Результат интеллектуальной деятельности: ИНВЕРСНО-СОПРЯЖЕННАЯ 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 преобразователи угловых перемещений.

Развитие преобразователей угловых перемещений - поставщиков первичной информации в значительной степени обусловлено повсеместным использованием управляющих микроЭВМ и различных вычислительных устройств на основе микропроцессорных и других больших и сверхбольших интегральных схем.

В целом к преобразователям угловых перемещений, отличающихся 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 (100…150 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.

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

Учитывая, что преобразователи угловых перемещений, построенные по методу считывания (абсолютного отсчета), могут быть реализованы на различных физических способах считывания информации, под активными и пассивными элементарными участками кодовой дорожки шкалы понимают 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.

Известны кодовые шкалы преобразователей угловых перемещений: 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. - [1], и Домрачев В.Г., Мейко Б.С. Цифровые преобразователи угла: принципы построения, теория точности, методы контроля. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 328 с. - [2], кодовая маска которых выполнена в обыкновенном двоичном коде или в коде Грея. Трудоемкость изготовления таких кодовых шкал зависит, в основном, от сложности их кодовых масок, которая, в свою очередь, определяется числом наносимых границ смены кодового рисунка и с увеличением разрядности шкал возрастает. При этом, как следствие, ухудшается технологичность таких шкал.

Для шкал, кодовая маска которых выполнена в обыкновенном двоичном коде (ОДК), число наносимых границ смены рисунка кодовой маски определяется как T_ОДК=2ⁿ⁺¹-2, а для шкал, кодовая маска которых выполнена в коде Грея (Гр) - как T_Гр=2ⁿ, где n - разрядность шкалы, число кодовых дорожек и число считывающих элементов.

Разрешающая способность таких шкал δ=360°/2ⁿ.

Производить сравнение кодовых шкал по числу наносимых границ смены кодовой маски шкалы предложено в работе [2]. Это связано с тем, что преобразователи перемещения, построенные по методу абсолютного отсчета, могут быть реализованы при различных физических принципах съема информации в широком диапазоне информационной емкости.

Наиболее близким по техническому решению и выбранному авторами за прототип, является рекурсивная кодовая шкала для преобразователей угловых перемещений, построенная на основе нелинейных двоичных последовательностей: Азов А.К, Ожиганов А.А., Тарасюк М.В. Рекурсивные кодовые шкалы // Издательство "Машиностроение" Информационные технологии, 1998, №6. С.39-43. - [3].

Рекурсивные кодовые шкалы (РКШ) на основе нелинейных двоичных последовательностей имеют всего одну информационную кодовую дорожку с расположенными вдоль нее n считывающими элементами с шагом, равным одному кванту шкалы, и обеспечивают разрешающую способность δ=360°/2ⁿ. Такие шкалы могут быть реализованы с использованием большинства известных методов считывания информации.

Число наносимых границ смены рисунка кодовой маски рекурсивных кодовых шкал на основе нелинейных двоичных последовательностей определяется как T_РКШ=2^n-1, где n - разрядность шкалы и число считывающих элементов (СЭ).

Недостатки прототипа:

Низкая технологичность рекурсивной кодовой шкалы, объясняется большой трудоемкостью ее изготовления, которая зависит от числа наносимых границ смены кодового рисунка, а также размещением вдоль кодовой дорожки шкалы считывающих элементов с шагом в один квант. Поскольку реальные считывающие элементы имеют конечные размеры, то при их размещении с шагом в один квант, они вносят ограничения на габариты рекурсивной кодовой шкалы при заданной разрешающей способности.

В предлагаемом изобретении решается задача повышения технологичности кодовой шкалы на основе инверсно-сопряженных нелинейных двоичных последовательностей в плане уменьшения трудоемкости ее изготовления за счет меньшего числа наносимых границ смены рисунка кодовой маски, а также размещения считывающих элементов вдоль информационной кодовой дорожки с постоянным, отличным от единичного, угловым шагом δ.

Для достижения технического результата кодовая шкала, содержит информационную кодовую дорожку, выполненную в соответствии с символами нелинейной двоичной последовательности длиной N=2′′, посредством которой обеспечивается величина кванта шкалы δ=360°/N, и n считывающих элементов, определяющих выходную разрядность кодовой шкалы и размещенных вдоль информационной кодовой дорожки с возможностью получения с них N различных n разрядных кодовых комбинаций, где информационная кодовая дорожка выполнена в соответствии с символами инверсно-сопряженной нелинейной двоичной последовательности, а n считывающих элементов, размещены вдоль информационной кодовой дорожки с постоянным, отличным от единичного, угловым шагом δ.

