Обзор растровых и растрово-кодовых шкал преобразователей перемещения

Основными узлами преобразователей с непосредственным преобразованием перемещения в код (преобразователи абсолютного типа или абсолютные преобразователи) на основе считывания с использованием пространственного кодирования являются: кодовая шкала (КШ), считывающие элементы (СЭ) и логическое устройство преобразования первичного сигнала. Пространственная КШ представляет собой наиболее сложный, дорогой и трудоемкий элемент конструкции преобразователя. При построении КШ используются различные физические явления, связанные с наличием или отсутствием контакта, магнитного потока электромагнитного поля, светового луча и т.д. Считывающие элементы осуществляют преобразование величины физического параметра шкалы в электрический сигнал, соответствующий коду нуля или единицы.

На рисунке 6 приведена классификация растрово-кодовых шкал абсолютных ОЭПП.

Кодовая шкала позволяет поставить в соответствие каждому квантованному уровню положения кодируемого объекта вполне конкретную кодовую комбинацию. В зависимости от принятого цифрового кода, который определяет кодовую маску (КМ) шкалы, все множество КШ можно разделить на четыре большие группы (см. рисунок 6): шкалы, КМ которых выполнена в обыкновенном двоичном коде (ОДК); шкалы, КМ которых выполнена в циклическом коде; шкалы, КМ которых выполнена в специальном коде, и шкалы, КМ которых выполнена в соответствии с символами рекуррентных кодов. Простые двоичные КШ имеют маску, выполненную в обыкновенном двоичном коде, где каждому разряду шкалы соответствует своя кодовая дорожка (КД). Считывающие элементы круговой двоичной КШ располагаются по радиусу, а линейной  по перпендикуляру к линии перемещения. При движении шкалы СЭ фиксируют появляющиеся под ними коды нулей и единиц. В результате каждому положению КШ соответствует вполне определенная кодовая комбинация. Это является достоинством двоичной КШ, поскольку на выходе преобразователя с такой шкалой получается сразу код двоичного числа.

Разрешающую способность простой двоичной КШ можно повысить, если через определенные интервалы установить дополнительные СЭ вдоль дорожки младшего разряда. Цель достигается за счет обработки информации, снимаемой с дополнительных СЭ. Для получения m дополнительных разрядов необходимо установить 2ⁿ - 1 дополнительных СЭ по длине кодового участка младшего разряда маски, что практически невозможно. Поэтому СЭ устанавливаются равномерно по длине кодовой дорожки младшего разряда шкалы. Возможности такого подхода ограничены разрешающей способностью считывающих элементов. Основным недостатком метода является большая избыточность по числу СЭ.

Считывание информации с двоичной КШ может происходить с ошибками. Это объясняется тем, что КШ изготавливаются с определенными погрешностями, а СЭ 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 двоичного числа к соседнему, СЭ различных разрядов зафиксируют это не одновременно. Не одновременность считывания на границах квантов приводит к ошибкам неоднозначности, которые в наихудших случаях могут достичь величины равной половине максимального числа, считываемого со шкалы. Возможность появления таких больших ошибок считывания является существенным недостатком двоичных КШ.

Для устранения ошибок неоднозначности считывания с двоичных КШ применяются два общих метода: использование более чем одного ряда СЭ с последующей логической выборкой сигналов с них; использование однопеременных кодов.

При использовании дополнительных СЭ в каждом разряде двоичной КШ ошибки неоднозначности устраняются за счет избыточной информации. Существует два основных метода установки и логического выбора СЭ: метод V-расположения (метод Баркера) и метод U-расположения СЭ (метод "двойной щётки").

Метод V-расположения основан на использовании удвоенного числа СЭ для считывания со всех дорожек шкалы, кроме младшей. С помощью логической схемы в зависимости от значения кода, формируемого более младшими СЭ, информация берется с того СЭ следующего разряда, для которого она более определена. Считывающие элементы при V-расположении симметрично смещаются относительно опорной линии считывания, причем оптимальная величина смещения каждого СЭ равна одной четверти длины кодового участка соответствующей разрядной дорожки КШ. При этом получаются максимальные симметричные допуски на неточности изготовления КШ и установки СЭ. Поскольку величина кодового участка возрастает вдвое при переходе к соседнему старшему разряду, то и допуски тоже возрастают. Это является большим достоинством метода V-расположения СЭ.

