Результат интеллектуальной деятельности: КОДОВАЯ ШКАЛА

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к аналого-цифровому преобразованию, а именно к кодовым шкалам преобразователей угловых перемещений в код.

В настоящее время и в перспективе одной из актуальных и технически сложных задач является цифровое измерение угловых перемещений подвижных органов многочисленных систем автоматического управления различными объектами. Эту функцию выполняют цифровые преобразователи угла (ЦПУ).

Развитие ЦПУ - поставщиков первичной информации в значительной степени обусловлено повсеместным использованием управляющих ЭВМ и различных вычислительных устройств на основе микропроцессорных и других БИС и СБИС.

В целом к этому классу изделий, отличающемуся большим разнообразием, предъявляется совокупность самых различных и, как правило, высоких технических требований.

Анализ литературных источников позволяет отметить у преобразователей с непосредственным преобразованием перемещения в код, основанных на считывании с использованием пространственного кодирования, следующие достоинства: возможность использования различных физических методов считывания информации, высокое быстродействие, для преобразователей углового перемещения высокая скорость вращения кодируемого вала (600…1000 об/мин), высокая разрешающая способность (до 20 дв. раз.), устойчивость к воздействию внешних дестабилизирующих факторов, возможность удовлетворения различным условиям применения, возможность функционального преобразования перемещения в код и др. Основным элементом таких преобразователей, определяющим их наиболее важные характеристики, является кодовая шкала (КШ).

Элементарный участок (квант) кодовой дорожки (КД) шкалы представляется, как правило, одним двоичным символом, где единичным символам соответствуют активные участки шкалы, а нулевым - пассивные.

Учитывая, что ЦПУ, построенные по методу считывания, могут быть реализованы на различных физических способах считывания информации, под активными и пассивными элементарными участками КД шкалы будем понимать соответственно токопроводящие и нетокопроводящие участки шкалы при контактном методе съема информации, прозрачные и непрозрачные участки шкалы при фотоэлектрическом методе съема информации, наличие металлической обкладки и изоляции на участках шкалы при емкостном методе съема информации, наличие и отсутствие магнитного материала на участках шкалы при электромагнитном методе съема информации и т.д.

Известно, что фотоэлектрический метод считывания информации обеспечивает наивысшую разрешающую способность преобразования, большое быстродействие, дает возможность реализовать в ЦПУ многие высокие эксплуатационные характеристики и надежность, см. книгу: Домрачев В.Г., Мейко Б.С. Цифровые преобразователи угла: принципы построения, теория точности, методы контроля. - М.: Энергоатомиздат, 1984. 328 с. - [1], раздел 1.2, стр. 8…30, табл. 2.1.

Современные малогабаритные высокоразрядные фотоэлектрические ЦПУ (ФЦПУ) содержат подвижный растр (кодовую шкалу с регулярным рисунком кодовых дорожек) и систему считывания, состоящую из излучающей (передающей) и приемной частей. Излучающая система содержит источник излучения, а приемная - неподвижный растр и считывающие элементы (СЭ) - фотоприемники (ФП). Растры представляют собой диски из оптически прозрачного материала, расположенные соосно и параллельно, на обращенных друг к другу поверхностях которых методом фотолитографии нанесены маски с соответствующим рисунком КШ.

В настоящее время технологические комплексы для формирования рисунка КД позволяют создавать линейные размеры щелей в единицы микрометров с погрешностью в десятые доли микрометров. Для считывания информации с КД ширина щели χ неподвижного растра должна обеспечивать прохождение достаточной мощности излучения. Поэтому на младших дорожках, где ширины считывающих щелей недостаточно, обычно в пределах размеров чувствительной площадки ФП формируют группу щелей с шагом, равным периоду подвижного растра. Для этого линейная величина периода растра должна быть меньше размера ФП. В этом случае при оценке энергии, проходящей через такую группу, удобно пользоваться понятием эквивалентной щели, ширина которой при известном количестве щелей группы k составит kχ. Известно, что при проектировании КШ ФЦПУ для формирования надежного сигнала с ФП нужно обеспечивать ширину эквивалентной щели не менее 60 мкм, а ширину одной градации - не менее 4 мкм, при высоте 400 мкм.

