Стенд-тренажер для оптомеханической визуализации кодирования сигналов и математических функций передачи сигнала Российский патент 2023 года по МПК G09B9/00 

Изобретение относится к области обучения школьников и студентов основам передачи данных – кодирования и декодирования сигналов, передаваемых по беспроводным каналам связи.

На сегодняшний день в данной области существует несколько разновидностей обучающих стендов. К первому относятся стенды, направленные на изучение электрических цепей, схем, работе с электронными компонентами и микросхемами, где сигналы используются в качестве визуализации. Ко второму – программные и виртуальные стенды для непосредственной работы с сигналами, их обработки и изучению. Прототипами изобретения являются лабораторные стенды по изучению сигналов, применяемые в радиофизических практикумах. В частности, ближайшим аналогом является полезная модель Учебный стенд по электронике (Пат. RU 167 945 U1, Российская Федерация, МПК G09B 23/18 (2006.01), Учебный стенд по электронике /Дё Ден Бок, Радионов Дмитрий Валерьевич, Патентообладатель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный государственный университет путей сообщения" (ДВГУПС) - Заявка: 2016119970, 23.05.2016; опубл. 12.01.2017, Бюл. №2), который представляет собой аппаратно-программный комплекс, моделирующий работу с сигналами при физическом изменении электрических схем. В данном комплексе изменение сигналов используется как способ визуализации при работе с различными электрическими схемами в целях обучения работе с электронными компонентами. Аналогом в области работы с кодированием и декодированием сигнала является лабораторный стенд "Блочное кодирование" SECURITY-БК ООО НПП ''Учтех-Профи'' http://labstand.ru/catalog/setevaya_bezopasnost/laboratornyy_stend_blochnoe_kodirovanie_zi_bk, который также представляет собой устройство для обучения работе с кодированием и декодированием сигнала, на котором возможна только программная модуляция сигналов. Наряду с программно-аппаратными стендами в данной области существуют виртуальные аналоги, например, стенд – Виртуальный стенд исследования дискретизации сигналов. Е. Березкин, Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Москва, Россия - http://sv-journal.org/2014-3/08/ru/index.php?lang=ru – представляет собой симулятор для наблюдения сигналов в разных точках на виртуальном осциллографе.

Основной технической проблемой в данной области является отсутствие учебных тренажеров, с возможностью одновременной электрической и механической модуляциями сигналов и управляемым программно-аппаратным наведением помех, а также способных визуализировать математические функции передачи сигнала. Отличительным от аналогов представленного изобретения является электрическая модуляция сигналов, управляемая интенсивностью оптических ИК-излучателей, и механическая модуляция сигналов, которая осуществляется через физически устанавливаемые перед ИК приемниками элементы с определенными видами прорезей, создающими контролируемые помехи для передачи сигналов.

Сущность изобретения заключается в создании модульного вариативного автоматизированного стенда-тренажера, осуществляющего оптомеханическую амплитудную и частотную модуляцию интенсивности ИК-сигнала с аппаратным выводом данных для обучения работе с аналоговыми и цифровыми сигналами, низкоуровневыми протоколами, современными системами кодирования, с возможностью визуализировать математические функции передачи сигнала. Техническое решение представляет собой модульную конструкцию, которая состоит из платформы и устанавливаемых на нее блоков-энкодеров (блоки оптических энкодеров), блока основной передачи и блоков-передач. Подключение платформы осуществляется через внешний блок питания с выходным напряжением 12 В. Управление осуществляется через компьютер и отображение сигналов выводится на монитор.

Аппаратно-управляющая платформа стенда - основание, обеспечивающее аппаратное управление стендом. Платформа представляет собой объемный параллелепипед, внутри которого размещены управляющие платы и двигатель, ось которого выведена на наружную поверхность платформы (фиг.1). Усиленная стальная верхняя поверхность платформы позволяет фиксировать на ней блоки оптических энкодеров и блоки-передач, сцепление которых передает момент движения с двигателя на шестеренки, осуществляя механическую модуляцию сигнала. Точность позиционирования блоков определяется равномерной сеткой отверстий в верхней поверхности платформы, позволяющей дискретно изменять положение блоков, а также дополнительной системой магнитного крепления блоков-энкодеров и блоков-передач. Возможность изменять положение блоков позволяет менять конфигурацию системы, что расширяет многообразие задач и вариантов их решения.

