Преобразователь угла поворота вала в код

(51) ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ц".:яГ ътф:г:Гя Р СВИДЕТЕЛ ЬСТ 8 АВТО РС ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(71) Институт электроники АН БССР(56) Авторское свидетельство СССРЬЬ 1305849, кл, Н 03 М 1/24, 1985,Авторское свидетельство СССР(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛА ПОВОРОТАВАЛА В КОД(57) Изобретение относится к автоматике иизмерительной технике и может быть использовано в системах программного управлениястанками, в информационно-измерительныхсистемах промышленных роботов, Цель изобретения - повышение точности преобразователя, а также увеличение диапазонапреобразования, С этой целью в преобразователь угла поворота вала в код, содержащийблок осветителей, измерительный диск 2 сэксцентричными кольцевыми дорожками 1,блок 5 фотоприемников, генератор 7 опроса, усилитель 6,1, шину 8 опбрного напряжения, компаратор 9,1, введены усилитель 6.2, компаратор 9.2 и блок 10 вычислений, блок 5 фотоприемников выполнен в виде линеек 3,4 фотоприемников, причем эксцентричные кольцевые дорожки 1 измерительного диска 2 выполнены в виде двух половин, одна из которых инверсна другой, причем линия инверсии проходит через центр дорожек 1 и центр измерительного диска 2, за счет чего с помощью блока 10 обеспечивается возможность преобразования углов от 0 до 360 О. Выполнение блока 5 фотоприемников в виде линеек 3, 4 с соответствующей обработкой сигналов позволяет использовать в процессе преобразования всю светочувствительную часть блока 5 фотоприемников, увеличить число эксцентричных кольцевых дорожек 1 и их эксцентриситет е, благодарячему увеличивается точность преобразователя. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.Изобретение относится к автоматике и измерительной технике и может быть использовано в системах программного управления станками, в информационно-измерительных системах промышленных роботов,Цель изобретения - повышение точности преобразователя, а также увеличение диапазона преобразования.На фиг. 1 приведена функциональная схема преобразователя угла поворота вала на код; на фиг.2 приведена функциональная схема блока вычислений; на фиг. 3 приведен пример совместной схемы медианного фильтра для трех элементов дискретной двоичной последовательности и устройства выработки и хранения; на фиг. 4 приведены временные диаграммы, поясняющие работу блока вычислений; на фиг, 5 приведена функциональная схема блока вычислений, реализованного в виде микроконтроллера; на фиг. 6 - блок-схема программы получения выходного кода при использовании в нем микроконтроллера.Преобразователь угла поворота вала в код содержит блок осветителей (не показан), эксцентричные кольцевые дорожки 1 измерительного диска 2, линейки 3, 4 фотоприемников, образующие блок 5 фотоприемников, усилители 6-1, 6-2 генератор 7 опроса, шину 8 опорного напряжения, компараторы 9-1, 9-2, блок 10 вычислений. Блок 10 вычислений содержит медианные фильтры 11, 12, устройства 13, 14 выборки и хранения, формирователи 15, 16 импульсов, накапливающие сумматоры 17, 18, счетчик 19, сумматор 20, умножитель 21, буферный регистр 22 и сдвиговый регистр 23.Каждый из медианных фильтров 11, 12 и соответственно устройств 13, 14 выборки и хранения могут быть выполнены на триггерах 24 - 26, элементах 27, 28 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, элементах 29 - 31 И и элементе 32 НЕ.Преобразователь угла поворота вала в код работает следующим образом. Импульсом (фиг, 4 а) начала цикла опроса, поступающим на установочных вход блока 10 вычислений, обнуляются накапливающие сумматоры 17, 28, счетчик 19 и сумматор 20,При вращении измерительного диска 2 оптический сигнал блока осветителей (на фиг, 1 не показан), промодулированный эксцентричными кольцевыми дорожками 1 попадает на линейки 3, 4 фотоприемников. Импульсы опроса генератора 7 опроса поступают на соответствующие входы линеек 3, 4 фотоприемников электрические сигналы на выходах которых, пропорциональные освещенности соответствующих фотопри