0 引言
位移傳感器把外界物體的位移信號轉化為電學量，從而實現對位移量的檢測，在實際工程應用中有著非常重要的作用，其好壞往往影響著整個系統的性能。位移檢測技術經過多年發展已經相當成熟，各種位移傳感器紛紛出現，但低成本的位移傳感器結構簡單，精確度不高，線性度低，而高成本的位移傳感器雖然性能優異，但制作工藝難度大，難以普及。所以開發一款低成本、高性能的位移傳感器具有很高的現實意義。鑒于此，本文提出了通過LabVIEW 編程實現精確度高、線性度好、測量范圍大、無需其余硬件設備的鼠標位移測量方法。
1 鼠標的工作原理及位移測量的實現方法
1.1 鼠標的工作原理與驅動程序
鼠標(mouse) 在現代個人電腦( PC)中被廣泛應用，特別是圖形用戶界面(GUI)的流行，鼠標已經不可或缺。大規模的生產使鼠標的價格很低，通過利用鼠標來測位移也使成本趨于合理。經過數十年的技術發展，尤其是光電鼠標與激光鼠標的出現，其精度得到極大提高。利用鼠標進行位移測定，具有高精度、低成本的優點。鼠標雖然實際上是位移傳感器，但其是為PC 機配備的外部輸入設備，各種操作系統自帶的鼠標驅動程序只是為了提供圖形用戶界面操作，無法滿足普遍的位移測量要求。
鼠標全稱顯示系統縱橫位置指示器。光電鼠和機械鼠的最大區別是對軌跡的檢測方法，但其工作原理基本相同： 通過光柵信號傳感器或光電傳感器將位移轉換為電脈沖信號，然后通過芯片將信號處理為數據包傳遞給PC 機。目前利用鼠標實現位移測量的方法主要是利用單片機實現信號處理，實現位移檢測功能，但此方法穩定性差，噪聲較大，需要額外硬件系統，性價比低。在操作系統已經盡可能挖掘了底層硬件數據通信能力的情況下，重新對底層硬件通信浪費資源。實際上，鼠標提供GUI 操作，通過鼠標移動控制顯示設備上鼠標指針的像素移動。反之，可以利用指針運動的位移來確定實際鼠標的位移。
1.2 鼠標坐標系統與顯示坐標系統的關系
鼠標坐標系統( 即實際位移) 與顯示坐標系統通過映射來完成對應關系，二者坐標均使用平面直角坐標系。鼠標坐標系統在平面上任意取一點作為原點，以相對原點的偏移量計算目標點的坐標值，然后以相對該目標點的偏移量計算下一新目標點的坐標值，以此類推。鼠標坐標系統中基本單位為米基。顯示坐標系統同顯示器的實際分辨率及工作方式有關。使用平面直角坐標系，原點在屏幕的左上方，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行衡量。例如，1024×768 分辨率時，顯示坐標的橫向和縱向坐標范圍為0~ 1023，0~ 767。
鼠標坐標系到顯示坐標系完成三個方面的映射：(1) 原點映射：( x 0 ， y 0 ) = ( X 0， Y0 ) ， 其中X 0 ， Y0 ( 為屏幕原點坐標)值可任意給定：( 2) 目標點映射：( 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 影響鼠標靈敏度，μ 值決定著指針的移動速度，可以在PC 機w indow s 操作系統中的控制面板設置。因此無須改變鼠標底層的硬件驅動，實際鼠標的位移可以通過象素坐標來確定。但實際的顯示坐標均有邊界限制，不能滿足大范圍的位移測量。通過LabVIEW編程消除顯示坐標系象素X i 與Yi 的上下界限制，通過測量指針移動的象素來精確檢測鼠標的位移量。
1. 3 位移測量的LabVIEW 實現方法
通過庫函數節點( CLF) 來訪問動態鏈接庫( DLL) 的方法，直接調用WINDOWS API 函數與LabVIEW 自行編制的庫函數，使得LabVIEW 對鼠標的通信得到大大的增強，同時也為操作系統底層函數支持LabVIEW 提供了便捷，節省了內存空間。與鼠標相關的動態鏈接庫函數如表1 所示，二者庫函數有部分相同的功能。
