DE3315353C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Position einer Übertragungsspule in einem Gitter von mit Abstand angeordneten Leitern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position einer mit einem Wechselstromsignal erregten Übertragungsspule in bezug auf ein Gitter aus mit Abstand voneinander parallel verlaufenden Leitern, die der Übertragungsspule benachbart angeordnet sind, wobei die Leiter nacheinander abgetastet werden, bis die Position der Übertragungsspule als zwischen zwei Leitern liegend bestimmt ist.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein derartiges Verfahren bzw. eine derartige Vorrichtung sind aus der US-A-4 210 775 bekannt. Dort wird ein Weg zur Umwandlung einer Schreibfederposition in eine digitale Zahl gezeigt, welche die Federposition in bezug auf das aus Leitern bestehende Gitter wiedergibt. Eine Spule oberhalb der Feder erzeugt eine Eingangsspannung, welche in jedem der Gitterleiter Signale erzeugt. Diese Leiter werden aufeinanderfolgend in X-Richtung und in Y-Richtung abgetastet. Durch eine Reihe funktioneller Komponenten, wie einen Oszillator, einen Differentialverstärker, eine Multiplexer- Schaltungsanordnung, einen Adressen-Decodierer, einen Abtastzähler, eine Dividierschaltung, einen phasenempfindlichen Detektor und ein Filter, wird eine digitale Zahl bestimmt und in einem Positionszähler gespeichert, welcher die Federposition repräsentiert.

In der US-A-185 165 und der US-A-4 260 852 werden Multiplexer verwendet, um die jeweiligen X- und Y-Leiter von Gruppen und parallel angeordneten Leitern abzutasten. Obwohl die oben beschriebene Technik zufriedenstellend ist, ist die verwendete Einrichtung einschließlich der aufgezählten Teile und der in den beiden zuletzt genannten Patenten vorgesehenen Vorrichtung sehr komplex und kostenaufwendig.

Zur schnellen Digitalisierung von analogen Spannungen ist in der Analog-Digitalwandlertechnik das Verfahren der sukzessiven Approximation bekannt, z. B. aus dem Datenblatt des in Fig. 2 verwendeten A/D-Wandlers ADC0802, Datenblatt Intersil ADC 0801-ADC 0804, 8-Bit Microprocessor compatible A/D-Converters, Seite 4 bis 9. Dabei wird detektiert, ob die abzutastende Spannung unterhalb oder oberhalb eines in der Mitte immer kleiner werdender Hälften des zu erfassenden Spannungsbereiches gewählten Schwellenwertes liegt, bis die größtmögliche Annäherung erreicht ist.

Dieses Verfahren wurde bisher bei Digitalisiertableaus jedoch nicht angewendet.

US-A-3 466 646 oder DE-AS 1 524 497 offenbart eine Schreibfeder, die ein magnetisches Feld erzeugt, und ein Tableau, welches aufeinanderfolgende Wicklungsschichten enthält und welches als Signalempfänger arbeitet. Ausgangssignale von den Wicklungen sind X-Koordinaten und Y-Koordinaten, um die Federposition anzuzeigen. Dies betrifft insbesondere eine Übersetzung einer analogen Information in eine digitale Form.

