鼠標(biāo) 位移傳感器：android 位移傳感器 坐標(biāo),鼠標(biāo)的工作原理及位移測(cè)量的實(shí)現(xiàn)方法
位移檢測(cè)技術(shù)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，各種位移傳感器紛紛出現(xiàn)，但低成本的位移傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精確度不高，線性度低，而高成本的位移傳感器雖 然性能優(yōu)異，但制作工藝難度大，難以普及。所以開發(fā)一款低成本、高性能的位移傳感器具有很高的現(xiàn)實(shí)意義。鑒于此，本文提出了通過(guò)LabVIEW 編程實(shí)現(xiàn)精確度高、線性度好、測(cè)量范圍大、無(wú)需其余硬件設(shè)備的鼠標(biāo)位移測(cè)量方法。
1 鼠標(biāo)的工作原理及位移測(cè)量的實(shí)現(xiàn)方法
1.1 鼠標(biāo)的工作原理與驅(qū)動(dòng)程序
鼠標(biāo)( mouse) 在現(xiàn)代個(gè)人電腦( PC)中被廣泛應(yīng)用，特別是圖形用戶界面(GUI)的流行，鼠標(biāo)已經(jīng)不可或缺。大規(guī)模的生產(chǎn)使鼠標(biāo)的價(jià)格很低，通過(guò)利用鼠標(biāo)來(lái)測(cè)位移也使成本趨于合理。經(jīng) 過(guò)數(shù)十年的技術(shù)發(fā)展，尤其是光電鼠標(biāo)與激光鼠標(biāo)的出現(xiàn)，其精度得到極大提高。利用鼠標(biāo)進(jìn)行位移測(cè)定，具有高精度、低成本的優(yōu)點(diǎn)。鼠標(biāo)雖然實(shí)際上是位移傳感 器，但其是為PC 機(jī)配備的外部輸入設(shè)備，各種操作系統(tǒng)自帶的鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)程序只是為了提供圖形用戶界面操作，無(wú)法滿足普遍的位移測(cè)量要求。
鼠標(biāo)全稱顯示系統(tǒng)縱橫位置指示器。光電鼠和機(jī)械鼠的最大區(qū)別是對(duì)軌跡的檢測(cè)方法，但其工作原理基本相同： 通過(guò)光柵信號(hào)傳感器或光電傳感器將位移轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，然后通過(guò)芯片將信號(hào)處理為數(shù)據(jù)包傳遞給PC 機(jī)。目前利用鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量的方法主要是利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)位移檢測(cè)功能，但此方法穩(wěn)定性差，噪聲較大，需要額外硬件系統(tǒng)，性價(jià)比低。在操作 系統(tǒng)已經(jīng)盡可能挖掘了底層硬件數(shù)據(jù)通信能力的情況下，重新對(duì)底層硬件通信浪費(fèi)資源。實(shí)際上，鼠標(biāo)提供GUI 操作，通過(guò)鼠標(biāo)移動(dòng)控制顯示設(shè)備上鼠標(biāo)指針的像素移動(dòng)。反之，可以利用指針運(yùn)動(dòng)的位移來(lái)確定實(shí)際鼠標(biāo)的位移。
1.2 鼠標(biāo)坐標(biāo)系統(tǒng)與顯示坐標(biāo)系統(tǒng)的關(guān)系
鼠標(biāo)坐標(biāo)系統(tǒng)( 即實(shí)際位移) 與顯示坐標(biāo)系統(tǒng)通過(guò)映射來(lái)完成對(duì)應(yīng)關(guān)系，二者坐標(biāo)均使用平面直角坐標(biāo)系。鼠標(biāo)坐標(biāo)系統(tǒng)在平面上任意取一點(diǎn)作為原點(diǎn)，以相對(duì)原點(diǎn)的偏移量計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo) 值，然后以相對(duì)該目標(biāo)點(diǎn)的偏移量計(jì)算下一新目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)值，以此類推。鼠標(biāo)坐標(biāo)系統(tǒng)中基本單位為米基。顯示坐標(biāo)系統(tǒng)同顯示器的實(shí)際分辨率及工作方式有關(guān)。 使用平面直角坐標(biāo)系，原點(diǎn)在屏幕的左上方，橫向代表X 方向，縱向代表Y 方向。圖形方式下的橫向、縱向的象素為基本單位進(jìn)行衡量。例如，1024×768 分辨率時(shí)，顯示坐標(biāo)的橫向和縱向坐標(biāo)范圍為0~ 1023,0~ 767。
