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 [1, 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.
(i-1)
i
i
i
i
m
Известна кодовая шкала для ЦПУ по патенту RU 2497275 С1 от 27.10.2013 г., МПК Н03М 1/24, авторы: Ожиганов А.А., Прибыткин П.А., Канышева О.П., Павлов В.В., Шубарев В.А. - [3], содержащая 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 периодов двоичной последовательности, вдоль каждой из информационных кодовых дорожек размещены по два считывающих элемента с угловым шагом кратным δ=360°/4, за исключением кратности 4δ, где δ величина кванта i-й информационной кодовой дорожки, а δ 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.
Достоинством кодовой шкалы 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 недостатком - неоднозначность считывания со шкалы кодовых комбинаций.
Неоднозначность считывания информации с КШ, рассмотренной в [3], вызвана тем, что считывание информации с такой шкалы может происходить с ошибками. Это объясняется тем, что шкалы изготавливаются с определенными погрешностями, а считывающие элементы устанавливаются в пределах некоторого допуска. Наличие погрешностей приводит к тому, что при переходе от одного кванта шкалы к другому, т.е. при переходе от одного кода числа к соседнему, считывающие элементы различных разрядов зафиксируют это не одновременно. Неодновременность считывания на границах квантов приводит к ошибкам неоднозначности, которые могут достичь в некоторых случаях значительной величины [1, 2].
(i-1)
m-1
m
m-i-1
m-i-2
m
m
m
m-1
m
i
i+1
m
Наиболее близким по техническому решению и выбранному авторами за прототип является «Кодовая шкала» для ЦПУ по патенту RU 2560782 от 20.08.2015 г., авторы: Ростовский К.М., Прибыткин П.А., Ожиганов А.А. - [4], 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 периодов двоичной последовательности, n=2m считывающих элементов и m двухвходовых сумматоров по модулю два, выходы первого и второго считывающих элементов, размещенных вдоль m-й информационной кодовой дорожки, соединены соответственно с первым и вторым входом m-го двухвходового сумматора по модулю два, причем выход m-го двухвходового сумматора по модулю два и выход первого считывающего элемента, размещенного на m-й информационной кодовой дорожке, являются соответственно n-м и (n-1)-м выходами кодовой шкалы, (m-1) дополнительных считывающих элементов, (m-1) ПЗУ на пять входов и два выхода, вдоль m-й информационной кодовой дорожки размещены два считывающих элемента с угловым шагом (1+4k)δ, при k=0, 1, 2, 3, …, (4-1), где δ=360°/4 - величина кванта m-й информационной кодовой дорожки и одновременно величина кванта кодовой шкалы, причем первый считывающий элемент m-й информационной кодовой дорожки размещен точно в начало отсчета кодовой шкалы, вдоль i-й информационной кодовой дорожки размещены три считывающих элемента с угловым шагом (3δ)4, где i=m-1, m-2, …, 2, 1, причем первый считывающий элемент (m-1)-й информационной кодовой дорожки размещен со смещением относительно начала отсчета кодовой шкалы на величину Δ=0,5δ по ходу часовой стрелки, а первые считывающие элементы i-x информационных кодовых дорожек размещены со смещением относительно начала отсчета кодовой шкалы на величину Δ=Δ+δ4, для i=m-2, …, 2, 1, по ходу часовой стрелки, выходы первого, второго и третьего считывающих элементов, размещенных вдоль i-й информационной кодовой дорожки, где i=m-1, m-2, …, 2, 1, соединены соответственно с третьим, четвертым и пятым входами i-го ПЗУ, где i=m-1, m-2, …, 2, 1, выходы первого и второго считывающих элементов, размещенных вдоль m-й информационной кодовой дорожки, соединены соответственно с первым и вторым входами (m-1)-го ПЗУ, первый и второй выходы i-го ПЗУ, где i=m-1, m-2, …, 2, соединены соответственно с первым и вторым входами i-го ПЗУ, где i=m-2, …, 2, 1, а также соединены соответственно с первым и вторым входами i-го двухвходового сумматора по модулю два, где i=m-1, m-2, …, 2, первый и второй выходы первого ПЗУ соединены соответственно с первым и вторым входами первого двухвходового сумматора по модулю два, выходы всех двухвходовых сумматоров по модулю два, первые выходы всех ПЗУ, а также выход первого считывающего элемента, размещенного вдоль m-й информационной кодовой дорожки, являются выходами кодовой шкалы и в сумме определяют ее выходную разрядность n.
Достоинством прототипа является то, что он позволяет обеспечить универсальность применения кодовой шкалы 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 прототипа является сложность, обусловленная его увеличенными габаритами за счет использованием в n - разрядной кодовой шкале m кодовых дорожек и избыточного числа считывающих элементов.