Ein ähnliches Prinzip ist in dieser Entgegenhaltung auf aufeinanderfolgende Annäherungstechniken angewendet. Jedoch erfolgt die Unterteilung der Suchbereiche örtlich durch Abtastung einer mehrschichtigen, vollständig strukturierten Platte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Positionsbestimmung einer Übertragungsspule bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 schneller und einfacher zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 bzw. durch den Vorrichtungsanspruch 4 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung schafft gemäß einem Ausführungsbeispiel ein digital darstellendes System und ein Verfahren zur Umwandlung einer Position eines Instrumentes, wie eine Radfeder oder ein Läufer, in ein elektrisches Signal, welches eine Position des Instruments in bezug auf ein Leiter-Gitter darstellt. Das Instrument enthält allgemein eine Spule zur Kopplung elektrischer Signale auf ein Leiter-Gitter, das eine Gruppe mit Abstand angeordneter paralleler Leiter enthält, die in einer X-Richtung orientiert sind, und das ferner eine Gruppe mit Abstand parallel angeordneter Leiter enthält, die in Y-Richtung orientiert sind. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind 64 mit Abstand parallel angeordnete Leiter sowohl in X-Richtung als auch in Y-Richtung angeordnet, wobei zwischen den Leitern ein konstanter Abstand vorhanden ist. Vorzugsweise sind die Leiter auf einer Tafel mit einer gedruckten Schaltung angeordnet, wobei die Leiter X-Richtung auf einer Seite der Tafel mit der gedruckten Schaltung angeordnet sind, während die Leiter Y-Richtung auf der anderen Seite der Tafel der gedruckten Schaltung angeordnet sind. Wahlweise können aber Drähte oder andere Leiter auf einer nichtleitenden Oberfläche eingebettet oder angeordnet sein.

Die Schreibfeder oder der Läufer, der in Verbindung mit dem Leiter-Gitter arbeitet, enthält eine Spule aus Draht, der auf eine nichtmetallische Form gewickelt ist. Ein Oszillator führt der Spule ein Signal mit vorbestimmter Frequenz, vorzugsweise 100 KHz zu. Vorzugsweise arbeitet die Spule bei 12 Volt und bei 150 mA. Je größer der Strom ist, um so größer ist das in den Leitern des Gitters induzierte Signal, jedoch begrenzen Erhitzungsprobleme den Stromwert, welcher der Spule zugeführt werden kann. Die Spule ist induktiv mit den Leitern des Gitters gekoppelt, wodurch in den Leitern Signale induziert werden. In Übereinstimmung mit der elektromagnetischen Theorie hängen die Größen und die Polarität der Signale, die in den jeweiligen Gitter-Leitern induziert werden, von der Lage der Leiter in bezug auf die Spule ab.

Eine Multiplex-Schaltung wird verwendet, um das Signal vom Mittelleiter der Leiter-Anordnung in X-Richtung abzutasten. Durch Bestimmung, ob das Signal positive oder negative Polarität hat, ist die Lage der Spule in bezug auf die Gitter-Leiter bekannt, d. h., ob die Spule oberhalb oder unterhalb des abgetasteten Mittelleiters liegt. Der Multiplexer tastet dann das Signal von dem Mittelleiter des Halb-Abschnittes (obere oder untere Hälfte) ab, in welcher die Spule liegt, und erneut wird durch Feststellung, ob das Signal positiv oder negativ ist, festgestellt, in welchem Viertelabschnitt die Spule liegt. Zusätzliche Auslesungen erfolgen in gleicher Weise, bis festgestellt ist, daß die Spule zwischen zwei benachbarten Leiter in X-Richtung liegt.

Wenn die Spule mit genau gleichem Abstand zwischen beiden Leitern liegt, ist das in jedem Leiter induzierte Signal gleich und von umgekehrter Polarität, und es ist dann bekannt, daß die Spule tatsächlich genau in der Mitte der beiden Leiter liegt. Wenn die Spule sich nicht genau mit gleichen Abständen zwischen den beiden Leitern befindet, nimmt das Signal der beiden Leiter zu oder ab. Das heißt, ein Signal nimmt zu, während das andere abnimmt.

Die genaue Spulenposition wird dann durch Bildung eines Verhältnisses des induzierten Signals von den beiden Leitern und durch Vergleich dieses Verhältnisses mit in einer Such-Tabelle gespeicherten Werten bestimmt. Da Verhältnisse zwischen den beiden Signalen verwendet werden, statt der Verwendung von Absolutwerten, beeinträchtigt irgendeine Änderung in der Signalstärke von der Spule auf die Leiter die Messung nicht. Auch sind die Messungen frequenz- und phasenunempfindlich.