В случае V-расположения и логического выбора СЭ код самого старшего разряда может быть определен только после того, как определился код всех предыдущих разрядов. Это увеличивает время преобразования.

Построение маски кода Баркера (см. рисунок 7) проводится по следующим правилам:

1. для представления каждого разряда, кроме младшего, отводятся две дорожки – дорожки подразрядов А и В с одинаковыми по длине кодовыми участками q_i в каждом разряде;

2. кодовые участки подразряда А i-го разряда, начиная со второго, сдвинуты влево относительно ЛСК на величину, равную 1/4 длины кодового участка этого разряда.

Кодовые участки подразрядов. В сдвинуты вправо относительно линии считывания кода (ЛСК) на такую же величину. Величина 1/4 длины кодового участка выбраны из условия симметрии допусков на расположение считывающих элементов или границ кодовой маски. При таком кодировании количество считывающих органов еще более увеличилось, однако отсутствует такое положение диска, при котором считывающие органы одного разряда (подразрядов А и В) находились бы одновременно на границе участков.

Принцип кода Баркера заключается в том, что информация снимается с того подразряда, считывающий орган которого в данный момент не находится вблизи границ. Эта идея, как уже указывалось, осуществляется сдвигом подразрядов А и В на 1/4 q_i в разные стороны от нулевого положения шкалы. Считывание происходит по следующим правилам:

• если в предыдущем (младшем) разряде в данный момент считан “0”, то считывание в следующем разряде следует проводить с подразряда А;

• если в предыдущем разряде была считана “1”, то в следующем разряде проводить считывание следует с подразряда В.

Очевидно, что этот метод требует последовательного считывания информации с кодовых дорожек, начиная с младшего разряда. В данном преобразователе это осуществляется регистром опроса, выполненным на феррит-транзисторных ячейках (ФТЯ). “1” опроса переходит из одной ФТЯ в другую, осуществляя временную развертку импульсов.

Другим способом кодирования является метод “двойной щетки” (см. рисунок 8), основанный на применении во всех разрядах, кроме младшего, двух чувствительных элементов, которые смещены относительно ЛСК на расстояние l = 0,5q, где q – дискретность преобразования.

Чувствительные элементы группы А, смещенные относительно ЛСК в сторону возрастания отсчета, отбузуют “опережающие” подразряды. Чувствительные элементы 1 группы В, смещенные в противоположную сторону – “запаздывающие” подразряды.

Выбор той или иной группы, с помощью которой необходимо в данный момент считывать информацию, определяется цифрой “1” и “0”, считываемой с младшего разряда.

Если с младшего разряда считывается “0”, то в остальных разрядах ведется параллельное считывание с подразрядов группы А; если с младшего разряда считывается “1”, то в старших разрядах считывание осуществляется с подразрядов группы В также параллельно.

При использовании метода двойной щетки неоднозначность считывания возникает только в младшем разряде (когда чувствительный элемент этого разряда находится на границе смены кода), так как чувствительные элементы остальных разрядов удалены от соответствующих границ минимум на 0,5q, что определяется также симметрией допусков.

Метод U-расположения СЭ имеет много общего с методом V-расположения. Однако его принципиальное отличие состоит в том, что допуск на погрешности изготовления всех кодовых дорожек должен выбираться одинаковым, а не различным, как это может быть при использовании метода V-расположения СЭ. Считывающие элементы в этом случае располагаются в два ряда симметрично относительно линии считывания СЭ младшего разряда на расстоянии, равном половине длины кодового участка младшего разряда. Если с младшей дорожки считывается код 0, то сигналы для других разрядов снимаются с опережающего ряда СЭ. Если код младшего разряда 1, то сигналы снимаются с отстающего ряда СЭ. Съем сигналов осуществляется одновременно для всех разрядов, что значительно сокращает время преобразования.

