Устройство для считывания графической информации Советский патент 1982 года по МПК G06K11/00 

1

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть нспольэовано для ввода графической и&формации в электронные вычислительные MaimfHbi.

По octroBHOMy авт. св. № 877584 известно устройство, содержащее планшет с установленными на нем точечными преемниками сигналов, подключенными через соответствующие усилители-формирователи «о ко входам коммутатора, выход которого соединен с -одним из входов вычитателя частот,. подключенного ко входу интегра тора, состоящего из блока синхронгоации, счетчика, интегрирующего узла, двухts

ключей, узла сравнения кодов, делителя частоты и прерывателя сигнала, последовательно соединенные вычислитель координат, узел контроля и блок вывода информации, визир-излучатель, подключен- .20 ный к усилителю, генератор опорный импульсов, соединенный с делителем частоTi i п с одним V3 входов преобразователя код-фоэп, другой вход которюго подключен к выходу интегратора, а выход ко второму Екоду вычитателя частот, де: тектор знака ошибки, соединенный с дополнительным выходом узла контрогш в с управляющим входом генератора опорных импульсов, и блок управления, вход которого подключен к выходу делителя частоты, а выходы соединены с соо- ветствующими управляющими входами коммутатора, вычислителя координат, блока вывода информации и интегратора, второй управляющий вход которого подклк чен к другому выходу делителя частоты 1.

