УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВВОДА ИНФОРМАЦИИ В ЭВМ Российский патент 2001 года по МПК G06F3/33 G06K11/18 

Изобретение относится к электронике и вычислительной технике и может быть использовано для ввода трех независимых координат, графической информации и команд в ЭВМ.

Известно устройство для ввода трехмерной информации, представляющее собой контроллер с координатной ручкой, содержащий сфероид, свободно вращающийся во всех направлениях внутри неподвижного корпуса; вставленная в сфероид управляющая рукоятка, которую можно вращать и направлять в произвольном направлении; внутренняя и внешняя рычажные пластины, шарнирно прикрепленные к корпусу, расположенные во взаимно пересекающихся плоскостях и поворачивающиеся вместе с рукояткой, два угловых преобразователя, прикрепленных к корпусу и срабатывающих при повороте пластины, преобразователь угла поворота, срабатывающий при повороте рукоятки, муфтовый механизм, оборудованный между рукояткой и преобразователем и соединяющий или разъединяющий их в соответствии с осевыми перемещением рукоятки. Одновременно с этим формируются выходные электрические сигналы преобразователя, зависящие от вращения рукоятки.

(Заявка JP N 3-44326, МПК 5 G 06 К 3/033, G 06 К 11/18, "Изобретения стран мира",1993 , N 20, с. 46).

Недостатком известного устройства для ввода трехмерной информации является сложность устройства, большое число деталей и узлов, требующих прецизионной обработки, большое количество трущихся деталей, износ которых определяет срок службы устройства.

Наиболее близким по технической сущности средством того же назначения, что и заявляемое изобретение, является устройство для ввода информации в ЭВМ, содержащее пьезоэлектрические пластины с закрепленными на них инерционными элементами, линию связи. (Авторское свидетельство SU N 1357986, 07.12.1987 г.).

Недостатки описанного выше ближайшего аналога - низкая технологичность изготовления, определяемая необходимостью размещения в заданных положениях миниатюрных пьезоэлектрических пластин и закрепления на них инерционных элементов, низкая надежность, обусловленная сложностью обеспечения высококачественного подключения указанных пьезоэлектрических пластин к электронной части устройства и большим количеством элементов устройства, низкая чувствительность, обусловленная типом примененного датчика ускорения, наличие помех, обусловленных ускорениями, возникающими при перемещении "пера" по бумаге, величина которых сравнима с величиной полезного сигнала, а фильтрация затруднена в силу наличия корреляции вышеуказанных помех с полезным сигналам, возможность ввода только двух независимых координат.

Решаемой задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является ввод в ЭВМ трех независимых координат, увеличение технологичности процесса изготовления, повышение чувствительности и надежности работы устройства.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для ввода информации в ЭВМ, содержащем датчик ускорения, согласно изобретению датчик ускорения выполнен в виде симметричного инерционного тела из немагнитного материала, помещенного в замкнутый объем, заполненный магнитной жидкостью, вокруг которого размещены источники магнитного поля, предназначенные для создания в магнитной жидкости магнитного поля, удерживающего инерционное тело вблизи от геометрического центра дачника ускорения, кроме этого, устройство содержит блок преобразования сигнала, цифровые входы которого подключены к выходам переключателей, предназначенным для задания режима работы устройства, последовательные вход и выход блока преобразования сигнала являются входом и выходом устройства, предназначенными для подключения к ЭВМ, и блок преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал, на поверхности замкнутого объема с магнитной жидкостью датчика ускорения попарно вблизи каждой из трех взаимно перпендикулярных осей размещено k ≥ 1 пар проводящих элементов, образующих между собой по крайней мере два конденсатора, емкость которых определяется положением инерционного тела по одной из трех пространственных осей, при этом каждый из проводящих элементов соединен с одним из 6·k входов блока преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал, каждый из m выходов, где m = 1-3·k, блока преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал подключен к отдельному аналоговому входу блока преобразования сигнала, q управляющих выходов, где q ≤ 6·k, блока преобразования сигнала соединены с q управляющими входами блока преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал.