Известны кодовые шкалы, используемые в шкально-матричных ЦПУ [1]. Такие КШ в отличие от классического варианта шкальных ЦПУ с числом кодовых дорожек, примерно равным разрядности n ЦПУ, содержат лишь несколько КД. При этом каждая КД имеет рисунок, соответствующий не одному разряду, а нескольким разрядам, каждый из которых соответствует ее определенному участку.

Недостатком кодовых шкал, используемых в шкально-матричных ЦПУ, является нерегулярность рисунка младших КД, что накладывает ограничения на габариты и массу КШ, ухудшая их технологичность. Особенно этот недостаток проявляется в ФЦПУ.

Таким образом, КШ с любым нерегулярным рисунком КД, в отличие от регулярных, не позволяют создавать группы щелей в пределах одного СЭ в целях увеличения площади засветки ФП. Это накладывает существенное ограничение на минимальное значение ширины щели неподвижного растра, а значит, на габариты и массу КШ и, как следствие, на массогабаритные показатели ЦПУ в целом.

Известны также кодовые шкалы для ЦПУ, маска которой выполнена в обычном двоичном коде [1], стр. 31…43, а также по книге: Фотоэлектрические преобразователи информации / Л.Н. Преснухин, С.А. Майоров, И.В. Меськин, В.Ф. Шаньгин. Под ред. Л.Н. Преснухина. - М.: Машиностроение, 1974. 375 с. - [2], стр. 25…39, рис. 7 и 8. Такая КШ имеет регулярный рисунок всех КД и может быть реализована практически с использованием всех известных физических способов считывания информации. Особенно преимущества кодовой шкалы, маска которой выполнена в обычном двоичном коде, проявляются при использовании ее в составе ФЦПУ.

Недостатком КШ, маска которой выполнена в обычном двоичном коде, является то, что в классическом варианте построения таких шкал число кодовых дорожек равно ее разрядности. Поэтому масса и габариты КШ в основном определяются диаметром шкалы и с увеличением разрядности также возрастают. При этом, как следствие, ухудшается технологичность такой шкалы. Еще одним недостатком таких шкал является неоднозначность считывания со шкал кодовых комбинаций. Для устранения второго недостатка в КШ, маска которой выполнена в обычном двоичном коде, используются на практике два метода: метод «двойной щетки» и метод V-считывания. Оба эти метода требуют использования 2n-1 считывающих элементов, где n - разрядность шкалы.

Известна также кодовая шкала для ЦПУ, содержащая m информационных кодовых дорожек и n=2m считывающих элементов по патенту RU 2490790 от 20.08.2013, МПК Н03М 1/24, авторы: Ожиганов А.А., Прибыткин П.А., Павлов В.В., Шубарев В.А. - [3]. Такая шкала позволяет повысить технологичность КШ, маска которой выполнена в обычном двоичном коде, за счет двукратного уменьшения ее габаритов и, как следствие, уменьшения массы шкалы. При этом в КШ, содержащей m информационных кодовых дорожек и n=2m считывающих элементов, сохраняются все преимущества, присущие исключительно кодовым шкалам с регулярным рисунком кодовых дорожек.

Однако КШ, рассмотренная в [3], имеет два недостатка.

Во-первых, шкала не универсальна при использовании. Информация с нее снимается в виде не обычного (псевдоциклического) двоичного кода, тогда как большинство устройств систем управления и вычислительной техники, в составе которых предполагается использование КШ, осуществляют обработку информации в обычном (позиционном) двоичном коде.

Вторым недостатками такой шкалы являются неоднозначность считывания со шкалы кодовых комбинаций.