Двоичные КШ с М-считыванием сочетают в себе достоинства шкал с V-расположением и U-расположением СЭ. В таких шкалах СЭ с одинаковым интервалом расположения объединены в группы, где интервал расположения СЭ в каждой группе равен половине шага кода последнего разряда предыдущей группы.

Двоичные КШ с М-считыванием представляют собой усовершенствованный вариант шкал с М-считыванием и имеют по сравнению с ними более простую технологию изготовления и меньшие габариты.

Иногда по конструктивным соображениям необходимо расположить все СЭ на одной линии. В этом случае рисунок двоичного кода изменяют таким образом, что каждый разряд, кроме младшего, представляется двумя подразрядами, причем длина кодовых участков обоих подразрядов каждого разряда одинакова и увеличивается в два раза при переходе к следующему старшему разряду. Эти подразряды сдвинуты относительно своего начального положения в маске обыкновенного двоичного кода. В результате получают так называемые двоично-сдвинутые коды.

Кодовые шкалы на основе двоично-сдвинутых кодов могут быть построены как по методу V-расположения, так и U-расположения СЭ. Задача устранения неоднозначности считывания информации с двоичной КШ может быть решена также введением принудительного считывания. Сущность этого метода состоит во введении зон, в пределах которых запрещено считывание информации с кодовых дорожек.

Неоднозначность считывания можно исключить, если для построения маски КШ применить такой код, в котором переход от одного числа к соседнему сопровождается переменой кода только в одном разряде. К числу однопеременных кодов относится циклический двоичный код (код Грея), получивший наибольшее распространение. Для считывания информации с n-разрядной КШ, выполненной в коде Грея, необходимо иметь n СЭ и незначительные аппаратурные затраты для преобразования кода Грея в обыкновенный двоичный код.

Кодовые шкалы с дополнительными СЭ также несут на себе маску кода Грея, однако по сравнению с традиционными циклическими КШ имеют меньшее число кодовых дорожек и увеличенное число СЭ. Дополнительные СЭ в этом случае устанавливаются относительно младшей дорожки шкалы и служат для получения информации, поступающей на вход логической схемы выработки сигналов более младших разрядов.

Кодовые шкалы с многофункциональными СЭ содержат лишь несколько кодовых дорожек (обычно 2 - 6, в зависимости от реализуемой разрешающей способности). При этом кодовые дорожки имеют рисунок не одного веса, обычно кода Грея, а нескольких весов, каждый из которых соответствует ее определенному участку. Относительно такого участка кодовой дорожки располагаются один или несколько СЭ. Выходы СЭ подключены к входам логических схем, которые необходимы для коммутации при одновременном считывании ими информации с различных участков кодовых дорожек.

Двоично-десятичные КШ применяются в системах, где необходима связь между вычислительным устройством и человеком и конечный результат нужно получить в десятичной системе. Такие КШ строят на основе однопеременных двоично-десятичных кодов, например, в коде Гликсона, О'Брайена или Липпела, причем коды выбирают так, чтобы получить наиболее простой кодовый рисунок и наиболее простую аппаратуру преобразования кода в десятичное число.

Однако упрощение кодового рисунка получается только тогда, когда на шкале нужно нанести один десятичный разряд. Для устранения неоднозначности считывания в многоразрядных двоично-десятичных KШ применяют отраженные десятичные числа. Один из вариантов построения многоразрядного однопеременного двоично-десятичного кода заключается в том, что каждая десятичная цифра отраженного десятичного числа заменяется соответствующей тетрадой кода Грея. Полученный двоично-десятичный рефлексный код является однопеременным, однако требует значительных затрат на свое декодирование.

Для построения КШ преобразователей считывания иногда применяют не только двоичный, но и троичный, четверичный и другие коды. Применение кодов с основанием больше двух позволяет уменьшить число разрядных дорожек по сравнению с двоичным кодом при том же объеме информации, наносимой на шкале. Для исключения ошибок неоднозначности считывания на границах квантования применяется рефлексное кодирование. При рефлексном кодировании угловых перемещений используются кольцевые коды, при этом последовательности цифр в каждом из разрядов представляют двоичными кодовыми кольцами. Эго позволяет упростить рисунок КШ, уменьшить число кодовых дорожек и за счет этого несколько сократить диаметр кодированного элемента. К недостаткам КШ с основанием больше двух следует отнести увеличенное число СЭ, причем относительное положение всех этих элементов должно быть выдержано с допуском по углу не более половины наименьшего отсчетного деления. Кроме того, увеличение числа СЭ, а также необходимость перевода полученного кода в обыкновенный двоичный код влечет за собой усложнение электронной части преобразователя.

