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HDNS2000光學(xué)感測芯片在運(yùn)動(dòng)檢測中的應(yīng)用
摘要：安捷倫（Agilent）公司的HDNS2000芯片是一種高性能的運(yùn)動(dòng)檢測器件，在目前的光學(xué)鼠標(biāo)中應(yīng)用廣泛，其易用性和廉價(jià)性使其非常適合應(yīng)用于中低精度的運(yùn)動(dòng)和位置檢測中。本文介紹HDNS2000的功能、特點(diǎn)，從硬件與軟件兩個(gè)方面討論HDNS2000與AVR單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)。在機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，有時(shí)需要檢測物體間的相對運(yùn)動(dòng)，包括運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)距離。若采用機(jī)械式的結(jié)構(gòu)，比如機(jī)械鼠標(biāo)中的滾輪和軌跡球，則會(huì)由于頻繁的機(jī)械運(yùn)動(dòng)而發(fā)生故障，導(dǎo)致精度下降甚至失效，維修起來也不方便。
另外它需要兩個(gè)物體表面相接觸，靠相互間的摩擦進(jìn)行工作，這在某些場合是不能允許的。解決方案之一就是采用光電器件，運(yùn)用光學(xué)原理來測定運(yùn)動(dòng)。安捷倫公司的HDNS2000就是為此而設(shè)計(jì)的，雖然它的市場是針對光學(xué)鼠標(biāo)，但也可以作為一種高性能而又廉價(jià)的器件運(yùn)用于工業(yè)控制領(lǐng)域中。
1 HDNS2000芯片介紹
1.1 主要功能與特性
HDNS2000是安捷倫推出的高性能的光學(xué)感測芯片，它的內(nèi)部包含三個(gè)基本模塊：圖像拾取系統(tǒng)、DSP處理器、PS/2或四狀態(tài)輸出轉(zhuǎn)換器，如圖1所示。在HDNS2000芯片的底部有一個(gè)感光眼，如同一個(gè)小型的攝像頭，
不斷地對物體表面進(jìn)行拍照，接著將前后兩次的圖像送入DSP中進(jìn)行處理，以判斷物體移動(dòng)的方向和大小，最后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為PS/2格式或者以兩通道四狀態(tài)格式輸出。圖2中的（a)與(b)分別為芯片前后兩次拾取的圖像。比較圖2中的(a)和(b)可以看出，物體向左下方移動(dòng)了一點(diǎn)。
HDNS2000的圖像拾取系統(tǒng)每秒鐘可以拾取1500張圖像，可以精確地測量最高30.48 cm/s（12 英寸/s）的運(yùn)動(dòng)，解析度為400點(diǎn)每英寸。
1.2 引腳介紹
HDNS2000的主要引腳框圖如圖3所示。
PS2_C：PS/2接口的時(shí)鐘端。
MODE/XA：復(fù)用引腳，接高電平時(shí)表示選擇PS/2模式；否則，為XA輸出。
RB/XB：復(fù)用引腳，PS/2模式時(shí)為鼠標(biāo)右鍵輸入；否則，為XA輸出。
MB/YB：復(fù)用引腳，PS/2模式時(shí)為鼠標(biāo)中鍵輸入；否則，為YB輸出。
LB/YA：復(fù)用引腳，PS/2模式為鼠標(biāo)左鍵輸入；否則，為YA輸出。
XY_LED：激光LED控制輸出，在物體長時(shí)間不移動(dòng)時(shí)，HDNS2000可以控制LED關(guān)閉，以節(jié)約能量。
VDD3：3.3 V直流電源輸入。
REFB：內(nèi)部參考引腳，通過電容與VDD3相連。
PS2_D ：PS/2接口的數(shù)據(jù)端。
NRESET：低電平復(fù)位引腳。
VDD5：5 V直流電源輸入。
GND：電源地。
OSC2：晶振輸出。
OSC1：晶振輸入，外接18.432 MHz晶振。
2 HDNS2000與AVR單片機(jī)接口設(shè)計(jì)
2.1 HDNS2000與AT90S8015接口
HDNS2000直接提供有PS/2接口，方便了PS/2鼠標(biāo)的設(shè)計(jì)；但在機(jī)電控制中，為了提高效率，宜直接采用HDNS2000的另一種輸出模式，即X向與Y向兩通道四狀態(tài)輸出模式。此時(shí)XA、XB指示X向移動(dòng)狀態(tài)，而YA、YB指示Y向移動(dòng)狀態(tài)。圖 4為HDNS2000與AVR單片機(jī)AT90S8515的接口原理圖。接口主要占用了4個(gè)引腳，其它兩個(gè)是可選的，所以，即使是AVR中最低檔的ATtiny系列也可以方便地與HDNS2000連接。
圖4 HDNS2000與AT90S8015接口原理圖
另外在對節(jié)能要求不高的場合，可以將激光LED的一端直接與地相連接，而通過控制開關(guān)三極管2N3906來主動(dòng)控制HDNS2000的工作狀態(tài)。本文作者在設(shè)計(jì)時(shí)正是采用的這種方式。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，最好采用安捷倫公司提供的套件，其中包括HDNS2000芯片、HDNS2100透鏡、HDNS2200 激光LED卡件及HLMP-ED80激光LED，激光波長為639 nm。
2.2 四位狀態(tài)機(jī)的工作過程
在HDNS2000內(nèi)部有兩個(gè)狀態(tài)機(jī)分別指示X、Y兩個(gè)方向，每個(gè)狀態(tài)機(jī)又有四個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。圖5是狀態(tài)機(jī)的示意圖。由圖5可見，一開始系統(tǒng)處于狀態(tài)0，每當(dāng)檢測到物體向正向或反向移動(dòng)1個(gè)單位時(shí)就轉(zhuǎn)移到下一個(gè)狀態(tài)，所以只要連續(xù)監(jiān)測狀態(tài)機(jī)狀態(tài)的變化就可以判斷物體移動(dòng)的方向和距離。圖6(a)和(b)分別為負(fù)向移動(dòng)和正向移動(dòng)時(shí)狀態(tài)機(jī)輸出的波形。值得注意的是，每個(gè)狀態(tài)的最少停留時(shí)間為133μs。
2.3 接口軟件設(shè)計(jì)
由狀態(tài)機(jī)輸出波形圖可以看出，有一種很簡單自然的接口設(shè)計(jì)方法，就是將狀態(tài)輸出引腳接到單片機(jī)的外部中斷引腳上，使其在每個(gè)波形的上下邊沿都產(chǎn)生中斷，再在中斷處理程序中，檢測另一對應(yīng)波形的電平高低，就可以判斷移動(dòng)方向。
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