КОДОВАЯ ШКАЛА Российский патент 2013 года по МПК H03M1/24 

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 микро ЭВМ и различных вычислительных устройств на основе микропроцессорных и других больших и сверхбольших интегральных схем.

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 (300…900 об/мин), высокая разрешающая способность (до 20 и более двоичных разрядов), устойчивость к воздействию внешних дестабилизирующих факторов, возможность удовлетворения различным условиям применения, возможность функционального преобразования перемещения в код и другие. 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 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.

Известно [1, 2], что фотоэлектрический метод считывания информации обеспечивает наивысшую разрешающую способность преобразования, большое быстродействие, дает возможность реализовать в ЦПУ многие высокие эксплуатационные характеристики и надежность.

Современные малогабаритные высоко разрядные 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 % 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 k_χ. 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, ухудшая их технологичность. Особенно этот недостаток проявляется в ФЦПУ.

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

Известна также кодовая шкала для ЦПУ, маска которой выполнена в обычном двоичном коде [1, 2]. 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 габариты и масса КШ, в основном определяемые диаметром шкалы, с увеличением разрядности возрастают.При этом, как следствие, ухудшается технологичность такой шкалы.

Наиболее близкой по техническому решению и выбранной авторами за прототип является кодовая шкала для ЦПУ, содержащая т информационных кодовых дорожек и n=2m считывающих элементов, где все информационные кодовые дорожки выполнены в соответствии с символами двоичной последовательности 0011 длиной 4, причем i-я информационная кодовая дорожка (i=1,2,…, mm) 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 величина кванта i-ой информационной кодовой дорожки, a δ_m одновременно величина кванта кодовой шкалы, выходы n считывающих элементов определяют выходную разрядность кодовой шкалы [3].

Прототип позволяет повысить технологичность КШ, по сравнению с КШ, маска которой выполнена в обычном двоичном коде, за счет двукратного уменьшения ее габаритов. При этом в прототипе сохраняются все преимущества, присущие исключительно кодовым шкалам с регулярным рисунком кодовых дорожек.

Недостатком прототипа является то, что он не универсален при использовании. Информация с устройства - прототипа снимается в виде псевдоциклического двоичного кода, тогда как большинство устройств систем управления и вычислительной техники, в составе которых предполагается использование кодовой шкалы, осуществляют обработку информации в обычном (позиционном) двоичном коде.

В предлагаемом изобретении решается задача обеспечения универсальности применения кодовой шкалы в составе устройств систем управления и вычислительной техники, осуществляющих обработку информации в обычном двоичном коде.

Для достижения технического результата кодовая шкала, содержит т информационных кодовых дорожек и n=2 т 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^(n-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, а δ_m т 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.

Новым в предлагаемом изобретении является снабжение кодовой шкалы m двухвходовыми сумматорами по модулю два и их использование совместно со СЭ для преобразования псевдоциклического двоичного кода в обычный двоичный код.

Совокупность существенных признаков в предлагаемом изобретении позволила обеспечить универсальность применения кодовой шкалы в составе устройств систем управления и вычислительной техники, осуществляющих обработку информации в обычном двоичном коде.

В результате этого можно сделать вывод о том, что предлагаемое изобретение обладает изобретательским уровнем и позволяет получить технический результат.

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 чертежом, где показана линейная развертка шестиразрядной кодовой шкалы.

Заявляемая кодовая шкала содержит информационную кодовую дорожку 1, вторую информационную кодовую дорожку 2, третью информационную кодовую дорожку 3, считывающие элементы 4-9 (n=6), три (m=3) двухвходовых сумматора по модулю два 10-12.

Поясним вариант построения кодовой шкалы, приведенной на чертеже.

В примере информационная кодовая дорожка 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 кодовой дорожки 1, например, по ходу часовой стрелки, причем на информационную кодовую дорожку 1 шкалы наносится только один период последовательности. Последовательность длиной 4 определяет число квантов информационной кодовой дорожки 1 шкалы, которое в данном примере равно 4.

Отсюда величина кванта δ₁=360°/4=90°. В примере размещение СЭ 4 и 5 вдоль информационной кодовой дорожки 1 осуществляется с шагом равным величине одного кванта информационной кодовой дорожки δ₁ по ходу часовой стрелки.

На чертеже вторая информационная кодовая дорожка 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 кодовой дорожки 2, например, по ходу часовой стрелки, причем на информационную кодовую дорожку 2 шкалы наносятся N=4 периода последовательности. Четыре периода двоичной последовательности длиной 4 определяют число квантов второй информационной кодовой дорожки 2 шкалы, которое в данном примере равно 16. Отсюда величина кванта второй информационной кодовой дорожки 2S₂=360°/16=22,5°. В примере размещение СЭ 6 и 7 вдоль информационной кодовой дорожки 2 осуществляется с шагом равным 5δ₂ по ходу часовой стрелки.

На чертеже третья информационная кодовая дорожка 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 кодовой дорожки 3, например, по ходу часовой стрелки, причем на информационную кодовую дорожку 3 шкалы наносятся N=16 периодов последовательности. Шестнадцать периодов двоичной последовательности длиной 4 определяют число квантов третьей информационной кодовой дорожки 3 шкалы, которое в данном примере равно 64. Отсюда величина кванта информационной кодовой дорожки 3 δ₃=360°/64=5,625°. В примере размещение СЭ 8 и 9 вдоль информационной кодовой дорожки 3 осуществляется с шагом равным 5δ₃ по ходу часовой стрелки.

