Устройство для считывания графической информации

 

ОПИСАНИЕ „„9бо869

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К .АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Coma Соеетеина

Соцнапнетнчеекнк

Раепубпни (6l ) Дополнительное к авт. свиа-ву Q 877584 (22)Заявлено 17.12.79 (2! ) 2853159&8-24 с присоединением заявки № (23) П риори тет

Опубликовано 23.09.82. Бюллетень № 35

Дата опубликования описания 25.09.82 (51.)M. Кл.

GO6 К 11lOO

1Ьеударетеекяы9 кввтет

СССР в делен язабретенкк я еткрытяв (3) УД К 681.327. .12 (088.8) 72) Авто

Э.К. Скворцов (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЧИТЫВАНИЯ ГРАФИЧЕСКОЙ

ИНФОРМАЦИИ

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для ввода графической информации в электронные вычислительные машины.

По основному авт. св. № 877584 известно устройство, содержащее штаншет с установленными на нем точечными приемниками сигналов, подключенными через соответствующие усилители-формирователи о ко входам коммутатора, выход которого соединен с одним иэ входов вычитателя частот, подключенного ко входу интегратора, состоящего из блока синхронизации, счетчика, интегрирующего узла, двух 1 ключей, узла сравнения кодов, делителя . частоты н прерывателя сигнала, последовательно соединенные вычислитель координат, узел контроля и блок вывода ин, формации, визир-излучатель, подключен- . ?о ньМ к усилителю, генератор опорнык импульсов, соединенный с делителем частоть1 и с одним иэ входов преобразователя код-фаз», другой вход которого подключен к выходу интегратора, а выходко второму входу вычитателя частот, де ° тектор знака ошибки, соединенный с дс полнительным выходом узла контроля и с управляющим входом генератора опо1 ных импульсов, и блок управления, вход которого подключен к выходу делителя частоты, а выходы соединены с соответствующими управляющими входами коммутатора, вычислителя координат, блока вывода информации и интегратора, второй управляющий вход которого подипочен к другому выходу делителя частоты (1).

Однако в этом устройстве при изменении частоты генератора опорных импульсов, с целью компенсации погрешностий при считывании информации, выэыва. емых колебаниями скорости звука в зависимости от температуры, давления и влажности воздуха, изменяется также и частота излучаемого сигнала. При этом: в цепи визир-излучательприемник сигнала-усилитель-формирователь возникает

3 960 МО фаэовая погрешность, поскольку фаза сигнала на выходе любой механической и электрической колебательной системы зависит от частоты возбуждающего сиг ,нала. Эта погрешность не может быть компенсирована эа счет частотной подстройки, так как путем изменения чаототы устраняются погрешности кодов расстояний от точки излучения до точек приема ультразвуковых сигналов, пропор»- 16 циональные величинам расстояний, в то время как фазовые погрешности для каждого иэ трех определяемых расстояний приблюительно одинаковы. На практике это приводит к снижению точности уст- 1S ройства, особенно при необходимости работы в широком диапазоне изменения температуры, давления и влажности воздуха.

Целью изобретения является повыше- 2о ние точности устройагва.

Указанная цель достигается тем, что в известное устройство;введены элемент памяти и дополнительные генератор им.=,. пульсов, делитель частоты и коммутатор, 2S причем дополнительный генератор импуль», сов соединен с усилителем излучаемого сигнала через дополнительный делитель частоты, установочные входы которого подключены к выходам основного делителя частоты, установочные входы элемента памяти соединены с соответствующим выходом интегратора и вычитателя чаотот, входы дополнительного коммутатора соединены соответственно с выходами детектора знака ошибки, элемента памяти и блока управления, а выход - с управляющим входом генератора опорных импульсов.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для считывания графической информации; на. фиг. 2 - временная диаграмма сигналов устройства.