Однако в этом устройстве при изменении частоты генератора опорных импульсов, с целью компенсации погрешиоотий при считывании информации, Еызыве. емых колебаниями скорости звука в зависимости от температуры, давления и влажности воздуха, юменяется также и частота твэлучаемого сигнала. При этом, в цепи ввзир-взлучатель-приемник сигна., ла-усилитель-формирователь возникает фазовая погрешность, поскольку фаза сигнала на выходе любой механической и длектрической колебательной системы зависит от частоты возбуждающего сиг|Нала. Эта погрешность не может быть к(м 1пенстфована за счет частотной jmi стройки, так как путем взменения чаототы устраняются погрешности кодов расстояний от точки излучения до точек приема ультразвуковых сигналов, пропо{ цийнальные величинам расстояний, в то время как фазовые погрешности для каждого иэ трех определяемых расстояний приблизительно одинаковы. На практике это приводит к снижению точности устройства, особенно при необходимости работы в широком диапазоне изменения тилпературы, .давления и влажности воздуха. Целью изобретения является повышение точности устрой«агва. Указанная цель достигается тем, что в известное устройство введены элемент памяти и дополнительные генератор им.-г пульсов, делитель частоты и коммутатор, причем дополнительный генератор импуль сов соединен с усилителем излучаемого сигнала через дополнительный делитель частоты, установочные входы которого подключены к выходам основного делителя частоты, установочные входы Цемента памяти соединены с соответствующим выходом интегратора и вычитателя чаотот, входы дополнительного коммутатора соединены соответственно с выходами детектора знака ошибки, элемента памяти и блока управления, а выход - с управляющим входом генератора опорных импульсов. На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для считывания графической информации; на фиг. 2 - временная дтшграмма сигналов устройства. Устройство (фиг. 1) содержит планще 1, свободно перемещаемый втсир-излучатель 2 и акустически связанные с ним ч рез воздух три точечных приемника 3 сигналов. Расстояние между соседними приемниками 3, фиксированными на плавигете 1 на прямой линии, равно 4- . С выходом генератора 4 опорных импульсов через делитель 5 частоты соединены уст новочные входы дополнительного делителя 6 частоты, выход которого подключен к усилителю 7 взлучателя, а второй вход и дополнительному генератору 8 импульсов. Выходы приемников 3 через ycwr тел«-формирователи 9 и коммутатор 10 соединены со входом вычитатеяя 11 час тот, ылход которого соединен с другим его вход ом .через последовательно включенные интегратор 12 и преобразователь 13 код-фаза. Счетный вход преобразователя 13 хгодключен к генератору 4. Второй вход интегратора 12 соединен с выходом делителя 5, а ковторгоду его выходу последовательно подключены вычислитель 14-координат, узел 15 контроля и блок 16 вывода информации. Детектор 17 знака ошибки и элемент 18 памяти через дошм нительный коммутатор 19 соединены с управляющим входом генератора опорных импульсов, причем вход детектора 17 подключен к другому выходу узла 15, а установочные входы элемента 18 памяти соединены с выходом вычитателя частот и .соответствующим выходом интегратора 12. Блок 2О управления соединен с выходом делителя 5 и со входами коммутатора 1О,, интегратора 12, вычислителя 14, блока 1. 16 и дополнительного коммутатора 19. Устройство работает следующим образом. Объект кодирования-график, чертежкрепят на плашиете 1 (фиг. 1). При включении питания устройства запускаются генератор 4 опорных импульсов и неси хронизированный с ним, стабилизированный ,по частоте дополнительный генератор 8 импульсов. Сигнал генератора 4 через делитель 5 и блок 20 управления обеспечивает синхронизацию всех вычислительных блоков, в то время как сигнал генератора 8 через дополнительный делитель 6, управляемый делителем 5, и усилитель 7 синхрони;зирует работу юлучателя 2, приемников 3 и усилителей-формироватэлей 9 на фиксированной частоте, выбран -: ной с учетом необходимой точности и помехозащищенности устройства. На-временной диаграмме (фаг. 2) показаны сигналы на входах и выходе дополнительного делителя 6 : высокочастотный сигнал генератора 8 (фиг. 2а) и усташ )вочный сигнал от делителя 5 (фиг. 26), разрешающий работу делителя 6 и обеспечивающий заданную начальную фазу его выходного сигнала, показанного на фиг. 2в. Таким образом, сигнал на выходе д&лителя 6 представляет собой пакеты ил пульсов, частота заполнения которых опр&делева частотой сигнала генератора 8, а частота повторения - частотой сигнала генератора 4 и коэффициентом деления делителя 5, причем частоты заполневвя и повторения не кратны между собой, по- скольку генератор 8 стабилизирован по частоте, а частота сигнала генератора 4 завнсвт от сигнала, поступающего m его управляющий вход. В то же время начальная фаза сигнала, поступаюаего с выхода делителя 6 на усилитель 7, привязана к моменту начала формирования гакета импу льсов за счет утфавляющего сигнала от делителя 5. Делитель 6 выполняет четыре футеции: понижает частоту сигнала ген&ратора 8 до частоты излучаемого сигнала прерывает сигнал, поступающий на излу чатель; синхронизирует момент начала из лучения с сигналом генератора 4 и делит ля 5, т.