第三章 光學影像式量測裝置設計與製作
3.1 裝置構造
圖 3.1(a)為三自由度光學影像式量測裝置，其構造分為主控制 器及感測器模組兩部分。圖3.1(b)為主要功能方塊圖。光學影像感 測器採用 Agilent 公司生產 ADNB-6012 套件[15, 16]。在商業上，
主要應用於雷射光學滑鼠。套件包含有雷射二極體，雷射光學聚焦 鏡，雷射光學影像感測器與相關組合固定小套件。雷射二極體發射 波長約850nm 紅外線雷射同調光源，相較傳統 LED 所射出的光束，
容易光源散發。雷射光源直接反射在表面的細節上，其追蹤能力遠 遠高出傳統LED 光學 20 倍。ADNS-6010[16]為雷射光學影像感測 IC，內含有光學影像感測器。其輸出/輸入介面採用四線式，標準 串 列 通 訊 SPI(Enhanced Serial Peripheral Interface) 介 面 ， 由 MISO(Master Input Slave Output) ， MOSI(Master Output Slave Input) ，SCK(Serial Clock)與 NSS(Slave Select)四條訊號線控制。
SCK 脈波控制訊號，可以用高達 24MHz 脈波訊號，高速讀取或寫 入 ADNS-6010 內部暫存器資料。主控器使用 C8051F321[17]單晶 片微控制器。晶片屬於 8051 系列微處理機，除一般 I/O 輸出與輸
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圖 3.1 光學影像式量測裝置方塊模組 (b) 訊號處理方塊圖
(a) 裝置模組
單晶片 8051F321
按鍵輸入
8.8.8.8.
光學感測器
ADN S -6010*2
顯示器
個人電腦
USB 介面
SPI 串列傳輸
介面
24MHz
主控器 位置感測器模組
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入埠外，內含有 SPI 硬體介面與 USB 介面。硬體 SPI 介面可以產 生24MHz 串列通訊脈波，快速讀取 ADNS-6010 光學感測器增量位 移。經內部運算，可以即時將三自由度物體位移資料即時顯示於七 段顯示器中，或經由 USB 介面，將光學感測器增量位移資料快速 回傳至個人電腦。
3.2 硬體電路
三自由度光學影像式量測裝置硬體電路分為主控制器及光學感 測器模組兩部份。圖3.2 為主控制器電路圖。主控制器上含有單晶片 C8051F321、七段顯示器、USB 介面、按鍵輸入系統、傳輸阜、程式 下載阜、電源重置鍵及電源供應系統。各單元元件功能說明如下：
1. 單晶片 C8051F321 微控制器：主控三自由度位置控制器作業流程，
可快速讀取 ADNS-6010 光學感測器增量位移，經由內部程式計 算，得到即時三自由度移動物體位移資料。並可同步透過內建 USB 串列傳輸介面，快速傳送光學感測器增量位移資料至個人電 腦。
2. 七段顯示器：將單晶片 C8051F321 計算所需感測器內部參數，與 三自由度物體位移，顯示於七段顯示器。
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傳輸阜
七段顯示器
按鍵輸入 系統
C8051F321 單晶片
程式下載阜 USB 介面
系統重置鍵
外部電源 輸入
DC9V 輸入 MC34063
保險絲
DC9V 輸出 電源指示
DC3.3V 電源供應系統 輸出
圖 3.2 主控制器電路架構
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3. USB 介面：將單晶片 C8051F321 快速讀取光學感測器增量位移 資料，回傳至個人電腦。
4. 按鍵輸入系統：透過按鍵輸入系統，可對三自由度位置檢測器進 行參數設定或移動物體位移資料顯示選擇。
5. 傳輸阜：除了從主控制器輸出 3.3V 電源及 24Mhz 時脈給位置感 測器模組，也負責作為主控制器與位置感測器模組之間的 SPI 匯 流排，完成單晶片 C8051F321 與光學影像感測器 ADNS-6010 內 部控制暫存器讀寫動作。
