Введение к работе
Актуальность. Управление робототехническими комплексами, конвейерными линиями,, летательными аппаратами происходит в тяжелых эксплуатационных условиях. Для получения достоверной информации в этом случае используются датчики с логическим оптическим выходом. Они характеризуются высокой надежностью, точностью,, устойчивостью к воздействию температуры, влажности, электромагнитного излучения. Наиболее простым видом данного класса первичных преобразователей являются бинарные волоконно-оптические датчики (ВВОД). ВВОД может быть конструктивно-законченным изделием или представлять собой элемент более сложного датчика,, например, кодирующего узла оптоэлектронного цифт-рового преобразователя перемещений.
Передачу выходных сигналов датчиков к потребителю (например, управляющей ЭВМ) осуществляют устройства сбора информации (УСИ). При большом числе ВВОД каналы устройств сбора информации мультиплексируются. Это повышает гибкость системы управления, улучшает ее технико-экономические показатели.
G целью защиты информации от внешних помех в качестве физических каналов УСИ используются оптические волокна- (ОВ). Конструкция УСИ при этом представляет собой совокупность опто-механического (ОМБ) и оптоэлектронного (ОЭБ) блоков, соединенных между собой с помощью волоконно-оптической линии связи (ВОЛС). ОМБ устройства расположен в непосредственной близости от датчиков, а ОЭБ с помощью ВОЛС вынесен из зоны воздействия внешних дестабилизирующих факторов и находится в более ком -фортных условиях эксплуатации.
Такое техническое решение обуславливает применение оптических методов мультиплексирования - демультиплексирования каналов УСИ. Наибольшее распространение получили спектральный и временной способы мультиплексирования, однако и им присущи существенные недостатки.
Основная сложность спектрального мультиплексирования заключается в создании простых и легко настраиваемых спектрально-селективных элементов, размеры которых были бы соизмеримы с габаритами ВВОД. Применяемые для этих целей интерференцион-
ные фильтры требуют большой мощности оптического сигнала и не обладают достаточно высокой избирательностью. Временное мультиплексирование предполагает импульсный режим работы и применение либо субнаносекундной электроники, либо оптических волокон длиной в несколько десятковч-сотен метров.
Увеличение информационной емкости УСИ указанных типов приводит к усложнению их конструктивно-технологических реше -ний, увеличению габаритов и требует применение специальной элементной базы. Поэтому информационная емкость применяемых на практике УШ со спектральным или временным мультиплексированием составляет не более 3-х каналов, что не удовлетворяет современным требованиям.
Следовательно, задача увеличения информационной емкости при упрощении конструктивно-технологических решений устройств сбора информации с ВВОД является актуальной.
Диссертация связана с научно-технической работой на тему г- "Разработка волоконно-оптических измерительных преобразователей для систем автоматики промышленного и бытового назначения", шифр 0ІН-Б006-005, проводимой в рамках целевой комплексной программы "Конверсия".
Цель работы и задачи исследования. Увеличение информационной емкости при упрощении конструктивно-технологических решений устройств сбора информации с ВВОД. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи :
обзор и сравнительный анализ методов мультиплексирования, применяемых в устройствах сбора информации с ВВОД и других датчиков с логическим оптическим выходом ;
обоснование способа мультиплексирования логических оптических сигналов с помощью их цифро-аналогового преобразования, разработка математических моделей элементов оптических цифро-аналоговых преобразователей (ОЦАП);'
разработка принципов построения, методов обнаружения ошибок и коррекции погрешностей устройств сбора информации на основе ОЦАП ;
анализ точностных и энергетических характеристик УСИ на основе ОЦАП ;
оптимизация устройства последовательного сбора инфор-
мации ,*
- практическая реализация полученных результатов.
Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы высшей алгебры, прикладной комбинаторики, численные оптимизационные методы, методы теории графов, теории геометрической и скалярной оптики.
При проведении расчетов на ЭВМ IBM PC АТ-286 использовались алгоритмические языки
Научная новизна.
-
Впервые применен способ цифро-аналогового преобразования для мультиплексирования оптических логических сигналов в УСИ.
-
Разработаны оптические цифро-аналоговые преобразователи параллельного и последовательного типа, получены и исследованы математические модели элементов ОЦАП.
-
Получены и проанализированы соотношения, связывающие реализуемую информационную емкость УСИ их точностными и энергетическими характеристиками.
-
Разработаны критерии и алгоритмы оптимизации устройства сбора информации на основе последовательного ОЦАП.
Практическая ценность. Разработаны мультиплексные уст -ройства сбора информации с ВВОД и других датчиков с логическим оптическим выходом, способные надежно работать в условиях повышенного воздействия внешних дестабилизирующих факторов -температуры, влажности, электромагнитного излучения.
Устройства на основе ОЦАП позволяют увеличить информационную емкость в 2-3 раза простыми конструктивно-технологическими приемами.
Реализация работы. Устройство сбора информации на основе параллельного ОЦАП внедрено в научно-исследовательском институте физических измерений (г. Пенза). Результаты теоретического и экспериментального исследования разработанных УСИ внедрены в учебный процесс в Самарском государственном аэрокосми*-ческом университете и Поволжском институте информатики, радиотехники и связи.
- б -
Апробация работы. Основные положения диссертации док-? ладывались и обсуждались на Областной научно-технической коь ференции "Молодые ученые и специалисты - народному хозяйств} (Куйбышев,1986), II Всероссийской конференции по механике и управлению движением шагающих машин (Волгоград,1992), Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемь электронного приборостроения" (Новосибирск,1992), Республиканской научно-технической конференции "Лазерная технология и ее применение в промышленности России" (Санкт-Петербург, 1992).
Кроме того, работа "Преобразователи сигналов для бинарных волоконно-оптических датчиков" была принята на конкурс рефератов научных работ, организованный Межрегиональной ассоциацией молодых ученых, Центром поддержки интеллектуального творчества молодежи и издательством "Покомаст-Европа", 1993г.
Публикации. По результатам работы опубликовано II печаа ных работ, из них 2 патента и I свидетельство на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 108 наименований и приложений. Основная часті работы содержит 126 страниц машинописного текста, 76 рисунков и 22 таблицы.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Применение метода цифро-аналогового преобразования для мультиплексирования оптических логических сигналов.
-
Математические модели элементов назначения веса оптических цифро-аналоговых преобразователей.
-
Функциональные схемы устройств сбора информации на основе параллельного и последовательного' ОЦАП.
-
Критерии и алгоритмы оптимизации устройства сбора информации на основе последовательного ОЦАП.
