ШАРОВОЙ МАНИПУЛЯТОР СО СТАНДАРТНЫМ ИНТЕРФЕЙСОМ RS232

Полезная модель относится к автоматике и вычислительной технике, в частности к устройствам ввода информации, и может быть использована, например, в системах отображения информации для перемещения курсора на экране монитора радиолокационных станций и других изделий военной техники.
Широко распространенное в персональных компьютерах устройство ввода информации - «мышь» [1, 2]. При таком достоинстве данного устройства, как использование стандартных аппаратных и программных (протоколов передачи данных) интерфейсов [3, 4], благодаря которым, стандартный драйвер, входящий в поставку операционной системы (ОС), и даже BIOS компьютера могут работать практически с любой «мышью», оно имеет следующие недостатки:
- необходимость наличия свободной ровной гладкой поверхности достаточных размеров для работы с «мышью», что не всегда возможно при работе с переносными компьютерами;
- неустойчивость «мыши» к механическим воздействиям (вибрациям, ударам и т.п.), что приводит к самопроизвольному перемещению курсора на экране монитора, например, при использовании «мыши» на подвижных объектах (самолетах, вертолетах, судах, наземных подвижных средствах);
- ножки «мыши» накапливают грязь, поэтому такие устройства служат недолго.
По этим причинам «мышь» практически не применяется в военных устройствах.
Кроме того, известно устройство - шаровой манипулятор [5, 6] (также встречаются названия: шарово-кнюпельный механизм, шаровой орган наведения, трекбол [7]), которое нашло применение в промышленных и военных компьютерах, аппаратах ультразвуковой диагностики и т.п., где пользователю приходится работать в условиях недостатка места и возможных механических воздействий (вибраций, ударов и т.п.).
Недостатками данной группы аналогов являются:
- как и в предыдущем случае, неустойчивость к механическим воздействиям, приводящая к самопроизвольному перемещению курсора на экране монитора;
- отсутствие стандартного (для данного класса устройств) аппаратного и программного интерфейса для подключения устройств к электронной вычислительной машине (ЭВМ), приводящее к необходимости наличия у ЭВМ специализированного нестандартного аппаратного интерфейса, а также разработки специальной управляющей программы -драйвера (для поддержки нестандартного программного интерфейса).
Проблема самопроизвольного перемещения курсора при воздействии механических воздействий на шаровой манипулятор успешно решена в устройстве [8], принятым за прототип. Устройство ручного управления содержит шар, опирающийся на два валика с взаимно перпендикулярными осями и на ролик, ось которого расположена под углом к осям валиков, которые размещены в корпусе с возможностью вращения. На валиках закреплены диски с прорезями, которые взаимодействуют с датчиками декартовых координат, укрепленными на корпусе. С валиками взаимодействуют плоские пружины, усилие поджатая которых создает момент трения, превышающий крутящий момент, передаваемый шаром на валики при вибрационных нагрузках.
В связи с тем, что выходная информация с датчиков декартовых координат прототипа по каждой из осей представлена в виде двух сдвинутых по фазе последовательностей импульсов, аналогично сигналам инкрементального энкодера [9, 10], в которых частота следования импульсов пропорциональна скорости, а сдвиг фаз двух последовательностей импульсов показывает направление вращения шара манипулятора, то необходимым требованием для подключения этого устройства к ЭВМ является наличие у ЭВМ специализированного нестандартного интерфейса, и следовательно, возникает необходимость разработки драйвера, что является недостатком прототипа.
Техническим результатом полезной модели является возможность сопряжения шарового манипулятора с ЭВМ по стандартному интерфейсу RS232 и стандартному протоколу передачи данных, который поддерживает стандартный драйвер, входящий в поставку большинства ОС.
Стандартный аппаратный интерфейс RS232 [11, 12, 13] представляет собой СОМ порт.
Для достижения указанного технического результата в известное устройство, содержащее закрепленный неподвижно корпус, в котором размещены шар, фрикционно связанный с двумя валиками с взаимно перпендикулярными осями X и Y, размещенными в корпусе с возможностью вращения, ролик, ось которого расположена под углом к осям валиков, два диска с прорезями, установленные на валиках и взаимодействующие с двумя датчиками декартовых координат, укрепленными в корпусе, устройство предотвращения самопроизвольного перемещения шара (в прототипе - плоские пружины), взаимодействующее с валиками, при этом корпус имеет возможность управления шаром, дополнительно введены микроконтроллер, преобразователь уровней, генератор тактовых импульсов и кнопки, при этом первый и второй выходы первого датчика декартовых координат соединены, соответственно, с первым и вторым входами микроконтроллера, а первый и второй выходы второго датчика декартовых координат соединены, соответственно, с третьим и четвертым входами микроконтроллера, выход которого соединен с первым входом преобразователя уровней, а пятый и шестой входы микроконтроллера соединены, соответственно, с первым выходом преобразователя уровней и выходом генератора тактовых импульсов, вывод кнопок подключен к седьмому входу микроконтроллера, причем второй вход преобразователя уровней является входом всего шарового манипулятора, а выход этого преобразователя - выходом.
