兩自由度振動(dòng)偏移量實(shí)時(shí)采集設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　光電鼠標(biāo)的工作機(jī)理是采用一種基于CMOS成像的圖像識(shí)別方法，通過一個(gè)感光眼，不斷的對(duì)物體進(jìn)行拍照，并將前后兩次圖像進(jìn)行DSP處理，得到移動(dòng)的方向和間隔，因此，光電鼠標(biāo)芯片具有一種傳感器的基本功能。振動(dòng)的檢測(cè)，其基本原理可以歸結(jié)到一種位移的檢測(cè)。只是此種位移是圍繞某個(gè)基本點(diǎn)進(jìn)行往復(fù)移動(dòng)。因此設(shè)計(jì)了一種采用光電鼠標(biāo)傳感器原理進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)的設(shè)備。

　　該設(shè)備是完全從市場(chǎng)應(yīng)用的角度進(jìn)行設(shè)計(jì)的，設(shè)備等間隔連續(xù)采集到的△x和△y值經(jīng)上位機(jī)應(yīng)用程序可以繪制出設(shè)備的各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)曲線（包括位移、速度和加速度曲線）并進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

　　采用現(xiàn)行的鼠標(biāo)芯片，采集設(shè)備可以在速度≤1m/s，加速度≤160m/s2 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)偏移量在精度為15.88mm，反應(yīng)時(shí)間為0.156ms的捕獲。其精確性能、高速性能和低廉的價(jià)格使得該采集設(shè)備具備了廣闊的應(yīng)用前景。

　　1 總體方案設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)框圖如圖1所示，光源照在基板上，該設(shè)備固定在待測(cè)量物體上。設(shè)備主要由ADNS-3080、CY7C68013兩塊集成芯片及外圍電路組成，工作后，ADNS-3080通過其影像擷取系統(tǒng)（IAS）不斷捕獲基板的圖像，經(jīng)其數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）時(shí)頻分析并提取出特征值△x、△y，保存至相應(yīng)的寄存器，并使運(yùn)動(dòng)觸發(fā)寄存器（Motion_Burst）的標(biāo)志位置1，等待讀取；CY7C68013通過SPI總線與作為SPI從設(shè)備的ADNS-3080進(jìn)行通信，循環(huán)查詢△x和△y的標(biāo)志位，一旦發(fā)現(xiàn)置1，讀取△x和△y值，并通過USB2.0接口向上位機(jī)傳輸。E2PROM采用了8KB的24C64，用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的C0或C2方式加載。CY7C68013采用端口模式模擬主SPI與ADNS-3080通信，與上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸采用USB中斷模式。

　　圖1 系統(tǒng)原理框圖

　　2 設(shè)備硬件方案選擇

　　為充分減小系統(tǒng)的PCB板尺寸，設(shè)備使用了集成芯片、串行交換結(jié)構(gòu)技術(shù)、USB供電等手段。集成芯片的使用還提高了設(shè)備抗EMI（電磁干擾）能力；USB2.0接口的使用提供了高速、可靠的數(shù)據(jù)通信和人性化的用戶接口；非接觸式的光電測(cè)量方法，避免了傳統(tǒng)接觸式測(cè)量中因磨損帶來的誤差，并可用于惡劣的環(huán)境，加大了設(shè)備的使用范圍。

　　2.1 ADNS-3080

　　該集成芯片包括一個(gè)影像擷取系統(tǒng)（IAS），一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和一個(gè)四線串口（SPI接口）。

　　IAS通過透鏡和照明系統(tǒng)捕獲精微的表面圖像。這些圖像經(jīng)DSP處理后得出運(yùn)動(dòng)的方向和距離。DSP計(jì)算出相對(duì)位移值△x和△y，等待MCU讀取。

　　它具有如下特性：（1）高速運(yùn)動(dòng)的捕獲-高達(dá)40inch/s和15個(gè)gn;（2）超過6400幀/秒的可編程幀速率；（3）支持高達(dá)1600cpi的分辨率。

　　它雖然是一款高端鼠標(biāo)芯片，但是其高性能的各項(xiàng)參數(shù)使其完全可以勝任絕大部分環(huán)境下物體兩自由度振動(dòng)偏移量的捕獲。

　　2.2 CY7C68013

　　該芯片是Cypress半導(dǎo)體公司高速USB系列中的一款，它帶有USB2.0串行接口引擎（SIE）、增強(qiáng)型的8051核（性能是標(biāo)準(zhǔn)51核的5~10倍）、8KB的RAM、高性能I/O口（最高支持96Mbit/s的傳輸）、支持三種方式（默認(rèn)方式、C0、C2方式）加載設(shè)備。

　　集成的SIE和公司提供的固件開發(fā)框架及豐富的參考源碼大大降低了開發(fā)難度，只需簡單了解USB通信協(xié)議即可開發(fā)出優(yōu)秀的固件代碼。8KB的RAM使其固件可以無限次下載；設(shè)備插上主機(jī)后，固件會(huì)自動(dòng)從主機(jī)下載到設(shè)備RAM中，非常人性化；固件在主機(jī)上更改后再次編譯到下載驅(qū)動(dòng)（LoaderDriver）中即可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備功能的增、刪、改，無須專門的下載器和對(duì)應(yīng)的設(shè)備下載接口。

　　加載設(shè)備時(shí)，可以自由選擇是否需要外接E2PROM來實(shí)現(xiàn)C0或C2方式加載。C0或C2方式加載可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的更靈活的枚舉功能，只需修改E2PROM中的VID（廠商標(biāo)識(shí)符）、PID（產(chǎn)品標(biāo)識(shí)符）即可使設(shè)備加載新的固件、新的USB驅(qū)動(dòng)和相應(yīng)的應(yīng)用程序，輕易更改設(shè)備的功能；相比C0方式，C2方式可以實(shí)現(xiàn)固件直接從E2PROM中讀取加載。無E2PROM連接時(shí)，設(shè)備采用默認(rèn)方式加載實(shí)現(xiàn)設(shè)備的枚舉和重枚舉，節(jié)省硬件成本。CY7C68013使用自帶I2C總線跟E2PROM連接。多種加載方式充分滿足了用戶的多樣化需求。

　　該芯片的枚舉及重枚舉的全過程如下：

　　（1）設(shè)備上電后，復(fù)位電路直至PPL鎖存24MHz晶振，工作頻率穩(wěn)定。

　?。?）Cypress內(nèi)核自動(dòng)檢測(cè)I2C總線是否有E2PROM。若E2PROM不存在或數(shù)據(jù)無效，則使用自帶的硬件邏輯提供的默認(rèn)VID和PID（默認(rèn)值VID為0x04B4，PID為0x8613），以默認(rèn)方式加載設(shè)備到上位機(jī)；若E2PROM數(shù)據(jù)有效，即從E2PROM讀取VIDPID，并覆蓋其自身的VIDPID，第一個(gè)字節(jié)為0xC0，則以C0方式加載設(shè)備，第一個(gè)字節(jié)為0xC2，則以C2方式加載。

　　（3）上位機(jī)檢測(cè)到USB設(shè)備插入，開始詢問其IDs（通過在端口0發(fā)起一個(gè)GetDescriptor請(qǐng)求），最重要的是VIDPID。USB設(shè)備答復(fù)為？？一個(gè)未下載的設(shè)備（nondownloadeddevice）。