表1 鼠標驅動程序接口函數
通過調用以上函數實現鼠標的位移測量。具體方法為： 在顯示坐標系內，坐標范圍分成M × N 象素。位移的X 、Y 分量二者互不影響，編程時可以分別處理。方法實現的重點是消除操作系統固有的顯示坐標系象素X i 與Yi 的上下界限制。首先要判斷鼠標的運動方向，若鼠標向左移動，則其必然到達坐標系右邊界。這時通過函數使象素X i 置零，Yi 不變，同時記錄一次其過邊界。通過顯示坐標( X i ， Yi ) 與初始坐標( X 0 ，Y0 ) 之差與過邊界次數即可求出在顯示坐標中鼠標指針的位移。其他運動方向的位移同理可以得到。最后通過比例因子μ將顯示坐標映射到鼠標坐標系中，即可求出實際位移( x i ，yi ) 。詳細的程序流程圖如圖1 所示。
圖1 鼠標位移測量程序流程圖
LabVIEW 具有代碼直觀、層次清晰的圖形化編程特點。在前面板上設置顯示坐標為M×N = 500 × 300 的指針工作區域，并設置初始坐標在工作區的中心( 250， 150) .X 方向右位移消除邊界的部分程序框圖如圖2 所示，條件語句判斷當指針到達右邊界( 499， Yi ) 時，下一次循環將其設為( 0， Yi ) ，并將以后的位移增加1 倍M.循環體內使用了移位寄存器。
圖2 部分消除邊界的LabVIEW 程序框圖
2 檢測實驗與性能分析
檢測實驗采用USB 接口的dell 三鍵光電有線鼠標，最高分辨率400dpi.分別測試了鼠標在指針最小與最大移動速度( 控制面板中設置) 中以4mm/ s 與20mm/ s 的速度進行位移測量性能。采用步進電機與控制器對其進行位移標定，位移精確度為0.01mm.得到如圖3 所示位移圖像。
由于步進電機顯示位移與鼠標實際檢測的位移具有統計關系而且是線性的，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 個觀測值，A 、B 為參數，A + B ×X i 為反映統計關系直線的分量，εi 為反映在統計關系直線周圍散布的隨機分量，εi ~ N( 0， δ 2 ) ， 服從正態分布。根據最小二乘法：
相關系數越接近1， 則二者越正相關。圖3 直線擬合的結果如表2.
表2 線性擬合結果
圖3 步進電機標定實驗及線性擬合
由表可知，不同條件下兩種方法測定的位移相關系數均接近于1， 即實驗鼠標位移測定與步進電機標定位移接近相等；截距A 可以忽略不計，即鼠標位移測量沒有系統誤差； 斜率B 的標準差均小于0.3%， 即實驗鼠標隨機誤差小。以上充分說明實驗鼠標在低速的位移測量具有精度高、線性度好、誤差小等優點。
為測試低速條件下鼠標位移測量性能與速度的關系，用相同的標定方法測試了不同速度鼠標位移的性能。由圖4 可知總體來看，鼠標移動速度越大，斜率誤差與總擬合標準差越大，測量位移性能降低，但在20mm/ s 速度以內仍滿足位移測定的一般需求�？梢灶A見隨速度的增大，誤差將逐漸變大。此鼠標位移測定方法適宜于低速情況。
圖4 不同速度位移測定的誤差
3 總結
本文通過對鼠標原理的分析，提出了利用顯示坐標系統與鼠標坐標系統的映射關系測量實際位移的方法。通過Lab-VIEW 編程調用庫函數節點( CLF) 實現了對顯示坐標系統的邊界消除，從而實現了不受量程限制的位移測定。利用步進電機對實際的位移測量性能進行了研究，結果顯示此方法達到了精確位移測量的要求，可以提供精確度0.1mm 的位移測量，具有線性度好，精確度高，誤差小的優點。同時研究顯示該位移測量系統在低速的位移測量中具有更佳的性能。采用高層軟件設計的方法，使鼠標位移測量不受鼠標接口、鼠標型號的限制，具有高性價比與強適用性的特征。此鼠標位移檢測方法集成到基于LabVIEW 的漏磁檢測系統中，取得了良好的效果。