Поставленная задача решается также в следующих частных случаях выполнения предлагаемого устройства, в которых нашли развитие и уточнение признаки предлагаемого решения:
- замкнутый объем датчика ускорения выполнен в виде сферы;
- замкнутый объем датчика ускорения выполнен в виде центрально - симметричного многогранника;
- инерционное тело выполнено в виде шара;
- инерционное тело выполнено в виде центрально - симметричного многогранника;
- инерционное тело выполнено полым;
- инерционное тело выполнено из двух и более немагнитных материалов;
- инерционное тело выполнено из немагнитного материала с большой диэлектрической проницаемостью;
- с целью снижения энергопотребления источник магнитного поля выполнен в виде постоянного магнита;
- с целью создания равномерного распределения магнитного поля в магнитной жидкости постоянный магнит выполнен в виде замкнутой поверхности, охватывающей замкнутый объем с магнитной жидкостью и размещенными на его поверхности проводящими элементами;
- источник магнитного поля выполнен в виде электромагнита;
- источник магнитного поля выполнен в виде комбинации электромагнитов и постоянных магнитов;
- в устройство дополнительно введено несколько источников магнитного поля, расположенных вблизи имеющихся источников магнитного поля;
- проводящие элементы, образующие конденсаторы, расположены симметрично относительно пространственной оси датчика ускорения;
- проводящие элементы, образующие конденсаторы, расположены под углом друг к другу;
- проводящие элементы образуют конденсаторы таким образом, что один проводящий элемент является общим для двух конденсаторов;
- форма проводящих элементов повторяет форму замкнутого объема датчика ускорения в месте их расположения;
- проводящие элементы выполнены путем напыления проводящего материала на поверхность замкнутого объема датчика ускорения;
- проводящие элементы выполнены в виде плоских пластин, закрепленных на поверхности замкнутого объема датчика ускорения;
- блок преобразования сигнала содержит m - канальный АЦП, вычислитель, последовательный интерфейс, преобразователь уровней и регистр, n входов которого являются цифровыми входами блока преобразования сигнала, при этом q цифровых выходов регистра являются управляющими выходами блока преобразования сигнала, m аналоговых входов которого являются входами упомянутого АЦП, выход которого соединен двунаправленной шиной с вычислителем, регистром и последовательным интерфейсом, вход и выход которого подключены соответственно к выходу и входу преобразователя уровней, вход и выход которого являются входом и выходом блока преобразования сигнала;
- блок преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал содержит последовательно соединенные генератор и коммутатор, m выходов которого являются аналоговыми выходами блока преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал, 6·k аналоговых входов блока преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал являются входами коммутатора, q управляющих входов которого являются управляющими входами блока преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал;
- упомянутое подключение устройства к ЭВМ осуществляется с помощью линии связи, при этом устройство полностью размещено в корпусе;
- линия связи выполнена в виде радиоканала, приемник которого расположен в корпусе ЭВМ, выход приемника подключен к ЭВМ через интерфейсное устройство, обеспечивающее сопряжение ЭВМ с выходом приемника, приемная антенна расположена на корпусе ЭВМ, а в корпусе устройства расположена другая антенна, соединенная с выходом передатчика и аккумулятор, зарядные контакты которого расположены на наружной поверхности корпуса устройства и соединены с входами питания передатчика и блока преобразования сигнала, выход которого соединен с входом передатчика;
- радиоканал выполнен двунаправленным;
- датчик ускорения, блок преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал и переключатели размещены в корпусе, а блок преобразования сигнала размещен в ЭВМ, при этом соединение выходов блока преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал с аналоговыми входами блока преобразования сигнала и выходов переключателей с цифровыми входами блока преобразования сигнала осуществляется с помощью линии связи, выполненной в виде многожильного кабеля, а упомянутое подключение устройства к ЭВМ осуществлено непосредственно;
- корпус устройства выполнен малогабаритным, помещающимся в руке оператора, причем датчик ускорения жестко закреплен в корпусе таким образом, что ось X датчика ускорения направлена вперед, ось Y - вправо, а ось Z - вверх, кроме того, переключатели размещены на поверхности корпуса с возможностью расположения на них пальцев оператора;
- переключатели размещены в отдельном корпусе, а упомянутая связь выходов переключателей с цифровыми входами блока преобразования сигнала осуществляется с помощью многожильного кабеля;
- корпус расположен стационарно, а датчик ускорения выполнен с возможностью перемещения относительно корпуса посредством кинематической связи с управляющими органами, расположенными по трем взаимно перпендикулярным осям;
- один из переключателей предназначен для выполнения индицирования использования устройства оператором;
- в устройство дополнительно введено i датчиков ускорения, предназначенных для размещения на перемещающемся в пространстве объекте, а в коммутатор блока преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал введено 6·k·i ключей, имеющих q·i управляющих входов, которые подключены к дополнительным q·i выходам блока преобразования сигнала, что позволит использовать предлагаемое устройство для создания виртуального костюма, обучения роботов, изучения процесса деформации разрушающегося объекта (например, испытания автомобилей на прочность).

В предлагаемом устройстве для ввода информации в ЭВМ в датчике ускорения, использовано свойство магнитной жидкости, заключающееся в возникновении выталкивающей силы, действующей на тело из немагнитного материала, помещенное в магнитную жидкость. Величина и направление этой силы определяются величиной напряженности и распределением силовых линий магнитного поля в магнитной жидкости. (С. В. Рулев, В. Н. Самсонов, А.М. Савостьянов, Г.К. Шмырин. Управляемые магнитожидкостные виброизоляторы. МО СССР, М., 1988, с. 17- 21).

Таким образом, магнитную жидкость можно рассматривать как среду, эффективное значение плотности которой (по отношению к телу из немагнитного материала) увеличивается при увеличении напряженности магнитного поля.