е. с работой всех вычислительных блоков; обеспечивает первоначальную фазо вую настройку устройства (например, за счет смены перемычек на установочных входах триггеров делителя 6). Длительность пакета импульсов выбт рается с учетом инерционности излучат&ля 2, приемника 3 и усилителя 9 и дл1 тельности одного цикла работы группового интегратора 1-2. Расстояние между двумя пакетами, излученными в прост ранстве, примерно равно максимальному . удалению визира-излучателя 2 от пр емников 3 в пределах планшета 1. При этом отражен№1е сигналы не оказывают заметного влияния на точность работы устройства. Приемншси 3 обнаруживают излучение в пространство пакеты импульсов. На фиг. 2 г временной диаграммы изображен сигнал на выходе линейной части усилт теля-формирователя 9, а на фиг. 2д . сигнал на выходе детектора нуля, явпякьщегося выходом этого усилителя. Коммутатор 1О по сигналам блока 20 перин одически поочередно подключает вьгходы усилителей-формирователей 9 к вычитателю 11 частот. Время подключения каждого канала должно быть не менее одного периода сигнала в пакете. :В основе работы устройства лежит явление Доштлера: излучатель движется, а приемтоси сигналов неподвижны. При этом частоты сигналов на выходах преемников 3 получают допплеровские сдвиги Разностные (допплеровские) частоты, представляклцие скорости излучателя V относительно приемнтпсов, и интегралы or них по. времени, представляющие расстояния В (т 1,2,3 - номер приемки ка) от излучателя 2 до приемников 3, определяются в процессе работы колька фазовой автоподстройки, составленного из вычитагеля 11 частот, являющегося фазовым детектором интегратора 12 и преобразователя 13 код-фаза. Для правильиого вычиспеюш сасстояний 5 го необходи666« ма первоначальпая правильная подстройка частоты генератора 4. Это выполняется прн положении вкзира-излучателя 2 в точке привязки О, фиксированной на планшете 1 вблизи одного то приемников 3. При нажатии на кнопку -Сброс, входящую в блок 2О управления, в регистр интегратора 12 заносятся величины и одновременно производится подстройка частоты генератора 4 в следующем порядке. По величинам д в регистре групповог го интегратора преобразователя код-фаза формирует сигналы, передние фронты которых имеют задержку по фазе, пропо{ - . пиональные кодам младших разрядов (т.е. кодам юоответствующих фаз). На фиг. 2е показан сигнал на выходе преобразователя 13 ко/ -фаза, соответст вующий, например, величине KJQ . Этот сигнал сравнивается по фазе с принятым, усиленным и сформированным прямоугол ным сигналом (фиг. 2д). Сравнение происходит на вычитателе 11 частот, выхо: ной сигнал которого изображен на фиг. 2ж. В качестве вы читателя 11 частот ИСПОЛЕ зован D -триггер, на информационный вход которого поступает принятый сигнал, а на переключающий вход - сигнал от преоб разователя 13 код-фаза. Сигналы, показанные на фиг. 2д, е, соответствуют одному приемнику (каналу), в то время как на выходах коммутатора 1О и преобразователя 13 происходит периодическая поочередная смена сигналов, соответствующих трем приемникам 3 и трем величинам е , , Бг, Как показано на фиг. 2д и е при вклю.. чении устройства фронты принятого и восстановленного из кода сигнала в общем случае не будут совпадать. Это объясняется произвольными значениями в момент включения как скорости звука, зависящей от температуры, давления и влажности воздуха, так и частоты генератора 4 (сигнал которого поступает на счетный вход преобразователя 13 код-фаза и, сл&довательно, определяет фазовый сдвиг восстановленного из кода сигнала). За де{1жка t от момента излучения одного из vnvtпyльcoв пакета до момента приема .того нмпульса (фиг. 6д) равна . v-.c.H) где Р 30 расстояние,, например, до его приемника; Vjgj- скорость звука. С другой стороны, задержка t- от момента )еиия того же щлпульса до момента формтфовавия переанего фронта сигнала, соответствующего Cjo на выходе преобразователя 13 код-фаза (фнг. бе) равна ,с , (1) ТОЙ где л t ,. величина кванта устройств гом частота генератора опорны импульсов, в момент включ ния устройства. Изменяя соответствующим образом частоту PQJ. , можно добиться того, чтобы равенство (2) перешло в равенство (1), чему будет соответствовать совпадение фронтов принятого и восстановленного сигналов на фиг.. 2д и 2е. При этом частоты генератора 4 опорных импульсов будет равна величине ТОЙ- а - частота генератора опорных импульсов после окончания подстройки частоты, когда квант примет заданное значение. Изменение частоты гои производится при пуске устройства в работу путем воз действия сигнала с выхода вычитателя 11 частот на управляющий вход Генератора 4 опорных импульсов. При этом с помощью коммутатора 19 и элемента 18 памяти, управляемого сигналом с соответствующего выхода интегратора 12, с выхода вычитателя 11 частот при нажатой кнопке Сброс отбирается информация, относящаяся только к одному приемнтасу 3 ультразвука, а именно, приемнику ближайшему к точке привязки О. В соответствии с управляющим сигналом с выхода вычитателя 11 частот изменяется чаотота frcH 2з). Изменение {-ои Р водит к тому, что фронт восстановленного сигнала на выходе преобразователя 13 . код-фазаподтягивается до фронта при- нимаемого сигнала (фиг. 2и). Тем самым процесс первоначальной подстройки частоты генератора 4 опорных импульсов закан чивается. Этот процесс можно также описать одной H3.j№yx возможных последова-тельностей состояний вычитателя 11 частот, соответствующих -,о, а именно, 111111 1 110101... ОООООО...0001О10... Таким образом, процесс подстройки при нажатой кнопке Сброс заканчивает ся колебанием частоты генератора 4 опорных импульсов около некоторого зна-чения f го,, бл«зкого к оптимальному в смысле погрешностей кодов считываемой информации. Эта подстройка частоты не является окончательной и служит лишь для правильного захвата по фазе сигналов, соответ. ствуюогах всем трем каналам устройства. Для захвата-ло фазе сигнала,-соответст вующего РЗО достаточно чтобы первонагчальное рассогласование принятого и воостано ленного фронтов не превышало no«i вины длины волны излучаемого сигнала (например, 4 мм). Такое рассогласование для 64 мм соответствует измененшо температуры воздуха от -20° до . Именно таким становится температурный диапазон работы предлагаемого устройства - приблюетельно вчетверо более, чем у известнош) устройства. После того, как произведена подстройка для расстояния o- рассогласования фронтов принятых и восстановленных ск1 налов для 22. становятся заведомо меньше половины длины волны и проиоходит правильный захват по фазе и этих сигналов, т.