В предлагаемом изобретении решается задача упрощения кодовой шкалы в плане уменьшения ее габаритных размеров за счет использованием в n-разрядной кодовой шкале всего трех кодовых дорожек и меньшего числа считывающих элементов с сохранением всех функциональных возможностей прототипа.
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, два двухвходовых сумматора по модулю два и  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, 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 , третий, четвертый и пятый считывающие элементы размещены вдоль второй информационной кодовой дорожки с угловым шагом 3δ, снабжена первым мультиплексором 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 первого мультиплексора является (n-3)-м выходом кодовой шкалы, а также вторым мультиплексором с  входами, первым, вторым, третьим и четвертым управляющими входами и  выходами, причем первый и второй управляющие входы соединены соответственно с выходами первого и второго считывающих элементов, а третий и четвертый управляющие входы соединены соответственно с первым и вторым выходами первого мультиплексора, декодером с  выходами, которые являются одновременно 1, 2, …,  выходами кодовой шкалы, и m входами, соединенными соответственно с m выходами второго мультиплексора, а первая информационная кодовая дорожка кодовой шкалы выполнена в соответствии с символами двоичной последовательности де Брейна, вдоль которой с угловым шагом 15δ размещены  считывающих элементов, выходы которых соединены соответственно с  входами второго мультиплексора, первый считывающий элемент первой информационной кодовой дорожки, а также первый считывающий элемент второй информационной кодовой дорожки установлены со смещением относительно начала кодовой шкалы на величину 0,5δ против хода часовой стрелки.
Новым в предлагаемом изобретении является:
- снабжение кодовой шкалы декодером, а также первым и вторым мультиплексорами;
- выполнение первой информационной кодовой дорожки шкалы в соответствии с символами двоичной последовательности де Брейна;
- размещение вдоль первой информационной кодовой дорожки  считывающих элементов с угловым шагом 15δ;
- установка первого считывающего элемента первой информационной кодовой дорожки, а также первого считывающего элемента второй информационной кодовой дорожки со смещением относительно начала кодовой шкалы на величину 0,5δ против хода часовой стрелки;
- организация соответствующих связей между всеми элементами кодовой шкалы.
Совокупность существенных признаков в предлагаемом изобретении позволила получить технический результат, а именно упростить кодовую шкалу в плане уменьшения ее габаритов за счет использованием в n-разрядной кодовой шкале всего трех кодовых дорожек и меньшего числа считывающих элементов 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 чертежами, где на фиг. 1 показана линейная развертка семиразрядной кодовой шкалы, а на фиг. 2 - эпюры напряжений, снимаемые со считывающих элементов в диапазоне от нуля до 360° с дискретизацией 0,5δ. На фиг. 3 - фотоэлектрический цифровой преобразователь угла с заявляемой кодовой шкалой (изделие ОАО «Авангард» ПФ-ДЭ-18-160). На фиг. 4 - изделие по фиг. 3 в разобранном виде. На фиг. 5 - функциональная схема двухвходового сумматора по модулю два. На фиг. 6 - таблица истинности двухвходового сумматора по модулю два.
Заявляемая кодовая шкала содержит первую информационную кодовую дорожку (КД) - (1), вторую информационную КД (2), третью информационную КД (3), считывающие элементы (4)…(12), первый мультиплексор с первым, вторым и третьим входами, первым и вторым управляющими входами и первым и вторым выходами (13), второй мультиплексор с первым, вторым, третьим и четвертым входами, первым, вторым, третьим и четвертым управляющими входами и первым, вторым и третьим выходами (14), два сумматора по модулю два с первым и вторым входами (15) и (16), а также декодер с первым, вторым и третьим входами и первым, вторым и третьим выходами (17). На фиг. 3…5 обозначены (18) - корпус фотоэлектрического цифрового преобразователя угла с заявляемой кодовой шкалой; (19) - полый (трубчатый) вал вращения подвижного растра; (20) - диафрагма с нанесенным рисунком растра (неподвижный растр): (21) - оправа (фиксатор) фотоприемников; (22) - электронная плата с фотоприемниками.
7
Поясним вариант построения кодовой шкалы, приведенной на фиг. 1, для n=7 и δ=360°/2=360°/128=2,8125°. За начало отсчета шкалы приняты кодовые комбинации 100010000 и 000000000.
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 де Брейна 00011101 с длиной периода . Способ построения последовательностей де Брейна с различной длиной периода можно найти в доступной литературе, например, в [5]. 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) и (7) вдоль информационной КД (1) осуществляется с шагом, равным величине пятнадцати квантов кодовой шкалы δ по ходу часовой стрелки, причем СЭ (4) размещен со смещением относительно начала кодовой шкалы на величину 0,5δ=1,40625° против хода часовой стрелки.
