Диссертация (1026354), страница 9
Текст из файла (страница 9)
На основе чувствительного элементаможно разработать общую структурную схему цифрового оптическогоминистика.Онавключаетвсебяоптическуюсистемуминистика(светоизлучатели, модулятор, фотоприемники), измерительную схему, аналогоцифровой преобразователь, управляющий микроконтроллер, ключи управленияизлучателями света. Структурная схема цифрового оптического министикапредставлена на Рисунке 3.1.Источник(и)светаУправлениепитаниемисточниковсветаМодулятор света(упругодеформируемый элемент)Приемник(и)светаМикропроцессор/микроконтроллерИзмерительная схемаАналогоцифровойпреобразовательВыход(цифровойинтерфейс)Рисунок 3.1. Общая структурная схема цифрового оптического министика81В разделе 2.1 были рассмотрены базовые оптические схемы министиков –схема с общим излучателем и схема с общим приемником.На Рисунке 3.2 представлены структурные схемы министиков с общимизлучателем, на Рисунке 3.3 – структурные схемы министиков с общима)Излучатель(светодиод,лазер)ФотоприемникСхемаизмерения…….…….ФотоприемникСхемаизмеренияКлюч управленияизлучателемб)Излучатель(светодиод,лазер)УправляющиймикроконтроллерАналоговыймультиплексорприемником.АЦП NразрядныйNФотоприемникСхемаизмеренияАЦП Nразрядный…….…….…….ФотоприемникСхемаизмеренияАЦП NразрядныйNКлюч управленияизлучателемУправляющиймикроконтроллерN…….Рисунок 3.2.
Структурная схема министика с общим излучателем:а) с мультиплексированием каналов; б) с использованием независимых АЦП82Излучатель(светодиод,лазер)…….СхемаизмеренияФотоприемникАЦП NразрядныйИзлучатель(светодиод,лазер)…….КлючиуправленияизлучателямиУправляющиймикроконтроллерNРисунок 3.3. Структурная схема министика с общим приемникомВозможны два варианта схем с общим излучателем:- с мультиплексированием каналов;- с использованием независимых АЦП.Схема с общим излучателем и мультиплексированием каналов включаетв себя один общий излучатель (светодиод, лазер) и несколько фотоприемников(фотодиод, фототранзистор, фоторезистор). Каждый фотоприемник имеетсобственную схему измерения (преобразования в напряжение).
Выходы схемизмеренияподаютсянаАЦП,выборконкретногофотоприемникаосуществляется при помощи аналогового мультиплексора.Излучатель света может управляться микроконтроллером через ключ,выключаясь на время покоя. В тех случаях, где не требуется экономияпотребляемой энергии, светодиод может быть включен постоянно.В схеме с использованием независимых АЦП выходной сигнал каждогофотоприемника оцифровывается отдельным АЦП.Схема с общим приемником включает в себя один фотоприемник инесколькосветоизлучателей.производитсяпоочередно,Всданнойсхемепоследующимвключениеизмерениемизлучателейсигналанафотоприемнике. Поэтому необходимы ключи для управления питаниемизлучателей.83Так как в схеме только один фотоприемник, то необходимость вмультиплексировании аналоговых сигналов отпадает.Сравнительные параметры различных схем сведены в Таблицу 3.1.Таблица 3.1.Сравнение схем министиковПараметрВремяизмерениявсех значенийКоличество каналовизмеренияКоличество каналовкоммутацииСхема с общимСхема с общимСхема сизлучателем, Nизлучателем, Nобщимприемниками иприемниками иприемником имультиплекси-независимымиNрованием каналовАЦПизлучателямиT·Nблизко к TT·NNN10-10-1N+--БольшоеНаибольшееНаименьшее+затруднена+Переходные помехимультиплексированияКоличестворадиоэлементовРеализация на одноммикроконтроллере3.1.2 Разработка алгоритмов функционирования оптического министикаВ п.
