Методы автоматизированного синтеза псевдорегулярных кодовых шкал цифровых преобразователей угла

Актуальность работы. Бурное развитие цифровой вычислительной техники естественным образом породило острую потребность в средствах ана-логово-цифрового преобразования (АЦП). Распространёнными устройствами для выполнения аналогово-цифрового преобразования являются цифровые преобразователи угла (ЦПУ). Такие устройства находят своё применение в приборостроении, робототехнике, радиои лазерной локации, различных системах связи и навигации, управления движением и пр.

Современные ЦПУ строятся на основе различных физических принципов. В соответствии с физическими методами считывания информации ЦПУ можно разделить на шесть групп: контактные, пневмоакустические, электромагнитные, электростатические, фотоэлектрические и прочие (магнитоэлектрические, тепловые и др.). Наиболее перспективными на данный момент являются фотоэлектрические ЦПУ.

Значительный вклад в развитие ЦПУ внесли работы отечественных учёных Домрачева В. Г., Мейко B.C., Городецкого А. Е., Кривенкова В. В., Месь-кина И.В., Ожиганова A.A., Прибыткина П. А., Шарина Ю. С. и др. Однако зачастую под развитием средств ЦПУ подразумевается исключительно повышение точности и надёжности преобразователей. В последнее время особенную актуальность приобрела принципиально новая задача повышения разрешающей способности при одновременном уменьшении массо-габаритных характеристик ЦПУ.

В тех случаях, когда не накладывается ограничений на массо-габаритные характеристики преобразователя, существует множество методов решения задачи повышения разрешающей способности. Однако задача повышения разрешающей способности преобразователя при одновременном уменьшении его массо-габаритных характеристик остаётся открытой. В силу конструктивных особенностей преобразователей, решение этой задачи напрямую связано с проектированием кодовой шкалы (КШ) ЦПУ. Основной функциональной частью КШ является её кодирующая маска (КМ). Именно сложность процесса синтеза КМ, в основном, определяет сложность проектирования как КШ, так и ЦПУ в целом.

Логическим представлением маски КШ является двоичный код. Обычно в качестве такого кода используется обыкновенный двоичный код или код Грея. При этом, число информационных кодовых дорожек как правило равно разрядности преобразователей, что негативно влияет на массо-габаритные характеристики ЦПУ.

Известны более технологичные по сравнению с классическими КШ псевдослучайные кодовые шкалы (ПСКШ), информационный рисунок единственной кодовой дорожки (КД) которых выполнен в соответствии с символами двоичной линейной рекуррентной последовательности. Однако ПСКШ могут быть использованы только для пострения на их основе ЦПУ малой разрядности.

Развитием ПСКШ являются псевдорегулярные кодовые шкалы (ПРКШ), позволяющие в заданных габаритах ЦПУ всего на нескольких КД (до 5) реализовать разрешающую способность до 20 двоичных разрядов.

Синтез псевдорегулярных КШ является трудоёмкой задачей и до настоящего времени выполнялся вручную. При этом, получаемый результат не давал разнообразия вариантов масок, необходимых для эффективного проектирования. Поэтому актуальной является проблема разработки методов и алгоритмов синтеза псевдорегулярных КШ и автоматизации процесса их проектирования. Такие КШ позволили бы на своей основе создавать ЦПУ с улучшенными массо-габаритными и технологическими характеристиками.

Цель диссертационной работы состоит в разработке методов и алгоритмов для синтеза псевдорегулярных кодовых шкал цифровых преобразователей угла с улучшеными массогабаритными характеристиками.

Для достижения указанной цели потребовалось решить следующие задачи:

1. Провести анализ методов построения кодовых шкал современных цифровых преобразователей угла.

2. Осуществить поиск новых классов двоичных последовательностей пригодных для построения информационных рисунков псевдорегулярных кодовых шкал.

3. Разработать методы и алгоритмы автоматизированного синтеза псевдорегулярных кодовых шкал на основе найденных двоичных последовательностей.

4. Разработать структуру и программный код САПР псевдорегулярных кодовых шкал цифровых преобразователей угла.

Научная новизна результатов исследования заключается в следующем:

1. Предложен метод синтеза полного множества порождающих полиномов М-последовательностей с одинаковым периодом на основе одного заданного с улучшенными показателями вычислительной сложности.

2. Разработан алгоритм получения индексов децимации, используемый как основной этап в методе построения порождающих полиномов М-после-довательностей.

3. Предложен метод синтеза псевдорегулярных кодовых шкал на основе М-последовательностей.

4. Разработан алгоритм синтеза полного множества двоичных последовательностей де Брейна заданной степени.

5. Предложен метод синтеза псевдорегулярных кодовых шкал на основе двоичных последовательностей де Брейна.