В нашем примере суммарная разрядность, обеспечиваемая первой 1, второй 2 и третьей 3 информационными кодовыми дорожками при рассмотренном выше размещении СЭ, будет равна 6.

Фиксируя считывающими элементами 4-9 последовательно кодовую комбинацию, при перемещении КШ циклически на один элементарный участок (квант) δ₃ третьей информационной кодовой дорожки 3, например, против хода часовой стрелки, получаем 64 различные шестиразрядные кодовые комбинации, которые соответствуют 64 угловым положениям шкалы. Эти кодовые комбинации приведены в табл.1.

В предлагаемом изобретении, с КД 1 посредством считывающих элементов 4 и 5, с КД 2 посредством считывающих элементов 6 и 7, с КД 3 посредством считывающих элементов 8 и 9, формируются кодовые комбинации 00, 01, 11 и 10, представляющие собой двухразрядный циклический код (код Грея). Анализ табл.1 показывает, что все 64 шестиразрядные кодовые комбинации, получаемые с КШ, различны, но представляют собой 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 кодовой шкалы в составе устройств систем управления и вычислительной техники, осуществляющих обработку информации в обычном двоичном коде, КШ снабжена m=3 двухвходовыми сумматорами по модулю два. Таблица истинности двухвходового сумматора по модулю два приведена ниже.

x₁ x₂ y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0

Таблица 1 № пол. КШ Код со СЭ Дес. экв. № пол. КШ Код со СЭ Дес. экв № пол. КШ Код со СЭ Дес. экв № пол. КШ Код со СЭ Дес. экв 1 000000 0 17 010000 16 33 110000 48 49 100000 32 2 000001 1 18 010001 17 34 110001 49 50 100001 33 3 000011 3 19 010011 19 35 110011 51 51 100011 35 4 000010 2 20 010010 18 36 110010 50 52 100010 34 5 000100 4 21 010100 20 37 110100 52 53 100100 36 6 000101 5 22 010101 21 38 110101 53 54 100101 37 7 000111 7 23 010111 23 39 110111 55 55 100111 39 8 000110 6 24 010110 22 40 110110 54 56 100110 38 9 001100 12 25 011100 28 41 111100 60 57 101100 44 10 001101 13 26 011101 29 42 111101 61 58 101101 45 11 001111 15 27 011111 31 43 111111 63 59 101111 49 12 001110 14 28 011110 30 44 111110 62 60 101110 48 13 001000 8 29 011000 24 45 111000 56 61 101000 40 14 001001 9 30 011001 25 46 111001 57 62 101001 41 15 001011 11 31 011011 27 47 111011 59 63 101011 43 16 001010 10 32 011010 26 48 111010 58 64 101010 42

На вход первого (10) сумматора по модулю два поступают сигналы с 4 и 5 СЭ, на вход второго (11) сумматора по модулю два поступают сигналы с 6 и 7 СЭ, на вход третьего (12) сумматора по модулю два поступают сигналы с 8 и 9 СЭ. На выходах СЭ 4, 6, 8 и на выходах двухвходовых сумматоров по модулю два 10-12, формируется обычный шестиразрядный двоичный код. Причем, со СЭ 4 формируется первый (старший) разряд кода, с сумматора 10 - второй разряд кода, со СЭ 6 третий разряд кода, с сумматора 11 - четвертый разряд кода, со СЭ 8 пятый разряд кода, с сумматора 12 - шестой (младший) разряд кода. Эти кодовые комбинации в обычный двоичном коде приведены в табл.2.

Таким образом, в предлагаемом изобретении решена задача обеспечения универсальности применения кодовой шкалы в составе устройств систем управления и вычислительной техники, осуществляющих обработку информации в обычном двоичном коде. С учетом современных достижений в области микроэлектроники для преобразования псевдоциклического двоичного кода в обычный двоичный необходимо всего несколько микросхем средней степени интеграции или одна программируемая логическая интегральная схема.

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. Заявка на изобретение RU 2012104694, приоритет 09.02.2012 Авторы: Шубарев В.А., Ожиганов А.А., Прибыткин П.А., Канышева О.П., Павлов В.В.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к аналого-цифровому преобразованию, и может быть использовано для преобразования угла поворота вала в код. Техническим результатом является обеспечение осуществления обработки информации в обычном двоичном коде. Кодовая шкала содержит 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 δ₁=360°/4ⁱ, за исключением кратности 4δ_i где δ_i величина кванта i-й информационной кодовой дорожки, а δ_m одновременно величина кванта кодовой шкалы, m двухвходовых сумматоров по модулю два. 1 ил., 3 табл.

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, и n=2m считывающих элементов, размещенных вдоль каждой из информационных кодовых дорожек по два считывающих элемента с угловым шагом, кратным δ_i=360°/4ⁱ, за исключением кратности 4δ_i, где δ_i величина кванта i-й информационной кодовой дорожки, а δ_m одновременно величина кванта кодовой шкалы, отличающаяся тем, что кодовая шкала снабжена m двухвходовыми сумматорами 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.