3.1.1 была рассмотрена структура оптического министика,построенного по схеме с общим излучателем и по схеме с общим приемником.84Структура министика, использующего схему с общим излучателем,включает в себя один излучатель света и N фотоприемников.Алгоритм функционирования министика представлен на Рисунке 3.4НачалоU0i=0, i=1..NиВключить излучательk>N, где N - числоциклов замераk=1НетДаi=1Отключить излучательПроизвести измерениенапряжения Uik на iтом приемникеПроизвестиусреднение показанийNИUi i=i+1i>Nи, где Nи – Числоприемников?НетUi 1Nik U i0Измерениепроводится первыйраз?ДаДаУстановить нулевыезначенияU0i=UiНетПроизвести расчеткоординат X и YНетЗавершение работы?ДаКонецРисунок 3.4.
Алгоритм функционирования министика с общим излучателем85Расчет координат X и Y для схемы с N=3 производится по следующимформулам:X (U3 U 2 ) sin(60 )(3.1)Y (U3 U 2 ) sin(30 ) U1(3.2)Для схемы с N=4 расчет производится по следующим формулам:X U3 U1(3.3)Y U4 U2(3.4)Для схемы с N=6 расчет производится по следующим формулам:X (U 6 U5 U3 U 2 ) sin(60 )(3.5)Y U 4 U1 (U3 U 2 U5 U 6 ) sin(30 )(3.6)где U1…U6 – измеренные значения показаний фотоприемников.Структура министика, использующего схему с общим приемником,включает в себя N излучателей и один фотоприемник.В данной схеме работа излучателей происходит поочередно. Прикаждом цикле производится последовательное включение каждого излучателяи измерение светового потока, падающего на фотоприемник от этогоизлучателя.
Затем данный излучатель отключается, включается следующийизлучатель и производится измерение потока от него, и т.д.Расчет координат для схемы с общим приёмником производится по темже выражениям, что и для схемы с общим излучателем.Алгоритмфункционированияпредставлен на Рисунке 3.5.министикасобщимприемником86НачалоU0i=0, i=1..Nиk=1i=1k>N, где N - числоциклов замераВключить i-йизлучательДаПроизвестиусреднение показанийПроизвести измерениенапряжения Uik наприемникеNИUi Отключить i-йизлучательДаUi 1Nik U i0Измерениепроводится первыйраз?i=i+1i>Nи, где Nи – Числоизлучателей?НетНетНетДаУстановить нулевыезначенияU0i=UiПроизвести расчеткоординат X и YНетЗавершение работы?ДаКонецРисунок 3.5.
Алгоритм функционирования министика с общим приемником873.2 Разработка алгоритмов работы полиморфного переключателяВыходной сигнал цифрового оптического министика, получаемый прифункционировании по разработанным в п. 3.1.1 алгоритмам, представляетсобой два числа X и Y, которые соответствуют величинам отклонения рукояткиминистика по осям X и Y соответственно. Эти показания являются первичными(«сырыми»).Одним из главных преимуществ цифрового оптического министикаявляется возможность работы в качестве полиморфного переключателя,который может выполнять функции различных устройств ввода: кнопок,тумблеров, джойстиков, регуляторов.
Требуемая функциональность задаетсяпрограммно и может быть изменена в реальном времени. Для формированияуправляющих сигналов, аналогичных сигналам стандартных устройств ввода,необходима последующая обработка первичных показаний.Особенностямиупругодеформируемогооптическогополимерногоминистикаэлемента,наосновеотличающимиегоотклассических джойстиков, являются:- наличиенебольшогогистерезиса,обусловленногосвойствамиматериала упругодеформируемого элемента;- слабая тактильная обратная связь при отклонении рукоятки изположения равновесия, особенно для мягких материалов;- отсутствие жесткого предела отклонения рукоятки, так как онавыполнена из упругодеформируемого материала и не имеет механическихограничителей.Учитывая вышеперечисленные особенности, при обработке показанийминистиканеобходимоввестимертвую зону длязначенийфункциипреобразования, соответствующей малым отклонениям рукоятки.
Кроме того,необходимо ограничить рабочий участок функции преобразования значениями,соответствующими стандартной амплитуде отклонения рукоятки (±5 мм).88Так как министик представляет собой устройство ввода с двумянезависимыми степенями свободы, то обработка данных производитсянезависимо для каждой из осей.Схема обработки показаний министика показана на Рисунке 3.6.Мертвая зона по оси Xб)а)Зона максимумаРабочая областьПоложительный рабочий(линейный) участокМертвая зона по оси YМертвая зонаОтрицательный рабочий(линейный) участокЗоны минимумови максимумовЗона минимумаРисунок 3.6.
