傳感器采用20引腳的雙列直插式封裝( DIP)，與ADNS-2120-001透鏡相結合用于實現最佳性能。該傳感器通過光學捕捉連續的表面圖像（幀）和數學確定的方向及運動的幅度測量位置變化。它包含一個圖像采集系統( IAS)、數字信號處理器(DSP)和一個四線串行端口。在IAS獲取經由透鏡和照明系統微觀表面的圖像，這些圖像由DSP處理以確定方向和距離的運動。DSP計算和相對位移值，外部微控制器從傳感器串行端口讀取和的信息，然后將它們發送到主機PC，將數據轉換成PS2或者USB信號。

1.2    PMW3310傳感器電路功能與特性

    PMW3310傳感器芯片的儲存溫度是- 40℃~85℃，工作電壓2.7～3.3 V，VDDIO范圍1.65～3.3 V，內置16位運動數據寄存器，芯片最大靜態功耗65 m A(2.8 V供電情況)，高速運動檢測130英寸／s，幀速率最高可達6 500F/s。傳感器芯片連接電路見圖1。

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

2微控制器電路設計

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用。ARM Cortex-M3是新生內核處理器，它可提供系統增強型特性，例如現代化調試特性和支持更高級別的塊集成。ARM Cortex-M3 CPU具有3級流水線和哈佛結構，帶獨立的本地指令和數據總線以及用于外設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到100 MHz。

    LPC1758 Cortex-M3微控制器的外設組件包含高達512 KB的Flash存儲器、64 KB的數據存儲器、以太網MAC、USB主機／從機/OTG接口、8通道的通用DMA控制器、4個UART、2條CAN通道、2個SSP控制器、SPI接口、3個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、電機控制PWM、正交編碼器接口、4個通用定時器、6輸出的通用PWM、帶獨立電池供電的超低功耗RTC和多達70個的通用I/O管腳。

2.2    LPC1758芯片電路連接

    LPC1758對外提供l路USB設備接口，該接口也可以配置成PS/2鼠標接口，具體配置成何種接口，由R7和R8兩個電阻決定，當焊接R7電阻時，配置成USB接口通信方式，當焊接R8電阻時，配置成PS/2接口，兩個電阻只能焊接一個。對外USB接口或PS/2接口都提供了ESD防護功能、電磁兼容、過流等保護措施。

    當LPC1758處于USB接口通信方式時，LPC1758每10 ms將位移數據封包以HID數據格式發送給上位機；P2是普通的數字輸入輸出口，系統上電后，該管腳低電平時芯片進入ISP下載狀態，可以通過串口0將數據下載進去。通過發光二極管V3、V4、V5的明暗，可以表示微控制器所設定的三種鼠標DPI值，具體值可以標在印制板上。RS-232串口作為調試使用，具體的通信數據以實際調試需要為主。LPC1758主控電路設計見圖3。

3對外接口

    本文中的新型光學傳感器軌跡球，對外數據輸出采用標準PS/2方式和USB方式，具體接口電路見圖4。USB接口和PS/2接口復用，通過圖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協議。

3.1 PS/2通信協議

    新型光學傳感器軌跡球對外PS/2通信方式采用標準的PS/2鼠標通信協議，支持輸入X（左右）位移、Y（上下）位移、左鍵、中鍵和右鍵，鼠標以固定的頻率讀取輸入，并更新不同的計數器，然后標記出反映的移動和按鍵狀態。

    標準鼠標有兩個計數器保持位移的跟蹤，X位移計數器和Y位移計數器，可存放9位的2進制補碼，并且每個計數器都有相關的溢出標志，它們的內容連同三個鼠標按鈕的狀態一起以三字節移動數據包的形式發送給主機。位移計數器表示從最后一次位移數據包被送往主機后，有位移量發生。當鼠標讀取輸入時，它記錄按鍵的當前狀態，然后檢查位移，如果位移發生增加（對正位移）或減少（對負位移），X和／或Y位移計數器的值；如果有一計數器溢出就設置相應的溢出標志。

3.2  USB HID協議

3. 2.1  USB HID應用場合

    USB HID類設備屬于人機交互操作的設備，用于涉及控制計算機操作的設備，如USB鼠標、USB鍵盤、電話撥號設備、VCR遙控等設備。使用HID設備的優點是操作系統自帶了HID類的驅動程序，而用戶無需開發復雜的驅動程序，只需直接使用API調用即可完成通信。目前許多簡單的USB設備通常枚舉成HID設備，這樣應用該類USB設備時就無需安裝驅動而直接使用。

3.2.2 USB HID類可采用的通信管道

    所有的HID設備通過USB的控制管道（默認管道，即端點0）和中斷管道與主機通信?？刂乒艿乐饕�用于三個方面：接收／響應USB主機的控制請示及相關的類數據；在USB主機查詢時傳輸數據（如響應Get_ Report請求等）；接收USB主機的數據。中斷管道主要用于兩個方面：USB主機接收USB設備的異步傳輸數據；USB主機發送有實時性要求的數據給USB設備。從USB主機到USB設備的中斷輸出數據傳輸是可選的，當不支持中斷輸出數據傳輸時，USB主機通過控制管道將數據傳輸給USB設備。

4結論

    本文基于原相科技最新光學傳感器芯片PMW3310，并結合NXP公司LPC1758微控制器芯片，研究一種新型光學傳感器軌跡球的電氣設計。新型軌跡球與目前應用較多的旋轉編碼器軌跡球相比，傳感器體積更小，對球體滾動的數據采集更加穩定可靠，能夠滿足工業顯控終端在電氣性能方面的設計使用要求。