鼠標(biāo)坐標(biāo)系到顯示坐標(biāo)系完成三個(gè)方面的映射：(1) 原點(diǎn)映射：( x 0 , y 0 ) = ( X 0, Y0 ) , 其中X 0 , Y0 ( 為屏幕原點(diǎn)坐標(biāo))值可任意給定：( 2) 目標(biāo)點(diǎn)映射：( x i , y i ) = ( x i- 1 +△x i , y i- 1 + △yi ) →(X i , Yi ) = X i- 1 + △X i , Yi- 1 + △Yi ( i =1, 2 ……， n, 橫向下界≤ X i ≤ 橫向上界，縱向下界≤Yi ≤縱向上界; ( 3) 基本單位映射： 在圖形方式下( 米基到象素映射) ,△x i / x 方向比例因子= △X i , △yi / y 方向比例因子= △Yi ( i =1, 2……，n)。改變米基到象素的比例因子μ 影響鼠標(biāo)靈敏度，μ 值決定著指針的移動(dòng)速度，可以在PC 機(jī)w indow s 操作系統(tǒng)中的控制面板設(shè)置。因此無(wú)須改變鼠標(biāo)底層的硬件驅(qū)動(dòng)，實(shí)際鼠標(biāo)的位移可以通過(guò)象素坐標(biāo)來(lái)確定。但實(shí)際的顯示坐標(biāo)均有邊界限制，不能滿足大范圍的位 移測(cè)量。通過(guò)LabVIEW編程消除顯示坐標(biāo)系象素X i 與Yi 的上下界限制，通過(guò)測(cè)量指針移動(dòng)的象素來(lái)精確檢測(cè)鼠標(biāo)的位移量。
1. 3 位移測(cè)量的LabVIEW 實(shí)現(xiàn)方法
通過(guò)庫(kù)函數(shù)節(jié)點(diǎn)( CLF) 來(lái)訪問(wèn)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)( DLL) 的方法，直接調(diào)用WINDOWS API 函數(shù)與LabVIEW 自行編制的庫(kù)函數(shù)，使得LabVIEW 對(duì)鼠標(biāo)的通信得到大大的增強(qiáng)，同時(shí)也為操作系統(tǒng)底層函數(shù)支持LabVIEW 提供了便捷，節(jié)省了內(nèi)存空間。與鼠標(biāo)相關(guān)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)如表1 所示，二者庫(kù)函數(shù)有部分相同的功能。
表1 鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)程序接口函數(shù)
通過(guò)調(diào)用以上函數(shù)實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)的位移測(cè)量。具體方法為： 在顯示坐標(biāo)系內(nèi)，坐標(biāo)范圍分成M × N 象素。位移的X 、Y 分量二者互不影響，編程時(shí)可以分別處理。方法實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)是消除操作系統(tǒng)固有的顯示坐標(biāo)系象素X i 與Yi 的上下界限制。首先要判斷鼠標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向，若鼠標(biāo)向左移動(dòng)，則其必然到達(dá)坐標(biāo)系右邊界。這時(shí)通過(guò)函數(shù)使象素X i 置零，Yi 不變，同時(shí)記錄一次其過(guò)邊界。通過(guò)顯示坐標(biāo)( X i , Yi ) 與初始坐標(biāo)( X 0 ,Y0 ) 之差與過(guò)邊界次數(shù)即可求出在顯示坐標(biāo)中鼠標(biāo)指針的位移。其他運(yùn)動(dòng)方向的位移同理可以得到。最后通過(guò)比例因子μ將顯示坐標(biāo)映射到鼠標(biāo)坐標(biāo)系中，即可求出實(shí)際 位移( x i ,yi ) .詳細(xì)的程序流程圖如圖1 所示。