Eine gleiche Anzahl von Messungen wird dann durch Abtastung der Signale von der Leiter-Anordnung in Y-Richtung ausgeführt, um genau die Spule in bezug auf die Leiter-Anordnung Y-Richtung zu lokalisieren.

Die oben erwähnten und weiteren Merkmale und Ziele der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine Darstellung der Gitter-Leiter eines Analog-Digital- Umsetzers zur Erläuterung der Art und Weise, in welcher die Lage einer Spule innerhalb des Gitters festgestellt wird,

Fig. 2 und 3 Schaltbilder eines Analog-Digital-Umsetzer-Prozessors gemäß den Prinzipien der Erfindung und

Fig. 4 ein Schaltbild einer Schaltung zur Abtastung der Signale von den Gitter-Leitern nach Fig. 1, um diese Signale von den Gitter-Leitern der Schaltung nach den Fig. 2 und 3 zuzuführen.

Fig. 1 zeigt schematisch die Gitter-Leiter einer Tafel. Diese Tafel enthält vorzugsweise 64 parallele Leiter (beziffert mit 1 bis 64), die in X-Richtung angeordnet sind, und 64 parallele Leiter (beziffert mit 65 bis 128), die in Y-Richtung angeordnet sind. Unter der Annahme, daß sich die Spule während eines Zeitaugenblickes in der Position 10 befindet, besteht die Funktion des Analog-Digital-Umsetzers darin, diese Lage der Spule genau zu bestimmen. Gemäß der Erfindung wird der Spule ein Wechselstromsignal zugeführt und über die Spule mit den Leitern induktiv gekoppelt. In den X-Leitern auf einer Seite der Spule wird ein positives Signal induziert, während in den X-Leitern auf der entgegengesetzten Seite der Spule ein negatives Signal induziert wird. Durch Feststellung der Polarität des in einem bestimmten, abgetasteten leiterinduzierten Signals ist schnell festzustellen, daß sich die Spule entweder oberhalb oder unterhalb dieses Leiters befindet.

Entsprechend den Grundlagen der Erfindung wird das von der Spule induktiv auf eine Leiter in der Mitte der Tafel gekoppelte Signal abgetastet, beispielsweise der Leiter 32. Wenn das Signal auf diesem Leiter abgetastet wird, wird durch die Polarität des Signals bestimmt, daß die Spule tatsächlich oberhalb des Leiters 32 liegt und innerhalb des Bereiches, welcher die Leiter 1 bis 32 umfaßt. Infolgedessen ist es nicht erforderlich, irgendwelche Signale abzutasten, die in den Leitern 33 bis 64 induziert worden sind. Die nächste Abtastung erfolgt an einem Leiter in der Mitte der oberen Hälfte der Tafel, wie beispielsweise Leiter 16. Durch Feststellung der Polarität des Signals vom Leiter 16 wird ermittelt, daß sich die Spule tatsächlich oberhalb des Leiters 16 und somit im oberen Viertel der Tafel befindet, nämlich irgendwo zwischen den Leitern 1 bis 16. Die nächste Abtastung erfolgt beispielsweise am Leiter 8, und durch Feststellung der Polarität wird ermittelt, daß die Spule innerhalb eines Bereiches liegt, welcher die Leiter 1 bis 8 umfaßt. Die nächste Abtastung bewirkt eine Messung des Signals auf dem Leiter 4, und es wird durch die Polarität des Signals festgestellt, daß sich die Spule tatsächlich oberhalb des Leiters 4 befindet und damit irgendwo zwischen den Leitern 1 bis 4 liegt. Es wird dann eine Messung des Signals am Leiter 2 durchgeführt, und es wird durch Feststellung einer unterschiedlichen Polarität gegenüber den vorher gemessenen Polaritäten festgestellt, daß die Spule sich in der Tat unterhalb des Leiters 2 befindet. Die Einrichtung tastet dann den Leiter 3 ab und stellt aus der Polarität des abgetasteten Signals fest, daß sich die Spule oberhalb des Leiters 3 befindet. Somit ist mit nur 6 Abtastungen die Lage der Spule (innerhalb zweier Leiter) festgestellt worden. Dies ist im Gegensatz zur Abtastung aller 64 Leiter, wie es bei anderen Systemen erfolgt.

