Мультисенсорное волоконно-оптическое устройство сбора информации



Мультисенсорное волоконно-оптическое устройство сбора информации
Мультисенсорное волоконно-оптическое устройство сбора информации
Мультисенсорное волоконно-оптическое устройство сбора информации
Мультисенсорное волоконно-оптическое устройство сбора информации
Мультисенсорное волоконно-оптическое устройство сбора информации
Мультисенсорное волоконно-оптическое устройство сбора информации
Мультисенсорное волоконно-оптическое устройство сбора информации
Мультисенсорное волоконно-оптическое устройство сбора информации
Мультисенсорное волоконно-оптическое устройство сбора информации
Мультисенсорное волоконно-оптическое устройство сбора информации
H03M1/12 - Кодирование, декодирование или преобразование кода вообще (с использованием гидравлических или пневматических средств F15C 4/00; оптические аналого-цифровые преобразователи G02F 7/00; кодирование, декодирование или преобразование кода, специально предназначенное для особых случаев применения, см. в соответствующих подклассах, например G01D,G01R,G06F,G06T, G09G,G10L,G11B,G11C;H04B, H04L,H04M, H04N; шифрование или дешифрование для тайнописи или других целей, связанных с секретной перепиской, G09C)

Владельцы патента RU 2757709:

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева" (RU)

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в системах управления сложным технологическим оборудованием, а также при мониторинге пространственно распределенных объектов промышленной, транспортной и социальной инфраструктуры. Заявленное мультисенсорное волоконно-оптическое устройство сбора информации содержит источник излучения, волоконно-оптический разветвитель, набор оптических переключателей, набор оптических аттенюаторов, волоконно-оптический сумматор, фотоприемник, фотоусилитель, причем выход источника излучения оптически связан с входом волоконно-оптического разветвителя, выходы которого через оптические переключатели подключены ко входам соответствующих оптических аттенюаторов, выходы которых оптически связаны со входами волоконно-оптического сумматора, выход которого через фотоприемник подключен ко входу фотоусилителя. При этом в него дополнительно введены микроконтроллер со встроенными двухпозиционным аналоговым ключом и аналого-цифровым преобразователем, входы аналогового ключа параллельно подключены к выходу фотоусилителя, выход аналогового ключа связан со входом аналого-цифрового преобразователя. Технический результат - повышение достоверности преобразования устройства сбора информации за счет микропроцессорной коррекции динамической погрешности преобразования. 5 ил.

 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в системах управления сложным технологическим оборудованием, а также при мониторинге пространственно распределенных объектов промышленной, транспортной и социальной инфраструктуры.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является мультисенсорный преобразователь бинарных механических сигналов в электрические на основе волоконно-оптического цифроаналогового преобразователя. Он содержит источник излучения, волоконно-оптический разветвитель, набор оптических переключателей, набор оптических аттенюаторов, волоконно-оптический сумматор, фотоприемник, фотоусилитель, аналого-цифровой преобразователь, состоящий из преобразователя напряжения в частоту и преобразователя частоты в код. [Гречишников В.М., Макаров Е.Г. Математическая модель функционирования мультисенсорного преобразователя бинарных механических сигналов в электрические на основе волоконно-оптического цифроаналогового преобразователя //Измерительная техника. 2020. №2, С. 20-26.].

Недостатком данного устройства является недостаточная достоверность преобразования, вызванная конечным временем срабатывания оптических переключателей сигналов, а также случайным характером начальных фаз переходных процессов переключения входных сигналов.

Другим близким по технической сущности аналогом является мультисенсорное волоконно-оптическое устройство сбора информации на основе волоконно-оптического цифроаналогового преобразователя [Пат. 2660644 РФ МПК Н03М 1/12 (2006.01); G02F 7/00 (2006.01); Н03М 1/08 (2006.01), опубл. 06.07.2018, Бюл. №19].

Мультисенсорное волоконно-оптическое устройство сбора информации содержит источник опорного напряжения, группу электронных ключей, группу подстроенных резисторов, группу светодиодов, группу передающих световодов группу передающих сферических линз, группу элементов назначения веса на основе щелевых диафрагм, группу приемных сферических линз, группу приемных световодов, Y- ответвитель, общий световод, фотоприемник, фотоусилитель, дифференцирующую цепочку, выпрямитель, компаратор, аналоговый ключ, аналого-цифровой преобразователь.

Недостатком данного устройства является сложность и недостаточная стабильность схемы автокоррекции динамической погрешности, выполненной на аналоговой элементной базе.