Внутри датчика ускорения, представляющего собой замкнутый объем (например, сферический), заполненный магнитной жидкостью, создано магнитное поле с нарастающей от центра объема напряженностью. Такая конфигурация поля создается тремя парами источников магнитного поля, закрепленных на поверхности датчика ускорения. Применение постоянных магнитов в качестве источников магнитного поля позволят повысить технологичность изготовления устройства (за счет отсутствия катушек индуктивности) и уменьшить энергопотребление устройства, а применение электромагнитов обеспечивает плавную регулировку чувствительности устройства без замены деталей. В магнитную жидкость помещено инерционное тело из немагнитного материала с высокой диэлектрической проницаемостью (например, сегнетоэлектрика), имеющее симметричную (например шарообразную) форму. Наличие радиального градиента напряженности магнитного поля приводит к возникновению направленной в сторону центра датчика ускорения выталкивающей силы, таким образом, инерционное тело располагается вблизи от геометрического центра датчика ускорения, совпадающего с точкой пересечения пространственных осей датчика ускорения.

При перемещении датчика ускорения инерционное тело в переходном режиме смещается от точки пересечения пространственных осей датчика ускорения, что приводит к изменению толщины слоя магнитной жидкости под каждым из проводящих элементов, расположенных на поверхности замкнутого объема датчика ускорения, а следовательно, эффективного значения относительной диэлектрической проницаемости системы магнитная жидкость - инерционное тело по отношению к конденсаторам, образованным парами проводящих элементов. Поскольку электрическая емкость конденсатора определяется геометрическими размерами и формой его обкладок (остаются неизменными), а также свойствами диэлектрика между обкладками (меняются при перемещении инерционного тела), то перемещение инерционного тела приводит к изменению емкостей конденсаторов, образованных парами проводящих элементов. Поскольку относительная диэлектрическая проницаемость магнитной жидкости составляет несколько (2 - 5) единиц, а относительная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика составляет (2000 - 4000) единиц, перемещение инерционной массы вызывает существенное изменение эффективного значения диэлектрической проницаемости системы магнитная жидкость - инерционное тело, то перемещение инерционной массы приводит к значительному изменению емкостей образованных парами проводящих элементов конденсаторов. Для оценки величины изменения емкости при перемещении инерционного тела рассмотрим следующую упрощенную модель: пусть инерционное тело имеет форму куба с ребром d и расположено между двумя плоскопараллельными проводящими элементами, имеющими форму квадрата со стороной d, которые удалены на расстояние 2d друг от друга, причем зазоры между каждым проводящим элементом и инерционным тело равны, следовательно, величина зазора D = (2d - d)/2 = d/2. Описанная выше система погружена в непроводящую магнитную жидкость с диэлектрической проницаемостью ε₁ , причем диэлектрическая проницаемость инерционного тела ε₂ ≫ ε₁. Определим электрическую емкость рассматриваемой системы (без учета краевых эффектов) при двух положениях инерционного тела:
1) Инерционное тело полностью перекрывается проводящими элементами, причем две грани инерционного тела параллельны проводящим элементам.

2) Инерционное тело смещено относительно положения (1) так, что площадь перекрытия инерционного тела проводящими элементами составляет d²/2.

Легко определить, что в случае (1) электрическая емкость между проводящими элементами составляет C = (ε₀·ε₁·ε₂·d)/(ε₁+ε₂), в случае (2) C = (ε₀·ε₁·ε₂·d)/[2·(ε₁+ε₂)]+(ε₀·ε₁·d)/4. Если учесть, что ε₂ ≫ ε₁, то C₁ ≈ ε₀·ε₁·d, а C₂ ≈ (3·ε₀·ε₁·d)/4. Таким образом, ΔC = C₁-C₂ ≈ C₁/4, то есть при перемещении инерционной массы на половину ее линейного размера электрическая емкость между парой проводящих элементов меняется на величину порядка 25%, что сопоставимо с исходной величиной емкости, следовательно, предлагаемое устройство обладает высокой чувствительностью (определяемой соотношением ΔC/C₁). Количество и форма проводящих элементов определяются необходимостью обеспечения однозначности преобразования величины перемещения инерционного тела в изменение электрической емкости конденсаторов, включающих пару проводящих элементов и инерционную массу в магнитной жидкости в качестве диэлектрика. Минимально для обеспечения преобразования трехмерных перемещений инерционного тела в электрический сигнал необходимо наличие трех пар проводящих элементов. Увеличение площади проводящих элементов приводит к повышению чувствительности и нелинейности преобразования перемещения инерционного тела в изменение емкостей, следовательно, размеры и форму проводящих элементов выбирают из соображений обеспечения компромисса между чувствительностью и линейностью датчика ускорения.

Изменение электрических емкостей межу проводящими элементами, обусловленное перемещением инерционной массы под действием ускорений, регистрируют путем измерения реактивного сопротивления соответствующих емкостей. Приращения амплитуд переменных напряжений на каждой паре проводящих элементов при перемещении датчика ускорения используются в качестве меры величины действующего вдоль соответствующей оси компонента ускорения, следовательно, по ним можно описать перемещение датчика ускорения вдоль любой пространственной траектории.