Находят применение системы, работающие в системе счисления остаточных классов. Для связи таких цифровых систем с объектами управления разработаны преобразователи перемещений с КШ, выполненными непосредственно в системе остаточных классов (СОК). Построение КШ и размещение на ней СЭ при получении цифрового эквивалента непосредственно в СОК заключается в следующем. Целое положительное число Х представляется в СОК в виде набора вычетов Х = (хр₁, хр₂,…,хр_п), по выбранным основаниям р₁, р₂,…,р_п.

Для считывания кода в СОК по основанию р₁, р₂,…,р_п каждому разряду кода приводят в соответствие отдельную шкалу, с которой считывается число в виде вычета по данному основанию, причем обычно для представления вычетов на КШ используют двоичные коды. Устранение неоднозначности считывания остатков в пределах каждого основания и согласование отсчетов между отдельными шкалами обеспечивается путем использования метода "двойной щетки". Для этого в состав КШ вводят дополнительную кодовую дорожку с нанесенными на ней кодовыми участками шириной, равной половине дискретности преобразования.

При реализации некоторых алгоритмов управления приходится выполнять нелинейные преобразования перемещения, такие как вычисление тригонометрических, логарифмических, экспоненциальных и других зависимостей.

Нелинейные преобразования перемещения могут выполняться непосредственно в устройстве управления. Однако использование функциональных преобразователей при работе с управляющей ЭВМ позволяет исключить в машине операции по вычислению тех функций, которые выполняются самими преобразователями.

Основной особенностью функционального преобразователя считывания по сравнению с линейным устройством является использование функциональной КШ. В остальном такого рода устройства имеют много общего. При построении функциональных КШ для устранения неоднозначности считывания используют в основном циклический код.

Комбинаторные КШ имеют одну кодовую дорожку с равномерно расположенными на ней СЭ. Рисунок маски таких КШ может быть достаточно простым, однако сам процесс получения комбинаторного кода, используемого для построения кодовой маски шкалы, очень трудоемок (особенно при большой разрядности преобразователя). При получении однопеременных комбинаторных кодов возникает необходимость в использовании большой избыточности по числу СЭ. Представляет также определенную трудность преобразование комбинаторного кода в обыкновенный двоичный код.

Для повышения надежности считывания информации разработаны корректирующие КШ, в которых для контроля используется избыточная информация. К числу кодов, применяемых в таких шкалах, относятся коды "2 из 5", "5 из 10" и др.

Код "2 из 5" всегда состоит из комбинации двух единиц и трех нулей, а код "5 из 10" из равного числа тех и других. При ошибочном считывании появится большее или меньшее, чем нужно, число двоичных единиц, что позволяет легко выявить ошибку.

Рекурсивные кодовые шкалы (РКШ) строятся с использованием рекуррентных двоичных последовательностей. В зависимости от используемой для получения кодовой маски шкалы последовательности, РКШ подразделяются на псевдослучайные кодовые шкалы (ПСКШ), построенные на основе псевдослучайных двоичных последовательностей максимальной длины (М-последовательностей), композиционные кодовые шкалы (ККШ), построенные на основе композиционных двоичных последовательностей (К_р-последовательностей), КШ, построенные на основе нелинейных последовательностей (НКШ).

Псевдослучайные кодовые шкалы имеют всего одну информационную кодовую дорожку и могут быть использованы в качестве кодированного элемента преобразователей углового или линейного перемещения, построенных по методу параллельного считывания. При одинаковой разрядности разрешающая способность ПСКШ практически равна разрешающей способности классических кодовых шкал, кодовая маска которых выполнена в обыкновенном двоичном коде или в коде Грея (в ПСКШ любой разрядности отсутствует только одна нулевая кодовая комбинация).

