Кодовая шкала
CODE SCALE

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к аналого-цифровому преобразованию, а именно к кодовым шкалам цифровых преобразователей угла.
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 ЭВМ и различных вычислительных устройств на основе микропроцессорных и других БИС и СБИС.
В целом к этому классу изделий, отличающемуся большим разнообразием, предъявляется совокупность самых различных и, как правило, высоких технических требований.
Анализ литературных источников:
- Домрачев В.Г., Мейко Б.С. Цифровые преобразователи угла: принципы построения, теория точности, методы контроля. - М.: Энергоатомиздат, 1984. 328 с. - [1],
- 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. - [2],
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 (600…1000 об/мин), высокая разрешающая способность (до 20 дв. раз.), устойчивость к воздействию внешних дестабилизирующих факторов, возможность удовлетворения различным условиям применения, возможность функционального преобразования перемещения в код и др. 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 будем понимать 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.
Известна кодовая шкала для ЦПУ по патенту RU 2560782 C1 от 20.08.2015 г., МПК H03M 1/24, авторы: Ростовский К.М., Прибыткин П.А., Ожиганов А.А. - [3].
Достоинством такой КШ является то, что она позволяет обеспечить универсальность ее применения в составе устройств систем управления и вычислительной техники, осуществляющих обработку информации в обычном двоичном коде, а также устранить неоднозначность считывания со шкалы кодовых комбинаций.
Недостатком КШ является сложность, обусловленная ее увеличенными габаритами за счет использованием в n-разрядной кодовой шкале m кодовых дорожек и избыточного числа считывающих элементов.
Наиболее близким по техническому решению и выбранному авторами за прототип является кодовая шкала для ЦПУ по патенту RU 2612622 от 09.03.2017 г., МПК H03M 1/24, авторы: Ростовский К.М., Прибыткин П.А., Ожиганов А.А. - [4].
Достоинством прототипа является то, что он позволяет построить на своей основе n разрядную КШ с использованием всего трех КД, т.е. выполнить шкалу в меньших габаритах.
Недостатком прототипа является низкая технологичность, обусловленная тем, что для КШ любой разрядности СЭ вдоль первой информационной КД размещаются только с угловым шагом 15δ, где δ - разрешающая способность (квант) КШ. Поскольку реальные СЭ имеют конечные размеры, то при их размещении с шагом в 15 квантов они при увеличении разрешающей способности шкалы влекут за собой также увеличение и ее габаритов.
В предлагаемом изобретении решается задача повышения технологичности КШ с сохранением всех функциональных возможностей прототипа. Технологичность повышается за счет более равномерного размещения вдоль первой информационной КД  считывающих элементов с угловым шагом более 15 квантов шкалы (практически СЭ размещаются с постоянным шагом вдоль всей окружности шкалы).
Для достижения технического результата (сущность изобретения) кодовая шкала, содержащая первую информационную кодовую дорожку, выполненную в соответствии с символами двоичной последовательности с длиной периода , вторую и третью информационные кодовые дорожки, выполненные в соответствии с символами двоичной последовательности 0011, причем вторая информационная кодовая дорожка выполнена в соответствии с символами N периодов двоичной последовательности 0011, а третья информационная кодовая дорожка выполнена в соответствии с символами 4N периодов двоичной последовательности 0011,  считывающих элементов, первый и второй считывающие элементы размещены вдоль третьей информационной кодовой дорожки с угловым шагом (1+4k)δ, при k=0,1,2,3,…, где  - величина кванта кодовой шкалы, причем первый считывающий элемент установлен точно в начало кодовой шкалы, третий, четвертый и пятый считывающие элементы размещены вдоль второй информационной кодовой дорожки с угловым шагом 3δ, остальные  считывающих элементов размещены вдоль первой информационной кодовой дорожки, два двухвходовых сумматора по модулю два, выходы первого и второго считывающих элементов соединены соответственно с первым и вторым входами первого двухвходового сумматора по модулю два, причем выход первого двухвходового сумматора по модулю два и выход первого считывающего элемента являются соответственно n-м и (n-1)-м выходами кодовой шкалы, а выход второго двухвходового сумматора по модулю два является (n-2)-м выходом кодовой шкалы, где , мультиплексор с тремя входами, соединенными с выходами третьего, четвертого и пятого считывающих элементов, первым и вторым управляющими входами, соединенными соответственно с выходами первого и второго считывающих элементов, с первым и вторым выходами, соединенными соответственно с первым и вторым входами второго двухвходового сумматора по модулю два, причем второй выход мультиплексора является (n-3)-м выходом кодовой шкалы, декодер, где первая информационная кодовая дорожка выполнена в соответствии с символами последовательности, полученной из двоичной последовательности де Брейна путем циклической выборки из нее символов с шагом m, где , при , вдоль которой с угловым шагом  размещены  считывающих элементов, первый и второй входы декодера соединены соответственно с первым и вторым выходами мультиплексора, третий и четвертый входы декодера соединены соответственно с выходами первого и второго считывающих элементов, остальные  входов декодера соединены соответственно с выходами  считывающих элементов,  выходов декодера являются 1,2, …, n-4 выходами кодовой шкалы, третий считывающий элемент установлен со смещением относительно начала кодовой шкалы на величину 15,5δ по ходу часовой стрелки, а первый считывающий элемент первой информационной кодовой дорожки установлен со смещением относительно начала кодовой шкалы на величину 0,5δ по ходу часовой стрелки.
