الحساسات : المشفر البصري الرقمي Digital Optical Encoder

المشفر البصري الرقمي Digital Optical Encoder :

يقوم المشفر البصري الرقمي بتحويل الحركة إلي سلسلة من النبضات الرقمية digital pulses . عن فك شفرة مجموعة الـ bits , يمكن تحويل النبضات إلي قياسات موضع نسبية أو مطلقة . للمشفرات encoders توصيفات خطية وتوصيفات دائرية , ولكن النوع الشائع هو الدائري . يتم تصنيع المشفرات الدائرية rotary encoders في شكلين أساسين هما :

المشفر المطلق absolute encoder حيث تكون لكل موضع دائري كلمة رقمية وحيدة مناظرة , والمشفر التزايدي incremental encoder الذي ينتج نبضات رقمية عند دوران عمود الدوران مما يسمح بقياس الإزاحة النسبية لعمود الدوران , من الشكل , نجد أن معظم المشفرات الدائرية تشتمل علي قرص مكون من الزجاج أو البلاستيك عليه صورة مطبوعة منظمة في شكل مسارات tracks قطرية . تقاطع الخطوط القطرية في كل مسار الشعاع الضوئي الذي بين الـ photoemitter – detector pair فتنتج نبضات رقمية .

صمم القرص البصري للمشفر المطلق لينتج كلمة رقمية تميز عدد N من المواضع المختلفة بمحور الدوران . علي سبيل المثال , بفرض أنه يوجد ثمانية مسارات tracks , فإن المشفر encoder يكون قادراً علي قياس (256)2⁸ موضع كل منها مناظر لتحليل زاوي قدرة ( 1.406° ) 360°/256 . اكثر أنواع التشفير التجارية التي يستخدمها المشفر المطلق شيوعاً هي :

Gray code والـ natural binary code , يبين الشكل والشكل عمل مشفر مطلق من خلال قرص مشفر بشفرة gray وأخر بشفرة الـ natural binary code كل منها صور المسارات track patterns عبارة عن أربعة مسارات (4-bit) . الصور الخطية linear patterns والمخطط الزمني المرافق هما ما يستشعره sense الـ photodetector عند دوران عمود الدوران وبالتالي دوران المسارات الدائرية التي علي قرص الشفرة code disk .

يرصد الجدول التالي أكواد bit الخرج لكل مخططين التشفير :

تم تصميم الكود "gray" ليغير مسار واحد أي one bit الحالة لكل إنتقالة عد " count transition" , علي العكس الشفرة binary code , حيث عدة مسارات أي عدد من الـ bits يمكن أن تتغير أثناء إنتقالة العد . يمكن مشاهدة هذا التأثير في الشكلين وكذلك في العمودين الأخيرين بالجدول السابق . بالنسبة للـ gray code تكون الـ uncertainty أثناء الإنتقالة transition هو فقط عدة واحد one code , يختلف في ذلك الـ binary code حيث تكون الـ uncertainty ربما عدة counts .

برغم أن الـ gray code يقدم بيانات بأقل uncertatiny , لكن الـ natural binary code هو أفضل اختيار للربط المباشر بالكمبيوتر والأجهزة الرقمية الأخري , بينما في حالة الـ gray code فإننا نحتاج إلي دائرة للتحويل من شفرة الـ gray إلي الـ binary .

يبين الشكل دائرة بسيطة تستخدم بوبات XOR المنطقية لتؤدي وظيفة التحويل من gray إلي binary , فيما يلي التعبيرات البولينية التي تربط بين الـ gray والـ binary :

B₃ = G₃

B₂ = B₃ + G₂

B₁ = B₂ + G₁                               (8.1)

B₀ = B₁ + G₀

لتحويل أي عدد له N-bits مثلاً : ( N=4 bits ) من شفرة الـ gray إلي شفرة الـ binary , فإن الـ bit الأقصي أهمية (MSB) تكون الـ binary وكود الـ gray دائماً يكونان متساويان أي أن B_N-1 = G_N-1 أما بالنسبة لكل bit أخر فإن الـ binary bit يكون عبارة عن علاقة XOR أي أن B_i = B_i+1 + G_i حيث I تبدأ من 0 حتي N-1 .