6. Предложен метод синтеза псевдорегулярных кодовых шкал на основе комбинации М-последовательностей и двоичных последовательностей де Брейна.

7. Предложена структура и разработан программный код системы автоматизированного проектирования псевдорегулярных кодовых шкал ЦПУ.

Практическая значимость. Результаты, изложенные в диссертации, могут быть использованы для синтеза масок кодовых шкал, позволяющих строить на своей основе ЦПУ с улучшенными массо-габаритными и технологическими характеристиками. Разработанные методы и алгоритмы являются научной основой для создания САПР псевдорегулярных масок кодовых шкал ЦПУ.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

1. Метод синтеза полного множества порождающих полиномов М-после-довательностей с одинаковым периодом на основе одного заданного.

2. Алгоритм синтеза полного множества двоичных последовательностей де Брейна заданной степени.

3. Методы синтеза круговых псевдорегулярных кодовых шкал на основе М-последовательностей, двоичных последовательностей де Брейна и их комбинаций.

4. Структура и программный код системы автоматизированного проектирования псевдорегулярных кодовых шкал ЦПУ.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы и результаты исследований докладывались на различных конференциях, в том числе на I и II Майоровских чтениях в НИУ ИТМО (2010г., 2011 г., СПб), VIII конференции молодых ученых НИУ ИТМО (2011 г., СПб), XL и XLII научных и учебно-методических конференциях в НИУ ИТМО (2011 г., 2013 г., СПб), V Научно-технической конференции молодых специалистов по радиоэлектронике в ОАО «Авангард» (2012 г., СПб).

Публикации. Теоретические и практические результаты, представленные в диссертации, отражены в 7 научных работах, в том числе входящие в список рекомендованных ВАК для защиты кандидатских диссертаций [3840], сборники трудов сотрудников кафедры ВТ НИУ ИТМО [16, 18], сборники трудов конференций и тезисов докладов [17, 19].

Личный вклад автора. Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с научных руководителем, причем вклад диссертанта был определяющим. Все представленные в диссертации результаты получены лично автором.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения, библиографии и 7 приложений. Общий объем диссертации 173 страницы, из них 128 страниц текста, включая 17 рисунков. Библиография включает 67 наименований на 8 страницах.

4.4. Выводы.

1. Разработанная система в полной мере реализует основные принципы системного подхода в проектировании, имеющие важное значение при проектировании САПР.

2. САПР ПРКШ позволяет автоматизировать проектирование ПРКШ, которые легко могут быть использованы в процессе проектирования круговых преобразователей перемещения. Таким образом, реализуется принцип включения.

3. Множество функциональных модулей связаны между собой в единую САПР. Причём это множество может быть расширено за счёт добавления множества модулей-генераторов двоичных последовательностей. Таким образом реализуются принципы комплексности, совместимости, модульного построения и системного и информационного единства. При этом, модули системы реализуют объектную иерархию, максимально приближенную к реальным объектам проектирования.

4. Разработанная САПР ПРКШ позволяет унифицировать реализацию КМ, инкапсулируя вычислительную часть и предоставляя единый интерфейс, реализуя принцип инвариантности и эквифинальности.

5. На основе разработанного подхода реализована САПР ПРКШ на языке С#, с использованием .NET4 Framework. Подобную систему можно применять для проектирования преобразователей угловых перемещений, использующих различные виды ПРКШ.

Заключение

.

К основным результатам диссертационной работы относятся следующие:

1. Разработан и исследован метод получения порождающих полиномов М-последовательностей путём нормальных децимаций на основе одного заданного.

2. Разработан алгоритм получения индексов децимации, используемый как основной этап в методе построения порождающих полиномов М-последовательностей.

3. Разработан метод синтеза круговых псевдорегулярных кодовых шкал для цифровых преобразователей угла на основе М-последовательностей.

4. Разработан и исследован алгоритм получения полного множества двоичных последовательностей де Брейна порядка п.

5. Разработан метод синтеза круговых псевдорегулярных кодовых шкал для цифровых преобразователей угла на основе двоичных последовательностей де Брейна.

6. Получены полиномы размещения считывающих элементов с произвольным шагом для кодовых дорожек цифровых преобразователей угла, информационный рисунок которых получен на основе последовательности де Брейна.

7. Разработан метод синтеза круговых псевдорегулярных кодовых шкал для цифровых преобразователей угла на основе комбинации М-последовательностей и двоичных последовательностей де Брейна.

8. Разработана логическая структура и программный кода САПР псевдорегулярных кодовых шкал.

На основе рассмотренного подхода реализована САПР ПРКШ на языке С#, с использованием .NET4 Framework. Разработанное программное обеспечение внедрено в производственный процесс в ОАО «Авангард», где используется в процессе проектирования цифровых преобразователей угла.