емников, появляются синхронно с импульсами опроса второй фазы. Импульсы опроса этой же фазы поступают на тактовый вход блока 10 вычислений. Сигналы с выходов линеек 3, 4 фотоприемников, усиливаются соответственно усилителями 6.1, 6.2, и поступают на входы компараторов 9.1, 9,2 соответственно. Последние фиксируют моменты превышения выходными сигналами усилителей 6-1, 6-2 опорного напряжения, поступающего по шине 8. Изменение выходного цифрового кодайК преобразователя определяется выражением 5 10 15 АК = -- Ьсоза,4 епгде Т - период линеек 3, 4 фотоприемников; г - расстояние между центром измерительного диска 2 и центром эксцентричных кольцевых дорожек 11;и - число эксцентричных кольцевых дорожек 1;й - угол поворота измерительного диска 2,и вь 1 числяется по формуле 20 25 ЛК= (й ц+М 2),1=1Ч 30 где Мц и Й 2, - порядковые номера фотоприемников линеек 3, 4, находящихся на пересечении 1-го края эксцентричных кольцевых дорожек 1 (каждая из и дорожек 1 имеет 2 края) с соответствующей линейкой 2, 3, и выходные сигналы которых превышают опорное напряжение Оо,35 40 Для этого синхронно с импульсами опроса второй фазы генератора 7 опроса поступающими на тактовый вход блока 10 вычислений, в медианные фильтры 11, 12последнего поступает информация с выходов компараторов 9-1, 9-2, 1 Ледианные фильтры 11, 12 осуществляют медианную фильтрацию дискретной двоичной последовательно (ад), ) = 1, 2, 2048, поступающей на их входы, т,е, каждый элемент а) входной последовательности заменяется медианой Р 4 элементов(в приведенном примере М = 3), образующих окно медианного фильтра, Медианой дискретной последовательности а 1, а 2 ам для нечетного М является тот ее элемент, для которого существует (й)/2 элементов меньших или равных ему по величине, и (М)/2 элементов, больших или равных ему по величине. Т.о, медианные фильтры 11, 12 представляют собой логические блоки, осуществляющие операциюсоответствующий цифровой код. Накапли- вх вающие сумматоры 17, 18 при появлении на коротких импульсов на их тактовых входах фо (фиг, 4, е) последовательно суммируют циф ровые коды, находящиеся в это время на их 55 ко информационных входах, т,е. "14" + "21" + 20 "28" + "34" (фиг. 4, е, ж), После опроса всех ки фотоприемников в линейках 3, 4 фотопри- Д емников, т,е. при поступлении фиксирован- ин й - 1 М - 1а= гпед(д-( 2 ) а,а 1 ( 2 ) Тактовыми импульсами, поступающими на тактовый вход каждого медианного фильтра 11 и 12 информация, записанная в триггерах 24-26 сдвигается на один разряд вправо. При этом, при каждом сдвиге элементы Исключающее ИЛИ 27, 28 сравнивают информацию триггера 25 соответственно с информацией в триггерах 10 24, 26, Если информация в триггере 25 не равна одновременно информации в триггерах 26, 24, то логический узел на элементах 29-32 инвертирует состояние триггера 25, Если состояние триггера 25 совпадает с со стоянием хотя бы одного из триггеров 24, 26, то оно не изменяется, По каждомутактовому импульсу (фиг, 4, 6) поступающему на тактовый вход блока 10 вычислений, а каждый из медианных фильтров 11, 12 поступа ет очередной элемент дискретной последовательности (фиг 4, в) с выходов компараторов 9-1, 9-2, соответственно. Медианные фильтры 11, 12 подавляют импуль.сные сигналы, длительность которых 25 составляет менее половины ширины окна, т.е. устраняют одиночные ложные сигналы во входной последовательности, вызванные например, дефектными фотоприемниками линеек 3, 4 и другими дестабилизирующими 30 факторами, Ложными сигналами являются, например, импульсы 33 и 34 (фиг, 4, в). Отфильтрованная входная дискретная последовательность (фиг, 4, г) поступает в устройства 13, 14 выборки и хранения, где 35 осуществляется выделение ее огибающей (фиг. 4, д) которая появляется на выходе триггера 26.