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Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Abtastein-
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richtung gemäß Oberbegriff des ersten Patentanspruches.
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Eine derartige Abtasteinrichtung dient bekanntlich zur Umwandlung
der in Form einer Strichcodierung vorliegenden Informationen in einen nachgeschalteten
Rechner eingegeben und Verarbeitet werden können. Eine Strichcodierung besteht grundsätzlich
aus einer Anzahl von mehr oder weniger dunkelfarbigen bzw. schwarzen Strichen, zwischen
welchen möglichst hellfarbige bzw. weiße Lücken vorhanden sind. Durch die jeweilige
Größe der genannten Striche und Lücken bzw. deren Verhältnis zueinander können die
notwendigen Informationen dauerhaft vorgegeben werden, welche jederzeit mittels
der Abtasteinrichtung in elektrische Signale umwandelbar sind. Hierzu wird die Strichcodierung
an einem optischen Lesekopf vorbeigeführt oder umgekehrt.
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Bei dieser Umwandlung können jedoch Fehlersignale auftreten, und zwar
insbesondere aufgrund von Störlicht odereines zu geringen Kontrastet zwischen Strichen
und Lücken.
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Der Kontrast kann beispielsweise dadurch zu gering sein, daß die ursprünglich
schwarzen Striche mit der Zeit zu grauen Strichen wurden-oder daß durch Verschmutzung
oder einen zu hohen Grauwert vom Träger der Codierung die Lücken nicht weiß, sondern
grau sind. In solchen und ähnlichen Fällen kann mittels der Abtasteinrichtung nicht
mit der notwendigen Sicherheit festgestellt werden, ob gerade ein Strich oder eine
Lücke vor dem Lesekopf sich befindet. Darüber hinaus besteht die Forderung, daß
weitgehend unabhängig von der jeweiligen Geschwindigkeit, mit welcher das genannte
Vorbeiführen der Strichcodierung am Lesekopf durchgeführt wird, immer eine fehlerfreie
Abtastung erreicht wird.
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Die genannten Schwierigkeiten müssen insbesondere bei einer in einem
Kartengerät eingesetzten Abtasteinrichtung vermieden werden. Mit der älteren Patentanmeldung
P 29 38 483.6
ist bereits ein solches Kartengerät vorgeschlagen
worden, dessen Kartenblätter an einer Seite mit einer Strichcodierung entsprechend
dem Kartenmaßstab und der Kartenblattnummer versehen sind. Beim Einschieben eines
Kartenblattes werden mittels der Abtasteinrichtung diese Informationen erfaßt und
einem Navigationsrechner zugeführt, welcher mit weiteren, hier nicht näher zu erläuternden
Informationen, beispielsweise über geeignete Anzeigeelemente, eine bestimmte Position
(Standort) auf dem eingeschobenen Kartenblatt automatisch zur Anzeige bringt. Es
ist ersichtlich, daß durch Fehlersignale der Abtasteinrichtung die Funktionssicherheit
und Zuverlässigkeit der Positionsanzeige eines solchen Kartengerätes beeinträchtigt
werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mit geringem Aufwand
eine funktionssichere optische Abtasteinrichtung zu schaffen, welche vom Störlichtpegel
und vom Kontrast der Strichcodierung weitgehend unabhängig ist, wobei auch die Geschwindigkeit
der Relativbewegung zwischen Strichcodierung und dem Lesekopf die Abtastung nicht
beeinflussen soll.
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Diese Aufgabe wird durch die im ersten Patentanspruch angegebenen
Merkmale gelöst.