Надежность устройства обеспечивается отсутствием деталей и узлов, находящихся в механическом контакте, технологичность производства - тем, что детали датчика ускорения не требуют прецизионной обработки (могут быть изготовлены литьем из пластмассы), проводящие элементы - напылением и травлением. Повышенный по сравнению с ближайшим аналогом коэффициент преобразования перемещения инерционного тела в электрический сигнал позволяет существенно уменьшить требования к применяемой в блоке АЦП комплектации, кроме того, не требуется применение катушек индуктивности, что позволяет резко повысить технологичность и снизить себестоимость изготовления устройства.

Предлагаемое устройство может быть использовано для ввода трехмерных координат, графической и управляющей информации, таким образом, оно является удобным инструментом для работы с интерактивными пакетами, требующими управления объектами в пространстве (компьютерные игры, объемное конструирование и т. д.).

Изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - один из вариантов реализации блока преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал и подключения вышеназванного блока к выходам датчика ускорения, соответствующим оси X.

Устройство для ввода информации в ЭВМ (фиг. 1) содержит датчик ускорения 1, включающий симметричное инерционное тело - шар 2, выполненное из немагнитного материала с высокой диэлектрической проницаемостью (например, из сегнетоэлектрика), которое помещено в замкнутый объем, заполненный магнитной жидкостью 3, и три пары источников магнитного поля 4, расположенных вокруг замкнутого объема с магнитной жидкостью 3, причем на поверхности замкнутого объема с магнитной жидкостью 3 датчика ускорения 1 вблизи его координатных осей размещены k (например, 6) пар изолированных друг от друга проводящих элементов 5, являющихся обкладками шести конденсаторов, причем каждый проводящий элемент является одним из выходов датчика ускорения 1, каждый из которых соединен с отдельным входом блока преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал 6, кроме того, устройство содержит блок преобразования сигнала 7 и переключатели 8, причем блок преобразования сигнала 7 включает m - канальный (например, 3-канальный) АЦП 9, вычислитель 10, последовательный интерфейс 11, преобразователь уровней 12 и входной регистр 13, входы которого являются цифровыми входами блока преобразования сигнала 7, а цифровые выходы регистра 13 являются q (например, 6) выходами блока преобразования сигнала 7, аналоговые входы которого являются входами АЦП 9, выход которого соединен двунаправленной локальной шиной с вычислителем 10, входным регистром 13 и последовательным интерфейсом 11, вход и выход которого соединены соответственно с выходом и входом преобразователя уровней 12, вход и выход которого являются входом и выходом устройства, причем управляющие входы блока преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал 6 подключены к выходам блока преобразования сигнала 7, аналоговые входы которого соединены с аналоговыми выходами блока преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал 6, а цифровые входы блока преобразования сигнала 7 подключены к выходам переключателей 8, один из которых выполняет функцию индикатора использования устройства оператором, а остальные формируют сигналы управления программным обеспечением ЭВМ.

Блок преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал 6 состоит из трех идентичных частей, предназначенных для преобразования в электрический сигнал перемещений инерционного тела 2 вдоль пространственных осей X, Y и Z; (на фиг. 2 показана часть блока преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал, относящаяся к оси X), причем каждая его часть содержит последовательно соединенные генератор 14 и коммутатор 15, включающий ключи 16 с соответствующими связями между ними, выходы коммутатора 15 являются аналоговыми выходами блока преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал 6, аналоговые входы которого являются входами коммутатора 15, управляющие входы которого являются управляющими входами блока преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал 6.

Число используемых аналоговых выходов блока преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал 6 может составлять от 1 до 3·k (k - число пар проводящих элементов на поверхности датчика ускорения), причем с ростом числа используемых аналоговых выходов снижается число сигналов управления блоком преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал, таким образом, возможна совместная оптимизация числа используемых аналоговых выходов и управляющих входов блока преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал 6.

Различные варианты реализации генератора 14 на транзисторах, логических элементах или на операционных усилителях приведены в П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники, в 3-х томах. М.: Мир, 1993.

В качестве ключей 16, входящих в состав коммутатора 15 блока преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал 6 могут быть использованы микросхемы серии 590 (например, КР590КН5) функциональные схемы и (или) схемы включения указанных микросхем приведены в справочнике Новаченко И.В., Петухов В.М., Блудов И.П., Юровский А.В. Микросхемы для бытовой радиоаппаратуры, М.: КУбК-а, 1995.