圖1 鼠標(biāo)位移測(cè)量程序流程圖
LabVIEW 具有代碼直觀、層次清晰的圖形化編程特點(diǎn)。在前面板上設(shè)置顯示坐標(biāo)為M×N = 500 × 300 的指針工作區(qū)域，并設(shè)置初始坐標(biāo)在工作區(qū)的中心( 250, 150) .X 方向右位移消除邊界的部分程序框圖如圖2 所示，條件語(yǔ)句判斷當(dāng)指針到達(dá)右邊界( 499, Yi ) 時(shí)，下一次循環(huán)將其設(shè)為( 0, Yi ) ,并將以后的位移增加1 倍M.循環(huán)體內(nèi)使用了移位寄存器。
圖2 部分消除邊界的LabVIEW 程序框圖
2 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)與性能分析
檢測(cè)實(shí)驗(yàn)采用USB 接口的dell 三鍵光電有線鼠標(biāo)，最高分辨率400dpi.分別測(cè)試了鼠標(biāo)在指針最小與最大移動(dòng)速度( 控制面板中設(shè)置) 中以4mm/ s 與20mm/ s 的速度進(jìn)行位移測(cè)量性能。采用步進(jìn)電機(jī)與控制器對(duì)其進(jìn)行位移標(biāo)定，位移精確度為0.01mm.得到如圖3 所示位移圖像。
由于步進(jìn)電機(jī)顯示位移與鼠標(biāo)實(shí)際檢測(cè)的位移具有統(tǒng)計(jì)關(guān)系而且是線性的，故可以建立回歸模型： Yi = A + B X i + εi( i= 1, 2, ……， n) , 其中( X i , Yj ) 表示( X , Y) 的第i 個(gè)觀測(cè)值，A 、B 為參數(shù)，A + B ×X i 為反映統(tǒng)計(jì)關(guān)系直線的分量，εi 為反映在統(tǒng)計(jì)關(guān)系直線周圍散布的隨機(jī)分量，εi ~ N( 0, δ 2 ) , 服從正態(tài)分布。根據(jù)最小二乘法：
相關(guān)系數(shù)越接近1, 則二者越正相關(guān)。圖3 直線擬合的結(jié)果如表2.
表2 線性擬合結(jié)果
圖3 步進(jìn)電機(jī)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)及線性擬合
由表可知，不同條件下兩種方法測(cè)定的位移相關(guān)系數(shù)均接近于1, 即實(shí)驗(yàn)鼠標(biāo)位移測(cè)定與步進(jìn)電機(jī)標(biāo)定位移接近相等;截距A 可以忽略不計(jì)，即鼠標(biāo)位移測(cè)量沒(méi)有系統(tǒng)誤差; 斜率B 的標(biāo)準(zhǔn)差均小于0.3%, 即實(shí)驗(yàn)鼠標(biāo)隨機(jī)誤差小。以上充分說(shuō)明實(shí)驗(yàn)鼠標(biāo)在低速的位移測(cè)量具有精度高、線性度好、誤差小等優(yōu)點(diǎn)。
為測(cè)試低速條件下鼠標(biāo)位移測(cè)量性能與速度的關(guān)系，用相同的標(biāo)定方法測(cè)試了不同速度鼠標(biāo)位移的性能。由圖4 可知總體來(lái)看，鼠標(biāo)移動(dòng)速度越大，斜率誤差與總擬合標(biāo)準(zhǔn)差越大，測(cè)量位移性能降低，但在20mm/ s 速度以內(nèi)仍滿足位移測(cè)定的一般需求。可以預(yù)見隨速度的增大，誤差將逐漸變大。此鼠標(biāo)位移測(cè)定方法適宜于低速情況。
圖4 不同速度位移測(cè)定的誤差
3 總結(jié)
結(jié)果顯示此方法達(dá)到了精確位移測(cè)量的要求，可以提供精確度0.1mm 的位移測(cè)量，具有線性度好，精確度高，誤差小的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)研究顯示該位移測(cè)量系統(tǒng)在低速的位移測(cè)量中具有更佳的性能。采用高層軟件設(shè)計(jì)的方法，使鼠標(biāo)位移 測(cè)量不受鼠標(biāo)接口、鼠標(biāo)型號(hào)的限制，具有高性價(jià)比與強(qiáng)適用性的特征。此鼠標(biāo)位移檢測(cè)方法集成到基于LabVIEW 的漏磁檢測(cè)系統(tǒng)中，取得了良好的效果。