На фигуре представлена структурная схема предлагаемого устройства, где обозначено:
1 - шар;
2 - валики;
3 - диски;
4 - первый датчик декартовых координат;
5 - второй датчик декартовых координат;
6 - микроконтроллер;
7 - преобразователь уровней;
8 - генератор тактовых импульсов;
9 - кнопки.
Шаровой манипулятор содержит закрепленный неподвижно корпус, не показанный на фигуре, в котором размещены шар 1, фрикционно связанный с двумя валиками 2 с взаимно перпендикулярными осями X и Y, размещенными в корпусе с возможностью вращения, ролик, не показанный на фигуре, ось которого расположена под углом к осям валиков, два диска 3 с прорезями, установленные на валиках 2 и взаимодействующие с двумя датчиками декартовых координат 4 и 5, укрепленными в корпусе, устройство предотвращения самопроизвольного перемещения шара, не показанное на фигуре и взаимодействующее с валиками 2, при этом корпус имеет возможность управления шаром 1, дополнительно введены микроконтроллер 6, преобразователь уровней 7, генератор тактовых импульсов 8 и кнопки 9 (на фигуре показана только одна кнопка), при этом первый и второй выходы первого датчика декартовых координат 4 соединены, соответственно, с первым и вторым входами микроконтроллера 6, а первый и второй выходы второго датчика декартовых координат 5 соединены, соответственно, с третьим и четвертым входами микроконтроллера 6, выход которого соединен с первым входом преобразователя уровней 7, а пятый и шестой входы микроконтроллера 6 соединены, соответственно, с первым выходом преобразователя уровней 7 и выходом генератора тактовых импульсов 8, вывод кнопок 9 подключен к седьмому входу микроконтроллера 6, причем второй вход преобразователя уровней 7 является входом всего шарового манипулятора, а выход этого преобразователя 7 - выходом.
Датчики декартовых координат 4 и 5 представляют собой инкрементальные энкодеры и могут быть реализованы в виде двойных щелевых оптопар (источника света (например, светодиода) и двух светочувствительных элементов (например, фотодиодов)) и дисков 5 с отверстиями или лучевидными прорезями, перекрывающих световой поток по мере вращения.
В предлагаемой полезной модели в качестве щелевой оптопары используется устройство, состоящее из инфракрасного светодиода типа 3Л129А ( ТУ) [14] и 4-х канального фотодиода типа ФД-22КП (АГЦ3.368.090 ТУ) [15], выходы которого соединены параллельно для работы в 2-х канальном режиме.
В качестве микроконтроллера 6 может быть использована микросхема 1886 ВЕ2У [16]. Первый, второй, третий и четвертый входы микроконтроллера 6 являются выводами порта F (PF), имеющего встроенные триггеры Шмита. Первым входом является вывод РАО/INT, имеющий возможность использовать его как вход внешнего прерывания. Вторым входом является вывод OSC1. Выходом микроконтроллера 6 является выход TxD (вывод PG7/TX2) внутреннего асинхронного передатчика (USART2).
В качестве преобразователя уровней 7 может применяться микросхема 5559ИН4У [17], представляющая собой приемопередатчик интерфейса RS232.
В качестве генератора тактовых импульсов 8 можно использовать, например, генератор типа ГК81-П [18] или ГК108-П [19].
Кнопки 9 представляют собой микропереключатели, например, типа П1М9-1В [20], и подключены к выводам порта В (РВ).
Устройство работает следующим образом.
Вся конструкция манипулятора размещена в корпусе.
Вращение шара 1 передается на кинематически связанные с ним ролик и два валика 2 с взаимно перпендикулярными осями X и Y, а также на закрепленные на них диски 3 с прорезями, которые взаимодействуют с двумя датчиками декартовых координат 4 и 5. В свою очередь, валики 2 взаимодействуют с устройством предотвращения самопроизвольного перемещения шара.
С фотодиодов двух датчиков декартовых координат 4 и 5 снимается сигнал с частотой, соответствующей скорости перемещения (вращения) шара 1. Разница фаз засветки между двумя фотодиодами определяет направление вращения.
С первого и второго выходов первого датчика декартовых координат 4 две последовательности импульсов, сдвиг фаз между которыми показывает направление вращения шара 1, а частота следования импульсов пропорциональна проекции скорости (частоте) вращения шара 1 на ось X, подаются на первый и второй входы микроконтроллера 6, соответственно.
Аналогично с первого и второго выходов второго датчика декартовых координат 5 две последовательности импульсов, сдвиг фаз между которыми показывает направление вращения шара 1, а частота следования импульсов пропорциональна проекции скорости (частоте) вращения шара 1 на ось Y, подаются на третий и четвертый входы микроконтроллера 6, соответственно.