Устройство (фиг. 1) содержит планшет

1, свободно перемещаемый визир-излучатель 2 и акустически связанные с ним через воздух три точечных приемника 3 сигналов. Расстояние между соседними приемниками 3, фиксированными на плангете 1 на прямой линии, равно — . С

t выходом генератора 4 опорных импульсов черж делитель 5 частоты соединены установочные входы дополнительного делителя

6 частоты, выход которого подключен к усилителю 7 излучателя, а второй входй дополнительному генератору 8 импуль сов. Выходы приемников 3 через усилители-формирователи 9 и коммутатор>.10 соединены со входом вычитателя 11 час. тот, выход которого соединен с другим его входом- через последовательно включенные интегратор 12 и преобразователь 13 код-фаза. Счетный вход преобразователя

13 подключен к генератору 4. Второй вход интегратора 12 соединен с выходом делителя 5, а ко второму его выходу последовательно подключены вычислитель

14 координат, узел 15 контроля и блок

16 вывода информации. Детектор 17 знака ошибки и элемент 18 памяти через допол нительный коммутатор 19 соединены с управляющим входом генератора опорных импульсов, причем вход детектора 17 подключен к другому выходу узла 15, а уста» новочные входы элемента 18 памяти соединены с выходом вычитателя частот и .соответствукюцим выходом интегратора 12.

"Блок 20 управления соединен с выходом делителя 5 и со входами коммутатора 10,, интегратора 12, вычислителя 14, блока

16 и дополнительного коммутатора 19.

Устройство работает следующим абразом.

Объект. кодирования-график, чертежкрепят на планшете 1 (фиг. 1). При включении питания устройства запускаются генератор 4 опорных импульсов и несин хрониэированный с ним, стабилизированный по частоте дополнительный генератор 8 . пульсов. Сигнал генератора 4 через елитель 5 и блок 20 управления обеспечивает синхронизацию всех вычислительных блоков, в то время как сигнал генератора 8 через дополнительный делитель

6, управляемый делителем 5, и усилитель

7 синхронизирует работу излучателя 2, приемников 3 и усилителей-формирователей 9 на фиксированной частоте, выбран; ". ной с учетом необходимой точности и по ,мехоэащищенностн устройства.

На. временной диаграмме (фиг. 2) пока заны сигналы на входах и выходе дополнительного делителя 6: высокочастотный сигнал генератора 8 (фиг. 2а) и установочный сигнал от делителя 5 (фиг. 2б), разрешающий работу делителя 6 и обеспе чивающий заданную начальную фазу его выходного сигнала, цокаэанного на фиг.2в.

Таким образом, сигнал на выходе делителя 6 представляет собой пакеты им пульсов, частота заполнения которых определена частотой сигнала генератора 8, а частота повторения» частотой сигнала генератора 4 и коэффициентом деления делителя 5, причем частоты заполнения и повторения не кратны между собой, по- . скольку генератор 8 стабилиэирован но частоте, а частота сигнала генератора 4 ма первоначальная правильная подстройка частоты генератора 4. Это выполняется при положении визира-излучателя 2 в точке привязки О, фиксированной на планшете 1 вблизи одного из приемников 3.

При нажатии на кнопку Сброс", входящую в блок 20 управления, в регистр интегратора 12 заносятся величины о и одновременно производится подстройка частоты генератора 4 в следующем порядке.

По величинам Р„,, в регистре группово» го интегратора преобразователя код-фаза формирует.сигналы, передние фронты которых имеют задержку по фазе, пропор- . пиональные кодам младших разрядов 0 1„, (т.е. кодаи 1соответствующих фаз).

На фиг. 2е показан сигнал на выходе преобразователя 1 3 код-фаза, соответсч вующий, например, величине о . Этот сигнал сравнивается по фазе с принятым, усиленным и сформированным прямоугольным сигналом (фиг. 2д1. Сравнение происходит на вычитателе 11 частот, выходной сигнал которого изображен на фиг. 2ж.