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Die erfindungsgemäße optische Abtasteinrichtung zeichnet sich vor
allem durch einen einfachen und kostengünstigen Aufbau aus, wobei durch das dem
Komparator zugeführte und vom Lesekopfsignal abhängige Referenzsignal die notwendige
Anpassung an den Störlichpegel und an den Kontrast der Strichcodierung erreicht
wird. Es wird also zur Unterscheidung, ob ein dunkler Strich oder eine helle Lücke
sich gerade vor dem Lesekopf befindet, keine feste Referenzspannung dem Komparator
zugeführt, sondern eine sich mit dem Pegel des Lesekopfsignales sich ändernde. Hierzu
wird zweckmäßigerweise
das Lesekopfsignal über eine Diode auf einen
Kondensator geführt, wobei die Kondensatorspannung das Referenzsignal darstellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird als Lesekopf eine Reflexlichtschranke
vorgesehen, welche insbesondere eine Licht aussendende Fotodiode und einen Fototransistor
enthält, wobei letzterer bei einem dunklen Strich weitgehend gesperrt wird und bei
einer hellen Lücke im wesentlichen durchgesteuert wird. Das derart gewonnene Lesekopfsignal
wird bevorzugt über einen Operationsverstärker sowohl auf den einen Eingang des
genannten Komparators als auch auf den Kondensator zur Gewinnung des Referenzsignales
geführt. Das am Komparatorausgang anstehende Signal weist somit eindeutig entweder
einen hohen oder einen niedrigen Spannungspegel, je nachdem, ob gerade ein Strich
oder eine Lücke sich vor dem Lesekopf befindet, auf.
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Jedes Informationsbit besteht bevorzugt aus einem dunklen Strich und
einer darauf folgenden hellen Lücke mit unterschiedlicher Breite, wobei ein Verhältnis
von 1 : 4 oder umgekehrt gewählt werden kann. Jedes Informationsbit ist bei dieser
unsymmetrischen Strichcodierung gleich breit. Die dem Komparator nachgeschaltete
Auswerteschaltung enthält in einer bevorzugten Ausführungsform einen Vorwärts-/Rückwärts-Zähler,
welchem Taktsignale zugeführt werden. Liegt insbesondere bei einem dunklen Strich
der Komparatorausgang auf einem hohen Spannungspegel, so werden die Taktimpulse
aufgezählt, während bei einer hellen Lücke der Zähler zurückzählt. Der Zähler startet
immer mit 1. Ist also der Strich schmaler als die Lücke, so wird der Zähler in die
Anfangsstellung zurückgeführt, was beispielsweise einem Informationsbit logisch
t entsprechen soll. Ist hingegen der Strich breiter als die Lücke, so erreicht der
Zähler die Anfangsstellung nicht, was dann einem Informationsbit logisch "0" entsprechen
soll. Eine derartige Auswertung ist von der jeweiligen Geschwindigkeit, mit welcher
die Codierung
am Lesekopf vorbeibewegt wird, weitgehend unabhängig.
Bereits ein 8-Bit-Zähler läßt eine ganz langsame und ganz schnelle Bewegung im Verhältnis
1 : 128 zu.
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Darüber hinaus kann die Bewegung auch ungleichmäßig erfolgen, da jeder
Strich direkt mit der nachfolgenden Lücke verglichen wird und das Breitenverhältnis
von Strich zu Lücke entsprechend vorgegeben werden kann.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem nachfolgend
beschriebenen Ausführungsbeispiel.
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Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 - ein Schaltbild mit Lesekopf und nachgeschaltetem
Komparator, Fig. 2 - ein Prinzipschaltbild der Auswerteschaltung mit einem 8-Bit-Zähler,
Fig. 3 - der Verlauf ausgewählter Signale, Fig. 4 - ein Kartengerät mit der optischen
Abtasteinrichtung in Aufsicht und Fig. 5 - eine seitliche Ansicht des Kartengerätes
gemäß Fig.'4 in Blickrichtung B.
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Gemäß Fig. 1 enthält die Abtasteinrichtung einen Lesekopf 1, welcher
als eine Reflexlichtschranke ausgebildet ist und eine Fotodiode 2 sowie einen Fototransistor
3 ausweist. Die
Fotodiode 2 und der Fototransistor 3 sind über
Widerstände 4 bzw. 5 mit einer Versorgungsspannung UB von beispielsweise 5 Volt
verbunden. In die derart ausgebildete Lichtschranke kann eine schematisch angedeutete
Strichcodierung 6 gebracht werden. Jedes Informationsbit besteht aus einem dunklen
Strich 7 und einer hellen Lücke 8, wobei die Gesamtbreite b jeweils gleich groß
ist und insbesondere 5 mm breit ist. In dieser unsymmetrischn Strichcodierung beträgt
das Verhältnis der Breiten von Strich zu Lücke 4 : 1 bzw. 1 : 4, wobei ein langer
Strich mit nachfolgender kurzer Lücke der Information logisch "0" und ein kurzer
Strich mit nachfolgender langer Lücke der Information logisch "1" entsprechen soll.