Сигналы с выходов устройств 13, 14 вы- борки и хранения поступают на входы фор мирователей 15, 16 импульсов, на выходах которых по перепадам входного сигнала формируются короткие импульсы (фиг. 4, е), поступающие на тактовые входы накапливающих сумматоров 17, 18, Счетчик 19 подсчи тывает число импульсов, поступающих на тактовый вход блока 10 вычислений, с начала цикла опроса линеек 3, 4 фотоприемников, и устанавливает на информационных входах накапливающих сумматоров 17, 18 50 ного числа импульсов на тактовый вход блока 10 вычислений, на выходе счетчика 19 появляется импульс, по которому сумматор 20 суммирует цифровые коды, находящиеся на его информационных входах, Полученное значение цифрового кода К умножается в умножителе 21 на коэффициент пропорциональности у = -Т/4 Ь, который записывается предварительно в буферный регистр 22 и результирующее значение является выходной величиной блока 10 вычислений, т.е, измеренным значением косинуса угла поворота вала. Разрядность сдвигового регистра 22 выбирается такой, чтобы к концу цикла опроса линеек 3, 4 фотоприемников в нем находилась информация с нескольких последних (в конкретном случае - пяти) фотоприемников, При выходным сигналам с этих фотоприемников 0000 либо 11111) судят о знаке выходного кода К.При наличии блока 10 вычислений в виде микроконтроллера (фиг. 5), содержащего микропроцессор 35 (МС КР 580 ИК 80), тактовый генератор 36 (МС КП 580 ГФ 24), системный контроллер 37 (МС КП 580 ВК 28) дешифратор 38 адреса (МСК 555 ИД 4), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 39 (МС К 573 РФ 2), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 40 (МС КР 537 РУ 10) и интерфейс 41 ввода-вывода (МС КР 580 ИК 55), получение выходного кода преобразователя осуществляется в соответствии с блок-схемой программы, приведенной на фиг. 6, Выполнение программы блоком 10 вычислений начинается с нулевого адреса ПЗУ 39 после включения питания преобразователя. В блоке 42 программы программируется бИС интерфейса 41 путем записи в ее регистр управляющего слова (РУС) шестнадцатиричной константы "ВДН", при атом канал "А" настроен на ввод, а канал "В" - нэ вывод в режиме "1". В блоке 43 программы обнуляется адрес первой ячейки ОЗУ 40 (А = О), куда будет записана информация с первых фотоприемников линеек 3, 4. Здесь же обнуляется значение цифрового кода ЯОМ = О, В блоке 44 программы происходит ожидание запуска очередного цикла опроса линеек 3, 4 фотоприемников, который происходит при подаче из генератора 7 опроса высокого уровня на установочныйод блока 10 вычислений (КС 7 = 1), После чала очередного цикла опроса линеек 3, 4 топриемников под управлением блоков -48 программы информация с выходов мпараторов 9-1, 9-2, размещается по 48-ми последовательным)начиная с ячейс адресом А = О) ячейкам памяти "Д(0).(2048)" ОЗУ 40, причем запись формации в каждую ячейку памяти ОЗУ40 осуществляется в момент прихода соответствующего импульса опроса второй фазы на тактовый вход блока 10 вычислений, При этом, информация с выходов компараторов 9-1, 9-2 записывается соответственно в 0-ой и 1-ый разряды соответствующей ячейки памяти (состояние выходов "КАО" и "КА 1" интерфейса 41 ввода-вывода коммутируется соответствующей командой микропроцессора 35 на соответствующие разряды "ДО,Д 1" шины данных и записывается во внутренний регистр микропроцессора 35 и далее - в ОЗУ 40). После опроса всех фотоприемников в блоках 49 - 54 программы осуществляется медианная фильтрация 0-го разряда полученного массива данных, а в блоках 55 - 60 программы - медианная фильтрация 1-го разряда с целью устранения ошибочных информационных отсчетов, вызванных наличием разброса чувствительности фотоприемников. В блоках 52-58 программы формируются сигналы ДО(А) и Д 1(А) в соответствии с алгоритмом медианной фильтрации: если значение элемента массива ДО(А) (или Д 1(А не совпадает по значению ни с одним из своих соседей ДО(А + 1), ДО(А - 1) (или Д 1(А + 1), Д 1(А - 1, то указанные элементы массивов инвертируются. Медианная фильтрация крайних ячеек "А = 0", "А = 2047" не производится, фильтрация начинается в ячейки "А = 1" (блок 49 фиг, 6), заканчивается на ячейке с "А = 2046" (блок 54 фиг. 6), В блоках 61 - 67 программы осуществляется вычисление выходного цифрового кода: если значение младшего разряда (ДО (А) или Д 1 (А в ячейке памяти ОЗУ 40 с адресом А не равно его значению в последующей ячейке, то адрес А соответствует номеру фотоприемника, находящегося на границе изображения кольцевой дорожки 1 измерительного диска 2 и он (адрес) суммируется с текущим значением кода БОМ.