Новым в предлагаемом изобретении является:
- выполнение первой информационной кодовой дорожки шкалы в соответствии с символами последовательности, полученной из двоичной последовательности де Брейна путем циклической выборки из нее символов с шагом m, где , при ;
- размещение вдоль первой информационной кодовой дорожки  считывающих элементов с угловым шагом ;
- установка первого считывающего элемента первой информационной кодовой дорожки со смещением относительно начала кодовой шкалы на величину 0,5δ по ходу часовой стрелки;
- установка третьего считывающего элемента со смещением относительно начала кодовой шкалы на величину 15,5δ по ходу часовой стрелки;
- организация соответствующих связей между всеми элементами кодовой шкалы.
Совокупность существенных признаков в предлагаемом изобретении позволила получить технический результат, а именно: повысить технологичность КШ с сохранением всех функциональных возможностей прототипа.
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 фотоэлектрических ЦПУ.
Предлагаемое изобретение поясняется фигурами, где:
На фиг. 1 представлен пример информационной кодовой дорожки шкалы (в виде таблицы 1), построенной в соответствии с символами двоичной последовательности 0000110010111110, с длиной периода .
На фиг. 2 - а) таблица истинности двухвходового сумматора по модулю два (таблица 3); б) - его функциональная схема.
На фиг. 3 показана линейная развертка восьмиразрядной кодовой шкалы.
На фиг. 4 - увеличенное изображение линейной развертки восьмиразрядной кодовой шкалы по фиг. 3, где а) правая часть линейной развертки, б) левая часть линейной развертки.
На фиг. 5 - эпюры напряжений, снимаемые со считывающих элементов в диапазоне от нуля до 360° с дискретизацией 0,5δ.
Заявляемая кодовая шкала содержит первую информационную кодовую дорожку (КД) - (1), вторую информационную КД (2), третью информационную КД (3), считывающие элементы (4)…(13), два сумматора по модулю два с первым и вторым входами (14) и (15), мультиплексор с первым, вторым и третьим входами, первым и вторым управляющими входами и первым и вторым выходами (16), а также декодер с девятью входами и четырьмя выходами (17).
Поясним вариант построения кодовой шкалы, приведенной на фиг. 3 и фиг. 4, для , n=8 и. За начало отсчета шкалы принята кодовая комбинация 0000110000.
Пассивные участки шкалы (нули последовательности) оставлены на чертеже белыми, а активные (единицы последовательности) - зачернены.
В примере информационная КД (1) шкалы построена в соответствии с символами двоичной последовательности 0000110010111110, с длиной периода . Данная последовательность получена из последовательности де Брейна 0000100111101011 путем циклической выборки из нее символов с шагом  (см. таблицу 1 на фиг. 1).
Способ построения последовательностей де Брейна с различной длиной периода можно найти в доступной литературе, например, в статье: Ожиганов А.А., Захаров И.Д. Применение последовательностей де Брейна для построения псевдорегулярных кодовых шкал // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2012. №2 (78). с. 69…74. - [5]. Полученная последовательность должна быть нанесена на шкалу в виде пассивных (нули последовательности) и активных (единицы последовательности) участков (квантов) информационной КД(1), например, по ходу часовой стрелки, причем на информационную КД(1) шкалы наносится только один период последовательности. В примере размещение СЭ (4), (5), (6), (7) и (8) вдоль информационной КД(1) осуществляется с угловым шагом  по ходу часовой стрелки, причем СЭ (4) размещен со смещением относительно начала кодовой шкалы на величину 0,5δ=0,703125° по ходу часовой стрелки.
2
На фиг. 3 и фиг. 4 вторая информационная КД (2) шкалы построена в соответствии с символами двоичной последовательности 0011. При этом последовательность должна быть нанесена на КШ в виде пассивных (нули последовательности) и активных (единицы последовательности) участков (квантов) информационной КД (2), например, по ходу часовой стрелки, причем на информационную КД (2) шкалы наносятся N=16 периодов последовательности. В примере размещение СЭ (9), (10) и (11) вдоль информационной КД (2) осуществляется с угловым шагом Δ=3δ=4.21875° по ходу часовой стрелки, причем СЭ (9) размещен со смещением относительно начала отсчета кодовой шкалы на величину 15,5δ=21,79688° по ходу часовой стрелки.
3
На фиг. 3 и фиг. 4 третья информационная КД (3) шкалы построена в соответствии с символами той же двоичной последовательности, что и вторая. При этом последовательность должна быть нанесена на КШ в виде пассивных (нули последовательности) и активных (единицы последовательности) участков (квантов) информационной КД (3), например, по ходу часовой стрелки, причем на информационную КД (3) шкалы наносятся 4N=64 периода последовательности. В примере размещение СЭ (12) и (13) вдоль информационной КД (3) осуществляется с шагом Δ=5δ=7,03125° (k=1) по ходу часовой стрелки, причем СЭ (12) размещен без смещения точно в начало отсчета кодовой шкалы.