Новым в предлагаемом изобретении является:

- выполнение информационной кодовой дорожки шкалы в соответствии с символами инверсно-сопряженной нелинейной двоичной последовательности, где единичным символам последовательности соответствуют активные участки шкалы, а нулевым - пассивные;

- размещении n считывающих элементов вдоль информационной кодовой дорожки с постоянным, отличным от единичного, угловым шагом δ.

Совокупность существенных признаков в предлагаемом изобретении позволила:

- повысить технологичность кодовой шкалы за счет выполнения информационной кодовой дорожки шкалы в соответствии с символами инверсно-сопряженной нелинейной двоичной последовательности, а также размещении n считывающих элементов вдоль информационной кодовой дорожки с постоянным, отличным от единичного, угловым шагом δ.

В результате этого можно сделать вывод о том, что предлагаемое изобретение позволяет получить технический результат, а именно повышение технологичности кодовой шкалы на основе нелинейных двоичных последовательностей.

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 преобразователей угловых перемещений на основе заявляемых кодовых шкал.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где показаны примеры кодовых шкал на основе инверсно-сопряженных нелинейных двоичных последовательностей.

Раскроем термин «инверсно-сопряженная нелинейная двоичная последовательность».

1. Используемые в предлагаемом изобретении последовательности состоят из двух равных частей, вторая из которых является абсолютной инверсией первой половины.

2. Вторая часть последовательностей сопряжена (неразрывно связана) с первой половиной и совместно образуют полную последовательность.

3. Нелинейность последовательностей определяется по отношению к оператору суммирования по модулю 2, т.е. сумма по модулю 2 инверсно-сопряженной нелинейной двоичной последовательности со своей циклически сдвинутой копией, не дает эту-же циклически сдвинутую инверсно-сопряженную нелинейную двоичную последовательность.

Для пояснения сути изобретения проведем сравнение заявляемой и рекурсивной кодовых шкал по числу наносимых границ смены кодовой маски [2]. Данное сравнение можно осуществить прямо по используемым для построения информационной кодовой дорожки последовательностям. При этом число наносимых границ смены кодовой маски шкал будет равно суммарному числу переходов в последовательностях из 0 в 1 и наоборот.

На фиг.1 представлен вариант построения четырехразрядной кодовой шкалы.

На фиг.2 - вариант построения пятиразрядной кодовой шкалы.

На фиг.3 - вариант построения шестиразрядной кодовой шкалы.

На фиг.4 - вариант построения семиразрядной кодовой шкалы.

Заявляемая кодовая шкала содержит информационную кодовую дорожку и считывающие элементы.

Поясним вариант построения четырехразрядной кодовой шкалы, приведенной на фигуре 1.

В рассматриваемом примере информационная кодовая дорожка 1 шкалы построена в соответствии с символами инверсно-сопряженной нелинейной двоичной последовательности 0010000011011111 длиной 16. Приведенная последовательность состоит из двух равных частей, вторая из которых является абсолютной инверсией первой половины. Последовательность должна быть нанесена на шкалу в виде пассивных (нули последовательности - светлые участки шкалы) и активных (единицы последовательности - темные участки шкалы) участков (квантов) информационной кодовой дорожки 1, например, по ходу часовой стрелки. Последовательность с длиной 16 определяет число квантов информационной кодовой дорожки 1 шкалы, которое в данном примере равно 16. Отсюда величина кванта δ=360°/16=22,5°. В примере размещение СЭ 2, 3, 4 и 5 вдоль информационной кодовой дорожки 1 осуществляется с шагом равным величине двух квантов информационной кодовой дорожки δ по ходу часовой стрелки.

Фиксируя считывающими элементами 2…5 последовательно кодовую комбинацию, при перемещении кодовой шкалы циклически на один

элементарный участок (квант) δ информационной кодовой дорожки 1, например, против хода часовой стрелки, получаем 16 различных четырехразрядных кодовых комбинаций, которые соответствуют 16 угловым положениям шкалы. Эти кодовые комбинации приведены в таблице 1.

Проведем сравнение четырехразрядных заявляемой и рекурсивной кодовых шкал по числу наносимых границ смены кодовой маски.