В качестве основы блока преобразования сигнала 7 может быть использована микросхема МС68НС05В6, последовательные вход и выход которой подключены соответственно к выходу и входу преобразователя уровней, выполненного, например, на микросхеме ADM203. Микросхема МС68НС05В6 представляет собой 8-разрядный однокристальный микроконтроллер, содержащий микропроцессорное ядро НС05,6 КБайт ПЗУ программ, 176 Байт ОЗУ, 8-канальный 8-разрядный АЦП с внутренним источником опорного напряжения, многофункциональный таймер, тактовый генератор, для работы которого достаточно подключить внешний кварцевый резонатор с пассивными фильтрующими цепями и последовательный интерфейс типа RS-232. Схема включения и подробное описание микроконтроллера приведены в "MC68HC05B6/D Technical Data" Rev. 3, 1995 г.

Для создания в блоке преобразования сигнала дополнительных аналоговых входов может быть использована одна или несколько микросхем AD7828, представляющих собой 8-канальный 8-разрядный АЦП, работающий от единственного источника питания +5 В, причем в качестве необходимого для работы АЦП опорного напряжения можно использовать отфильтрованное напряжение питания +5 В. Другой способ создания дополнительных аналоговых входов блока преобразования сигнала 7 состоит в мультиплексировании имеющихся входов с помощью, например, коммутатора, аналогичного по структуре коммутатору 15.

Технические характеристики микросхемы AD7828 приведены в "1996 short form designer's guide", Analog Devices 1996 г.

Микросхема ADM203, содержащая два канала преобразования логических сигналов с уровнями 0 - +5 В в сигналы стандарта RS-232 и два канала преобразования сигналов стандарта RS-232 в логические сигналы с уровнями 0 - +5 В, работает от единственного источника питания +5 В и не требует внешних пассивных элементов. Технические характеристики и схема включения ADM203 приведены в "ADM2XXL Family for RS - 232 Communications" Rev. 0, 1994 г.

Устройство для ввода информации в ЭВМ работает следующим образом. Когда корпус устройства неподвижен, немагнитное инерционное тело 2 (см. фиг. 1) находится вблизи центра заполненного магнитной жидкостью 3 объема датчика ускорения 1. Такое положение инерционного тела обеспечивается созданием в магнитной жидкости 3 магнитного поля, напряженность которого нарастает от центра датчика ускорения 1, что приводит к возникновению выталкивающей силы, направленной к центру замкнутого объема датчика ускорения 1, следовательно, инерционное тело 2 выталкивается в область наименьшего значения напряженности магнитного поля в магнитной жидкости 3, то есть в окрестность геометрического центра заполненного магнитной жидкостью 3 объема датчика ускорения 1. Симметричная (например, шарообразная) форма инерционного тела 2, находящегося в сферическом объеме магнитной жидкости 3 обеспечивает приблизительное равенство толщины слоя магнитной жидкости 3 между каждым из проводящих элементов 5 и инерционным телом 2. В приведенном на фиг. 1, 2 примере реализации датчика ускорения 1 использовано шесть пар проводящих элементов, расположение которых определяет положение координатных осей датчика ускорения 1. Для преобразования перемещения инерционного тела 2 в электрический сигнал использовано по два конденсатора, образованных двумя парами проводящих элементов 5, на каждую координатную ось датчика ускорения, причем на фиг. 1 показана пространственная ориентация проводящих элементов 5 по отношению друг к другу, а на фиг. 2 - сечение датчика ускорения 1 плоскостью XOY, кроме того, на фиг. 2 видно, что при перемещении инерционной массы вдоль оси X изменяется электрическая емкость между парами проводящих элементов, расположенных вблизи оси Y, а при перемещении инерционного тела 2 вдоль осей Y и Z емкость между парами проводящих элементов 5, расположенных вблизи оси Y практически не изменяется, таким образом обеспечивается независимое преобразование перемещения инерционного тела 2 вдоль каждой из координатных осей в электрический сигнал. Поскольку в состоянии покоя толщина слоя магнитной жидкости 3 между проводящими элементами 5 пар, образующими электрические конденсаторы, практически одинакова, то электрические емкости, а следовательно, и реактивные сопротивления вышеуказанных конденсаторов близки друг к другу. Для измерения электрических емкостей в блоке преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал 6 используется принцип коммутации одного генератора 14 на несколько измеряемых емкостей. При условии низкого остаточного сопротивления включенных ключей коммутатора такой метод измерения имеет высокую разрешающую способность (меняются только свойства измеряемого элемента, а источник и приемник сигнала не изменяются и не регулируются в процессе измерения). Таким образом, в состоянии покоя амплитуды переменных напряжений на каждом выходе датчика ускорения 1 практически равны. Регулировка чувствительности датчика ускорения 1 производится изменением среднего значения напряженности магнитного поля в магнитной жидкости 3, то есть изменением рабочего тока электромагнитов, либо приближением/удалением от центра датчика ускорения 1 источников магнитного поля 4. При этом изменяется коэффициент демпфирования магнитной жидкостью 3 перемещений инерционной массы 2 от положения равновесия, соответствующего состоянию покоя датчика ускорения 1. Коэффициент демпфирования определяет амплитудно-частотную характеристику величины смещения инерционной массы 2 от положения равновесия при действии на датчик ускорения 1 заданного значения ускорения, следовательно, определяется диапазон изменения толщины слоя магнитной жидкости 3 между проводящими элементами 5 пар, образующими электрические конденсаторы, который в свою очередь определяет диапазон изменения реактивного сопротивления емкостных чувствительных элементов (см. фиг. 2), следовательно, происходит регулировка изменения амплитуды переменной составляющей сигнала на выходах блока преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал 6.