Блоки-энкодеров являются оптомеханические формирователи сигнала (фиг.2). Электрическая модуляция осуществляется управлением интенсивностью излучения оптических излучателей. Для механической модуляции сигнала используются съемные установочные элементы в виде шестерней с прорезями различной формы, изменяющих интенсивность ИК - сигнала при вращении шестеренок. Каналы передачи данных обладают слабыми собственными помехами, и значительными программно-наведенными. Блоки-энкодеров представляют собой отдельные от платформы элементы, со встроенными платами ИК-оптопар - светодиодов и фотодиодов (2 на фиг.2), и разъёмами для подключения блоков к управляющим платам (3 на фиг.2). Платы светодиодов и фотодиодов расположены внутри корпусов блоков-энкодеров. Установочные элементы размещаются на валу блока-энкодера закреплением на вал-крепление. Вращение шестеренок осуществляется за счет движения передаваемое с двигателя, расположенного внутри платформы. Стабильное вращение вала блока-энкодера обеспечивается за счет установки подшипников в корпус блока-энкодера (1 на фиг.2). Базовый набор блоков-энкодеров, содержащих по одной ИК оптопаре в каждом блоке, что позволяет работать с базовым набором установочных элементов для решения задач с одной парой ИК приемников-передатчиков. Расширенный набор блоков-энкодеров, содержащих по три ИК оптопары в каждом блоке, что позволяет более глубоко работать с аналоговыми сигналами и их корреляционными функциями, в частности для работы с дополнительными наборами установочных элементов, со специальными прорезями, рассчитанными на три пары ИК-приемников – передатчиков.

Установочные элементы выполнены в виде шестерней с прорезями различной формы и размеров. Последовательность прорезей на шестернях может быть сделана таким образом, чтобы выявить наиболее важные аспекты в решаемой задаче или в комплексе задач.

Базовый набор установочных элементов - набор из трех шестерней с различными диаметрами (фиг.3). Прорези и стенки на шестернях данного набора представляют код Хемминга различной длины. По рисунку прорезей на каждой шестерне определяют код Хемминга: элемент с наименьшим угловым размером – прорезь или стенка имеют смысл ‘0’ или ‘1’. Последовательность может читаться как по часовой, так и против часовой стрелки, признаком того, что сигнал определен верно является отсутствие ошибок в закодированном сигнале. На шестернях начало кодовой последовательности отмечено радиальной линией.

Расширенный набор установочных элементов - набор из трех шестерней с прорезями, представляющими код Хемминга, имеющих одинаковый диаметр и прорези с апертурой по высоте, рассчитанной на три светодиода блоков-энкодеров (фиг.4). Эти шестерни являются стартовыми для более сложных заданий, которые позволят работать с формой фронта и мощностью сигнала. Этот комплекс задач рассчитан на более глубокое понимание формы сигналов, фронтов и переходных характеристик, которые имеют огромное значение для низкоэнергетичных каналов связи.

Для визуализации математических функций передачи сигнала разработан дополнительный набор установочных элементов, который представляет собой набор из трех шестерней с прорезями имеющих различную геометрическую форму, имеющих одинаковый диаметр и прорези с апертурой по высоте, рассчитанной на три светодиода блоков-энкодеров (фиг.5).

Блоки передач – съемные блоки механической передачи, обеспечивающие возможность смены видов передач для изменения моментов движения (фиг.6). Блоки оснащены системой крепления, позволяющей использовать базовый набор передач, а также изготавливать новые виды передач с использованием технологий 3D прототипирования.

Блок основной передачи - блок с системой крепления передач, позволяющей передавать и менять момент движения, оснащенный системой конических шестеренок, для передачи момента вала двигателя на систему шестеренок.

Чертежи и изображения устройства:

фиг.1 - Общий чертеж корпуса платформы,

фиг.2 - Общий чертеж корпуса блока-энкодера,

фиг.3 - Общий чертеж установочных элементов (базовый набор),

фиг.4 - Общий чертеж установочных элементов (расширенный набор),

фиг.5 - Общий чертеж установочных элементов (дополнительный набор),

фиг.6 - Общий чертеж корпуса блока передач,

фиг.7 - Общий вид стенда.

Осуществление изобретения решено в Стенде «Оптомеханической визуализации кодирования сигналов». Материал корпусов платформы и блоков – композиционного материала с алюминиевой наружной поверхностью, верхняя поверхность платформы имеет сквозные отверстия, предназначенные для установки на платформу блоков оптических энкодеров и блоков передач. Поверх верхней поверхности платформы установлена укрепляющая пластина. Материал пластины – сталь. Пластина имеет отверстия, повторяющие отверстия верхней поверхности платформы. Платформа оснащена шаговым двигателем, с выведенным наружу корпуса валом, для закрепления на нем ответной части системы конических шестеренок блока основной передачи. Разъемы для подключения блоков-энкодеров к платформе выведены на заднюю панель платформы. Стенд включает в себя два набора блоков-энкодеров - блоки с системой, включающей передатчики (ИК-светодиоды) и приемники сигнала (ИК-фотодиоды), а также оснащенные креплением для установки дополнительных установочных элементов (шестеренок). Блоки оснащены валом и муфтами для сменного крепления установочных элементов. Материал изготовления установочных элементов выбран непрозрачный черный пластик. Также стенд включает блок основной передачи и три блока передач, оснащенных валом и муфтами для крепления передач, а также системой магнитного крепления, обеспечивающей фиксацию блоков на платформе стенда. Помимо аппаратного решения стенд имеет специально разработанной ПО и отдельно разработанный методический комплекс. Общий вид стенда представлен на фиг.7.