Нелинейная двоичная последовательность, используемая для построения четырехразрядной рекурсивной кодовой шкалы (прототипа), имеет вид 0000100110101111. Для нее, число наносимых границ смены кодовой маски, T_РКШ=2^n-1=2^4-12³=8.

Инверсно-сопряженная нелинейная двоичная последовательность, используемая для построения четырехразрядной заявляемой кодовой шкалы, имеет вид 0010000011011111. Для нее, число наносимых границ смены кодовой маски, T_КШ=6 (см. также фиг.1).

Таким образом, трудоемкость изготовления четырехразрядной кодовой шкалы на основе инверсно-сопряженной нелинейной двоичной последовательности, по сравнению с трудоемкостью изготовления четырехразрядной рекурсивной кодовой шкалы уменьшается на 25%.

Поясним вариант построения пятиразрядной кодовой шкалы, приведенной на фигуре 2.

В рассматриваемом примере информационная кодовая дорожка 1 шкалы построена в соответствии с символами инверсно-сопряженной нелинейной двоичной последовательности 00000110001000001111100111011111 длиной 32. Приведенная последовательность состоит из двух равных частей, вторая из которых является абсолютной инверсией первой половины. Последовательность должна быть нанесена на шкалу в виде пассивных (нули последовательности - светлые участки шкалы) и активных (единицы последовательности - темные участки шкалы) участков (квантов) информационной кодовой дорожки 1, например, по ходу часовой стрелки. Последовательность с длиной 32 определяет число квантов информационной кодовой дорожки 1 шкалы, которое в данном примере равно 32. Отсюда величина кванта δ=360°/32=11,25°. В примере размещение СЭ 2, 3, 4, 5 и 6 вдоль информационной кодовой дорожки 1 осуществляется с шагом равным величине двух квантов информационной кодовой дорожки δ по ходу часовой стрелки.

Фиксируя считывающими элементами 2…6 последовательно кодовую комбинацию, при перемещении кодовой шкалы циклически на один элементарный участок (квант) δ информационной кодовой дорожки 1, например, против хода часовой стрелки, получаем 32 различных пятиразрядных кодовых комбинаций, которые соответствуют 32 угловым положениям шкалы. Эти кодовые комбинации приведены в таблице 2.

Проведем сравнение пятиразрядных заявляемой и рекурсивной кодовых шкал по числу наносимых границ смены кодовой маски.

Нелинейная двоичная последовательность, используемая для построения пятиразрядной рекурсивной кодовой шкалы (прототипа), имеет вид 00000100101100111110001101110101. Для нее, число наносимых границ смены кодовой маски, T_РКШ=2^n-1=2^5-1=2⁴=16.

Инверсно-сопряженная нелинейная двоичная последовательность, используемая для построения пятирядной заявляемой кодовой шкалы, имеет вид 00000110001000001111100111011111. Для нее, число наносимых границ смены кодовой маски, T_КШ=10 (см. также фиг.2).

Таким образом, трудоемкость изготовления пятирядной кодовой шкалы на основе инверсно-сопряженной нелинейной двоичной последовательности, по сравнению с трудоемкостью изготовления пятирядной рекурсивной кодовой шкалы уменьшается на 37,5%.

Поясним вариант построения шестиразрядной кодовой шкалы, приведенной на фигуре 3.

В рассматриваемом примере информационная кодовая дорожка 1 шкалы построена в соответствии с символами инверсно-сопряженной нелинейной двоичной последовательности 000110000000000011100100001100001110011111 1111110001101111001111 длиной 64. Приведенная последовательность состоит из двух равных частей, вторая из которых является абсолютной инверсией первой половины. Последовательность должна быть нанесена на шкалу в виде пассивных (нули последовательности - светлые участки шкалы) и активных (единицы последовательности - темные участки шкалы) участков (квантов) информационной кодовой дорожки 1, например, по ходу часовой стрелки. Последовательность с длиной 64 определяет число квантов информационной кодовой дорожки 1 шкалы, которое в данном примере равно 64. Отсюда величина кванта δ=360°/64=5,625°. В примере размещение СЭ 2, 3, 4, 5, 6 и 7 вдоль информационной кодовой дорожки 1 осуществляется с шагом равным величине десяти квантов информационной кодовой дорожки δ по ходу часовой стрелки.

Фиксируя считывающими элементами 2…7 последовательно кодовую комбинацию, при перемещении кодовой шкалы циклически на один элементарный участок (квант) δ информационной кодовой дорожки 1, например, против хода часовой стрелки, получаем 64 различных шестиразрядных кодовых комбинаций, которые соответствуют 64 угловым положениям шкалы. Эти кодовые комбинации приведены в таблице 3.