Infolgedessen ist nun bekannt, daß die Spule zwischen den Leitern 2 und 3 liegt. Wenn die an den Leitern 2 und 3 gemessenen Signale gleich sind, dann ergibt sich daraus, daß die Spule zu den Leitern 2 und 3 gleiche Abstände hat. Wenn aber die Signale nicht gleich sind, dann wird ein Verhältnis der durch die Abtastung der Leiter 2 und 3 erhaltenden Signale gebildet, und es wird dieses Verhältnis mit einer Tabelle verglichen, die gespeicherte Werte enthält, um die genaue Lage der Spule zu bestimmen. Da anstelle von Absolutwerten der von den Leitern 2 und 3 abgetasteten Signale Verhältnisse verwendet werden, ist die Vorrichtung amplitudenunempfindlich, frequenzunempfindlich und phasenunempfindlich. Nach der Bestimmung der Position der Spule in bezug auf die Leiter 1 bis 64 wird der gleiche Vorgang in bezug auf die Leiter 65 bis 128, die in Y-Richtung verlaufen, durchgeführt, um die Spule in der anderen Richtung genau zu lokalisieren.

Die Schaltungsanordnung zur Ausführung des Verfahrens ist in den Fig. 2, 3 und 4 wiedergegeben. Die Fig. 2 und 3 enthalten alle notwendigen Schaltungseinrichtungen mit Ausnahme der Leiter-Abtastvorrichtungen, die dazu verwendet wird, die erforderlichen Leiter 1 bis 128 abzutasten, und diese Abtastvorrichtung ist in Fig. 4 gezeigt. Die Leiter-Abtastvorrichtung verbindet die Leiter der Tafel mit der Schaltungsanordnung nach den Fig. 2 und 3.

In dem oben dargelegten Beispiel werden die Signale von den Leitern 64, 32, 16, 8, 4, 22 und 3 aufeinanderfolgend einem Eingang 12 der Analog-Digital-Umsetzerschaltung nach den Fig. 2 und 3 zugeführt. Jedes dieser Signale wird in einer Schaltung 14 verstärkt und gefiltert, um geeignete Arbeitssignalpegel für die Vorrichtung zu schaffen. Das Ausgangssignal der Verstärker- und Filter-Schaltung 14 wird einem Synchron-Gleichrichter 16 zugeführt, welcher das Eingangs-Wechselstromsignal in ein Gleichstrom- Signal umwandelt. Das Ausgangssignal des Synchron-Gleichrichters 16 wird einem Verstärker und Glättungsfilter 18 zugeführt. Die Schaltung 18 beseitigt Welligkeiten im Ausgangssignal des Synchron-Gleichrichters 16, und sie verstärkt das Gleichstrom-Signal weiter.

Das Ausgangssignal der Verstärker- und Glättungs-Schaltung 18 wird einem Analog-Digital-Wandler 20 zugeführt, welcher das Gleichspannungs-Ausgangssignal der Schaltung 18 in eine binäre Zahl umwandelt. Diese binäre Zahl wird einem Mikroprozessor 22 zugeführt, um zu bestimmen, welcher Leiter der Tafel entsprechend dem eingespeicherten Programm als nächster abgetastet werden soll.

