CN1854690A - 光学成像位移检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及物体位移检测装置，尤其是一种光学成像位移检测装置，包括光学鼠标传感器以及与其配套的透镜(1)和发光二极管，其中发光二极管发出的光线经被测物体(2)反射后通过透镜(1)在感光窗口连续成像，该光学鼠标传感器根据成像数据计算出被测物体(2)的运动状态，微处理器，用于控制光学鼠标传感器的工作状态并从光学鼠标传感器获取被测物体(2)的运动状态数据，从而计算出被测物体(2)的移动距离、移动速度、移动加速度、和移动方向中的至少一种，接口，其工作状态受微处理器控制并从微处理器获取反应被测物体(2)运动状态的信号用于输出，本发明能够对被测物体在二维平面上的运动实时检测并输出。
Description
技术领域
本发明涉及物体位移检测装置，尤其是一种光学成像位移检测装置。
背景技术
目前，在工控领域内通常采用位移传感器对物体的位移进行检测，常用的有光栅编码器、滑动电阻式、电容式及超声波式位移传感器。其中光栅编码器是利用物体移动带动事先加工好的光栅对感光元件的光路进行切断以形成物体位移的编码数据，滑动电阻及电容式是利用物体移动从而改变相应的电阻或电容值以形成物体位移数据，超声波式是利用超声波的波反射原理来得到物体位移的数据。
但是，上述位移传感器均无法直接完成对物体在二维平面上的运动方向、速度等的实时检测。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够对被测物体在二维平面上的运动状态，如距离、速度、加速度、和方向中的至少一种进行实时检测并输出的光学成像位移检测装置。
本发明的技术方案是：
一种光学成像位移检测装置，包括：光学鼠标传感器以及与其配套的透镜和发光二极管，其中发光二极管发出的光线经被测物体表面反射后通过透镜在光学鼠标传感器的感光窗口连续成像，该光学鼠标传感器根据成像数据计算出被测物体的运动状态，微处理器，用于控制光学鼠标传感器的工作状态并从光学鼠标传感器获取被测物体的运动状态数据，从而计算出被测物体的移动距离、移动速度、移动加速度、和移动方向中的至少一种，接口，其工作状态受微处理器控制并从微处理器获取反应被测物体运动状态的信号用于输出。
其中接口包括运算放大电路和三极管，微处理器的输出信号通过运算放大电路放大后驱动三极管输出。
其中接口是RS-485收发器，微处理器通过该RS-485收发器与外部总线通信。
其中接口包括RS-485收发器，微处理器通过该RS-485收发器与外部总线通信，以及运算放大电路和三极管，微处理器的输出信号通过运算放大电路放大后驱动三极管输出。
其中光学鼠标传感器采用ADNS-2051、ADNS-3060、或PAN101BOI-204，微处理器采用C8051F330、或C8051F121单片机。
本发明利用光学鼠标(Optical Mouse)定位的工作原理，将光学鼠标传感器(Optical Mouse Sensor)以及与其配套的发光二极管(LED)和透镜固定，使被测物体相对于该光学鼠标传感器运动，通过微处理器对光学鼠标传感器的检测信号进行处理，从而得到被测物体在二维平面上的运动状态，如距离、速度、加速度、和方向中的至少一种，然后以符合相应类型通信协议的数据封包后与外部总线通信，或者以工业控制领域内常用的4-20mA电流信号方式输出。
附图说明
附图1为本发明的工作流程图；
附图2为本发明实施例1的电路原理图；
附图3为本发明实施例2的电路原理图；
附图4为本发明实施例2中光学鼠标传感器PAN101BOI-204所检测的被测物体移动状态以积分编码形式输出的波形；
附图5为本发明实施例3的电路原理图；
附图6为本发明中实施例1、2采用的接口电路原理图；
附图7为本发明中实施例3采用的接口电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图来对本发明作进一步详细的说明：
实施例1：
如图2所示，ADNS-2051是安捷伦科技公司(Agilent Technologies)生产的光学鼠标传感器(Optical Mouse Sensor)，C8051F330单片机是51系列的派生产品。