В нашем примере суммарная выходная разрядность кодовой шкалы, обеспечиваемая первой (1), второй (2) и третьей (3) информационными КД при рассмотренном выше размещении СЭ, будет равна 8.
Фиксируя СЭ(4)…(13) последовательно кодовую комбинацию, при перемещении КШ циклически на 0,5δ=0,703125°, например, против хода часовой стрелки, получаем 512 десятиразрядных кодовых комбинаций, которые соответствуют 256 угловым положениям шкалы в диапазоне от 0° до 360°.
Эти кодовые комбинации, а также выходные кодовые комбинации мультиплексора и декодера приведены в таблице 2.
Анализ таблицы 2 показывает, что в предлагаемом изобретении задачу устранения неоднозначности считывания информации с КШ удалось решить, как и в прототипе, посредством формирования со шкалы, однозначно декодируемого десятиразрядного кода. В свою очередь, такой код формируется за счет соответствующего размещения на восьмиразрядной шкале с тремя кодовыми дорожками десяти СЭ.
В предлагаемом изобретении, с КД (3) посредством считывающих элементов (12) и (13), а также с первого и второго выходов мультиплексора (16) формируются кодовые комбинации вида 00, 01, 11 и 10, представляющие собой двухразрядный циклический код (код Грея).
Для обеспечения универсальности применения КШ (как и в прототипе) в составе устройств систем управления и вычислительной техники, осуществляющих обработку информации в обычном двоичном коде, в КШ использованы первый (14) и второй (15) двухвходовые сумматоры по модулю два. Таблица истинности двухвходового сумматора по модулю два (таблица 3) и его функциональная схема приведены на фиг. 2.
На вход первого (14) сумматора по модулю два поступают сигналы со СЭ (12) и (13), на вход второго (15) сумматора по модулю два поступают сигналы с выходов мультиплексора (16). На выходе СЭ (12), на втором выходе мультиплексора (16) и на выходах первого (14) и второго (15) двухвходовых сумматоров по модулю два, формируются четыре младших разряда выходного кода шкалы в обычном двоичном коде. Причем, с выхода первого (14) сумматора формируется младший (восьмой) разряд кода, со СЭ (12) - седьмой разряд кода, с выхода сумматора (15) - шестой разряд кода, со второго выхода мультиплексора (16) - пятый разряд кода.
В таблице 4 приведена таблица истинности мультиплексора (16).
Декодер (17) осуществляет преобразование девятиразрядного кода, поступающего на его входы в четырехразрядный обычный двоичный код (последние 4 столбца табл. 2). На первый и второй входы декодера поступают сигналы с первого и второго выхода мультиплексора соответственно, на третий и четвертый его входы поступают сигналы соответственно с первого (12) и второго (13) СЭ, а на пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый входы декодера поступают сигналы соответственно с первого (4), второго (5), третьего (6), четвертого (7) и пятого (8) СЭ, размещенных на первой кодовой дорожке.
Таким образом, в примере для приведения десятиразрядного кода, полученного со СЭ, в обычный восьмиразрядный двоичный код используются первый (14) и второй (15) сумматоры по модулю два с первым и вторым входами, мультиплексор (16) с первым, вторым и третьим входами, первым и вторым управляющими входами, а также первым и вторым выходами, а также декодер с девятью входами и четырьмя выходами (17). Технически декодер может быть выполнен с использованием ПЗУ или ПЛМ на девять входов и четыре выхода.
В таблице 5 приведены результаты сравнения вариантов размещения СЭ вдоль первой информационной КД шкалы (прототипа и предлагаемого изобретения).
Анализ таблицы 5 показывает, что в предлагаемом изобретении реализация всей совокупности существенных признаков позволила более равномерно разместить вдоль первой информационной КД  считывающих элементов с угловым шагом более 15 квантов шкалы (практически СЭ размещаются с постоянным шагом вдоль всей окружности шкалы). При этом достигнуто увеличение шага размещения от трех раз для восьми разрядной шкалы (рассмотренный в заявке пример) до триста раз в случае шестнадцати разрядной шкалы.
В таблице 6 приведены восьмиразрядные выходные кодовые комбинации шкалы в обычном двоичном коде.
Таким образом, в предлагаемом изобретении решена задача повышения технологичности КШ с сохранением всех функциональных возможностей прототипа.
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. Кодовая шкала. Патент RU 2560782 C1 от 20.08.2015 г., МПК H03M 1/24, авторы: Ростовский К.М., Прибыткин П.А., Ожиганов А.А.
4. Кодовая шкала. Патент RU 2612622 от 09.03.2017 г., МПК H03M 1/24, авторы: Ростовский К.М., Прибыткин П.А., Ожиганов А.А., - прототип.
5. Ожиганов А.А., Захаров И.Д. Применение последовательностей де Брейна для построения псевдорегулярных кодовых шкал // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2012. №2(78). С. 69-74.