一种基于光学传感器的轨迹球电气技术研究(自动化)
崔周培，张鑫，蔡欣荣
（江苏自动化研究所，江苏连云港222006）
摘要：轨迹球是工业显控终端操控模块的重要组成部分。结合PMW3310传感器芯片和LPC1758微控制器芯片，深入研究了基于光学传感器芯片的轨迹球电气架构和具体实现。
关键词：轨迹球；传感器；微控制器；电气架构
中图分类号：TN873 文章编号：1006 - 2394( 2016) 06 - 0017 - 03
0引言
轨迹球是工业显控终端操控模块的重要组成部分，主要实现对运动目标的选择、定位和跟踪。当前大多数显控终端的轨迹球，均使用旋转编码器采集球体的转动数据，转动的球体带动X、Y旋转编码器转动，产生X、Y轴脉冲，送到单片机数据输入端，经单片机软件处理后，产生数据输出。随着鼠标技术的飞速发展，大量体积较小、稳定可靠的光学传感器在工业轨迹球中得到广泛应用。传统的轨迹球使用旋转编码器采集数据，滚动球体体积较大，人体工程学设计考虑不充分。本文应用原相科技推荐的光学传感器芯片PMW3310，并结合NXP公司LPC1758微控制器芯片，研究一种基于光学传感器的新型轨迹球的电气设计。
1光学传感器接口设计
1.1PMW3310传感器概述
PMW3310DH-AWQT低功耗光学传感器是原相鼠标传感器系列的新产品。该传感器系统包括导航集成电路，LED发光二极管和ADNS-2120-001透镜。它提供了增强的功能，如可变帧率、可编程的分辨率、角度可调以及可编程的角度捕捉，以适应各种用途。
PMW3310传感器采用20引脚的双列直插式封装( DIP)，与ADNS-2120-001透镜相结合用于实现最佳性能。该传感器通过光学捕捉连续的表面图像（帧）和数学确定的方向及运动的幅度测量位置变化。它包含一个图像采集系统( IAS)、数字信号处理器(DSP)和一个四线串行端口。在IAS获取经由透镜和照明系统微观表面的图像，这些图像由DSP处理以确定方向和距离的运动。DSP计算
和
相对位移值，外部微控制器从传感器串行端口读取和的信息，然后将它们发送到主机PC，将数据转换成PS2或者USB信号。
1.2 PMW3310传感器电路功能与特性
PMW3310传感器芯片的储存温度是- 40℃~85℃，工作电压2.7～3.3 V，VDDIO范围1.65～3.3 V，内置16位运动数据寄存器，芯片最大静态功耗65 m A(2.8 V供电情况)，高速运动检测130英寸／s，帧速率最高可达6 500F/s。传感器芯片连接电路见图1。
传感器芯片响应波长为400 nm～1 000 nm，光照波长和传感器相对响应率关系具体见图2。本文选用的发光二极管为亿光公司7383 M/RNW3 -APSB工业型发光管，该发光二极管材料为AIG aInP，属于红色特亮型发光管，发光波长为619~628 nm，可视角度为200，是原相科技广泛推荐使用的型号。
2微控制器电路设计
2.1 LPC1758芯片概述
LPC1758 Cortex-M3微控制器用于处理要求高度集成和低功耗的嵌入式应用。ARM Cortex-M3是新生内核处理器，它可提供系统增强型特性，例如现代化调试特性和支持更高级别的块集成。ARM Cortex-M3 CPU具有3级流水线和哈佛结构，带独立的本地指令和数据总线以及用于外设的稍微低性能的第三条总线。LPC1758 Cortex-M3微控制器的操作频率达到100 MHz。
LPC1758 Cortex-M3微控制器的外设组件包含高达512 KB的Flash存储器、64 KB的数据存储器、以太网MAC、USB主机／从机/OTG接口、8通道的通用DMA控制器、4个UART、2条CAN通道、2个SSP控制器、SPI接口、3个I2 C接口、2输入和2输出的I2 S接口、8通道的12位ADC、10位DAC、电机控制PWM、正交编码器接口、4个通用定时器、6输出的通用PWM、带独立电池供电的超低功耗RTC和多达70个的通用I/O管脚。