В качестве вычитатепя 11 частот исполу зован D триггер, на информационный вход которого поступает принятый сигнал, а на переключающий вход - сигнал от преоб разователя 13 код-фаза. Сигналы, показанные на фиг. 2д, е, соответствуют одному приемнику (каналу), в то время как на выходах коммутатора 10 и преобразователя 13 происходит периодическая поочередная смена сигналов, соответствующих трем приемникам 3 и трем величинам .Е„, Е, Е,;

Как показано на фиг. 2д и е при включении устройства фронты принятого и воостановленного из кода сигнала в общем случае не будут совпадать. Это объясняется произвольными значениями в момент включения как скорости звука, зависящей от температуры, давления и влажности воздуха, так и частоты генератора

4 (сигнал которого поступает на счетный вход преобразователя 13 код-фаза и, сле доватепьно, определяет фазовый сдвиг восстановленного из кода сигнала), Задержка от момента излучения одного цз импульсов пакета до момента приема

-того импульса (фиг. 6д) равна

Г

30, С, (1)

V366 где Г yo - расстояние,. например, до треть его приемника; ч - скорость звука.

С другой стороны, задержка tg от мо» мента юмерения того же импульса пакю5 060МО зависит от сигнала, поступающего на его управляющий вход. В то же время начальная фаза сигнала, поступающего с выхода делителя 6 на усилитель 7, привязана к моменту начала формирования гакета импуЛ льсов за счет управляющего сигнала от делителя 5. Делитель 6 выполняет четыре фулсции: понижает частоту сигнала генеpatîðà 8 до частоты излучаемого сигнала; прерывает сигнал, поступающий на излучатель; синхронизирует момент начала излучения с сигналом генератора 4 и делите

as 5, т.е. с работой всех вычислительных блоков; обеспечивает первоначальную фаэовую настройку устройства (например, за счет смены перемычек на установочных входах триггеров делителя 6).

Длительность пакета импульсов выбирается с учетом инерционности излучате= ля 2, приемника 3 и усилителя 9 и для- 20 тельности одного цикла работы группового интегратора 12. Расстояние между двумя пакетами, излученными s npocT ранстве, примерно равно максимальному .удалению визира-излучателя 2 от приемников 3 в пределах планшета 1. При этом отраженные сигналы не оказывают заметного влияния иа точность работы устройства.

Приемники 3 обнаруживают излучение 30 в пространство пакеты импульсов. На фиг. 2 r временной диаграммы изображен сигнал на выходе линейной части усилителя-фоумирователя 9, а на фиг. 2д . ли нал на выходе детектора нуля, являю- щегося выходом этого усилителя. Коммутатор 10 по- сигналам блока 20 периодически поочередно подключает выходы усилителей-формирователей 9 к вычитателю 11 частот. Время подключения каждого канала должно быть не менее одного периода сигнала в пакете.

: В основе работы устройства лежит явление Допплера: излучатель движется, а приемники сигналов неподвижны. При 4 этом частоты сигналов на выходах приемников 3 получают допплеровские сдвиги.

Разностные (допплеровские) частоты, представляющие скорости излучателя Ч,„ относительно приемников, и интегралы от них оо времени, представляющие расстояния Рп (m = 1,2,3 — номер приемни« ка) от излучателя 2 до приемников 3, определяются в процессе работы колька фазовой автоподстройки, составленного из вычитатепя 11 частот, являющегося фазовым детектором интегратора 12 и преобразователя 13 код-фаза. Для правиль ного вычисления оасстояний 9,„необходи « „

5 1= tc 3 (2) гои

35 где b = — - величина кванта устройства;

ГОР, - частота генератора опорных О импульсов в момент включения устройства.

Изменяя соответствующим образом частоту f «:,, можно добиться того, чтобы равенство (2) перешло в равенство (1), чему будет соответствовать совпадение фронтов принятого и восстановленного сигналов на фиг. 2д и 2е, При этом частоты генератора 4 опорных импульсов будет равна величине

20 + ЪВ

Ч

ГО И где — частота генератора опорных

ГОЫ импульсов после окончания подстройки частоты, когда 25 квант примет заданное значение.