Композиционные кодовые шкалы, также как и ПСКШ, могут быть построены с использованием одной информационной кодовой дорожки. При одинаковой разрядности разрешающая способность ККШ меньше, чем разрешающая способность ПСКШ и классических кодовых шкал, кодовая маска которых выполнена в обыкновенном двоичном коде или в коде Грея. Однако, К_р-последовательности, положенные в основу получения кодовой маски шкалы, позволяют в пределах одной разрядности реализовать ККШ с более широким диапазоном разрешающей способности.

Рекурсивные кодовые шкалы на основе псевдослучайных и композиционных последовательностей обладают корректирующими возможностями. Эти возможности реализуются только за счет введения избыточности по числу СЭ без использования дополнительных КД, при этом в РКШ наиболее целесообразно применять блоковые разделимые линейные циклические корректирующие коды, в частности БЧХ – коды.

Кодовые шкалы на основе нелинейных последовательностей могут быть выполнены с одной, двумя или более кодовыми дорожками. НКШ с одной информационной кодовой дорожкой используются в качестве кодированного элемента преобразователей перемещения, построенных по методу параллельного считывания. Нелинейные кодовые шкалы с двумя кодовыми дорожками могут применяться в качестве кодированного элемента преобразователей перемещения с двумя (для нереверсивного преобразователя) и четырьмя (для реверсивного преобразователя) считывающими элементами. Особенностью преобразователей на основе НКШ с двумя кодовыми дорожками является то, что в них для получения достоверной информации о положении кодируемого объекта первые n - 1 квантов перемещения шкалы используются в качестве подготовительных. При одинаковой разрядности разрешающая способность НКШ равна разрешающей способности классических кодовых шкал, кодовая маска которых выполнена в обыкновенном двоичном коде или в коде Грея.

Наиболее перспективными из РКШ, и нашедшими практическое применение в выпускаемых в ОАО «Авангард» фотоэлектрических цифровых преобразователях угла, являются псевдорегулярные кодовые шкалы (ПРКШ). Такие шкалы позволяют строить на своей основе высокоразрядные (до 20 двоичных разрядов) цифровые преобразователи угла в уменьшенных габаритах с учетом технологических и конструктивных ограничений.

Все РКШ имеют нерегулярный рисунок маски информационной кодовой дорожки, поэтому для устранения неоднозначности считывания информации с ПСКШ, ККШ и ПРКШ используется модифицированный метод "двойной щетки". Отметим также, что для устранения неоднозначности считывания информации с РКШ в некоторых случаях могут быть применены такие классические подходы как дискретизация отсчета, смещение порогов срабатывания считывающих элементов, использование логических методов исключения ложных отсчетов и т.д. Неоднозначность считывания информации в НКШ с двумя кодовыми дорожками и использованием двух и четырех СЭ отсутствует.

Отличительной особенностью РКШ является также то, что они по сравнению с классическими кодовыми шкалами, имеют меньшее число наносимых на шкалу границ смены рисунка кодовой маски, что позволяет уменьшить трудоемкость их изготовления.

Анализ подходов к построению преобразователей с непосредственным преобразованием перемещения в код на основе считывания с использованием пространственного кодирования за рассматриваемый период позволил выявить, наряду с традиционными требованиями по точности, быстродействию и помехоустойчивости, тенденцию к повышению технологичности, надежности и одновременному уменьшению массогабаритных характеристик преобразователей перемещения.

При этом существенный вклад в развитие таких устройств вносит микроэлектроника, использование которой позволяет более полно решить проблему технологичности, обеспечив максимальное упрощение прецизионных механических узлов, основным из которых является КШ.

Наиболее перспективными для применения в современных цифровых преобразователей угла являются кодовые шкалы, а также рекурсивные кодовые шкалы, разработанные и используемые в ОАО «Авангард».

В заключении отметим, что выбор кодовой шкалы для построения на ее основе преобразователя перемещения всегда остается за его разработчиком (например, в лице главного конструктора преобразователя перемещения), обладающим в каждом конкретном случае всем набором предъявляемых к прибору требований.