Наиболее близким по техническому решению и выбранному авторами за прототип является кодовая шкала для ЦПУ по патенту RU 2497275 от 27.10.2013, МПК Н03М 1/24, авторы: Ожиганов А.А., Прибыткин П.А., Канышева О.П., Павлов В.В., Шубарев В.А. - [4], содержащая m информационных кодовых дорожек и n=2m считывающих элементов, все информационные кодовые дорожки выполнены в соответствии с символами двоичной последовательности 0011 длиной 4, причем i-я информационная кодовая дорожка (i=1, 2, …, m) выполнена в соответствии с символами N=4^(i-1) периодов двоичной последовательности, вдоль каждой из информационных кодовых дорожек размещены по два считывающих элемента с угловым шагом, кратным δ_i=360°/4ⁱ, за исключением кратности 4δ_i, где δ_i - величина кванта i-ой информационной кодовой дорожки, a δ_m - одновременно величина кванта кодовой шкалы, m двухвходовых сумматоров по модулю два, выходы первых m считывающих элементов, размещенных на m информационных кодовых дорожках, соединены соответственно с первыми входами m двухвходовых сумматоров по модулю два, вторые входы которых соединены соответственно с выходами вторых m считывающих элементов, выходы m первых считывающих элементов и выходы m двухвходовых сумматоров по модулю два в сумме определяют выходную разрядность кодовой шкалы.

Достоинством прототипа является то, что он позволяет обеспечить универсальность применения кодовой шкалы в составе устройств систем управления и вычислительной техники, осуществляющих обработку информации в обычном двоичном коде.

Недостатком прототипа является неоднозначность считывания со шкалы кодовых комбинаций.

Неоднозначность считывания информации с КШ, рассмотренной в [4], вызвана тем, что считывание информации с такой шкалы может происходить с ошибками. Это объясняется тем, что шкалы изготавливаются с определенными погрешностями, а считывающие элементы устанавливаются в пределах некоторого допуска. Наличие погрешностей приводит к тому, что при переходе от одного кванта шкалы к другому, т.е. при переходе от одного кода числа к соседнему, считывающие элементы различных разрядов зафиксируют это не одновременно. Неодновременность считывания на границах квантов приводит к ошибкам неоднозначности, которые могут достичь в некоторых случаях значительной величины.

В предлагаемом изобретении решается задача устранения неоднозначности считывания информации с КШ прототипа.

Для достижения технического результата (сущность изобретения) кодовая шкала, содержащая m информационных кодовых дорожек, выполненных в соответствии с символами двоичной последовательности 0011 длиной 4, причем i-я информационная кодовая дорожка (i=1, 2, …, m) выполнена в соответствии с символами N=4^(i-1) периодов двоичной последовательности, n=2m считывающих элементов и m двухвходовых сумматоров по модулю два, выходы первого и второго считывающих элементов, размещенных вдоль m-й информационной кодовой дорожки, соединены соответственно с первым и вторым входом m-го двухвходового сумматора по модулю два, причем выход m-го двухвходового сумматора по модулю два и выход первого считывающего элемента, размещенного на m-й информационной кодовой дорожке, являются соответственно n-м и (n-1)-м выходами кодовой шкалы, при этом кодовая шкала снабжена (m-1) дополнительными считывающими элементами, (m-1) ПЗУ на пять входов и два выхода, вдоль m-й информационной кодовой дорожки размещены два считывающих элемента с угловым шагом, (1+4k)δ_m, при k=0, 1, 2, 3, …, (4^m-1-1), где δ_m=360^°/4^m - величина кванта m-й информационной кодовой дорожки и одновременно величина кванта кодовой шкалы, причем первый считывающий элемент m-й информационной кодовой дорожки размещен точно в начало отсчета кодовой шкалы, вдоль i-й информационной кодовой дорожки размещены три считывающих элемента с угловым шагом (3δ_m)4^m-i-1, где i=m-1, m-2, …, 2, 1, причем первый считывающий элемент (m-1)-й информационной кодовой дорожки размещен со смещением относительно начала отсчета кодовой шкалы на величину Δ_m-1=0,5δ_m по ходу часовой стрелки, а первые считывающие элементы i-x информационных кодовых дорожек размещены со смещением относительно начала отсчета кодовой шкалы на величину Δ_i=Δ_i+1+δ_m4^m-i-2, для i=m-2, …, 2, 1, по ходу часовой стрелки, выходы первого, второго и третьего считывающих элементов, размещенных вдоль i-й информационной кодовой дорожки, где i=m-1, m-2, …, 2, 1, соединены соответственно с третьим, четвертым и пятым входами i-го ПЗУ, где i=m-1, m-2, …, 2, 1, выходы первого и второго считывающих элементов, размещенных вдоль m-й информационной кодовой дорожки, соединены соответственно с первым и вторым входами (m-1)-го ПЗУ, первый и второй выходы i-го ПЗУ, где i=m-1, m-2, …, 2, соединены соответственно с первым и вторым входами i-го ПЗУ, где i=m-2, …, 2, 1, а также соединены соответственно с первым и вторым входами i-го двухвходового сумматора по модулю два, где i=m-1, m-2, …, 2, первый и второй выходы первого ПЗУ соединены соответственно с первым и вторым входами первого двухвходового сумматора по модулю два, выходы всех двухвходовых сумматоров по модулю два, первые выходы всех ПЗУ, а также выход первого считывающего элемента, размещенного вдоль m-й информационной кодовой дорожки, являются выходами кодовой шкалы и в сумме определяют ее выходную разрядность n.