Изменение частоты УГои пРоизводитсЯ при пуске устройства в работу путем воздействия сигнала с выхода вычитателя yg

11 частот на управляющий вход Венератора 4 опорных импульсов. При этом с помощью коммутатора 19 и элемента 18 памяти, управляемого сигналом с соответствующего выхода интегратора 12, с выхода вычитателя 11 частот при нажатой кнопке Сброс отбирается информа ция, относящаяся только к одному приемнику 3 ультразвука, а именно, приемнику, ближайшему к точке привязки О . В соот-4, ветствии с управляющим сигналом с выхо- да вычитателя 11 частот изменяется чао-. (ф . 2a). Изменение Е„приводит к тому,что фронт восстановленного сигнала на Выходе преобразователя 13, 4 код-фаза подтягивается" до фронта при нимаемого сигнала (фиг. 2и). Тем самым процесс первоначальной подстройки частоты генератора 4 опорных импульсов заканчивается. Этот процесс можно также описать одной из..двух возможных последовательностей состояний вычитателя 11 частот, соответствующих 0 о, а именно, 1 1 1 1 1 1 .... 1 1 1 0 1 0 1... или

000000...000 1 01 О...

Таким образом, процесс подстройки при нажатой кнопке Сброс" заканчивается колебанием частоты генератора 4

7 та до момента фррми ювания переднего фронта сигнала, соответствующего В о, на выходе преобразователя 13 код-фаза (фиг. бе) равна

М0869 8 ) опорных импульсов около некоторого зна:-чения frog близкого K оптимальному в смысле погрешностей кодов считываемой информации.

Эта подстройка частоты не яаляется окончательной и служит лишь для правиль ного захвата по фазе сигналов, соответствующих всем трем каналам устройства.

Для захвата.ло фазе сигнала,. соответст вующего 83о, достаточно чтобы первона чальное рассогласование принятого и вос становленного фронтов не превышало половины длины волны излучаемого сигнала (например, 4 мм), Такое рассогласование для E3o = 64 мм соответствует изменению температуры воздуха от -20о до

+50 C. Именно таким становится температурный диапазон работы предлагаемого .устройства — приблизительно вчетверо более, чем у известного устройства.

После того, как произведена подстройка для расстояния 83о, рассогласования фронтов принятых и восстановленных ситналов для 3 go и 0„, становятся заведомо меньше половины длины волны и происходит правильный захват по фазе и этих сигналов, т.е. количество длин волн излучаемого сигнала, укладывающихся на расстоянх Е„,. Е,, Ю3о, "" . р указанным величинам.

Второй этап частотной подстройки на чинается с момента отпускания кнопки

"Сброс" и протекает в течение всего времени работы устройства. При этом roMмутатор 19 передает на управляющий вход генератора 4 опорных импульсов сигнал с выхода детектора 17 знака ошибки. Этот сигнал ("1" или "0 ) определяет знак контрольной суммы Е, которая вычисляется узлом 15 контроля по информации, поступающей от вычислителя

14, и выражает известное "правило парал лелограма - сумма квадратов сторон равна сумме квадратов диагоналей (фиг.1):

g2 р2. 2

3 L (g)

Ы 2. I. 4

При правильном захвате сигналов по фазе сумма Е колеблется около нуля, а ее знак указывает. направление частотной подстройки генератора 4 опорных импульсов. Интегрирование знака Е, ocymeствляемое в генераторе 4 опорных импуль сов, и управление частотой f и в соот- ® ветствии с величиной интеграла от управ» ляющего воздействия обеспечивает стабильную и точную работу устройства практически при любых характеристиках воздуха.

9 МОЙ

Вычисление расстояний Р„, 9<, Р производится путем непрерывного отслеживания фвз принятых сигналов. При этом на вычитателе 11 частот сравниваются фазы сигналов приемников 3, соответствующих (1 -му циклу работы устройства, с фазами сигналов, восстановленных из;-.

Kot1oB н поэтому соответствующих

1-му циклу. Результаты такого сравнения в виде сигналов 1 или 0 (Ч -я фаза меньше 1-1-oN фазы или больше ее) суммируются интегратором 12 лишь в рабочие циклы, когда пакеты излученных импульсов достигают приемников 3. При-. чем из каждого пакета сравнивается с положением фронта восстановленного сигнала положение фронта одного единственного импульса. При таком способе слежения за фазой нв играет роли тот факт, что излучаемый сйгнал несинхронен с сигналом, восстанавливаемым из кода.