Treffen die Strahlen der Fotodiode 2 auf einen dunklen Strich 7, so werden diese
nur im geringen Maße reflektiert und der Fototransistor 3 sperrt. Das über den nachgeschalteten
Operationsverstärker 10 verstärkte Lesekopfsignal S1 weist folglich einen hohen
Pegel auf.
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Treffen die Strahlen der Fotodiode auf eine helle Lücke 8, so werden
die Strahlen stark reflektiert und der Fototransistor 3 steuert auf. Infolgedessen
liegt das Lesekopfsignal 1 auf niedrigem Pegel. Es ist ersichtlich, daß bei einem
geringen Kontrast oder äußerem Störlicht die Pegel für Striche 7 und Lücken 8 recht
nahe beieinander und auf unterschiedlichem Niveau liegen können. Um dennoch eine
eindeutige Auswertung zu gewährleisten, ist der Ausgang des Verstärkers 10 über
eine in Durchlaßrichtung gescnaltete Diode 11 mit einem Kondensator 12 von insbesondere
0,1 p F verbunden. Dem Kondensator 12 ist ein Widerstand 13 parallel geschaltet
und parallel zur Diode 11 ist eine weitere Diode 14 mit entgegengesetzter Durchlaßrichtung
vorgesehen. Die am Kondensator 12 anliegende Spannung wird als Referenzsignal S2
einem ersten (invertierenden) Eingang des Komparators 16 zugeführt. Am zweiten (positiven)
Eingang steht über einen Widerstand 17 das Lesekopfsignal S1 an. Das Ausgangssignal
S3 des Komparators weist einen hohen bzw. niedrigen Pegel
auf,
je nachdem, ob S1 größer bzw. kleiner als S2 ist.
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Zur Erläuterung der Funktionsweise ist einmal davon ausgegangen, daß
momentan ein sehr dunkler Strich vor dem Lesekopf 1 steht. Das Lesekopfsignal S1
weist somit einen sehr hohen Pegel auf. Über die Diode 11 wird der Kondensator 12
entsprechend aufgeladen, wobei das Referenzsignal S2 um den Betrag der Durchlaßspannung
der Diode 11 kleiner als S1 ist. Das Ausgangssignal S3 weist einen hohen Pegel auf.
Gelangt nunmehr vor den Lesekopf 1 eine helle Lücke, so verringert sich 51. Sobald
S1 um den Betrag der Durchlaßspannung der Diode 11 kleiner geworden ist, schaltet
der Komparator 16 um und S3 liegt auf niedrigem Pegel.
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Über die Diode 14 entlädt sich der Kondensator 12, wobei aber gewährleistet
wird, daß S2 größer als S1 bleibt, und zwar gemäß der Durchlaßspannung der Diode
14. Gelangt anschließend wieder ein dunkler Strich vor den Lesekopf 1, so erhöht
sich S1. Sobald S1 um den Betrag der Durchlaßspannung größer als S2 ist, schaltet
der Komparator 16 um und S3 gelangt auf hohen Pegel. Der dunkle Strich kann in diesem
Falle auch erheblich heller sein als im zuerst erwähnten Falle und dennoch erfolgt
die Umschaltung. Von maßgebender Bedeutung ist also, daß dle genannte Umschaltung
immer dann erfolgt, sobald das Lesekopfsignal S1 um den mit der Durchlaßspannung
vorwählbaren Betrag kleiner bzw. größer als das Referenzsignal S2, wobei die absolute
Größe des Pegels vom Referenzsignal S2 praktisch unerheblich ist. Da der Pegel des
Referenzsignals S2 immer vom Pegel des Lesekopfsignales Si unmittelbar abhängig
ist, kann man auch von einem "floatenden" Referenzsignal sprechen. Das Ausgangssignal
S3 des Komparators 16 weist jedoch immer einen gleichermaßen hohen bzw. niedrigen
Pegel auf, so daß in der nachgeschalteten Auswerteschaltung mit geringem Aufwand
eine sichere Auswertung durchführbar ist.