如图2中ADNS-2051的PD引脚为器件启动引脚，SOID引脚为数据串行输入输出引脚，SCLK引脚为同步时钟信号并且此信号始终由C8051F330单片机产生，XY_LED引脚为发光二极管(LED)的驱动引脚，OSC_IN和OSC_OUT引脚为ADNS-2051的外部时钟输入及时钟驱动，其典型值为6MHz，XA引脚、XB引脚、YA引脚、和YB引脚为2维编码器输出引脚。
当器件上电后，C8051F330单片机初始化并配置各端口，由其P1.1端口送出串口通信时钟信号并一直保持，经120μs延时后由P1.2端口送出高电平启动ADNS-2051，再经过120μs延时后由P1.0端口送出对ADNS-2051初始化及点亮LED的数据，ADNS-2051初始化成功后驱动发光二极管照亮移动物体表面，此时可根据ADNS-2051内部地址为0X05的8位寄存器读出物体表面反光强度的数值，根据这一数值可设置发光二极管的驱动电流以及判断ADNS-2051初始化完毕可进入正常工作，C8051F330单片机此时可对ADNS-2051进行工作状态，如分辨率、每秒成像帧数等进行设置。
ADNS-2051通过透镜1对被测物体2表面进行连续成像，成像后的数据经集成在ADNS-2051上的数据处理器(DSP)对图像数据取特征点(特征点数目由分辨率决定，其典型值为400或800)并对相邻两帧图象的特征点进行类比运算后得到物体移动状态帧数据，由C8051F330单片机对ADNS-2051的地址为0X02：7的动作寄存器数值进行定时的读取并判断，如果该寄存器数值为1表明被测物体2有移动发生，C8051F330单片机可将ADNS-2051内部地址为0X03及0X04的两个寄存器中的移动状态帧数据经由ADNS-2051的串行口读取，由C8051F330单片机对相邻的两个状态帧数据进行比较计算后得到被测物体2的移动距离、移动速度、移动加速度、和移动方向中的至少一种(由于ADNS-2051每秒钟的成像数目是已知的，所以能够计算出移动速度和加速度)，根据实际使用需要由C8051F330单片机进行通信协议的数据封包成帧再通过RS-485收发器与外部总线通信，或者通过运算放大电路和三极管变为工业控制领域内常用的4-20mA电流信号输出。
如图6所示，C8051F330单片机将物体移动状态数据经DA转换后，通过P0.1/DA out端口以电流信号输出，该电流信号经电阻R1取样后由运算放大电路进行放大，再驱动三级管以电流形式输出，通常采用工业控制领域内常见的4-20mA电流，适当选取电阻R11，可改变输出电流的大小。
如图6、7所示，其中运算放大器可选用AD公司的OP295、495、822、823或MAXIM公司的MAX4198、4199等仪表用差分放大器，输出采用两个三极管构成的复合管。
如图2所示，RX485收发器可选用MAX485、DG485、75LBC184等芯片，图中为MAX485，其RE引脚和DE引脚为收发控制端。
实施例2：
如图3所示，PAN101BOI-204是原相科技公司(PixArt Imaging)生产的光学鼠标传感器(Optical Mouse Sensor)，PAN101BOI为漏极开路输出需上拉电阻。
如图3所示，PAN101BOI-204的各引脚标号及功能与实施例1中的ADNS-2051大体相同。
器件上电后，C8051F330单片机的P1.0端口启动PAN101BOI-204，其通过LED引脚驱动发光二极管照亮被测物体2表面，PAN101BOI-204通过透镜1对被测物体2表面进行连续成像，成像后的数据经集成在PAN101BOI-204上的数据处理器(DSP)对图像数据取特征点，并对相邻两桢图象的特征点进行类比运算后得到物体移动状态数据，该数据通过XA引脚、XB引脚、YA引脚、和YB引脚以积分编码形式输出至C8051F330单片机(即XA先于XB为向左移动否则为向右移动，YA先于YB为向下移动否则为向上移动，具体积分编码形式输出的波形见图4)，由C8051F330单片机对相邻的两个状态帧数据进行比较计算后得到被测物体2的移动距离、移动速度、移动加速度、和移动方向中的至少一种(由于PAN101BOI-204每秒钟的成像数目是已知的，所以能够计算出移动速度和加速度)，根据实际使用需要由C8051F330单片机进行通信协议的数据封包成帧再通过RS-485收发器与外部总线通信，或者通过运算放大电路和三极管变为工业控制领域内常用的4-20mA电流信号输出。