Для сопряжения динамического диапазона изменения выходных напряжений блока преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал 6 с фиксированной шкалой АЦП микроконтроллера, входящего в состав блока преобразования сигнала 7, в блок АЦП 9 может быть включен m - канальный усилитель переменного напряжения, соединенный последовательно с входами АЦП микроконтроллера. С целью повышения соотношений (сигнал/шум) и (сигнал/помеха) на входе АЦП усилитель может включать активный фильтр. Для снижения требований к точности изготовления деталей и узлов датчика ускорения 1 и регулировке каналов усилителя, входящего в состав АЦП 9, фактические амплитуды напряжений на выходах блока преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал 6 в состоянии покоя, преобразованные в цифровую форму АЦП 9 запоминаются вычислителем 10.

Допустим, что один из переключателей 8, выполняющий функцию индикатора использования устройства оператором, нажат, а перемещение корпуса устройства рукой оператора вызвало ускорение, действующее вдоль оси X. При этом инерционное тело 2 смещается влево от положения равновесия, толщина слоя магнитной жидкости 3 между проводящими элементами 5, образующими "левый" (по отношению к оси Y) емкостной чувствительный элемент уменьшается, а между проводящими элементами 5, образующими "правый" емкостной чувствительный элемент, соответственно увеличивается. Поскольку инерционное тело 2 выполнено из материала с высокой диэлектрической проницаемостью, величина которой много больше величины диэлектрической проницаемости магнитной жидкости, то произойдет увеличение электрической емкости "левого" и, одновременно, уменьшение электрической емкости "правого" конденсаторов (см. фиг. 2), что, в свою очередь, приведет к изменению амплитуды выходного сигнала на выходе блока преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал 6, соответствующем оси X. Величина и знак изменения амплитуды сигнала на выходе блока преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал 6 определяются направлением и величиной смещения инерционной массы 2 вдоль оси X от положения равновесия. После преобразования АЦП 9 в цифровую форму информация о уровнях сигнал на выходах блока преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал 6 поступает в вычислитель 10, где величина ускорения по оси X определяется в соответствии с формулой:
a_x=p · [(U_x1-U_x1⁰)-(U_x2-U_x2⁰)], (1)
где p - коэффициент, определяемый геометрическими размерами элементов датчика ускорения 1 и свойствами магнитной жидкости 3 при заданной величине постоянной составляющей магнитного поля в магнитной жидкости 3,
U_xj - текущее значение амплитуды сигнала на входе АЦП 9 блока преобразования сигнала 7, соответствующем оси X, во время преобразования в электрический сигнал реактивного сопротивления j-го емкостного чувствительного элемента,
U_xj⁰ - значение амплитуды сигнала на входе АЦП 9 блока преобразования сигнала 7, соответствующем оси X, во время преобразования в электрический сигнал реактивного сопротивления j-го емкостного чувствительного элемента, соответствующее нулевому ускорению (датчик ускорения 1 находится в состоянии покоя).

Компоненты ускорения a_y, a_z, направленные вдоль осей Y и Z определяются по формулам, аналогичным (1).

Процесс вычисления значений компонентов линейного ускорения a = (a_x, a_y, a_z) по формуле (1), включающий управление коммутацией емкостных чувствительных элементов в блоке преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал 6 и съем информации с каждого канала АЦП 9 реализуется в блоке преобразования сигнала 7 в соответствии с программой, которая хранится в ПЗУ микроконтроллера, а необходимые для вычисления промежуточные величины вместе с результатами вычислений - в ОЗУ микроконтроллера, входящих в состав вычислителя 10. Примененный для реализации блока преобразования сигнала 7 микроконтроллер содержит микропроцессорное ядро HCO5, выполняющее операции сложения, вычитания и умножения; ПЗУ и ОЗУ используемого микроконтроллера достаточно велики, таким образом, написание программы вычисления по формуле (1) не представляет трудности. Программа расчета текущего значения ускорения выполняется вычислителем 10 через равные промежутки времени (величина промежутка формируется с помощью многофункционального таймера, который также входит в состав микроконтроллера). Рассчитанные значения компонентов линейного ускорения и данные о состоянии переключателей 6 (например, нажатому оператором переключателю соответствует логический "0", а не нажатому - логическая "1"), объединяются программным обеспечением вычислителя 10 в пакет, который поступает на вход последовательного интерфейса 11 (реализованного в используемом микроконтроллере аппаратно), выполняющего преобразование параллельного двоичного кода в последовательный и добавление к пакету служебной информации (данные для синхронизации, обнаружения и исправления ошибок и т. д.). С выхода последовательного интерфейса 11 пакет поступает на вход преобразователя уровней 12, преобразующего сигналы 5 В логики в соответствии с требованиями применяемого последовательного интерфейса. По линии связи пакет информации передается на ЭВМ, программное обеспечение которой интерпретирует полученные данные в соответствии с решаемой задачей. Например программное обеспечение ЭВМ использует поступающую от предлагаемого устройства информацию для управления положением объекта в трех мерном пространстве, при этом перемещение управляемого объекта осуществляется только тогда, когда кнопка, управляющая одним из переключателей 8, нажата оператором (кнопка индикации использования устройства). Нажатие оператором других кнопок обеспечивает выделение объектов, работу с "всплывающими" меню и т. д. Общее количество переключателей 6 и соответствующих им кнопок может составлять до 5 (n ≤ 5).