6. 程式下載阜：透過此連接阜與單晶片 C8051F321 之線上模擬器相 接連，除可線上直接燒錄程式(On-board Programming)外，亦可在 程式開發階段，執行Debug 功能。
7. 電源重置鍵：可將光學影像式量測裝置執行硬體重置。
8. 電源供應系統：透過 IC:MC34063 DCtoDC 轉換器，將外部直流 電源9V 轉換成 3.3V，提供主控制器及位置感測器模組使用。
9. 保險絲：電源輸入保護裝置，當電路不正常工作短路時，將外部 電源輸入斷路，以保護光學影像式量測裝置電路系統。
圖 3.3 為位置感測器模組電路架構圖。位置感測器模組包含有
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ADNS-6010 光學感測器、雷射二極體控制電晶體、雷射二極體及傳 輸阜。各部份元件說明如下：
1. ADNS-6010 光學感測器：包含影像擷取系統和一組數位訊號處理 器。影像擷取系統經由聚焦透鏡和雷射二極體光源系統取得極小 的表面移動影像，並藉由數位訊號處理器來定義運動的方位以及 距離，計算感測器運動增量位移。
2. 雷射二極體控制電晶體：雷射光有兩種操作模式可供選擇，分別 為 DC 模式及 Shutter 模式。雷射光是由單晶片微控制器寫入 ADNS-6010 光學感測器內部控制暫存器，由 ADNS-6010 光學感 測器控制電晶體開關雷射二極體。在 DC 模式，除了當 NPD 腳 位被啟動而處於斷電模式，其他任何時刻雷射都保持驅動狀態。
在shutter 模式下，雷射光則只在 frame 需要光源時才會被驅動。
3. 雷射二極體：當影像感測器移動時，雷射二極體向感測器底部射 出光線，光線接觸參考面而產生反射光，並透過聚焦透鏡反射至 影像處理器，被CMOS 感應晶片接收。
4. 傳輸阜：從主控制器提供 3.3V 電源及 24Mhz 時脈。藉由 SPI 介 面，主控制器可快速讀取，寫入光學影像感測器 ADNS-6010 內 部控制暫存器相關資料。
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傳輸阜
ADNS-6010
光學感測器 雷射二極體
雷射二極體 電源控制電晶體
圖 3.3 感測器模組電路架構
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3.3 硬體電路佈線
圖3.4為印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）電路佈線設計 流程。電路佈線使用Protel DXP軟體，進行印刷電路板佈線繪製。PCB 基本設計流程如下[18，19]：
1. 前置準備：包括準備元件庫和電路圖。元件庫可以利用Protel DXP 內建的元件庫，但內建元件庫只有比較通用的元件，因此我們需 額外根據我們的需求，建立我們所需的元件。
2. PCB結構設計：根據已經確定的電路板尺寸，在PCB 設計環境下 繪製PCB版面，並充分考慮和確定佈線區域和非佈線區域（如螺 絲孔周圍多大範圍屬於非佈線區域）。
3. PCB佈局：當前置作業準備完成，就可以利用電路圖與電路板同 步設計功能，將電路圖上所生成的網路表，導入電路板中。此時，
電路圖上之元件，將會轉成相對應的PCB元件，接下來把PCB元 件根據電路圖所需，將相關連的元件擺放一起，再經過整理，完 成初步PCB佈局。
一般佈局原則如下：
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前置準備
PCB 結構設計
PCB 佈局
佈線
佈線優化
網路、DRC 和結 構檢查
輸出和製版
建立元件庫
加入設計 Rule 根據佈局原則進行
根據佈線原則進行
電路圖與電路
送至專業PCB 製作
圖3.4 印刷電路板電路佈線設計流程
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A. 按電氣性能合理分區，一般分為：數位電路區(即怕干擾、又 產生干擾)、類比電路區(怕干擾)、功率驅動區（干擾源）。
B. 完成同一功能的電路，應儘量靠近放置，並調整各元件以保 證連線最為簡潔。
