Оптоэлектронный цифровой преобразователь угла
OPTOELECTRONIC DIGITAL ANGLE CONVERTER

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в системах контроля и управления подвижными объектами.
Наиболее близким по технической сущности является оптоэлектронный цифровой преобразователь угла (RU 180 963 U1, МПК H03M 1/00 (2006.01), опубликовано 02.07.2018 Бюл. №19).
ПИТ
В известном техническом решении оптоэлектронный цифровой преобразователь угла, содержит измерительный вал с укрепленным на нем кодовым диском, считывающей диафрагмой, группу излучателей оптически соединенных через кодовый и считывающий диски с фотоприемниками, выходы которых последовательно подключены ко входам фотоусилителей, аналоговый ключ, механический переключатель режимов «Диагностика» и «Работа», блок индикации и микроконтроллер, содержащий встроенный аналого-цифровой преобразователь, входы которого присоединены к выходам фотоусилителей и первой ячейке вывода цифрового сигнала, подключенной к управляющему входу аналогового ключа, второй вход, которого присоединен к источнику опорного напряжения U, а выход - к общей точке цепи питания излучателей, причем механический переключатель режимов «Диагностика» и «Работа» подключен ко второй и третьей ячейкам ввода/вывода микроконтроллера, а четвертая и пятая ячейки микроконтроллера подключены к блоку индикации.
Недостатком описанного устройства является недостаточная надежность из-за отсутствия оперативной информации его работоспособности как на этапе изготовления, так и в процессе эксплуатации.
В изобретении решается задача повышения надежности преобразователя за счет использовании метода граничного сканирования для выявления дефектов монтажа основного микроконтроллера на уровне отдельных контактов, а также реализации диагностики измерительных каналов ОЦПУ на уровне отдельных функциональных элементов.
Технический результат достигается за счет того, что устройство, содержит измерительный вал, на котором установлен кодовый диск, источник питания, подключенный к излучателям, каждый из которых оптически соединен через кодовый диск с соответствующими фотоприемниками, подключенными к группе фотоусилителей, выходы группы фотоусилителей присоединены ко входам встроенного аналого - цифрового преобразователя (АЦП) первого микроконтроллера (МК) с JTAG интерфейсом, цифровой многопозиционный ключ, блок контроля тока накачки, набор резисторов, аналоговый ключ, второй микроконтроллер с JTAG интерфейсом, блок индикации, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), первую, вторую и третью ячейки ввода/вывода второго МК, причем управляющие ячейки многопозиционного ключа присоединены к соответствующим цифровым ячейкам первого МК, а выходные ячейки многопозиционного ключа связаны с соответствующими излучателями и параллельно подключены источнику питания через блок контроля тока накачки, информационный выход которого соединен с входной ячейкой АЦП первого МК, верхние по схеме выводы набора резисторов подключены параллельно с выходами фотоприемников ко входам соответствующих фотоусилителей, а их нижние по схеме выводы резисторов параллельно присоединены к выходу аналогового ключа, информационный вход которого связан с источником питания, а управляющий вход - с цифровой ячейкой вывода первого МК, первый и второй микроконтроллеры связаны между собой через ячейки JTAG интерфейса, к первой ячейке ввода/вывода второго МК присоединен блок индикации, ко второй ячейке ввода/вывода второго МК подключено ПЗУ, а третья ячейка носит вспомогательный характер и служит для подключения внешних устройств.
Конструкция предлагаемого оптоэлектронного цифрового преобразователя угла представлена на чертеже, где
- на фиг. 1 представлена функциональная схема устройства;
- на фиг. 2 представлен алгоритм поэлементной диагностики устройства;
- на фиг. 3 таблица соответствия дефектов и сигналов блока индикации.