Схема обработки показаний министика: а) для отдельной оси; б)для обеих осейМожно выделить основные типы устройств ввода, функции которыхможет выполнять оптический министик:- аналоговый, или пропорциональный джойстик;- движковый регулятор;- дискретная кнопка без фиксации;- дискретная кнопка с фиксацией.Функционированиевкачествеустройствавводаорганизуетсянезависимо для каждой из двух осей министика.
Устройства могут бытьразными: например, по осиX министик функционирует в качествепропорционального джойстика, а по оси Y – в дискретном режиме кнопки безфиксации.89В режиме пропорционального джойстика величине отклонения рукояткипропорциональносоответствуетзначениерегулируемойвеличины,определяющее скорость движения, положение руля и т. д. При цифровомуправлении регулируемая величина представляет собой числовое значение,изменяющееся в заданных пределах: так, для стандартного компьютерногоджойстика это 1..127. Алгоритм работы пропорционального джойстикапредставлен на Рисунке 3.7.НачалоX – показания министика по осиDz – мертвая зонаAMAX – максимальная амплитуда показаний министика от центра до конца рабочего участкаJX – положение управляющего джойстикаJMAX – максимальное значение по оси управляющего джойстикаJMIN – минимальное значение по оси управляющего джойстикаJCENTER – среднее значение по оси управляющего джойстикаПолучение XминистикаНет|X|<Dz?Да|X|>AMAX?НетJx=JCENTERДаX>0?НетJx=JMINДаX>0?ДаНетJX X Dz ( J MAX J MIN ) J CENTER2 ( AMAX Dz )Jx=JMAXJX X Dz ( J MAX J MIN ) J CENTER2 ( AMAX Dz )Установка положенияджойстика JxКонецРисунок 3.7.
Алгоритм работы пропорционального джойстикаВ режиме движкового регулятора министик заменяет движковыйрегулятор с фиксацией положения, наиболее часто реализуемый с помощью90ползункового потенциометра. Министик управляет заполнением шкалырегулятора, в общем случае представляющей собой числовое значение взаданных пределах (например, от 0 до 100). Отклонение и удержание рукояткиминистика вниз уменьшает заполнение шкалы, отклонение и удержание вверх –увеличивает.Скоростьизменениязаполненияшкалы пропорциональнавеличине отклонения рукоятки.
Алгоритм движкового регулятора представленна Рисунке 3.8.НачалоX – показания министика по осиDz – мертвая зонаAMAX – максимальная амплитуда показаний министика от центра до концарабочего участкаS – положение ползункаSOLD – предыдущее положение ползункаSMAX – верхний предел положения ползункаSMIN – нижний предел положения ползункаKS – коэффициент скорости изменения положения ползункаПолучение Xминистика|X|<Dz?НетДаS=SOLDX>AMAX?НетДаX<-AMAX?НетS=SOLD+KSДаS>SMAXНетX>0?S=SOLD-KSДаS SOLD ДаS<-SMAXНетX Dz KS2 ( AMAX Dz )НетS=SMAXS SOLD ДаS=-SMAXУстановка положенияползунка SКонецРисунок 3.8. Алгоритм работы движкового регулятораX Dz KS2 ( AMAX Dz )91В режиме кнопки без фиксации министик работает как дискретнаякнопка с двумя состояниями «нажато» и «не нажато».
Кнопка считаетсянажатой, если рукоятка министика отклонена больше заданного предела.Каждая ось министика заменяет две дискретных кнопки – для отклоненийрукоятки в положительном и отрицательном направлениях. При использованииобоих направлений министик может работать как тумблер без фиксации.Алгоритм дискретной кнопки без фиксации представлен на Рисунке 3.9.НачалоПолучение XминистикаX<Tn?X – Показания министика по осиTn – Порог срабатывания при отклонении рукоятки вотрицательном направленииTp – Порог срабатывания при отклонении рукоятки вположительном направленииНетДаКнопка N нажатаX>Tp?Кнопка N не нажатаНетДаКнопка P нажатаКнопка P не нажатаУстановка состояниякнопокКонецРисунок 3.9. Алгоритм работы дискретной кнопки без фиксацииВ режиме кнопки с фиксацией министик также работает как дискретнаякнопка с двумя состояниями «нажато» и «не нажато».
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