Использование нескольких датчиков ускорения в составе предлагаемого устройства для ввода информации в ЭВМ позволяет создать "виртуальный костюм" (датчики ускорения закреплены на теле и конечностях оператора), предназначенный для "обучения" роботов, создания тренажеров и компьютерных игр в виртуальной реальности. Необходимые для подключения дополнительных датчиков ускорения 1 входы блока преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал 6 могут быть организованы путем добавления ключей 16 в состав коммутатора 15 блока преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал 6 и организации соответствующего управления ими.

Таким образом, предлагаемое устройство для ввода информации ЭВМ позволяет осуществлять ввод трех независимых координат, представленных в виде трех компонентов линейного ускорения a = {a_x, a_y, a_z}, по которым программным обеспечением ЭВМ могут быть вычислены скорость перемещения устройства в трехмерном пространстве и абсолютные координаты X, Y и Z. Начало отсчета для вычисления координат задается оператором (например, путем удержания оператором кнопки, управляющей одним из переключателей, в нажатом состоянии во время использования устройства).

Надежность работы предлагаемого устройства для ввода информации в ЭВМ обеспечивается отсутствием механически контактирующих деталей и узлов. Технологичность изготовления устройства обеспечивается низкими требованиями к точности выполнения геометрических размеров элементов датчика ускорения, высоким по сравнению с ближайшим аналогом коэффициентом преобразования перемещения инерционного тела в электрический сигнал, что позволяет существенно уменьшить требования к применяемой в блоке АЦП комплектации, кроме того, не требуется применение катушек индуктивности, что положительно сказывается на технологичности производства.

В предлагаемом устройстве обеспечена возможность создания требуемой амплитудно-частотной характеристики величины выходного сигнала устройства при заданной величине ускорения в широком диапазоне, причем регулировка не требует замены деталей устройства и может выполняться как программно, так и аппаратно.