На фиг. 1 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=8 периодов последовательности. В примере размещение СЭ (8), (9) и (10) вдоль информационной КД (2) осуществляется с шагом, равным величине трех квантов кодовой шкалы 5 по ходу часовой стрелки, причем СЭ (8) размещен со смещением относительно начала отсчета кодовой шкалы на величину 0,5δ=1,40625° против хода часовой стрелки.
На фиг. 1 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=32 периода последовательности. В примере размещение СЭ(11) и (12) вдоль информационной КД (3) осуществляется с шагом, равным величине одного кванта кодовой шкалы δ по ходу часовой стрелки, причем СЭ(11) 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 7.
Фиксируя СЭ(4)…(12) последовательно кодовую комбинацию, при перемещении КШ циклически на 0,5δ=1,40625°, например, против хода часовой стрелки, получаем девятиразрядные кодовые комбинации, которые соответствуют угловым положениям шкалы в диапазоне от 0° до 360°.
В примере для приведения девятиразрядного кода, полученного со СЭ, в обычный двоичный код, используются первый (15) и второй (16) сумматоры по модулю два с первым и вторым входами, первый мультиплексор (13) с первым, вторым и третьим входами, первым и вторым управляющими входами, а также первым и вторым выходами, второй мультиплексор (14) с первым, вторым, третьим и четвертым входами, первым, вторым, третьим и четвертым управляющими входами и первым, вторым и третьим выходами, а также декодер с первым, вторым и третьим входами и первым, вторым и третьим выходами (17).
В табл. 1 приведена таблица истинности первого мультиплексора (13).
В табл. 2 приведена таблица истинности второго мультиплексора (14).
В табл. 3 приведена таблица истинности декодера (17).
Девятиразрядные кодовые комбинации, а также кодовые комбинации с выходов первого и второго мультиплексоров приведены в табл. 4 (см. также фиг. 2). В последнем столбце табл. 4 приведен необходимый десятичный эквивалент выходного кода шкалы.
Анализ табл. 4 показывает, что в предлагаемом изобретении задачу устранения неоднозначности считывания информации с КШ удалось решить посредством формирования со Шкалы однозначно декодируемого девятиразрядного кода. В свою очередь, такой код формируется за счет соответствующего (нового по сравнению с прототипом) размещения на шкале всех девяти СЭ.
В табл. 5 приведены результаты сравнения КШ по числу КД и необходимом числе СЭ при различной разрядности шкалы (прототипа и предлагаемого изобретения) с использованием методов устранения неоднозначности считывания со шкалы информации.
Анализ табл. 5 показывает, что в предлагаемом изобретении задачу упрощения кодовой шкалы в плане уменьшения ее габаритов удалось решить за счет использованием в n - разрядной кодовой шкале всего трех кодовых дорожек и меньшего числа считывающих элементов с сохранением всех функциональных возможностей прототипа. Причем выигрыш по числу кодовых дорожек и СЭ становится более значительным с увеличением разрядности КШ. В рассматриваемом примере эта задача решена за счет использования 9 вместо 11 СЭ и трех вместо четырех кодовых дорожек.
В предлагаемом изобретении с КД (3) посредством считывающих элементов (11) и (12), а также с первого и второго выходов первого мультиплексора (13) 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 (15) и второй (16) двухвходовые сумматоры по модулю два. Таблица истинности двухвходового сумматора по модулю два и его функциональная схема приведены соответственно на фиг. 5 и фиг. 6.
На вход первого (15) сумматора по модулю два поступают сигналы со СЭ(11) и (12), на вход второго (16) сумматора по модулю два поступают сигналы с выходов первого мультиплексора (13). На выходе СЭ(11) на первом выходе первого мультиплексора (13) и на выходах первого (15) и второго (16) двухвходовых сумматоров по модулю два формируются четыре младших разряда выходного кода шкалы в обычном двоичном коде. Причем с выхода первого (15) сумматора формируется младший (седьмой) разряд кода, со СЭ(11) - шестой разряд кода, с выхода сумматора (16) - пятый разряд кода, с первого выхода первого мультиплексора (13) - четвертый разряд кода. Первый (старший), второй и третий разряды выходного кода шкалы в обычном двоичном коде формируются на выходах декодера (17).
Эти семиразрядные выходные кодовые комбинации шкалы в обычном двоичном коде приведены в табл. 6.
Таким образом, в предлагаемом изобретении решена задача упрощения кодовой шкалы в плане уменьшения ее габаритов за счет использования в n -разрядной кодовой шкале всего трех кодовых дорожек и меньшего числа считывающих элементов 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 2497275 С1 от 27.10.2013, МПК Н03М 1/24, авторы: Ожиганов А.А., Прибыткин П.А., Канышева О.П., Павлов В.В., Шубарев В.А.
4. Кодовая шкала. Патент RU 2560782 от 20.08.2015 г., МПК Н03М 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.