احيانا يطلق علي المشفر التزايدي incremental encoder أسم أخر هو relative encoder وهو أبسط من الـ absolute encoder في التصميم . يحتوي هذا المشفر علي مسارين وحساسين خرجهما B , A . عند دوران عمود الدوران shaft تتولد نبضات عند B , A يتناسب ترددها مع سرعة دوران الـ shaft , ويكون إختلاف الطور بين الإشارتين متقدم icad أو متأخر lag علي حسب إتجاه الدوران . يبين الشكل pattern قرص الشفرة وإشارات الخرج .B,A عن طريق عدد النبضات ومعرفة تحليل القرص disk يمكننا قياس الحركة الزاوية بين B , A اختلاف في الطور قدرة 1/4 ذبذبة .

( دورة ) ولذلك تعرف إشارتها بالاسم quadrate signals . غالباً ما يكون هناك خرج ثابت يطلق عليه INDEX يعطي نبضة كل دورة كاملة , يفيد هذا الخرج في عد الدورات الكاملة . أيضاً هو مفيد لتحديد موضع الصفر (reference) . يبين الشكل توصيف يستخدم مساران منفصلان لكل من B , A ولكن أكثر التوصيفات شيوعاً هو الذي يستخدم مسار واحد انظر الشكل مع حساسين B , A بين كل منهما ربع دورة علي المسار . يتميز النوع ذو المسار الواحد ببساطته ورخص ثمنه .

عن طريق فك شفرة B , A يمكن إيجاد الإزاحة الزاوية وإتجاه الدوران كما هو موضح في الشكل . تظهر نبضات علي أحد خطي الخرج ( CCW , CW ) علي حسب إتجاه الدوران مع عقرب الساعة clockwise أم ضد عقرب عقرب الساعة counterclockwise . بفك شفرة انتقالات B , A (transition) باستخدام دوائر منطقية متتالية sequential logic circuits يمكن الحصول علي ثلاث تحليلات مختلفة هي 4x , 2x , 1x : يعطي التحليل 1x انتقالية خرج عند كل حافة سالبة للإشارة A أو الإشارة B فتنتج نبضة واحدة كل quadrature cycle . أما التحليل 1x فهو يعطي انتقاله خرج عند كل حافة سالبة للإشارة A أو الإشارة B فتنتج نبضات عددها الضعف , أما التحليل 4x فهو يعطي نبضة خرج كاملة عند كل حافة موجبة وكل حافة سالبة للإشارة A أو الإشارة B فتنتج نبضات عددها أربعة أمثال نبضات الخرج . يتحدد إتجاه الدوران عن طريق مستوي إشارة quadrate واحدة أثناء انتقال حافة إشارة الـ quadrate الثانية .علي سبيل المثال في المود A = < 1x مع B = 1 يعني هذا ان اتجاه الدوران هو في اتجاه عقرب الساعة , بينما عندما تكون B = مع A = 1 بمعني أن اتجاه الدوران ضد عقرب الساعة . إذا كان لدينا إشارة واحدة بدلا من كل من B , A فإنه من المستحيل تحديد اتجاه الدوران .

يبين الشكل دائرة ذات تحليل 1x بتخليق وعد النبضات ( حواف سالبة معينة ) لإشارات الـ quadrate , تحدد قابلات الـ D إن كان اتجاه الدوران هو في اتجاه عقرب الساعة أم ضد عقرب الساعة وتستخدم هذه المعلومة لتشغيل عداد تصاعدي – تنازلي للحفاظ علي عد النبضة الحالية ( رقمها ) لدوران المشفر . بالإضافة للحواف المكتشفة للتحليل 1x , فإنه يمكن تصميم دوائر للكشف عن حواف أخري في إشارات الـ quadrate الناتجة في الضعف (2x) وأربعة أمثال (4x) التحليل الأساسي (1x) . يمكن بناء دائر فك كود الـ quadrate هذه بعناصر discrete وهي متاحة أيضاً في رقاقات ICS ( Hewlett Packard's HCTL-20k) .

تقدم الـ incremental encoders تحليلا أكثر وتكلفة من المشفرات المطلقة , ولكنها تقيس فقط الحركة النسبية ولا يعطي الموضع المطلق مباشرة , ومع ذلك , فإن الـ incremental encoders يمكن استخدامه ومعه limit switch لتحديد الموضع المطلق بالنسبة لموضع إسنادي reference معرف عن طريق الـ limit switch . يتم إختيار المشفرات المطلقة في التطبيقات التي يكون فيها عدم رغبة لإقامة موقع إسنادي reference position .