一種利用機械鼠標快速實現(xiàn)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(shù)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(fā)軟件，讀取鼠標指針數(shù)據(jù)，實現(xiàn)角位移檢測。該方法最大的優(yōu)點是：無需開發(fā)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(shù)。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(fā)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(chǎn)生2路電脈沖，一路用于判別碼盤轉動的方向。電脈沖經(jīng)過電路及鼠標芯片處理后將碼盤轉過的角度及方向發(fā)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(xié)議的芯片，芯片內(nèi)部設有濾波放大電路，用來對光電探頭發(fā)出的脈沖信號進行濾波、整形和幅值調(diào)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(fā)出許多虛假信號。這款芯片也內(nèi)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(shù)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(shù)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(shù)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(huán)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(fā)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(chǎn)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(chǎn)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(shù)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(fā)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(zhí)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(shù)器Counter。當光電碼盤順時針轉過1個柵格時，計數(shù)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(fā)1次，并記錄下計數(shù)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(shù)器Counter的值；N為齒輪1轉1圈后電腦接收到的脈沖數(shù)。

角速度計算公式

式中：Ti為時鐘控件記錄下的計數(shù)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(shù)據(jù)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(shù)可以準確地反映碼盤轉過的柵格數(shù)目。通過捕捉鼠標指針，可以使得計數(shù)器Counter的數(shù)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(shù)，當指針超過邊界時，立刻通過 SetCursorPos（X0，Y0）函數(shù)將指針調(diào)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(xiàn)一定精度的任意范圍的角度測量．經(jīng)過測試，其性能穩(wěn)定。該方法最大的優(yōu)點是無需開發(fā)單片機或者考慮外設與電腦的通訊協(xié)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(xiàn)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(yè)大學，2009.

［2］ 李文強，楊錄，田二明.利用機械鼠標實現(xiàn)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(xié)議解析及應用［J］.國外電子元器件，2004（4）：14-18.

［4］ 戰(zhàn)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(xiàn)［J］.現(xiàn)代機械，2011（3）：68-72.

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