鼠標(biāo) 位移傳感器：健康鼠標(biāo)
本發(fā)明公開了一種健康鼠標(biāo)，包括鼠標(biāo)位移傳感器與按鍵模塊和微控制器。它設(shè)置有用于采集使用者生理信息的生理信息傳感器和用于對(duì)使用者產(chǎn)生相應(yīng)刺激的激勵(lì)裝置，生理信息傳感器設(shè)置在所述鼠標(biāo)上接近使用者手指或手掌的部位，激勵(lì)裝置設(shè)置在所述鼠標(biāo)上接近使用者手掌的部位。生理信息傳感器與微控制器之間連接有信號(hào)調(diào)理電路。激勵(lì)裝置與微控制器之間連接有控制電路，微控制器連接有通訊接口。本發(fā)明在不影響使用者正常工作的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)使用者生理信息的檢測(cè)；自動(dòng)地根據(jù)使用者的健康狀況和環(huán)境情況給出相應(yīng)的良性激勵(lì)；可以長(zhǎng)時(shí)間收集使用者的生理信息，為今后醫(yī)生對(duì)使用者的健康狀態(tài)有全面的了解。
鼠標(biāo) 位移傳感器：光電鼠標(biāo)改裝為位移傳感器
光電鼠標(biāo)改裝位移傳感器
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摘要：
本文通過(guò)分析位移傳感器和光電鼠標(biāo)的原理，
根據(jù)兩者的共同點(diǎn)，
借助單片機(jī)的編
程，將光電鼠標(biāo)改裝成位移傳感器。
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關(guān)鍵詞：
鼠標(biāo)；位移傳感器；
1
前言
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位移是線位移和角位移的統(tǒng)稱，
是和物體的位置在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的移動(dòng)有關(guān)的量。
其測(cè)量
方式所涉及的范圍是相當(dāng)廣泛的。同時(shí)，
位移是向量，除了確定其大小之外，還應(yīng)確定其方
向。一般情況下，應(yīng)使測(cè)量方向與位移方向重合，
這樣才能真實(shí)地測(cè)量出位移量的大小。以
位移作為被測(cè)物理量的傳感器則稱為位移傳感器。
其又稱為線性傳感器，
是把位移轉(zhuǎn)換為電
量的傳感器。
1.1
位移傳感器的原理
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位移傳感器可以分為電阻式位移傳感器、電感式位移傳感器，電容式位移傳感器，應(yīng)變
式位移傳感器，霍爾式位移傳感器。
光電式傳感器，基于光電效應(yīng)的傳感器，在受到可見光照射后即產(chǎn)生光電效應(yīng)，將光信
號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。它除能測(cè)量光強(qiáng)之外，還能利用光線的透射、遮擋、反射、干涉
等測(cè)量多種物理量，如尺寸、位移、速度、溫度等，因而是一種應(yīng)用極廣泛的重要敏感
器件。
光電測(cè)量時(shí)不與被測(cè)對(duì)象直接接觸
,
光束的質(zhì)量又近似為零
,
在測(cè)量中不存在摩擦
和對(duì)被測(cè)對(duì)象幾乎不施加壓力。因此在許多應(yīng)用場(chǎng)合，光電式傳感器比其他傳感器有明
顯的優(yōu)越性。其缺點(diǎn)是在某些應(yīng)用方面，光學(xué)器件和電子器件價(jià)格較貴，并且對(duì)測(cè)量的
環(huán)境條件要求較高。
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針對(duì)位移測(cè)量的應(yīng)用場(chǎng)合，可采用不同用途的位移傳感器。表
1
中列出了較常見的位移
傳感器的主要特點(diǎn)和使用性能。
表
1
常用位移傳感器一覽表
鼠標(biāo) 位移傳感器：神奇不，一個(gè)光學(xué)鼠標(biāo)傳感器，就可以輕松實(shí)現(xiàn)精密旋轉(zhuǎn)(或線性)測(cè)量