е. количество длин волн излучаемого сигнала, укладывающихся на расстояниях 2-10 70 30 точности равно указанным величинам. Второй этап частотной подстройки наьчинается с момента отпускания кнопки Сброс и протекает в течение всего времени работы устройства. При этом коммутатор 19 передает на управляющий вход генератора 4 опорных импульсов сигнал с выхода детектора 17 знака ошибки. Этот сигнал (1 или О) определяет знак контрольной суммы Е, которая вычисляется узлом 15 контроля по информации, поступающей от вычислителя 14, и выражает известное правило лелограма - сумма квадратов сторон равна сумме квадратов диагоналей (фиг. 1): --Ь-.( 1L 1U L При правильном захвате сигналов по фазе сумма Е колеблется около нуля, а ее знак указывает направление частот ной подстройки генератора 4 опорных импульсов. Интегрирование знака Е, осуществляемое в генераторе 4 опорных импуль сов, и управление частотой в соответствии с величиной интеграла от управляющего воздействия обеспечивает стабильную и точную работу устройства практически при любых характеристиках воздуха. Вычисление расстояний Р , в Q, , Р проюводится путем непрерывного отслеживания фвз принятых сигналов. При этом на вычитателе 11 частот, сравниваются фазы сигналов приемников 3, соответст вукяаих 6-му циклу работы устройства, с фазами сигналов, восстановленных из кодов и поэтому соответствующих 1 1-му пиклу. Результаты такого сравнения в виде сигналов 1 или О ( -я фаза меньше i 1-ой фазы или больше ее) суммируются интегратором 12 лишь в ра бочие циклы, когда пакеты излученных импульсов достигают приемников 3. из каждого пакета сравнивается с положением фронта восстановленного сигнала положение фронта одного единственного импульса. При таком способе сл&жения за фазой не играет роли тот факт, что излучаемый сигнал несинхронен с сигналом, восстанавливаемым из кода. Интегратор 12 фазы производит двойное цифровое интегрированиесигналов вычитателя 11 частот: определяются скорости Y , V2 : V визира-излучателя относительно приемников 3 и интегралы от них - расстояния f , i, Конрроль правильности функционирования всех трех каналов, начиная от излучения сигнала .и кончая вычислением величин Р f . Р , 6 , необходимых для получения координат считываемых точек, осуществляется путем слежения за величиной контрольной суммы Е, определяемой равенством (3). Если величина Е превысит заданный порог, выдача кодов координат будет блокирована. Благодаря двойному интегрированию сигналов вычитателя частот обеспечивает. ся Необходимое быстродействие устройств (допустима скорость перемещения визира 2 до 2 м/с), несмотря на прерывистый характер излучаемого сигнала и на то, что вз пакета сигналов берется один един ственный измеряемый фронт. Прямоугольные координаты поверхнооти планшета в предлагаемом устройстве вычисляются по формулам -1 /р1 АГ+ JJL) . - F(i)T(-) 1 х которые реализуются в вычислителе 14. Начальные значентш координат устанавливаются в вычислителе 14 сигналом от блока 20 одновременно с установкой Е е Q, зо Координаты могут выдаваться на перфоратор или в ЭВМ в режиме разового считывания отдельных точек, сч б бё1р тывания непрерьювых кривых с выдачей кодов через заданные приращения координат и |)ежиме считывания случайной информации путем совмещения визира-излучателя 2с клетками меню, размещенными на краю планшета 1. Эти режимы осущест ляет блок 16, управляемый блоком 2О. Использование в схеме устройства элемента 18 памяти и дополнительных гене ритора 8 импульсов, делителя 6 частоты и коммутатора 19 обеспечивает отсут ствие фазовых погрешностей и, следовательно, повышает точность- работы устройства при любых колебаниях характериотик воздушной среды, так как излучение и прием сигналов происходит на стабилизированной частоте, а компенсация измене НИИ скорости звука в воздухе обуществля ется только за счет подстройки частоты генератора опорных импульсов. Кроме того, обеспечивается работа устройства при правильной первоначальной подстройке частоты генератора 4 опорных импульсов в диапазоне, не менее, чем - 2О - + 50° С, в то время как в взвеотном устройстве рабочий температурный диапазон менее, чем вчетверо. Увеличдаается надежность устройства, так как становится возможным использование резонансного режима р&боты излучателя и приемников сигналов. В известном устройстве использование такого режима приводит к чрезмерно большим погрешностям, так как изменение фазы колебательной системы, в зависимости от частоты, особенно велико в точке резонанса. В резонансном режиме сигналы на выходах приемников 3 формируются в 1О-2О раз больше по амплитуде, что обеспечивает лучшую устойчивость устройства против акустических шумов, а резонансный режим работы позволяет значительно увеличить размеры планшета уст:ррйства и использовать его, например, на плазах. Формул а.изобретения Устройство для считывания графической информации по авторскому свидетельству СССР № : 877584;, отличающееся тем, Что, с целью повышения точности, оно .содержит элемент памяти и дополиительные генератор импульсов, делитель частоты и коммутатор, причем, дополнительный генератор импульсов со&дчнен с усилителем излучаемого сигнала через дополнительный делитель частоты, установочные входы которого подключены к выходам основного делителя частоты, установочные входы елемента памяти соединены с соответствующим выходом инт&hpaTopa и вычитатела частот, входы допол нительного коммутатора соединены соот. ветственно с выходами детектора знака опгабкИс элемента памяти и блока управ9669 ления, а выход - с управляющим входом генератора опорных импульсов. Источники информапви, пр1инятые во внимание при-експертюе 1. Авторское свидетельство СССР № 877584, кл. -G Об К 11/ОО, ,02.07.79 (прототип).

0

жлжгиш

б

г -sr

firuriiriiuinfijumimjifin

--5§

-Т1

--vvvWI/V