В основу изобретения поставлена задача повышения достоверности устройства за счет цифровой обработки информации.

Для решения поставленной задачи в мультисенсорное волоконно-оптическое устройство сбора информации, содержащее источник излучения, волоконно-оптический разветвитель, набор оптических переключателей, набор оптических аттенюаторов, волоконно-оптический сумматор, фотоприемник, фотоусилитель, причем выход источника излучения оптически связан с входом волоконно-оптического разветвителя, выходы которого через оптические переключатели подключены ко входам соответствующих оптических аттенюаторов, выходы которых оптически связаны со входами волоконно-оптического сумматора, выход которого через фотоприемник подключен ко входу фотоусилителя, введен\ дополнительно микроконтроллер со встроенными двухпозиционным аналоговым ключом и аналого-цифровым преобразователем, входы аналогового ключа параллельно подключены к выходу фотоусилителя, выход аналогового ключа связан со входом аналого-цифрового преобразователя.

Изобретение характеризуется следующими чертежами, где:

- на фиг. 1 показана функциональная схема мультисенсорного волоконно-оптическоого устройства сбора информации;

- на фиг. 2 изображены графики нормированных переходных процессов в четырехразрядном преобразователе при переключении сигналов с весовыми коэффициентами 20, 2-1, 2-2, 2-3 соответственно;

- на фиг. 3 показан график изменения напряжения на выходе усилителя;

- на фиг. 4 приведены графики модулей производных формируемых сигналов

- на фиг. 5 приведена блок схема алгоритма работы микроконтроллера.

В состав мультисенсорного волоконно-оптического устройства сбора информации входит источник излучения 1, формирующий оптический сигнал мощностью Р, который подается на вход волоконно-оптического разветвителя 2, осуществляющего равномерное деление мощности между n его выходными полюсами. Оптические переключатели 3 имеют по два входа и одному выходу. Первые входы из них предназначены для подачи на них бинарных механических входных сигналов x0(t), x1(t), …xn-1(t), а вторые - для подачи входных оптических сигналов с выходов разветвителя 2. В простейшем случае переключатель представляет корпус, внутри которого расположен подпружиненный шток, внешний торец которого выведен из корпуса наружу, а внутренний расположен внутри корпуса в зазоре между передающим и приемным световодами. При дискретном механическом воздействии на внешнюю часть штока, его внутренняя часть перекрывает оптический канал связи между световодами, что приводит к формированию на выходе приемного световода дискретного оптического сигнала амплитудой Р0=Р/n. Оптические выходы переключателей 3 связаны с входами оптических аттенюаторов 4, коэффициенты передачи которых выбраны в соответствии с числовым рядом {2-i}, i=0, 1, 2, …, n-1. Указанные значения коэффициентов передачи аттенюаторов могут быть реализованы, например, путем введения в зазор между передающими и приемными световодами, входящими в состав аттенюаторов, шторок или диафрагм. Выходы аттенюаторов подключены к входам оптического сумматора 5, в качестве которого может быть использован, например, обратно включенный оптический разветвитель на n входов. Совокупность оптических аттенюаторов 4 и сумматора 5 представляют собой волоконно-оптический цифроаналоговый преобразователь 6. Выход цифроаналогового преобразователя 6 оптически связан с фотоприемником 7, подключенным к входу фотоусилителя 8. Выход фотоусилителя присоединен параллельно к входам «а» и «б» двухпозиционного аналогового ключа 9, встроенного в микроконтроллер 11. Выход аналогового ключа 9 подключен к входу аналого-цифрового преобразователя 10, также входящего в состав микроконтроллера 11.

Мультисенсорное волоконно-оптическое устройство сбора информации работает следующим образом. Оптическое излучение от источника 1 подается на волоконно-оптический разветвитель 2, осуществляющий равномерное деление мощности излучателя между его выходными полюсами. С выхода каждого из полюсов снимается оптический сигнал мощностью P/n, где n - число входных сигналов. Сигналы с выходов разветвителя 3 поступают на входы оптических переключателей 4. В оптических переключателях под действием входных механических бинарных перемещений x0(t), x1(t), …xn-1(t) формируются оптические логические сигналы вида

В результате суммирования полученных таким образом оптических сигналов в оптическом сумматоре 5 на выходе оптического цифроаналогового преобразователя 6 формируется оптический аналоговый квантованный сигнал

где x={х0, х1, …хп-1} - кодовый вектор входных бинарных механических сигналов.