本文引用地址：
使用光學(xué)鼠標(biāo)傳感器實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)（或線性）測(cè)量本設(shè)計(jì)實(shí)例使用光學(xué)電腦鼠標(biāo)中的傳感器測(cè)量圓盤的旋轉(zhuǎn)，其中的圓盤可以通過(guò)機(jī)械方式連接到任何一種旋轉(zhuǎn)裝置。通過(guò)沿著圓盤半徑改變傳感器位置，該方案可以調(diào)整每次旋轉(zhuǎn)的脈沖。
鼠標(biāo)芯片的CMOS光學(xué)傳感器可提供非機(jī)械式跟蹤引擎。在該芯片內(nèi)部可完成圖像的捕獲、數(shù)字化和數(shù)字處理。就拿簡(jiǎn)單且低成本的OM02來(lái)說(shuō)，該傳感器通過(guò)采集表面圖像幀來(lái)測(cè)量位置，并通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算判定運(yùn)動(dòng)方向和距離。該傳感器安裝聚苯乙烯光學(xué)封裝中，設(shè)計(jì)用來(lái)與高亮度LED一起使用。它有一個(gè)完整且緊湊的跟蹤引擎；沒(méi)有活動(dòng)部件，也不要求精密的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)。OM02可以為X和Y方向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生正交輸出信號(hào)。分辨率約為0.0025英寸，運(yùn)動(dòng)速度最高為每秒16英寸。
該芯片產(chǎn)生的正交X方向輸出信號(hào)模擬了普通編碼器的輸出。X和Y信號(hào)都可以用于2D系統(tǒng)。OM02以最高約25kHz的頻率產(chǎn)生X1和X2正交信號(hào)。圖1顯示了正向X運(yùn)動(dòng)（向右方向）的時(shí)序圖。這種正交輸出在需要時(shí)還可以用于直流步進(jìn)電機(jī)控制。
圖1：正交輸出波形（+X運(yùn)動(dòng)）示例。
根據(jù)IC數(shù)據(jù)手冊(cè)的說(shuō)明，可以使用內(nèi)部振蕩器，此時(shí)可以不用電容COSC（圖2）。電阻ROSC定義了幀速率：它的值越小，對(duì)應(yīng)的速率就越高。
圖2：用OM02傳感器實(shí)現(xiàn)圓盤旋轉(zhuǎn)測(cè)量。
將X1和X2輸出連接到XOR門可以使數(shù)據(jù)速率翻倍，不過(guò)會(huì)丟失方向信息。
物理實(shí)現(xiàn)
要想得到良好的表面圖案光學(xué)識(shí)別效果，檢測(cè)圓盤或其他表面必須具有一定的紋理、圖案、劃痕或刷面處理（圖3）。
圖3：旋轉(zhuǎn)檢測(cè)物理原理。
圖4所示結(jié)構(gòu)已被成功地運(yùn)用到組裝線、傳輸帶、標(biāo)簽張貼設(shè)備、移動(dòng)物體上打印等應(yīng)用中提供同步運(yùn)動(dòng)。生產(chǎn)的100多個(gè)產(chǎn)品在經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行后仍工作良好。
圖4：已被成功地運(yùn)用到生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)。
市場(chǎng)上還有其他一些傳感器IC，它們可以處理不同的光源，并且有不同的輸出、速度等指標(biāo)。比如PAN3101 CMOS光學(xué)鼠標(biāo)傳感器使用SPI，PAN101BCMOS光學(xué)導(dǎo)航傳感器同時(shí)具有SPI和正交輸出。
SPI接口的原理圖例子
采用SPI接口（或多使用一個(gè)IC的USB接口）的傳感器不允許單獨(dú)跟蹤每個(gè)脈沖，因?yàn)樗鼈儼l(fā)送的是數(shù)據(jù)包（圖5）。對(duì)于硬實(shí)時(shí)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，最好選用提供正交輸出的傳感器。
用無(wú)線電腦鼠標(biāo)搭建編碼器將是非常令人感興趣的事，而使用數(shù)顯卡尺中的傳感器也許令人更感興趣，因?yàn)槠渲械拇蠖鄶?shù)傳感器有I2C接口。
圖5：SPI接口的原理圖示例。