Далее в блоках 68-69 программы вычисляется значение косинуса угла поворота, для чего из полученного значения кода ЯОМ вычитается константа ЯМО представляющая собой минимальное значение кода ЯОМ, разность домножается на козффициТ ент пропорциональности у = -- . Ве 4 еп личины ЗМО и 7 определяются в процессе калибровки преобразователя.Далее в блоках 70 - 72 программы анализируется состояние младшего разряда ячеек ОЗУ 48, содержимое которых соответствует выходным сигналам с первых и последних пяти фотоприемников линейки 3 фотоприемников. Если содержимое данных разрядов равно О, то измеряемый угол 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 лежит в диапазоне 180-360 и выходному коду присваивается отрицательный знак (блок 72 программы), для отличия от выходного кода в диапазоне углов поворота 0а 1800, Таким образом производится однозначное определение положения линеек 3, 4 фотоприемников относительно измерительного диска 2 в диапазоне 360, В блоке 73 программы полученное значение кода выдается через канал В интерфейса 41 ввода-вы вода на внешн юю информационную шину и программа возвращается к началу цикла опроса линеек 3, 4 фотоприемников - в блок 43 программы. В процессе выполнения программы системный котроллер 37 в соответствии с командой информацией, поступающей из микропроцессора 35, формирует стандартные управляющие сигналы, поступающие в ПЗУ 39, ОЗУ 40, интерфейс 41 ввода-вывода. стробирует передачу данных из микропроцессора 35 и в него. Дешифратор 38 в соответствии с адресом, задаваемым из микропроцессора 35 инициирует тот из элементов блока 10 вычислений (ОЗУ 40. ПЗУ 39 или интерфейс 41), которые в данный момент будут обмениваться данными с микропроцессором 35,ф ор мул а и зоб рете н и я 1, Преобразователь угла поворота вала в код, содержащий блок осветителей, оптически соединенный через эксцентричные кольцевые дорожки измерительного диска с блоком фотоприемников, которые расположены вдоль диаметральной линии измерительногоо диска, входы блока фотоприемников подключены к соответствующим выходам группы выходов генератора опроса, первый выход блока фотоприемников соединен с входом первого усилителя, первый компаратор, первый вход которого подключен к шине опорного напряжения, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности преобразователя, в него введены второй усилитель, второй компаратор и блок вычислений, а блок фотоприемников выполнен в виде двух симметричных относительно центра измерительного диска линеек фотоприемников, одновременные входы линеек фотоприемников обьединены и являются входами блока фотоприемников, выход первой линейки фотоприемников является первым выходом блока фотоприемников, выход второй линейки фотоприемников является вторым выходом блока фотоприемников и соединен с входом второго усилителя, первый вход второго компаратора подключен к шине опорного напряжения, вторые входы первого и второго компараторов подключены к выхо дам соответственно первого и второго компараторов и подключены к выходам соответственно первого и второго усилителей, а выходы соединены с информационными входами блока вычислений, установочный вход которого подключен к выходу генератора опроса, один из выходов группы выходов которого соединен с тактовым входом блока вычислений, выходы которого являются выходами преобразователя. 2. Преобразовательпо и, 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью увеличения диапазона преобразования, в нем эксцент-ричные кольцевые дорожки 5 измерительного диска выполнены в видедвух инверсных относител,чо диаметра измерительного диска, проходящего через центр эксцентричных кольцевых дорожек, половин,1783611 гБ актор Т,Шагова орректор З,Са изводственно-издательск з 4521ВНИИП Составитель Е,БударинТехред М,Моргентал Тираж Подписчое осударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5