Das Ausgangssignal vom Mikroprozessor 22 an den Steckerstiften 27-33 sind die Adressen der abzutastenden Leiter der Tafel, und es werden diese der Abtastschaltung nach Fig. 4 zugeführt. Diese sind die Adressen der mit dem Eingang 12 zu verbindenden Leiter. Das in dem Mikroprozessor gespeicherte Programm bestimmt, welcher Leiter der Tafel als nächster abgetastet wird, und auch die Erzeugung der Verhältnisse der einzelnen Leiter, die mit den Werten in der Tabelle verglichen werden müssen, um die Position der Spule in der X-Richtung zu bestimmen. Signale werden auch von den jeweiligen Y-Leitern dem Eingang 12 zugeführt, um die Lage der Spule auch in Y-Richtung zu bestimmen. Die Verbindungen von den Steckerstiften 1, 6, 8, 10-19, 35 und 39 des Mikroprozessors 22 sind mit einem UART (universeller asynchroner Empfänger/Sender) 24 gekoppelt und steht so mit einer Hilfseinrichtung, wie einem Computer oder einem Terminal, in Verbindung. Die Ausgangssignale vom UART 24 werden über Schnittstellen 25 und 27 von der TTL (Transistor-Transistor-Logik) zum RS232C überführt.

Ein Ausgangssignal 28 vom Mikroprozessor ist ein 400-kHz-Signal, welches einem Teiler 30 zugeführt wird, um das Signal durch 4 zu teilen und ein 100-kHz-Signal zu erzeugen. Dieses Signal wird über eine Leitung 32 und einen Transistor 34 dem Synchron- Gleichrichter 16 als Bezugs-Eingangssignal zugeführt. Der Transistor 34 wandelt das Signal vom Teiler 30 um und verschiebt dessen Pegel. Das 100-kHz-Signal wird auch einem Gegentaktverstärker 36 zugeführt, wobei dessen Ausgangssignale der Spule zugeführt werden, um die Spule im Gegentakt zu treiben.

Die Schaltung zum Abtasten der 64 X-Leiter (mit 1 bis 64 bezeichnet) und der 64 Y-Leiter (mit 65 bis 128 bezeichnet) ist in Fig. 4 gezeigt. Die Schaltung enthält zwei eins-aus-acht-Selektoren 40 und 42 und 16 Schaltkreise, acht zum Schalten oder zum Abtasten der zugehörigen X-Leiter und acht zum Schalter oder Abtasten der zugehörigen Y-Leiter, wobei in der Zeichnung zur Vereinfachung nur jeweils zwei gezeigt sind.

Ein Schaltkreis 44 verbindet einen ausgewählten Leiter der X- Leiter 1 bis 8 mit dem Eingang 12 der Schaltung nach den Fig. 2 und 3, und zwar über eine Leitung 46, und es verbindet ein Schaltkreis 48 einen ausgewählten Leiter der X-Leiter 49 bis 64 mit dem gleichen Eingang über die Leitung 46. Es werden gleiche Schaltkreise (nicht gezeigt) verwendet, um ausgewählte Leiter 9 bis 48 mit dem Eingang 12 zu verbinden.

Der Schaltkreis 50 wird verwendet, um einen ausgewählten Leiter der Y-Leiter 65 bis 72 mit dem Eingang 12 über eine Leitung 46 zu verbinden, und es wird der Schaltkreis 52 verwendet, um einen ausgewählten Leiter der Y-Leiter 121 bis 128 mit dem Eingang 12 über eine Leitung 46 zu verbinden. Andere nicht dargestellte Schaltkreise werden verwendet, um ausgewählte Leiter der Leiter 73 bis 120 mit dem Eingang 12 zu verbinden.

