基于LabVIEW的鼠標位移測量技術(shù)研究

0 引言

位移傳感器把外界物體的位移信號轉(zhuǎn)化為電學量，從而實現(xiàn)對位移量的檢測，在實際工程應(yīng)用中有著非常重要的作用，其好壞往往影響著整個系統(tǒng)的性能。位移檢測技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展已經(jīng)相當成熟，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)實意義。鑒于此，本文提出了通過LabVIEW 編程實現(xiàn)精確度高、線性度好、測量范圍大、無需其余硬件設(shè)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(xiàn)方法

1.1 鼠標的工作原理與驅(qū)動程序

鼠標(mouse) 在現(xiàn)代個人電腦( PC)中被廣泛應(yīng)用，特別是圖形用戶界面(GUI)的流行，鼠標已經(jīng)不可或缺。大規(guī)模的生產(chǎn)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(jīng)過數(shù)十年的技術(shù)發(fā)展，尤其是光電鼠標與激光鼠標的出現(xiàn)，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(yōu)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(shè)備，各種操作系統(tǒng)自帶的鼠標驅(qū)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(tǒng)縱橫位置指示器。光電鼠和機械鼠的最大區(qū)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(zhuǎn)換為電脈沖信號，然后通過芯片將信號處理為數(shù)據(jù)包傳遞給PC 機。目前利用鼠標實現(xiàn)位移測量的方法主要是利用單片機實現(xiàn)信號處理，實現(xiàn)位移檢測功能，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(shè)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(tǒng)與顯示坐標系統(tǒng)的關(guān)系

鼠標坐標系統(tǒng)( 即實際位移) 與顯示坐標系統(tǒng)通過映射來完成對應(yīng)關(guān)系，二者坐標均使用平面直角坐標系。鼠標坐標系統(tǒng)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(tǒng)中基本單位為米基。顯示坐標系統(tǒng)同顯示器的實際分辨率及工作方式有關(guān)。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(tǒng)中的控制面板設(shè)置。因此無須改變鼠標底層的硬件驅(qū)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(xiàn)方法

通過庫函數(shù)節(jié)點( CLF) 來訪問動態(tài)鏈接庫( DLL) 的方法，直接調(diào)用WINDOWS API 函數(shù)與LabVIEW 自行編制的庫函數(shù)，使得LabVIEW 對鼠標的通信得到大大的增強，同時也為操作系統(tǒng)底層函數(shù)支持LabVIEW 提供了便捷，節(jié)省了內(nèi)存空間。與鼠標相關(guān)的動態(tài)鏈接庫函數(shù)如表1 所示，二者庫函數(shù)有部分相同的功能。

表1 鼠標驅(qū)動程序接口函數(shù)

通過調(diào)用以上函數(shù)實現(xiàn)鼠標的位移測量。具體方法為： 在顯示坐標系內(nèi)，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(xiàn)的重點是消除操作系統(tǒng)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(shù)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(shù)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(shè)置顯示坐標為M×N = 500 × 300 的指針工作區(qū)域，并設(shè)置初始坐標在工作區(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，條件語句判斷當指針到達右邊界( 499， Yi ) 時，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。