Изобретение относится к электронике и вычислительной технике и может быть использовано для ввода трех независимых координат, графической, текстовой информации и команд в ЭВМ. Техническим результатом является обеспечение возможности ввода в ЭВМ трех независимых координат, увеличения технологичности процесса изготовления устройства и повышения его чувствительности. Для этого устройство для ввода информации в ЭВМ содержит датчик ускорения, линию связи, блок преобразования сигнала, переключатели, блок преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал, проводящие элементы. 29 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для ввода информации в ЭВМ, содержащее датчик ускорения, отличающееся тем, что датчик ускорения выполнен в виде симметричного инерционного тела из немагнитного материала, помещенного в замкнутый объем, заполненный магнитной жидкостью, вокруг которого размещены источники магнитного поля, предназначенные для создания в магнитной жидкости магнитного поля, удерживающего инерционное тело вблизи от геометрического центра датчика ускорения, кроме того, устройство содержит блок преобразования сигнала, цифровые входы которого подключены к выходам переключателей, предназначенным для задания режима работы устройства, последовательные вход и выход блока преобразования сигнала являются входом и выходом устройства, предназначенными для подключения к ЭВМ, и блок преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал, на поверхности замкнутого объема с магнитной жидкостью датчика ускорения попарно вблизи каждой из трех взаимно перпендикулярных осей размещено k ≥ 1 пар проводящих элементов, образующих между собой по крайней мере два конденсатора, емкость которых определяется положением инерционного тела по одной из трех пространственных осей, при этом каждый из проводящих элементов соединен с одним из 6 · k входов блока преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал, каждый из m выходов, где m = 1 - 3 · k, блока преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал подключен к отдельному аналоговому входу блока преобразования сигнала, q управляющих выходов, где q ≤ 6 · k, блока преобразования сигнала соединены с q управляющими входами блока преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что замкнутый объем датчика ускорения выполнен в виде сферы. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что замкнутый объем датчика ускорения выполнен в виде центрально-симметричного многогранника. 4. Устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что инерционное тело выполнено в виде шара. 5. Устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что инерционное тело выполнено в виде центрально-симметричного многогранника. 6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что инерционное тело выполнено полым. 7. Устройство по любому из пп.4 - 6, отличающееся тем, что инерционное тело выполнено из двух и более немагнитных материалов. 8. Устройство по любому из пп.4 - 7, отличающееся тем, что инерционное тело выполнено из немагнитного материала с большой диэлектрической проницаемостью. 9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источник магнитного поля выполнен в виде постоянного магнита. 10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что постоянный магнит выполнен в виде замкнутой поверхности, охватывающей замкнутый объем с магнитной жидкостью и размещенными на его поверхности проводящими элементами. 11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник магнитного поля выполнен в виде электромагнита. 12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник магнитного поля выполнен в виде комбинации электромагнитов и постоянных магнитов. 13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введено несколько источников магнитного поля, расположенных вблизи имеющихся источников магнитного поля. 14. Устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что проводящие элементы, образующие конденсаторы, расположены симметрично относительно пространственной оси датчика ускорения. 15. Устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что проводящие элементы, образующие конденсаторы, расположены под углом друг к другу. 16. Устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что проводящие элементы образуют конденсаторы таким образом, что один проводящий элемент является общим для двух конденсаторов. 17. Устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что форма проводящих элементов повторяет форму замкнутого объема датчика ускорения в месте их расположения. 18. Устройство по любому из пп.1 - 3, 17, отличающееся тем, что проводящие элементы выполнены путем напыления проводящего материала на поверхность замкнутого объема датчика ускорения. 19. Устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что проводящие элементы выполнены в виде плоских пластин, закрепленных на поверхности замкнутого объема датчика ускорения. 20. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок преобразования сигнала содержит m-канальный АЦП, вычислитель, последовательный интерфейс, преобразователь уровней и регистр, n входов которого являются цифровыми входами блока преобразования сигнала, при этом q цифровых выходов регистра являются управляющими выходами блока преобразования сигнала, m аналоговых входов которого являются входами упомянутого АЦП, выход которого соединен двунаправленной шиной с вычислителем, регистром и последовательным интерфейсом, вход и выход которого подключены соответственно к выходу и входу преобразователя уровня, вход и выход которого являются входом и выходом блока преобразования сигнала. 21. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал содержит последовательно соединенные генератор и коммутатор, m выходов которого являются аналоговыми выходами блока преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал, 6 · k аналоговых входов блока преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал являются входами коммутатора, q управляющих входов которого являются управляющими входами блока преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал. 22. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутое подключение устройства к ЭВМ осуществляется с помощью линии связи, при этом устройство полностью размещено в корпусе. 23. Устройство по п.22, отличающееся тем, что линия связи выполнена в виде радиоканала, приемник которого расположен в корпусе ЭВМ, выход приемника подключен к ЭВМ через интерфейсное устройство, обеспечивающее сопряжение ЭВМ с выходом приемника, приемная антенна расположена на корпусе ЭВМ, а в корпусе устройства расположена другая антенна, соединенная с выходом передатчиками аккумулятор, зарядные контакты которого расположены на наружной поверхности корпуса устройства и соединены с входами питания передатчика и блока преобразования сигнала, выход которого соединен с входом передатчика. 24. Устройство по п.23, отличающееся тем, что радиоканал выполнен двунаправленным. 25. Устройство по п.1, отличающееся тем, что датчик ускорения, блок преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал и переключатели размещены в корпусе, а блок преобразования сигнала размещен в ЭВМ, при этом соединение выходов блока преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал с аналоговыми входами блока преобразования сигнала и выходов переключателей с цифровыми входами блока преобразования сигнала осуществляется с помощью линии связи, выполненной в виде многожильного кабеля, а упомянутое подключение устройства к ЭВМ осуществлено непосредственно. 26. Устройство по одному из пп.22, 23 и 25, отличающееся тем, что корпус устройства выполнен малогабаритным, помещающимся в руке оператора, причем датчик ускорения жестко закреплен в корпусе таким образом, что ось Х датчика ускорения направлена вперед, ось Y - вправо, а ось Z - вверх, кроме того, переключатели размещены на поверхности корпуса с возможностью расположения на них пальцев оператора. 27. Устройство по п.1, отличающееся тем, что переключатели размещены в отдельном корпусе, а упомянутая связь выходов переключателей с цифровыми входами блока преобразования сигнала осуществляется с помощью многожильного кабеля. 28. Устройство по одному из пп.22 и 25, отличающееся тем, что корпус расположен стационарно, а датчик ускорения выполнен с возможностью перемещения относительно корпуса посредством кинематической связи с управляющими органами, расположенными по трем взаимно перпендикулярным осям. 29. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что один из переключателей предназначен для выполнения индицирования использования устройства оператором. 30. Устройство по п.21, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введено i датчиков ускорения, предназначенных для размещения на перемещающемся в пространстве объекте, а в коммутатор блока преобразования реактивного сопротивления в электрический сигнал введено 6 · k · i ключей, имеющих q · i управляющих входов, которые подключены к дополнительным q · i выходам блока преобразования сигнала.