Интегратор 12 фазы производит двойное цифровое интегрирование сигналов вычитателя 11 частот: определяются скорости Ч„, Ч2, Ч визира-щлучателя

25 относительно приемников 3 и интегралы

oT - рсстоян Е„, Е, Е . Кроль правильности функционирования всех . трех каналов; начиная от излучения сигнала;и кончая вычислением величин 2, Г2, С, необходимых для получения ко2 2

1 ординат считываемых точек, осуществляется путем слежения за величиной контрольной суммы Е, определяемой равенством (3). Если величина Е превысит з5 заданный порог, выдача кодов координат будет блокирована.

Благодаря двойному интегрированию сигналов вычитателя частот обеспечивает- ся необходимое быстродействие устройств 4о (допустима скорость перемещения визира

2 до 2 м/с), несмотря на прерывистый характер излучаемого сигнала и на то, что из пакета сигналов берется один единственный измеряемый фронт. 45

Прямоугольные координаты поверхнос ти планшета в предлагаемом устройстве вычисляются по формулам 2» 2 2 «(< Ц2 . 5O

2() ((-) 2 взывания непрерывных кривых с выдачей коgoB через заданные приращения координат и режиме считывания случайной информации путем совмещения визира-излучателя

2 с клетками меню"; размещенными на краю планшета 1. Эти режимы осуществ ляет блок 16, управляемый блоком 20.

Использование в схеме устройства элемента 18 памяти и дополнительных гене ратора 8 импульсов, делителя 6 частоты и коммутатора 19 обеспечивает отсут: ствие фазовых погрешностей и, следовательно, повышает точность- работы устройства при любых колебаниях характеристик воздушной среды, так как излучение . и прием сигналов происходит на стабилизированной частоте, а компенсация измене ний скорости звука в воздухе осуществляется только за счет подстройки частоты генератора опорных импульсов.

Кроме того, обеспечивается работа устройства при правильной первоначальной подстройке частоты генератора 4 опорных импульсов в диапазоне, не м енее, чвм «20 «+ 50 С, в то время как в известном устройстве рабочий температурный диапазон менее, чем вчетверо.

Увеличивается надежность устройства, так как становится возможным использование резонансного режима работы излучателя и приемников сигналов. В известном устройстве использование такого режима приводит к черезмерно большим погрешностям, так как изменение фазы ко( лебательной системы, в зависимости от частоты, особенно велико в точке резонанса. В резонансном режиме сигналы на выходах приемников 3 формируются в

lO-20 раз больше по амплитуде, что обеспечивает лучшую устойчивость устройства против акустических шумов, а резонансный режим работы позволяет значительно увеличить размеры планшета уст.ройства и использовать его, например, на плаэах. (Устройство для считывания графической информации по авторскому свидетель ству СССР №:877584 „ о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности, оно одержит элемент памяти и дополнительные генератор импутп.,сов, делитель частоты и коммутатор, причем дополнительный генератор импульсов сое дииен с усилителем излучаемого сигнала через дополнительный делитель частоты, которые реализуются в вычислителе 14.

Начальные значения координат устанавливаются в вычислителе 14- сигналом от

55 блока 20 одновременно с установкой 11о, Р; о, О о . Координаты могут выдаваться на перфоратор или в ЭВМ в режиме разового считывания отдельных точек, режиме счи

Формула изобретения

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

hb 877584, кл. G 06 К 11/00,,02.07.79 (прототип).

1 1 960869 12 ход - с управлякущщ входом установочные входы которого подключены ления, а выход - с управля к выходам основного делителя частоты, генератора опорных импульсов. установочные входы элемента памяти соединены с соответствующим выходом интегратора и вычитателя частот, входы допол S нительного коммутатора соединены соот ветственно с маходами детектора знака ошибки, элемента памяти н блока управ