В состав оптоэлектронного цифрового преобразователя угла, входят измерительный вал 5, на котором установлен кодовый диск 7, источник питания 1, подключенный к излучателям 6, каждый из которых оптически соединен через кодовый диск 7 с соответствующими фотоприемниками 8, подключенными к группе фотоусилителей 9, выходы группы фотоусилителей 9 присоединены ко входам 10 встроенного аналоге -цифрового преобразователя (АЦП) первого МК 11, в который введены цифровой многопозиционный ключ 2, управляющие ячейки 3 которого присоединены к соответствующим цифровым ячейкам 21 первого МК 11, а к выходным ячейкам 4 подключены соответствующие излучатели 6 и источник питания 1 через блок контроля тока накачки 23, информационный выход которого соединен с входной ячейкой АЦП 22 первого МК 11, верхние по схеме выводы набора резисторов 25 подключены параллельно с выходами фотоприемников 8 ко входам соответствующих фотоусилителей 9, а их нижние по схеме выводы параллельно присоединены к выходу аналогового ключа 20, информационный вход которого связан с источником питания 1, а управляющий вход - с цифровой ячейкой 24 первого МК 11, второй МК 14, JTAG ячейки которого 13 связаны с одноименными JTAG ячейками 12 первого МК 11, к первой ячейке ввода/вывода 15 присоединен блок индикации 16, ко второй ячейке ввода/вывода 17 второго МК 14 подключено постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 18.
Примем следующие допущения - источник питания и оптико-механический блок заведомо исправен и проверяется до и после сборки устройства. На этапе сборки устройства, после прошивки ПО, микроконтроллер 14, подключенный к персональному компьютеру, проходит диагностику методом граничного сканирования.
Преобразователь работает следующим образом.
На первом этапе выполняется диагностика монтажа МК 11. Для этого при подаче питания МК 14 переводит устройство в режим «Диагностика». МК 14 запускает процедуру диагностики МК 11. При этом на вход JTAG интерфейса МК 11, поступает кодовая последовательность из ПЗУ 18, данная последовательность разработана на персональном компьютере в программной среде JTAG ProVision и записана в памяти в процессе прошивки ПО устройства через третью ячейку ввода/вывода 19. В соответствии с алгоритмом диагностики кодовые последовательности отправляются и принимаются микроконтроллером 14 по ячейкам JTAG. Если во время выполнения подпрограммы контроля качества пайки МК 11 обнаружена неисправность, то кодовая последовательность из МК 11 записывается в ПЗУ 18, на блок индикации 16 поступает информация о наличии дефекта МК 11, а работа устройства останавливается до устранения дефектов. Для локализации и визуализации дефектов монтажа микроконтроллера 11 кодовая последовательность отправляется на персональный компьютер, который подключается через USB интерфейс по ячейке ввода/вывода 19. В случае отсутствия неисправностей МК 11 диагностика продолжается дальше.
Предлагаемая конструкция изобретения позволяет проводить процедуры диагностики по стандарту граничного сканирования без непосредственного участия ПК. Разработанный с его помощью в программной среде JTAG ProVision набор эталонных тестовых векторов, предназначенный для диагностики отдельных элементов или функциональных узлов, передается в ПЗУ 18 через третью ячейку ввода/вывода 19 МК 14, который выполняет диагностические функции ПК. Локализация неисправностей отдельных функциональных элементов устройства выполняется путем сопоставления принятых тестовых векторов с эталонными векторами, записанными в ПЗУ 18. После выявления дефектов код неисправности записывается в ПЗУ и отправляется на блок индикации 16. Блок индикации 16 представляет собой набор индикаторов, показывающий пользователю в каком разряде, функциональном узле и под каким порядковым номером элемента выявлен дефект. Код дефекта имеет вид:
В соответствии с кодом на блок индикации 16 поступает сигнал о наличии или отсутствии дефектов. Поступившая информация отображается в соответствии с таблицей, показанной на Фиг. 3.
На втором этапе выполняется поразрядный поиск дефектов, для этого измерительный вал 5 устанавливается в нулевое положение, соответствующее единичным сигналам на всех выходах считывающего диска 7 инверсного кода Грея. В отличие от масок с обычным кодом Грея, в котором логическим единицам соответствуют прозрачные участки кодовых дорожек, в инверсном коде логическим единицам соответствуют непрозрачные участки. Такая конструкция маски позволяет получить геометрически замкнутый рисунок и уменьшить габариты кодового диска за счет исключения межразрядных перемычек. [Гречишников В.М., Конюхов Н.Е. Оптоэлектронные цифровые датчики перемещения со встроенными волоконно-оптическими линиями связи. М.: Энергоатомиздат, 1992. 160 с.]
