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，以判斷物體移動的方向和大小，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(diǎn)。
HDNS2000的圖像拾取系統(tǒng)每秒鐘可以拾取1500張圖像，可以地測量30.48 cm/s（12 英寸/s）的運(yùn)動，解析度為400點(diǎn)每英寸。

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。

2.1 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向移動狀態(tài)，而YA、YB指示Y向移動狀態(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中檔的ATtiny系列也可以方便地與HDNS2000連接。

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的方向和距離。圖6(a)和(b)分別為負(fù)向移動和正向移動時(shí)狀態(tài)機(jī)輸出的波形。值得注意的是，每個(gè)狀態(tài)的少停留時(shí)間為133μs。

　　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，就可以判斷移動方向。比如在XA的上升沿時(shí)，若XB是低電平就是左移，若XB是高電平就是右移。這種方法需要單片機(jī)提供足夠多的外部中斷。若同時(shí)檢測X向與Y向運(yùn)動，且單片機(jī)1個(gè)引腳不能同時(shí)提供上升沿和下降沿中斷的情況下，就需要占用8個(gè)中斷、8條引腳；而目前許多單片機(jī)僅提供2個(gè)外部中斷引腳，這種要求顯然較為苛刻。

　　另一種方式就是降低要求，僅在XA與YA的上升沿進(jìn)行檢測，此時(shí)僅需要2個(gè)外部中斷引腳。但這種方式在一種極端條件下會出錯，讀者可以自行分析。若只檢測X一個(gè)方向，則可以同時(shí)檢測上下沿中斷，這樣不會出錯。這種方式犧牲了一點(diǎn)對運(yùn)動換向和震顫的敏感度；但編程簡單，不失為一種好方法。

　　本文采用的是查詢方式，這種方式不占用任何中斷，且能夠不損地同時(shí)檢測X向與Y向運(yùn)動。前面已經(jīng)提過，每個(gè)狀態(tài)的保持時(shí)間為133 μs，所以，只要將查詢的周期控制在60μs之下就可以抓住每個(gè)狀態(tài)的變化。對于AT90S8515，若按晶振為8 MHz計(jì)算，則只需將查詢周期匯編指令數(shù)控制在450條以下就可以了。實(shí)際上，以下給出的C語言程序經(jīng)過編譯后只有不大于60條匯編指令，完夠滿足系統(tǒng)要求。

　　該方法的基本思想是將狀態(tài)機(jī)的前一狀態(tài)與現(xiàn)在的狀態(tài)組合在同一字節(jié)內(nèi)，如表1所列，尋找其中的規(guī)律，簡化程序設(shè)計(jì)。表1中以PRE開頭的表示前一狀態(tài)的對應(yīng)值。

while(1){
state=PINA&0xcc;
state_change=state^pre_state;
combo_state=sate | (pre_state>>2);
if(state_change & 0x0c)
{
if((combo_state & 0x06) == 0x06)
{asm("INC R20");goto next;}
if((combo_state | 0x09) == 0x09)
{asm("INC R20");goto next;}
asm("DEC R20");
}
next:
if(state_change & 0xc0)
{
if((temp & 0x60) == 0x60)
{asm("INC R21");goto end;}
if((temp | 0x90) == 0x90)
{asm("INC R21");goto end;}
asm("DEC R21");
}
end:pre_state=state;}

　　程序已經(jīng)事先定義了寄存器R20與R21分別為X、Y向的計(jì)數(shù)器，用來表示X、Y向移動的距離。以上程序段利用內(nèi)嵌匯編語句優(yōu)化了程序結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，還可以對編譯器生成的匯編代碼進(jìn)行優(yōu)化，這里就不再詳述了。

結(jié) 語

　　以上軟硬件接口設(shè)計(jì)雖然是以功能強(qiáng)大的AVR單片機(jī)作為例子，但通過仔細(xì)分析不難發(fā)現(xiàn)，在簡單的應(yīng)用場合，用普通的51單片機(jī)，甚至如AT89C2051在12 MHz晶振頻率下也可以實(shí)現(xiàn)其功能。所以整個(gè)系統(tǒng)會是相當(dāng)廉價(jià)的。

　　安捷倫公司近在繼HDNS2000之后，又推出了升級芯片HDNS2051和適于無線應(yīng)用的芯片HDNS2030，除了更強(qiáng)的處理能力外，主要改進(jìn)還在于采用了單電源供電，提供了省電模式，去掉了不實(shí)用的PS/2接口，引入了同步串行口，允許用戶對分辨率進(jìn)行設(shè)置等。這些改進(jìn)極大地方便了用戶的使用，一方面擴(kuò)大了其光學(xué)感測芯片市場占有率，另一方面無疑也為機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)者提供了一種更強(qiáng)大、更方便、更廉價(jià)的運(yùn)動檢測方案。