其余部分与实施例1基本相同。
实施例3：
如图5所示，ADNS-3060是安捷伦科技公司(Agilent Technologies)生产的光学鼠标传感器(Optical Mouse Sensor)，C8051F121单片机是51系列的派生产品。
如图5中ADNS-3060的NPD引脚为器件启动引脚，RESET引脚为器件复位信号输入，NCS引脚为片选信号，MISO引脚为数据串行输出，MOSI引脚为数据串行输入，SCLK引脚为同步时钟并且此信号始终由C8051F121单片机产生，LED引脚为发光二极管的驱动引脚，OSC_IN和OSC_OUT为外部时钟输入及时钟驱动引脚，其典型值为24MHz。
器件上电后，C8051F121单片机初始化并配置各端口，由其P1.2端口送出片选信号，P1.0端口启动ADNS-3060，P1.1端口对ADNS-3060进行复位，P1.5端口送出串口通信时钟信号(此时钟信号一直由C8051F121单片机产生)，经由P1.3端口读出ADNS-3060复位后的工作状态，如果ADNS-3060进入正常工作状态，则由P1.4端口对ADNS-3060的工作参数，如分辨率，每秒成像帧数等进行配置。
ADNS-3060的工作原理与实施例1中的ADNS-2051基本相同，通过C8051F121单片机同样能够得到被测物体2的移动距离、移动速度、移动加速度、和移动方向中的至少一种，根据实际使用需要由C8051F121单片机进行通信协议的数据封包成帧再通过RS-485收发器与外部总线通信，或者通过运算放大电路和三极管变为工业控制领域内常用的4-20mA电流信号输出。
如图7所示，C8051F121单片机将物体移动状态数据经DA转换后，通过DA out端口以电压信号输出，该电压信号经运算放大电路放大后，再驱动三级管以电流形式输出，通常采用工业控制领域内常见的4-20mA电流，适当选取电阻R11，可改变输出电流的大小。
与本发明中使用的由光学鼠标传感器、透镜、和发光二极管构成的光学定位系统类似的还有罗技公司的MX光学定位系统，微软公司的IntelliEye光学定位系统，以及韩国@Lab ATA1080XA光学定位芯片。
Claims (5)
1、一种光学成像位移检测装置，包括：
光学鼠标传感器以及与其配套的透镜(1)和发光二极管，其中发光二极管发出的光线经被测物体(2)表面反射后通过透镜(1)在光学鼠标传感器的感光窗口连续成像，该光学鼠标传感器根据成像数据计算出被测物体(2)的运动状态；
微处理器，用于控制光学鼠标传感器的工作状态并从光学鼠标传感器获取被测物体(2)的运动状态数据，从而计算出被测物体(2)的移动距离、移动速度、移动加速度、和移动方向中的至少一种；
接口，其工作状态受微处理器控制并从微处理器获取反应被测物体(2)运动状态的信号用于输出。
2、如权利要求1所述的光学成像位移检测装置，其特征在于：
其中接口包括运算放大电路和三极管，微处理器的输出信号通过运算放大电路放大后驱动三极管输出。
3、如权利要求1所述的光学成像位移检测装置，其特征在于：
其中接口是RS-485收发器，微处理器通过该RS-485收发器与外部总线通信。
4、如权利要求1所述的光学成像位移检测装置，其特征在于：
其中接口包括RS-485收发器，微处理器通过该RS-485收发器与外部总线通信；
以及运算放大电路和三极管，微处理器的输出信号通过运算放大电路放大后驱动三极管输出。
5、如权利要求1至4中任意一项所述的光学成像位移检测装置，其特征在于：
其中光学鼠标传感器采用ADNS-2051、ADNS-3060、或PAN101BOI-204，微处理器采用C8051F330、或C8051F121单片机。
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