Для проверки работоспособности преобразователя с МК 14 поступает кодовая последовательность на МК 11. Затем цифровой сигнал с ячеек 21 МК 11 замыкает ключ 2, в результате чего напряжение от источника 1 подается на группу излучателей 6. При этом на всех их выходах одновременно формируются оптические сигналы
Hi
ИИi
где I - ток накачки i-го излучателя, S - крутизна его ватт-амперной характеристики
ОП
Ток накачки определяется величиной опорного напряжения U и токоограничивающим резистором R:
где n - число измерительных каналов (разрядов) ОЦПУ.
Сформированные таким образом оптические сигналы подаются на кодовый диск 7, на выходе которого они масштабируются по амплитуде за счет диафрагмирования исходных световых потоков в отверстиях кодового диска 7. При этом формируется набор оптических сигналов
i
где k - коэффициент пропускания считывающего элемента диафрагмы 6.
В результате фотоэлектрического преобразования оптических сигналов в фотоприемниках 8 генерируются электрические сигналы фототока
ФПi
S - чувствительности фотоприемников.
Полученные сигналы подаются на входы соответствующих фотоусилителей 9, представляющие собой преобразователи тока в напряжение. На выходе фотоусилителей формируются электрические сигналы
ОСi
где R- резистор обратной связи преобразователя ток-напряжение, численно равный коэффициенту усиления фотоусилителя.
фу i
фу max
В соответствии с программой, записанной в ПЗУ микроконтроллера 11, принятые сигналы фотоусилителей U 8 оцифровываются в АЦП, в результате чего формируются набор из n пропорциональных цифровых сигналов . Полученные коды в микроконтроллере 11 сравниваются с пороговым значением кода N(05U). В результате сравнения формируются значения разрядных цифр выходного кода ОЦПУ в соответствии с уравнением
где .
i
Выявить дефектные разряды можно путем анализа промежуточных сигналов e, формируемых путем логического умножения значений разрядных цифр кодов Грея
a
a
Пi
i
где  - реальное значение i-той разрядной цифры выходного инверсного кода преобразователя,  - истинное значение i-той разрядной цифры инверсного кода Грея, записанного в памяти микроконтроллера. По совокупности всех разрядов условие отсутствия дефектов можно задать выражением
где n - общее число разрядов преобразователя.
Правая часть выражения (8) отражает истинные значения кода в нулевом положении вала. Если принятый код хотя бы в одном из разрядов не соответствует нулевому коду инверсному Грея, записанному в памяти, то микроконтроллер 11 выдает на блок индикации 16 команду о не работоспособности одного или нескольких каналов ОЦПУ. Причинами неисправностей могут быть нештатное функционирование излучателей, фотоприемников и фотоусилителей в одном или нескольких разрядах преобразователя.
В случае успешного прохождения теста в нулевом положении вала осуществляется диагностика в положении, когда все разряды инверсного кода Грея должны быть равны 0. Для этого из цифровых ячеек 21 первого микроконтроллера 11 формируется сигнал, который подается на управляющие ячейки 3 многопозиционного ключа 2, тем самым разъединяя излучатели 6 от источника питания 1. Сигналы с выходов фотоприемников 7 подаются на входы соответствующих фотоусилителей 8, выходные сигналы с которых поступают на входы 9 микроконтроллера 11. Принятые сигналы оцифровываются в АЦП и сравниваются в ПЗУ микроконтроллера 11, с пороговым значением кода, при котором происходит переключение значения разрядной цифры в соответствии с условием (6). Алгоритм определения дефектных каналов можно задать следующим выражением:
Условие отсутствия дефектов можно задать выражением
Если коды не совпадают, хотя бы в одной позиции, микроконтроллер 11 выдает на блок индикации 16 команду о неработоспособности одного или нескольких каналов ОЦПУ. Причинами неисправностей в данном случае могут быть механические повреждения кодового диска, завышенный коэффициент усиления фотоусилителя, а также дефекты программного обеспечения МК.