После фотоэлектрического преобразования полученного оптического сигнала в фотоприемнике 7 на выходе фотоусилителя 8 формируется электрический сигнал

где SФП - токовая чувствительность фотоприемника, KПР - коэффициент преобразования фототока в напряжение. На фиг. 2 качестве примера показаны, графики нормированных относительно произведения SФПKПРР0 переходных процессов в четырехканальном преобразователе при переключении сигналов с весовыми коэффициентами 20, 2-1, 2-2, 2-3 соответственно.

График напряжения на выходе фотоусилителя при последовательном переключении сигналов показан на Фиг. 3. Как видно из графиков на фиг. 3, выходной сигнал фотоусилителя стремится к установившемуся значению 0,625 В.

Сформированное таким образом напряжение UΣ(x,t) подается параллельно на входы «а» и «б» аналогового ключа 9. Вначале это напряжение поступает на вход «а». С помощью АЦП оно преобразуется в цифровой код Na(x,t).

Микроконтроллер вычисляет модуль производной цифрового сигнала и сравнивает ее с пороговым значением Ν'ΠОΡ, при котором переходный процесс можно считать завершенным. Пороговое значение производной Ν'ΠОΡ не должно превышать величину 2-n. Для рассмотренного примера код порогового напряжения не должен превышать значение 0,0625. Необходимость вычисления модуля производной связана с тем, что при переключении сигналов из состояния «0» в состояние «1» и наоборот переходные процессы могут иметь разнонаправленный характер, при котором производные могут быть разных знаков (фиг. 3) Графики модулей производных формируемых сигналов для рассматриваемого случая приведены на рис. 4. При выполнении равенства микроконтроллер подключает ко входу «б» установившееся значение напряжения фотоусилителя UΣ(x).В результате на выходе АЦП формируется выходной электрический код а={a0,a1,…an-1}, значения разрядных цифр которого однозначно соответствуют значениям бинарных механических сигналов х={х01,...хn-1} на входе устройства. Как видно из фиг. 4, для рассмотренного случая переходные процессы последовательно во времени кодовых комбинаций: 1101,1001,1011,1010, однозначно соответствующих достигают порогового уровня UПОР. Это приводит к последовательному формированию на выходе АЦП установившимся значениям входных механических сигналов. При одновременном срабатывании оптических переключателей выходная кодовая комбинация сформируется по окончании переходного процесса в переключателе старшего разряда.

Блок - схема алгоритма работы микроконтроллера приведена на фиг. 5

Алгоритм работы МК сводится к выполнению следующих операций. В начале в программу вводятся исходные данные. К ним относятся:

Δt - шаг дискретизации сигнала фотоусилителя по времени;

Ν'ПОР - код минимально допустимого значения напряжения производной, при котором переходный процесс можно считать завершенным;

В начальный момент номер точки на временной оси i принимается равным нулю. После этого через вход «а» аналогового ключа сигнал с выхода фотоусилителя подключается к АЦП. В результате формируется код Na(x,t0), соответствующий сигналу фотоусилителя в начале цикла преобразования. После этого через заданный интервал Δt формируется второе значение кода сигнала фотоусилителя Na(x,t0+Δt). На следующем этапе вычисляется производная N'a(x,t0), а затем и ее абсолютное значение

Если неравенство не выполняется, то осуществляется переход к следующей точке на временной оси t1=t0+Δt. Величина Δt выбирается, исходя из требуемой точности вычисления производной. Далее процесс циклически повторяется до момента, при котором будет выполнено условие В этот момент микроконтроллер через вход «б» подключает к АЦП установившееся значение сигнала фотоусилителя UΣ(x). В результате на выходе АЦП формируется выходной электрический код а={а0,а1,…аn-1}, значения разрядных цифр которого однозначно соответствуют установившимся значениям бинарных механических сигналов х={х01,…хn-1} на входе преобразователя. Полученные значения разрядных цифр a={а0,а1,…аn-1} сохраняются в памяти микроконтроллера. Для организации непрерывного процесса преобразования после сохранения и выдачи результата запускается новый цикл преобразования при значении переменной i=0. Указанный процесс повторяется до тех пор, пока не будет отключено напряжение питания устройства.