Проведем сравнение шестиразрядных заявляемой и рекурсивной кодовых шкал по числу наносимых границ смены кодовой маски.

Нелинейная двоичная последовательность, используемая для построения шестиразрядной рекурсивной кодовой шкалы (прототипа), имеет вид 0000001000011000101001111010001110010010110111011001101010111111. Для нее, число наносимых границ смены кодовой маски, T_РКШ=2^n-1=2^6-1=2⁵=32.

Инверсно-сопряженная нелинейная двоичная последовательность, используемая для построения шестиразрядной заявляемой кодовой шкалы, имеет вид 0001100000000000111001000011000011100111111111110001101111001111. Для нее, число наносимых границ смены кодовой маски, T_КШ=18 (см. также фиг.3).

Таким образом, трудоемкость изготовления шестирядной кодовой шкалы на основе инверсно-сопряженной нелинейной двоичной последовательности, по сравнению с трудоемкостью изготовления шестирядной рекурсивной кодовой шкалы уменьшается на 43,75%.

Поясним вариант построения семиразрядной кодовой шкалы, приведенной на фигуре 4.

В рассматриваемом примере информационная кодовая дорожка 1 шкалы построена в соответствии с символами инверсно-сопряженной нелинейной двоичной последовательности 00000000110001100010001101110100111001100000000000011000000000001111111100111001110111001000101100011001111111111110011111111111 длиной 128. Приведенная последовательность состоит из двух равных частей, вторая из которых является абсолютной инверсией первой половины. Последовательность должна быть нанесена на шкалу в виде пассивных (нули последовательности - светлые участки шкалы) и активных (единицы последовательности - темные участки шкалы) участков (квантов) информационной кодовой дорожки 1, например, по ходу часовой стрелки. Последовательность с длиной 128 определяет число квантов информационной кодовой дорожки 1 шкалы, которое в данном примере равно 128. Отсюда величина кванта δ=360°/128=2,8125°. В примере размещение СЭ 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8 вдоль информационной кодовой дорожки 1 осуществляется с шагом равным величине шести квантов информационной кодовой дорожки δ по ходу часовой стрелки.

Фиксируя считывающими элементами 2…8 последовательно кодовую комбинацию, при перемещении кодовой шкалы циклически на один элементарный участок (квант) δ информационной кодовой дорожки 1, например, против хода часовой стрелки, получаем 128 различных шестиразрядных кодовых комбинаций, которые соответствуют 128 угловым положениям шкалы. Эти кодовые комбинации приведены в таблице 4.

Проведем сравнение семиразрядных заявляемой и рекурсивной кодовых шкал по числу наносимых границ смены кодовой маски.

Нелинейная двоичная последовательность, используемая для построения семиразрядной рекурсивной кодовой шкалы (прототипа), имеет вид 00000001000001100001010001111001000101100111010100111110100001110001 001001101101011011110110001101001011101110011001010101111111. Для нее, число наносимых границ смены кодовой маски, T_РКШ=2^n-1=2^7-1=2⁶=64.

Инверсно-сопряженная нелинейная двоичная последовательность, используемая для построения семиразрядной заявляемой кодовой шкалы, имеет вид 00000000110001100010001101110100111001100000000000011000000000001 111111100111001110111001000101100011001111111111110011111111111. Для нее, число наносимых границ смены кодовой маски, T_КШ=38 (см. также фиг.4).

Таким образом, трудоемкость изготовления семиразрядной кодовой шкалы на основе инверсно-сопряженной нелинейной двоичной последовательности, по сравнению с трудоемкостью изготовления семиразрядной рекурсивной кодовой шкалы уменьшается на 40,625%.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить технологичность кодовых шкал на основе инверсно-сопряженных нелинейных двоичных последовательностей в плане уменьшения трудоемкости их изготовления за счет меньшего числа наносимых границ смены рисунка кодовой маски, а также размещения считывающих элементов вдоль информационной кодовой дорожки с постоянным, отличным от единичного, угловым шагом д.

Наибольшее повышение технологичности предлагаемых кодовых шкал может быть достигнуто при контактном, емкостном или электромагнитном методе съема информации.

Литература

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

3. Азов А.К, Ожиганов А.А., Тарасюк М.В. Рекурсивные кодовые шкалы // Издательство "Машиностроение" Информационные технологии, 1998, №6. С.39-43. - прототип.