Die Eingangssignale, die der Abtastschaltung nach Fig. 4 zugeführt werden, werden vom Ausgang des Mikroprozessors 22 über die Leitungen 54, 56, 58, 60, 62, 64, 66 und 68 erhalten. Das Eingangssignal über die Leitung 54 zeigt an, daß Y-Leiter abgetastet werden sollen, und es wird somit dem eins-aus-acht-Selektor 42 für die Y-Leiter zugeführt. Das Eingangssignal auf der Leitung 62 bedeutet, daß X-Leiter abzutasten sind, und es wird entsprechend mit dem eins-aus-acht-Selektor 40 für die X-Leiter gekoppelt. Der eins-aus-acht-Selektor 40 bestimmt, welcher der acht X-Leiter-Schaltkreise, welche die Schaltkreise 44 und 48 enthalten, freigegeben werden soll, während der eins-aus-acht- Selektor 42 den geeigneten der acht Schaltkreise für die Y-Leiter, welche die Schaltkreise 50 und 52 enthalten, auswählt. Diese Auswahl eines geeigneten Schaltkreises wird von den Selektoren 40 und 42 entsprechend dem vom Mikroprozessor 22 über die Leitungen 56, 58 und 60 erhaltenen Adresse ausgeführt, die mit beiden Selektoren 40 und 42 gekoppelt sind.

Die anderen Eingangssignale vom Mikroprozessor zur Abtastschaltung sind das Eingangssignal auf den Leitungen 64, 66 und 68. Diese Eingangssignale werden allen Schaltkreisen einschließlich der Schaltkreise 44, 48, 50 und 52 zugeführt, und sie wählen aus, welcher der acht Leiter, die mit einem einzelnen Schaltkreis gekoppelt sind, mit der Ausgangsleitung 46 gekoppelt werden sollen.

Das Rechnerprogramm für den Betrieb des Mikroprozessors 22 ist in Assemblersprache geschrieben. Es ist in der beigefügten Anlage wiedergegeben.

Rechnerprogramm für den Betrieb des Mikroprozessors

Claims (4)

1. Verfahren zur Bestimmung der Position einer mit einem Wechselstromsignal erregten Übertragungsspule in Bezug auf ein Gitter aus mit Abstand voneinander parallel verlaufenden Leitern, die der Übertragungsspule benachbart angeordnet sind, wobei die Leiter nacheinander abgetastet werden, bis die Position der Übertragungsspule als zwischen zwei Leitern liegend bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung bei einem ersten Leiter des Gitters beginnt und je nach Polarität der abgetasteten Spannung auf einer Seite oder der anderen Seite des ersten Leiters bei einem mit Abstand von dem ersten Leiter angeordneten Leiter fortgesetzt wird und darauf fortlaufend bei Leitern fortgesetzt wird, die in den durch weitere Unterteilung entstandenen Bereichen liegen, bis die Position zwischen zwei benachbarten Leitern ermittelt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung bei einem im wesentlichen in der Mitte des Gitters liegenden ersten Leiter (32) beginnt und je nach Polarität der abgetasteten Spannung in der Mitte einer ersten Hälfte (16) oder einer zweiten Hälfte (48) des Gitters fortgesetzt wird und darauf fortlaufend bei den in der Mitte der durch weitere Halbierung entstandenen Bereiche liegenden Leitern (8, 56; 4, 12, 60, 52 usw.) fortgesetzt wird, bis die Position zwischen zwei benachbarten Leitern ermittelt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur genauen Bestimmung der Spulenposition zwischen den zwei benachbarten Leitern das Verhältnis der in beiden Leitern induzierten Signale festgestellt wird und daß das Verhältnis mit vorherbestimmten, die genaue Positionslage der Spule wiedergebenden Verhältnissen verglichen wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3 gekennzeichnet durch
einen Synchron-Gleichrichter (16) zum Messen der in jedem Leiter induzierten Signale,
durch eine Vorrichtung (22) zum Bestimmen des Verhältnisses der in den Leitern induzierten Signale und
durch eine Vorrichtung (22) zum Vergleichen des Verhältnisses mit einer Auflistung von vorbestimmten, die genaue Position der Übertragungsspule wiedergebenden Verhältnissen.