На основе сигналов с двух датчиков декартовых координат 4 и 5 микроконтроллер 6 подсчитывает приращение координат по осям X и Y и формирует кодограмму в соответствии со стандартным протоколом [21, 22]. Эта кодограмма с выхода микроконтроллера 6 подается на первый вход преобразователя уровней 7, который преобразует TTL-уровни сигнала микроконтроллера 6 в уровни интерфейса RS232. Со второго выхода преобразователя уровней 7, являющегося выходом TxD всего манипулятора, кодограмма подается на вход RxD corn-порта сопрягаемой с шаровым манипулятором ЭВМ (на фигуре не показана).
Для того чтобы стандартный драйвер ОС, установленной на сопрягаемой с шаровым манипулятором ЭВМ, смог распознать его как «мышь» (процесс инициализации), с выхода RTS corn-порта сопрягаемой ЭВМ сигнал поступает на второй вход преобразователя уровней 7, который преобразует его уровень сигнала интерфейса RS232 в TTL-уровень. С первого выхода преобразователя 7 сигнал поступает на пятый вход микроконтроллера 6, который при появлении на этом входе уровня сигнала, соответствующего уровню логического нуля, посылает по линии TxD (через преобразователь уровней 7) кодограмму в соответствии со стандартным протоколом. Эта кодограмма сигнализирует управляющей ЭВМ при инициализации подключенного оборудования, что к corn-порту подключена «мышь».
Тактовые импульсы, необходимые для работы микроконтроллера 6, поступают на его шестой вход с выхода генератора тактовых импульсов 8.
Выдаваемая микроконтроллером 6 кодограмма также содержит информацию о состоянии (нажата или отпущена) кнопок 9, количество которых может варьироваться от 1 до 5 (чаще всего используется одна или две кнопки). Вывод кнопок подключен к седьмому входу микроконтроллера 6.
Предлагаемый шаровой манипулятор был изготовлен на основе отечественной элементной базы и успешно прошел испытания, показал свою работоспособность в диапазоне температур от -60°C до 85°C и в настоящее время применяется в серийно выпускаемых изделиях военной техники.
Таким образом, благодаря тому, что в известное устройство, содержащее закрепленный неподвижно корпус, в котором размещены шар, фрикционно связанный с двумя валиками с взаимно перпендикулярными осями X и Y, ролик, два диска с прорезями, взаимодействующие с двумя датчиками декартовых координат, устройство предотвращения самопроизвольного перемещения шара, дополнительно введены микроконтроллер, преобразователь уровней, генератор тактовых импульсов и кнопки с выше описанными связями, существует возможность сопряжения шарового манипулятора с ЭВМ по стандартному интерфейсу RS232 по стандартному протоколу обмена, поддерживаемому стандартным драйвером большинства ОС, при сохранении таких характеристик, как температурный диапазон эксплуатации и стойкость к механическим воздействиям в соответствии с группами 1.3, 1.4.1, 3.1.2 ГОСТ РВ 20.39.304-98.
Источники информации:
1. http://ru.wikipedia.org/wiki/Компьютерная_мышь;
2. Аппаратные средства ВМ PC, М.Ю. Гук / Энциклопедия, 3-е изд., Санкт-Петербург, 2006, стр. 317;
3. httpps://ru.wikipedia.org/wiki/%/C8%ED%F2%F5%F0%F4%F5%F9%F1%;
4. https://ru.wikipedia.org/wiki/%CF%F0%EF%F2%EF%EA%EE%EB%_%EF%E5%F0%E5%E4%E0%F7%E8%E4%E0%ED%ED%FB%F5;
5. Шаровой манипулятор, патент РФ №2248604, опубликовано: 20.03.2005;
6. Шаровой манипулятор, патент РФ №2446440, опубликовано: 27.03.2012;
7. http://ru.wikipedia.org/wiki/Tpe%d0%ba%d0%b1o%d0%bb;
8. Устройство ручного управления, патент РФ №2260834, опубликовано: 20.09.2005 - прототип;
9. http://www.megasensor.com/ugol-povorota/glossarij/inkrementalnye-enkodery/princip-raboty-inkrementalnogo-enkodera;
10. http://easyelectronics.ru/avr-uchebnyj-kurs-inkrementalnyj-enkoder.html;
11. https://ru.wikipedia.org/wiki/RS-232;
12. http://www.softelectro.ru/rs232.html;
13. http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/interface/rs232/;
14. http://www.eandc.ru/catalog/detail.php?ID=2066;
15. http://promvpk.ru/Catalog/Product/51a2691a6d0fad80e402ea80;
16. http://milandr.ru/uploads/Products/product_22/spec_1886BE2(BE1).pdf;
17. http://milandr.ru/uploads/Products/product_160/spec_5559IN4.pdf;
18. ТУ 6329-019-07614320-99;
19. АФТП.433520.007 ТУ;
20. ОЮО.360.050 ТУ;
21. http://rln.nnov.ru/uploads/files/mouse.pdf;
22. http://rln.nnov.ru/index.php?ind=review&op=entry_view&iden=129.