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Die Auswerteschaltung gemäß Fig. 2 enthält im wesentlichen einen Vorwärts-/Rückwärts-Zähler
21 und 22, welcher aus zwei handelsüblichen 4-Bit-Zählern aufgebaut ist.
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Den mit UP/DOWN bezeichneten Eingängen wird das am Eingang Z 0 anliegende
Ausgangssignal S3 über zwei NOR-Gatter 23, 24 zugeführt. An den mit C1 bezeichneten
Zählereingängen liegt ein Taktsignal S4 mit einer Frequenz von z.B. 5 kHz an. Zum
Setzen des derart aufgebauten 8-Bit-Zählers 21, 22 wird über zwei Kippstufen 25,
26 ein Interrupt-Signal erzeugt, welches den mit Preset bezeichneten Eingängen zugeführt
wird und welches jedes Mal, wenn S3 auf einen hohen Pegel gelangt, auftritt. Die
mit Carry Out bezeichneten Ausgänge des Zählers 21, 22 sind über ein NOR-Gatter
27 auf eine Kippstufe 28 geführt, welcher eine weitere Kippstufe 29 nachgeschaltet
ist. Das am Q-Ausgang der Kippstufe 29 anstehende Daten-Signal wird ebenso wie das
obengenannte Interrupt-Signal auf einen hier nicht dargestellten Rechner gegeben.
Beim Auftreten eines Interrupt-Signales wird das anstehende Daten-Signal vom Rechner
übernommen.
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Anhand von Fig. 3 sei die Funktionsweise der Auswerteschaltung kurz
erläutert. Erhält die Strichcodierung beispielsweise sechs Informationsbits mit
der Reihenfolge 0, 0, 0, 1, 1, 1, so hat das Ausgangssignal den dargestellten zeitlichen
Verlauf, wenn die Strichcodierung 6 am Lesekopf 1 vorbeigeführt wird. Es sei darauf
hingewiesen, daß für die beiden mittleren Informationsbits "0" und "1" die Strichcodierung
mit doppelter Geschwindigkeit vorbeigeführt wird, so daß für diese das Signal S3
nur halb so lang wie für die übrigen ist. Mit jedem Umschalten des Komparators 16
von niedrigem zu hohem Pegel wird über die Kippstufen 25 und 26 ein Interrupt-Signal
erzeugt, und zwar zu den Zeiten t0 bis t6. Wie oben angegeben, wird hierbei der
3-Bit-Zähler 21, 22 gesetzt. Nachfolgend wird der Zähler für die Dauer des Ausgangssignales
S3
(hoher Pegel) vorwärts gezählt. Bei einem langen Strich und kurzer Lücke wird der
Zähler 21, 22, nicht leergezählt, so daß am Ausgang des NOR-Gatters ein positives
Signal ansteht und mit dem Interrupt-Signal am Q-Ausgang der Kippstufe 29 ein Null-Signal
ansteht, welches in den Rechner eingegeben wird. Das am letztgenannten Ausgang anstehende
Signal bleibt jeweils bis zum nächsten Interrupt-Signal bestehen. Zu den Zeiten
t1, t2, t3 wird jeweils ein Null-Signal in den Rechner eingegeben, während zu den
Zeiten t4, t5, t6 ein Eins-Signal eingegeben wird. Die in den Rechner eingegebenen
Signale stimmen also mit den in der Strichcodierung enthaltenen Informationsbits
überein.
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Wie oben bereits angegeben, wird für jedes Informationsbit jeder Strich
direkt mit der nachfolgenden Lücke verglichen, so daß die Geschwindigkeit des Abtastens
bzw. des Vorbeiführens in weiten Grenzen keinen Einfluß hat. So wird beispielsweise
für das dritte Informationsbit O" mit der doppelten Geschwindigkeit gelesen wie
bei den beiden ersten Informationsbits. Infolgedessen wird auch der Zähler nur auf
den halben Wert vorwärts gezählt. Da aber auch zum Rückwärtszählen wegen der kurzen
Lücke nur die halbe Zeit zur Verfügung steht, wird am Ende der Zähler nicht leergezählt
sein.