Мультисенсорное волоконно-оптическое устройство сбора информации, содержащее источник излучения, волоконно-оптический разветвитель, набор оптических переключателей, набор оптических аттенюаторов, волоконно-оптический сумматор, фотоприемник, фотоусилитель, причем выход источника излучения оптически связан с входом волоконно-оптического разветвителя, выходы которого через оптические переключатели подключены ко входам соответствующих оптических аттенюаторов, выходы которых оптически связаны со входами волоконно-оптического сумматора, выход которого через фотоприемник подключен ко входу фотоусилителя, отличающееся тем, что в него дополнительно введены микроконтроллер со встроенными двухпозиционным аналоговым ключом и аналого-цифровым преобразователем, входы аналогового ключа параллельно подключены к выходу фотоусилителя, выход аналогового ключа связан со входом аналого-цифрового преобразователя.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к микроэлектронике. Технический результат - повышение точности преобразователя напряжения в частоту (ПНЧ) за счет калибровки ошибок ПНЧ второго порядка.

Изобретение относится к электротехнике. Устройство для определения места повреждения силового кабеля содержит статические генераторы звуковой и ультразвуковой частоты, на выходе которых установлен выполненный с возможностью подключения к силовому кабелю и имеющий выход «Тире», выход «Точка» и зажим «Общий» блок кодирования, при этом в приемной аппаратуре дополнительно установлены стабилизаторы частоты и блок индикации, имеющий входы и дисплей, при этом дисплей блока индикации выполнен с возможностью индикации амплитуды поступающего на его первый вход сигнала частотой 1000 Гц зеленым цветом, а амплитуды поступающего на его второй вход сигнала частотой 60000 Гц - красным цветом.

Изобретение относится к области аналого-цифровых преобразований. Техническим результатом изобретения является создание системы считывания аналого-информационного преобразователя (АИП) со сниженным энергопотреблением, за счет уменьшенного времени сбора информации о сигнале; с увеличенной производительностью, за счет использования ДПИ; с расширенной областью применения не только для частотно-разреженного сигнала, в режиме, когда минимальный интервал интегрирования не меньше времени оцифровки используемого АЦП; с увеличенной скоростью функционирования, за счет использования блока управления АЦП интегратором; с улучшенной функциональностью, за счет использования смешивающего устройства на базе УВХ на переключаемых конденсаторах; с улучшенной производительностью, за счет использования смешивающего устройства и фильтра низких частот, что позволяет обрабатывать целевой сигнал из широкой полосы частот.
Изобретение относится к области запоминающих устройств. Технический результат заключается в обеспечении возможности бесконфликтного использования одной памяти несколькими аппаратными модулями.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается энкодера. Энкодер содержит растр с последовательностью примыкающих друг к другу участков размера h, называемых шагами кодирования и содержащих доступные для считывания устройствами считывания коды Грея, блок считывающих устройств с номерами 0, …1, …, n-1, имеющих фиксированное относительно других считывающих устройств положение и логическое устройство.

Изобретение относится к области измерительной и вычислительной техники и может быть использовано для преобразования аналоговых электрических сигналов в цифровой код.

Группа изобретений относится к области цифроаналогового преобразования, в частности к реализациям высокоскоростного и маломощного цифроаналогового преобразователя с повышением частоты.

Изобретение относится к области автоматики, информационно-измерительной и вычислительной техники, и может быть использовано для преобразования модулярного и позиционного кода в аналоговый электрический сигнал.

Изобретение относится к области автоматики, информационно-измерительной и вычислительной техники и может быть использовано для преобразования модулярного кода в аналоговый электрический сигнал.

Изобретение относится к измерительной технике и технике автоматического регулирования. Технический результат заключается в повышении точности преобразования синусно-косинусного сигнала в код угла при обеспечении высокого быстродействия преобразования, характерного для следящих систем.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при создании быстродействующих устройств обработки информации и вычислительной техники.

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в системах управления сложным технологическим оборудованием, а также при мониторинге пространственно распределенных объектов промышленной, транспортной и социальной инфраструктуры. Заявленное мультисенсорное волоконно-оптическое устройство сбора информации содержит источник излучения, волоконно-оптический разветвитель, набор оптических переключателей, набор оптических аттенюаторов, волоконно-оптический сумматор, фотоприемник, фотоусилитель, причем выход источника излучения оптически связан с входом волоконно-оптического разветвителя, выходы которого через оптические переключатели подключены ко входам соответствующих оптических аттенюаторов, выходы которых оптически связаны со входами волоконно-оптического сумматора, выход которого через фотоприемник подключен ко входу фотоусилителя. При этом в него дополнительно введены микроконтроллер со встроенными двухпозиционным аналоговым ключом и аналого-цифровым преобразователем, входы аналогового ключа параллельно подключены к выходу фотоусилителя, выход аналогового ключа связан со входом аналого-цифрового преобразователя. Технический результат - повышение достоверности преобразования устройства сбора информации за счет микропроцессорной коррекции динамической погрешности преобразования. 5 ил.

Наверх