Новым в предлагаемом изобретении является:

- снабжение кодовой шкалы (m-1) дополнительными считывающими элементами, (m-1) ПЗУ на пять входов и два выхода;

- размещение вдоль m-й информационной КД двух считывающих элементов с угловым шагом, (1+4k)δ_m, при k=0, 1, 2, 3, …, (4^m-1-1);

- размещение первого считывающего элемента m-й информационной КД точно в начало отсчета кодовой шкалы;

- размещение вдоль i-й информационной КД трех считывающих элементов с угловым шагом (3δ_m)4^m-i-1, где i=m-1, m-2, …, 2, 1;

- размещение первого считывающего элемента (m-1)-й информационной КД со смещением относительно начала отсчета кодовой шкалы на величину Δ_m-1=0,5δ_m по ходу часовой стрелки;

- размещение первых СЭ i-x информационных КД со смещением относительно начала отсчета кодовой шкалы на величину Δ_i=Δ_i+1+δ_m4^m-i-2, для i=m-2, …, 2, 1, по ходу часовой стрелки;

- организация соответствующих связей между всеми элементами кодовой шкалы.

Совокупность существенных признаков в предлагаемом изобретении позволила получить технический результат, а именно: обеспечить универсальность применения кодовой шкалы в составе устройств систем управления и вычислительной техники, осуществляющих обработку информации в обычном двоичном коде, а также устранить неоднозначность считывания со шкалы кодовых комбинаций.

Изобретение является новым, так как из уровня техники по доступным источникам информации не выявлено аналогов с подобной совокупностью признаков.

Изобретение является промышленно применимым, так как может быть использовано во всех областях, где требуется высокоточное позиционное определение углового положения объекта с использованием ЦПУ на основе заявляемых кодовых шкал. Особенно перспективным представляется применение заявляемых кодовых шкал в ФЦПУ.

Предлагаемое изобретение поясняется фигурами, где на фиг. 1 показана линейная развертка шестиразрядной кодовой шкалы, а на фиг. 2 - эпюры напряжений, снимаемые со считывающих элементов в диапазоне от нуля до 360^° с дискретизацией 0,5δ₃. На фиг. 3 - фотоэлектрический цифровой преобразователь угла с заявляемой кодовой шкалой (изделие ОАО «Авангард» ПФ-ДЭ-16-50). На фиг. 4 - изделие по фиг. 3 в разобранном виде. На фиг. 5 - кодовый диск с нанесенным рисунком растра (подвижный растр).

Заявляемая кодовая шкала содержит первую информационную кодовую дорожку (КД) - (1), вторую информационную КД (2), третью информационную КД (3), считывающие элементы (4)…(11), два ПЗУ на пять входов и два выхода (12), (13), три двухвходовых сумматора по модулю два (14)…(16). На фиг. 3…5 обозначены (17) - корпус фотоэлектрического цифрового преобразователя угла с заявляемой кодовой шкалой; (18) - вал вращения подвижного растра; (19) - диафрагма с нанесенным рисунком растра (неподвижный растр); (20) - оправа (фиксатор) фотоприемников; (21) - электронная плата с фотоприемниками; (22) - кодовый диск с нанесенным рисунком растра (подвижный растр).