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Es ist ersichtlich, daß aufgrund des angegebenen Verhältnisses der
Breiten von Strich und Lücke ein großer Sicherheitsabstand gewährleistet ist und
somit auch während eines Informationsbits die genannte Geschwindigkeit verändert
werden kann. Gegebenenfalls kann auch ein Zähler mit noch höherer oder niedrigerer
Bit-Zahl oder auch ein anderes Breitenverhältnis von Strichen und Lücken eingesetzt
werden.
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In Fig. 4 und 5 ist ein Kartengerät dargestellt, in welchem die erfindungsgemäße
optische Abtasteinrichtung eingesetzt
ist. Dieses Kartengerät ist
in der älteren Anmeldung P 29 38 483.6 eingehend beschrieben, auf welche ausdrücklich
Bezug genommen wird. Das Kartengerät enthält einen Rahmen 40 mit einem seitlichen
Schlitz 41 zum Einschieben eines vergleichsweise steifen Landkartenblattes 42. Der
Schlitz 41 ist zweckmäßig, mittels hier nicht dargestellter Staublippen, abgedeckt,
um das Eindringen von Fremdkörpern zu verhindern. Bei diesem Kartengerät wurden
einzelne Kartenblätter des jeweils gewünschten Operationsgebietes verwendet. Jedes
Kartenblatt ist zweckmäßigerweise in transparente Kunststofffolien eingeschweißt,
wobei die Kartenblätter verschiedene Maßstäbe aufweisen können. Die einzelnen Kartenblätter
sind mit einer dezimalen Numerierung 43 sowie einer Strichcodierung 44 entsprechend
Kartenblattnummer und Maßstab versehen. Es ist die erfindungsgemäße Abtastvorrichtung
vorgesehen. von welcher der Lesekopf 45 schematisch dargestellt ist. Die übrigen
Schaltungsteile, wie Komparator und Auswerteschaltung, sind innerhalb des Rahmens
40 auf Elektronik-Platten angeordnet. Auch der Rechner zur Auswertung der eingegebenen
Informationen sowie hier nicht näher dargestellte Stellmotoren mit Seilzugantrieben
für zwei unabhängig voneinander bewegbare Linienelemente 51, 52 sind innerhalb des
Rahmens 40 angeordnet. Beim Einschieben des Kartenblattes 42 wird mittels des Lesekopfes
45 die Strichcodierung 44 abgetastet, und es werden die entsprechenden Werte für
Kartenblattnummer und Maßstab direkt in den Rechner eingegeben. Die Nummer des jeweils
eingelegten Kartenblattes oder gegebenenfalls des zur Darstellung einer Position
erforderlichen Kartenblattes, wird mittels Flüssigkristallanzeige 46 einer Anzeige-
und Bedieneinrichtung 47 angezeigt. Zur mechanischen Fixierung des eingeschobenen
Kartenblattes sind im Kartengerät zwei nachgiebig angeordnete Stifte 48 vorgesehen,
welche in entsprechende Fanglöcher 49 eingreifen. Mittels der Drucktaste können
die Stifte aus den Löchern 49 gezogen werden, so daß
ein Kartenblattwechsel
möglich ist. Die Strichcodierung 44 kann nötigenfalls noch weitere Informationen
enthalten. Maßgebend ist jedoch, daß beim Kartenblattwechsel die notwendigen, in
der Strichcodierung enthaltenen Informationen automatisch von der Abtasteinrichtung
erfaßt und in den Rechner eingegeben werden.
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Die Bedienung des Kartengerätes ist somit sehr einfach, da beim Kartenblattwechsel
lediglich das erforderliche Xartenblatt eingeschoben werden muß und keine weiteren
Eingaben oder Einstellungen von einer Bedienperson vorgenommen werden müssen.
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