C. 發熱元件應與溫度敏感元件分開放置，必要時還應考慮散熱 措施。
D. I/O 驅動元件儘量靠近印刷板的邊緣，以方便從外部接入電源 線或傳輸線。
E. 震盪器要儘量靠近用到該震盪器的元件。
4. 佈線。佈線是整個 PCB 設計中最重要的程序。這將直接影響著 PCB 板的性能好壞。在此，應該根據以下原則進行佈線。
A. 一般情況下，首先應對電源線和地線進行佈線，以保證電路 板的電氣性能。在條件允許的範圍內，儘量加寬電源、地線 寬度，最好是地線比電源線寬，它們的關係是：地線＞電源 線＞信號線。
B. 震盪器的線要儘量短。
C. 信號線的過孔要儘量少。
D. 關鍵的線儘量短而粗。
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E. 關鍵信號應預留測試點，以維修檢測用。
5. 佈線優化和鋪銅：佈線完成後，應該檢視是否可以再加以改善的 地方。完成修改之後，接下來步驟為鋪銅（Polygon Plane）。鋪 銅一般鋪地線，此時要注意類比地和數位地的分離。
6. 網路、DRC(Design Rule Check)和結構檢查：在確定電路原理圖 設計無誤的前提下，對PCB 設計進行 DRC 檢查，並根據輸出檔 結果即時對設計進行修正，以保證PCB 佈線的電氣性能。
7. 輸出和製版：在此之前，最好還要有一個審核的過程。再將完成 的電路圖輸出，並送至專業PCB 製板廠洗製。
圖3.5 為光學影像式量測裝置硬體電路佈線完成圖。送專業 PCB 製板廠洗製完成之空白電路板如圖 3.6。接著焊上相對應的元件，經 由韌體程式功能測試，確認電路正常，即可完成電路板製作，如圖 3.7 所示。
3.4 操作功能
影像式量測裝置不與電腦連結時，量測裝置電源由外部提供
DC9V，並經轉換系統轉為DC3.3V。當三自由度影像式量測裝置使用53
圖3.5 自行設計之硬體電路佈線圖 (b) 主控制器佈線圖
(a) 感測器模組佈線圖
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圖3.6 洗製完成之空白硬體電路板 (a) 感測器模組
(b) 主控制器
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按鍵區
七段顯示器
程式下載阜
傳輸阜 USB 傳輸阜
DC9V 輸入
圖3.7 光學影像式量測裝置 (b) 主控制器
(a) 感測器模組 傳輸阜
光學影像 感測器A 光學影像
感測器B 雷射二極體
雷射二極體
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USB連接埠與電腦連結時，電源可由電腦USB串列傳輸提供DC5V輸 入，此時不需要輸入外部電源DC9V，可直接驅動影像式量測裝置。
三自由度光學影像式量測裝置的操作，可經由主控制器的按鍵輸 入，切換顯示狀態。光學影像式量測裝置可顯示狀態有位移模式、內 部參數設定模式、感測器暫存器參數模式等三種顯示模式。按鍵切換 顯示狀態的流程如圖3.8所示。
1. 位移模式：主控器擷取ADNS-6010光學感測器增量位移訊號經過 內部計算後，將物體三自由度位移資料，顯示於七段顯示器。光 學影像式量測裝置可選擇兩種模式來表示物體位移。
A. 位移模式，在此模式下所表示的是移動物體，在固定世界座 標系中，x軸方向、y軸方向或z軸旋轉方向位移。
B. 相對位移模式，此模式下分別顯示感測器#1或感測器#2在感 測器座標系中x軸方向與y軸方向的位移。
2. 內部參數設定模式：透過按鍵輸入，當光學影像式量測裝置進行 測試和校正時，不必透過電腦連結更新程式，即可改變內部參數。
光學影像式量測裝置內部參數設定說明如表 3.1 所示。可設定的 內部參數分別為光學影像式量測裝置原點 X 與檢測器原點 Y 初 始值、感測器#1 與感測器#2 的檢測點連線與固定世界座標系的
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夾角 θ、兩感測器之檢測點 P1與P2之距離 L、感測器的內部移動
夾角 θ、兩感測器之檢測點 P1與P2之距離 L、感測器的內部移動