Поясним вариант построения кодовой шкалы, приведенной на фиг. 1, для m=3 и δ₃=360^°/4³=360^°/64=5,625^°, Δ₂=0,5δ₃. За начало отсчета шкалы принята нулевая кодовая комбинация. Пассивные участки шкалы (нули последовательности) оставлены на чертеже белыми, а активные (единицы последовательности) - зачернены.

В примере информационная КД (1) шкалы построена в соответствии с символами двоичной последовательности 0011 длиной 4. Последовательность должна быть нанесена на шкалу в виде пассивных (нули последовательности) и активных (единицы последовательности) участков (квантов) информационной КД (1), например, по ходу часовой стрелки, причем на информационную КД (1) шкалы наносится только один период последовательности. В примере размещение СЭ (4), (5) и (6) вдоль информационной КД (1) осуществляется с шагом, равным величине двенадцати квантов кодовой шкалы δ₃ по ходу часовой стрелки, причем первый СЭ элемент размещен со смещением относительно начала отсчета кодовой шкалы на величину Δ₁=Δ₂+δ₃=1,5δ₃=1,5×5,625^°=8,4375^° по ходу часовой стрелки.

На фиг. 1 вторая информационная КД (2) шкалы построена в соответствии с символами той же двоичной последовательности, что и первая. При этом, последовательность должна быть нанесена на КШ в виде пассивных (нули последовательности) и активных (единицы последовательности) участков (квантов) информационной КД (2), например, по ходу часовой стрелки, причем на информационную КД (2) шкалы наносятся N=4 периода последовательности. В примере размещение СЭ (7), (8) и (9) вдоль информационной КД (2) осуществляется с шагом, равным величине трех квантов кодовой шкалы δ₃ по ходу часовой стрелки, причем первый СЭ размещен со смещением относительно начала отсчета кодовой шкалы на величину Δ₂=0,5δ₃=2,8125^° по ходу часовой стрелки.

На фиг. 1 третья информационная КД (3) шкалы построена в соответствии с символами той же двоичной последовательности, что первая и вторая. При этом, последовательность должна быть нанесена на КШ в виде пассивных (нули последовательности) и активных (единицы последовательности) участков (квантов) информационной КД (3), например, по ходу часовой стрелки, причем на информационную КД (3) шкалы наносятся N=16 периодов последовательности. В примере размещение СЭ (10) и (11) вдоль информационной КД (3) осуществляется с шагом, равным величине одного кванта кодовой шкалы δ₃ по ходу часовой стрелки, причем первый СЭ размещен без смещения точно в начало отсчета кодовой шкалы.

В нашем примере суммарная выходная разрядность кодовой шкалы, обеспечиваемая первой (1), второй (2) и третьей (3) информационными КД при рассмотренном выше размещении СЭ, будет равна 6.

Фиксируя СЭ (4)…(11) последовательно кодовую комбинацию, при перемещении КШ циклически на 0,5δ₃=2,8125^°, например, против хода часовой стрелки, получаем 128 восьмиразрядных однопеременных (однопеременные коды, у которых две смежные кодовые комбинации отличаются только одним изменением в каком-либо разряде; в нашем случае некоторые соседние кодовые комбинации совпадают) кодовых комбинаций, которые соответствуют угловым положениям шкалы в диапазоне от 0^° до 360^°. Эти кодовые комбинации приведены в табл.1 (см. также фиг. 2). В последнем столбце табл.1 приведен необходимый десятичный эквивалент выходного кода.

Анализ табл. 1 показывает, что в предлагаемом изобретении задачу устранения неоднозначности считывания информации с КШ удалось решить посредством формирования со шкалы однопеременного кода. В свою очередь, однопеременность кода была достигнута за счет снабжения КШ двумя дополнительными СЭ и соответствующим размещением на шкале всех восьми СЭ. Отметим, что при классическом методе устранения неоднозначности считывания информации с рассматриваемой КШ (в частности, метода двойной щетки), пришлось бы использовать 10 СЭ. Следовательно, поставленная задача устранения неоднозначности считывания информации с КШ в предлагаемом изобретении решена за счет использования меньшего числа дополнительных СЭ - 8 против 10.