2.2 LPC1758芯片电路连接
LPC1758对外提供l路USB设备接口，该接口也可以配置成PS/2鼠标接口，具体配置成何种接口，由R7和R8两个电阻决定，当焊接R7电阻时，配置成USB接口通信方式，当焊接R8电阻时，配置成PS/2接口，两个电阻只能焊接一个。对外USB接口或PS/2接口都提供了ESD防护功能、电磁兼容、过流等保护措施。
当LPC1758处于USB接口通信方式时，LPC1758每10 ms将位移数据封包以HID数据格式发送给上位机；P2是普通的数字输入输出口，系统上电后，该管脚低电平时芯片进入ISP下载状态，可以通过串口0将数据下载进去。通过发光二极管V3、V4、V5的明暗，可以表示微控制器所设定的三种鼠标DPI值，具体值可以标在印制板上。RS-232串口作为调试使用，具体的通信数据以实际调试需要为主。LPC1758主控电路设计见图3。
3对外接口
本文中的新型光学传感器轨迹球，对外数据输出采用标准PS/2方式和USB方式，具体接口电路见图4。USB接口和PS/2接口复用，通过图3中R7、R8电阻选择，ARM程序配置USB接口或者模拟PS/2接口，USB接口配置成HID协议。
3.1 PS/2通信协议
新型光学传感器轨迹球对外PS/2通信方式采用标准的PS/2鼠标通信协议，支持输入X（左右）位移、Y（上下）位移、左键、中键和右键，鼠标以固定的频率读取输入，并更新不同的计数器，然后标记出反映的移动和按键状态。
标准鼠标有两个计数器保持位移的跟踪，X位移计数器和Y位移计数器，可存放9位的2进制补码，并且每个计数器都有相关的溢出标志，它们的内容连同三个鼠标按钮的状态一起以三字节移动数据包的形式发送给主机。位移计数器表示从最后一次位移数据包被送往主机后，有位移量发生。当鼠标读取输入时，它记录按键的当前状态，然后检查位移，如果位移发生增加（对正位移）或减少（对负位移），X和／或Y位移计数器的值；如果有一计数器溢出就设置相应的溢出标志。
3.2 USB HID协议
3. 2.1 USB HID应用场合
USB HID类设备属于人机交互操作的设备，用于涉及控制计算机操作的设备，如USB鼠标、USB键盘、电话拨号设备、VCR遥控等设备。使用HID设备的优点是操作系统自带了HID类的驱动程序，而用户无需开发复杂的驱动程序，只需直接使用API调用即可完成通信。目前许多简单的USB设备通常枚举成HID设备，这样应用该类USB设备时就无需安装驱动而直接使用。
3.2.2 USB HID类可采用的通信管道
所有的HID设备通过USB的控制管道（默认管道，即端点0）和中断管道与主机通信。控制管道主要用于三个方面：接收／响应USB主机的控制请示及相关的类数据；在USB主机查询时传输数据（如响应Get_ Report请求等）；接收USB主机的数据。中断管道主要用于两个方面：USB主机接收USB设备的异步传输数据；USB主机发送有实时性要求的数据给USB设备。从USB主机到USB设备的中断输出数据传输是可选的，当不支持中断输出数据传输时，USB主机通过控制管道将数据传输给USB设备。
4结论
本文基于原相科技最新光学传感器芯片PMW3310，并结合NXP公司LPC1758微控制器芯片，研究一种新型光学传感器轨迹球的电气设计。新型轨迹球与目前应用较多的旋转编码器轨迹球相比，传感器体积更小，对球体滚动的数据采集更加稳定可靠，能够满足工业显控终端在电气性能方面的设计使用要求。