Стенд делает наглядными и доступными вопросы на стыке математики, программирования, физики и управления сложными системами, позволяя изучать:

• Элементы теории сигналов. Исследование формы аналоговых сигналов с возможностью их формирования. Изучение спектральных и корреляционных характеристик.

• Помехоустойчивое кодирование. Работа с помехоустойчивым кодом Хемминга.

• Обработка, анализ данных и численные методы. Знакомство с корреляционный и автокорреляционным анализом. Обратные задачи на восстановление формы сигналов.

• Конструирование и прототипирование. 3D моделирование, изготовление установочных элементов и передач с аппаратной функциональной проверкой.

• Управление и синтез сигнала.

Изобретение относится к области обучения школьников и студентов основам передачи данных – кодирования и декодирования сигналов, передаваемых по беспроводным каналам связи. Технической проблемой является отсутствие учебных тренажеров, с возможностью одновременной электрической и механической модуляциями сигналов и управляемым программно-аппаратным наведением помех, а также способных визуализировать математические функции передачи сигнала. Сущность изобретения заключается в создании модульного вариативного автоматизированного стенда-тренажера, осуществляющего оптомеханическую амплитудную и частотную модуляцию интенсивности ИК-сигнала с аппаратным выводом данных для обучения работе с аналоговыми и цифровыми сигналами, низкоуровневыми протоколами, современными системами кодирования, с возможностью визуализировать математические функции передачи сигнала. 8 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Модульный вариативный автоматизированный обучающий стенд-тренажер для оптомеханической визуализации кодирования сигналов и математических функций передачи сигнала, включающий компьютер для осуществления программного управления стендом, аппаратно-управляющую платформу, блоки-энкодеров со встроенными платами ИК-приемников и ИК-передатчиков с возможностью электрической модуляции сигналов за счет программно-аппаратного управления интенсивностью их излучения, блок основной передачи и блоки-передач с возможностью смены видов передач, отличающийся тем, что конструкция блоков-энкодеров позволяет осуществлять механическую модуляцию сигнала за счет использования съемных установочных элементов в виде шестерней с прорезями различной формы, механически изменяющих интенсивность ИК-сигнала при вращении шестерней на валу блоков-энкодеров за счет передачи на них движения с двигателя платформы.

2. Стенд-тренажер по п.1, отличающийся тем, что аппаратно-управляющая платформа в виде объемного параллелепипеда, имеет усиленную стальную верхнюю поверхность со сквозными отверстиями, предназначенными для установки на платформу блоков оптических энкодеров и блоков передач с точностью позиционирования, определяемой равномерной сеткой отверстий, позволяющей дискретно изменять положение блоков, а также дополнительной системой магнитного крепления блоков-энкодеров и блоков-передач.

3. Стенд-тренажер по п.1, отличающийся тем, что включает базовый набор блоков энкодеров, содержащих по одной ИК оптопаре в каждом блоке, что позволяет работать с базовым набором установочных элементов для решения задач с одной парой ИК приемников-передатчиков.

4. Стенд-тренажер по п.1, отличающийся тем, что включает расширенный набор блоков-энкодеров, содержащих по три ИК оптопары в каждом блоке, что позволяет работать с аналоговыми сигналами и их корреляционными функциями, в частности для работы с дополнительными наборами установочных элементов, со специальными прорезями, рассчитанными на три пары ИК приемников-передатчиков.

5. Стенд-тренажер по п.1, отличающийся тем, что включает базовый набор установочных элементов в виде трех шестерней различных диаметров с прорезями и стенками на шестернях, представляющими код Хемминга различной длины.

6. Стенд-тренажер по п.1, отличающийся тем, что включает расширенный набор установочных элементов в виде трех шестерней с прорезями, представляющими код Хемминга, имеющих одинаковый диаметр и прорези с апертурой по высоте, рассчитанной на три светодиода блоков-энкодеров.

7. Стенд-тренажер по п.1, отличающийся тем, что включает дополнительный набор установочных элементов для визуализации математических функций передачи сигнала в виде трех шестерней с прорезями, имеющих различную геометрическую форму, имеющих одинаковый диаметр и прорези с апертурой по высоте, рассчитанной три светодиода блоков-энкодеров.

8. Стенд-тренажер по п.1, отличающийся тем, что включает блоки передач с системой крепления, позволяющей использовать базовый набор передач, а также изготавливать новые виды передач с использованием технологий 3D прототипирования.

9. Стенд-тренажер по п.1, отличающийся тем, что включает блок основной передачи с системой конических шестеренок для передачи момента вала двигателя на систему шестеренок и с системой крепления передач, позволяющей передавать и менять момент движения.