В табл. 2 приведены результаты сравнения методов устранения неоднозначности считывания информации с КШ (классического метода «двойной щетки» и метода, примененного в данном изобретении) по числу необходимых СЭ при различной разрядности шкалы.

Анализ табл. 2 показывает, что в предлагаемом изобретении задачу устранения неоднозначности считывания информации с КШ удается решить с использованием меньшего числа СЭ, по сравнению с использованием метода «двойной щетки». Причем выигрыш по числу необходимых СЭ становится более значительным с увеличением разрядности КШ.

Однако реальная разрядность рассматриваемых в данном изобретении КШ n=2m, т.е. для нашего примера при m=3 n=6. Для приведения восьмиразрядного однопеременного кода, полученного со СЭ, в изобретении используются два ПЗУ на пять входов и два выхода, в нашем примере (12) и (13).

В табл. 3 приведены коды на пяти входах и двух выходах ПЗУ 12 и 13.

В предлагаемом изобретении с КД (3) посредством считывающих элементов (10) и (11), а также с выходов ПЗУ (12) и (13) формируются кодовые комбинации вида 00, 01, 11 и 10, представляющие собой двухразрядный циклический код (код Грея). При полном перемещении КШ получаем 64 различных шестиразрядных кодовых комбинаций, которые соответствуют 64 угловым положениям шкалы. Эти кодовые комбинации приведены в табл.4.

Анализ табл. 4 показывает, что все 64 шестиразрядные кодовые комбинации, получаемые с КШ, различны, но представляют собой не обычный (псевдоциклический) двоичный код. Это обстоятельство не позволяет без дополнительного преобразования использовать такой код с КШ в устройствах систем управления и вычислительной техники, осуществляющих обработку информации в обычном двоичном коде.

С целью обеспечения универсальности применения КШ (как и в прототипе) в составе устройств систем управления и вычислительной техники, осуществляющих обработку информации в обычном двоичном коде, в КШ использованы m=3 двухвходовых сумматора по модулю два. Таблица истинности двухвходового сумматора по модулю два и его функциональная схема приведены ниже.

На вход третьего (14) сумматора по модулю два поступают сигналы с (10) и (11) СЭ, на вход второго (15) сумматора по модулю два поступают сигналы с выходов ПЗУ (12), на вход первого (16) сумматора по модулю два поступают сигналы с выходов ПЗУ (13). На выходе СЭ (10), на первых выходах ПЗУ и на выходах двухвходовых сумматоров по модулю два (14)…(16), формируется обычный шестиразрядный двоичный код. Причем с первого выхода ПЗУ (13) формируется первый (старший) разряд кода, с сумматора (16) - второй разряд кода, с первого выхода ПЗУ (12) формируется третий разряд кода, с сумматора (15) - четвертый разряд кода, со СЭ (10) формируется пятый разряд кода, а с сумматора (14) - шестой (младший) разряд кода. Эти кодовые комбинации в обычном двоичном коде приведены в табл. 5.

Таким образом, в предлагаемом изобретении решена задача устранения неоднозначности считывания информации с кодовой шкалы. Причем решение задачи достигнуто с использованием меньшего числа СЭ, по сравнению с использованием классического метода «двойной щетки», что также повышает и технологичность шкалы. Также показано, что выигрыш по числу необходимых СЭ становится более значительным с увеличением разрядности КШ.

Литература

1. Домрачев В.Г., Мейко Б.С. Цифровые преобразователи угла: принципы построения, теория точности, методы контроля. - М.: Энергоатомиздат, 1984. 328 с.

2. Фотоэлектрические преобразователи информации / Л.Н. Преснухин, С.А. Майоров, И.В. Меськин, В.Ф. Шаньгин. Под ред. Л.Н. Преснухина. - М.: Машиностроение, 1974. 375 с.

3. Кодовая шкала. Патент КЛ 2490790 от 20.08.2013, МПК Н03М 1/24, авторы: Ожиганов А.А., Прибыткин П.А., Павлов В.В., Шубарев В.А.

4. Кодовая шкала. Патент RU 2497275 от 27.10.2013, МПК H03M 1/24, авторы: Ожиганов А.А., Прибыткин П.А., Канышева О.П., Павлов В.В., Шубарев В.А. - прототип.