HDNS2000光學感測芯片在運動檢測中的應用

摘要：安捷倫（Agilent）公司的HDNS2000芯片是一種高性能的運動檢測器件，在目前的光學鼠標中應用廣泛，其易用性和廉價性使其非常適合應用于中低精度的運動和位置檢測中。本文介紹HDNS2000的功能、特點，從硬件與軟件兩個方面討論HDNS2000與AVR單片機的接口設(shè)計。

在機電產(chǎn)品設(shè)計中，有時需要檢測物體間的相對運動，包括運動方向和運動距離。若采用機械式的結(jié)構(gòu)，比如機械鼠標中的滾輪和軌跡球，則會由于頻繁的機械運動而發(fā)生故障，導致精度下降甚至失效，維修起來也不方便。另外它需要兩個物體表面相接觸，靠相互間的摩擦進行工作，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，運用光學原理來測定運動。安捷倫公司的HDNS2000就是為此而設(shè)計的，雖然它的市場是針對光學鼠標，但也可以作為一種高性能而又廉價的器件運用于工業(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感測芯片，它的內(nèi)部包含三個基本模塊：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芯片的底部有一個感光眼，如同一個小型的攝像頭，不斷地對物體表面進行拍照，接著將前后兩次的圖像送入DSP中進行處理，以判斷物體移動的方向和大小，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，物體向左下方移動了一點。

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）的運動，解析度為400點每英寸。

1.2 引腳介紹

HDNS2000的主要引腳框圖如圖3所示。

PS2_C：PS/2接口的時鐘端。

MODE/XA：復用引腳，接高電平時表示選擇PS/2模式；否則，為XA輸出。

RB/XB：復用引腳，PS/2模式時為鼠標右鍵輸入；否則，為XA輸出。

MB/YB：復用引腳，PS/2模式時為鼠標中鍵輸入；否則，為YB輸出。

LB/YA：復用引腳，PS/2模式為鼠標左鍵輸入；否則，為YA輸出。

XY_LED：激光LED控制輸出，在物體長時間不移動時，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單片機接口設(shè)計

2.1 HDNS2000與AT90S8015接口

HDNS2000直接提供有PS/2接口，方便了PS/2鼠標的設(shè)計；但在機電控制中，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XA、XB指示X向移動狀態(tài)，而YA、YB指示Y向移動狀態(tài)。圖 4為HDNS2000與AVR單片機AT90S8515的接口原理圖。接口主要占用了4個引腳，其它兩個是可選的，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來主動控制HDNS2000的工作狀態(tài)。本文作者在設(shè)計時正是采用的這種方式。在進行系統(tǒng)設(shè)計時，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)機的工作過程

在HDNS2000內(nèi)部有兩個狀態(tài)機分別指示X、Y兩個方向，每個狀態(tài)機又有四個穩(wěn)定的狀態(tài)。圖5是狀態(tài)機的示意圖。由圖5可見，一開始系統(tǒng)處于狀態(tài)0，每當檢測到物體向正向或反向移動1個單位時就轉(zhuǎn)移到下一個狀態(tài)，所以只要連續(xù)監(jiān)測狀態(tài)機狀態(tài)的變化就可以判斷物體移動的方向和距離。圖6(a)和(b)分別為負向移動和正向移動時狀態(tài)機輸出的波形。值得注意的是，每個狀態(tài)的最少停留時間為133μs。

2.3 接口軟件設(shè)計

由狀態(tài)機輸出波形圖可以看出，有一種很簡單自然的接口設(shè)計方法，就是將狀態(tài)輸出引腳接到單片機的外部中斷引腳上，使其在每個波形的上下邊沿都產(chǎn)生中斷，再在中斷處理程序中，檢測另一對應波形的電平高低，就可以判斷移動方向。

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