В случае полного совпадения всех принятых сигналов, т.е. выполнении условий (8) и (10), микроконтроллер 11 формирует выходную команду «Исправен» на блок индикации 16, запустив тем самым выполнение штатного режима преобразования «Работа».
Третий этап - поэлементная диагностика преобразователя. Запускается в том случае, если не выполняется условие (8), когда измерительный вал 5 установлен в нулевое положение.
23
излi
По не соответствию принятого кода хотя бы в одном из разрядов инверсного нулевого кода Грея (8) и (10), выявляются нерабочие каналы. Микроконтроллер 14, управляя микроконтроллером 11 по ячейкам JTAG интерфейса, отправляет из ячеек 21 сигналы на входные ячейки 3 цифрового ключа 2, отключающего все излучатели 6 от источника питания 1, кроме излучателя канала с дефектом. Для определения дефекта излучателя в выбранном канале необходимо измерить сигнал с блока контроля 23 (U) и сравнить его со значением, равному току потребления, записанным в ПЗУ 18. Критерий Д наличия или отсутствия дефекта i-ого излучателя имеет вид:
нi
изл
где - I ток накачки i-ого излучателя, R - соответствующее сопротивление излучателя.
излi
Значение Д=0 соответствует наличию дефекта i-ого излучателя. Информация о найденном дефекте отображается на блоке индикации 16.
После замены дефектного излучателя осуществляется повторный запуск поканальной диагностики для проверки работоспособности управляющей ячейки 4 цифрового ключа 2. Критерием наличия дефекта в цифровом ключе 2 является отсутствие сигнала на входных ячейках АЦП 10 и 22, при поданной команде коммутации излучателей 6 с источником питания 1. Полученная информация записывается в ПЗУ 18, а на блок индикации 16 подается сигнал, соответствующий отказу цифрового ключа. Затем выполняется подпрограмма отключения излучателей 6 от источника питания 1, а микроконтроллер 14 анализирует принятый код на ячейках АЦП 10 и 22. В случае соответствия сигнала току потребления излучателей на ячейке 22 и наличия сигнала на входах АЦП 10 локализуется дефект управляющей ячейки 4 цифрового ключа 2. Принятая информация записывается в ПЗУ 18 и на блок индикации 16 поступает сигнал с номером управляющей ячейки 4 цифрового ключа 2.
ф.у.i
Если ячейки 4 цифрового ключа 2 и соответствующие им излучатели находятся в рабочем состоянии, то вероятной причиной неработоспособности одного или нескольких каналов могут быть неисправности фотоприемников и/или фотоусилителей. Проверить работоспособность фотоусилителей можно путем подачи сигналов от источника 1 на их входы с использованием набора резисторов 25, задающих коэффициент усиления усилителей 9. Тогда критерий наличия или отсутствия дефекта i-ого фотоусилителя Д можно записать в виде
ф.у.i
∂.ф.у.i
оосi
где - U - сигнал поданный от источника 1, R - сопротивление, задающее коэффициент усиления, R - сопротивление обратной связи i-ого фотоусилителя. Из формулы 6 следует, что при выполнении условия
программа диагностики выявляет наличие дефекта и посылает соответствующий сигнал на блок индикации 16. В обратном случае выявляется неработоспособность фотоприемников 8. На этом процедура диагностики останавливается и производится устранение неисправностей.
После устранения выявленных неисправностей, повторно выполняется программа поэлементной диагностики, при условии отсутствия дефектов микроконтроллер 14 переводит устройство в режим «Работа».
Вышеописанные процедуры диагностики проводятся по алгоритму представленному на Фиг. 2.
Таким образом в предлагаемом устройстве повышение надежности осуществляется трехуровневой диагностикой, на системном уровне (диагностика микроконтроллера), на поканальном уровне (определение дефектных разрядов) и поэлементном уровне (определение дефектов функциональных элементов).