用于位置测定器的数字控制器的制作方法

专利名称：用于位置测定器的数字控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用以在栅格结构上确定指示器位置的数字转换器图形输入板。
数字转换器图形输入板在本技术领域里是众所周知的。在一种流行的型式中，指示器包括一个线圈，该线圈位于一指针(或触针)的构件范围内。该构件由使用者在一图形输入板的表面上定位。输入板表面上嵌入一个在两个坐标方向上延伸的线状栅格。一种方式是使指示器线圈通电以便在栅格线内产生电磁感应信号;另一种方式是使栅格线通电以便在指示器线圈内产生电磁感应信号。在这两种方式中，栅格线按顺序被寻址，以便按某时刻的一个栅格或是按各组栅格，产生以时间与栅格寻址关系的模拟输出电压。随着时间的增长，在指示器线圈附近的输出电压到达最大值，经过零然后到达最小值。在寻址开始时，一个高频计数器被触发以插入具体被寻址的栅格线之间。在断定是零交叉点时，产生计数器停止信号。该计数值就确定出在两条最靠近的栅格线之间的指示器的方位。更详细地描述这种类型的数字转换器的专利文件可参见例如Kamm等人的3，904，822、Ioanau的3，873，770和Zimmer的4，368，351。
在很多已知的系统中，要进行输出信号的模拟处理。典型的是，输出信号要相对于一个使栅格或线圈通电的参考信号进行相位移动。在被扫描的栅格线通过指示器线圈的下方时，要检测相位的移动并转换其极性，以便更准确地确定零交叉点的位置。该系统的分辨率受计数器速度和栅格间距的限制。
上述技术的发展趋势是要降低数字转换器图形输入板的成本和复杂性，但仍保持同样的准确度和分辨率，或是提高准确度和分辨率而不增加成本。这就导致越来越多地使用数字信号处理电路。此外，由于采用数字信号处理方式，使得增加新的性能以改善用户条件或扩大图形输入板的应用范围变得更加容易。
本发明的一个目的是提供一种改进的、能增大数字信号处理能力的数字转换器图形输入板。
本发明的另一个目的是提供一种使用模/数(A/D)转换和数字信号处理以确定指示器方位的数字转换器图形输入板。
本发明的再一个目的是提供一种这样的数字转换器图形输入板，它将模拟输出信号转换为数字信号然后利用数字信号的内插法以准确确定指示器的位置。
本发明的这些目的和其它目的及其优点将体现在下文描述中，它们能够实现首先是通过确定信号不存在时的一个感应电压参考值，并将其转换为一个数字计数值;接着通过扫描栅格线以设定电压测量的顺序并确定感应电压，而且同样将其转换为数字计数值;再接下去是识别这些数字计数值中的某些值来计算出某一零交叉点的计数值;然后，这个零交叉点的计数值就很容易转换为所需的X或Y坐标。
下面将参照附图来描述本发明，其中

图1 为本发明数字转换器图形输入板的一个坐标轴的栅格阵的示意图和信号处理电路的方框图;
图2 示出从图1所示栅格阵得出的信号电压作为时间函数如何变化的图形;
图3 为在较小时间范围内图2所示图形的放大图;
图4 示出根据图形输入板来确定指示器座标位置的信号信息处理的流程图。
现在参照上面提到的专利文献更详细地说明图形输入板的结构及其操作情况。当然，为了理解本发明，大多数的细节是不需要的。于是对于本发明来说栅格线如何布局或如何被扫描，是各自地还是成组地，这并不重要。模拟电压怎样被放大或者怎样与具体的栅格线相关联，由于这是本技术领域中众所周知的，所以也不重要。此外，不论是栅格通电而从指示器线圈输出，还是与此相反，也都无关紧要。本说明书将集中描述模拟输出电压如何转换为数字计数值，然后如何处理以确定指示器的方位。为此目的，将要假设一个具体的图形输入板结构，即典型的商品化的单元，本发明将按照这种假设的图形输入板的情况来解释，但是应理解，本发明并不限于应用到这种假定的结构，它可以普遍应用于任何数字转换器图形输入板中，其中与时间有关的感应电压的顺序是与在指示器相对于栅格线的定位过程中的栅格线位置相关。另外，假设的实施例将叙述本发明应用于按照通常的X-Y坐标系统中的一个坐标来确定指示器的位置，然而应当理解，类似的栅格阵将会存在于两个坐标轴的其它系统中，第二栅格的相继描述将会产生第二坐标轴的坐标位置，这些是已知的数字转换器图形输入板中常有的情况。
图1示意性地示出图形输入板中的一部分的栅格配置9。譬如说，栅格线10-32在Y方法上延伸，它们用以确定X坐标位置。栅格线相对于原点的方位在该图上方用一系列数字来表明线10位于距原点5.0英寸处，线11位于5.25英寸处，线12在5.5英寸处，依此类推。要注意的是在本例中两线之间的间距为0.25英寸。指示器线圈35用一圆圈表示，其电气上的中心点用36表示。我们的目的是要对中心点36相对于栅格阵9的位置进行定位。在这个示例性的实施例中，通过将线圈35经开关37连接到振荡器36使图形输入板成为受到驱动的指示器。由常规的扫描器40对栅格线进行顺序扫描，在栅格线中感应的任何电压都在常规的放大器41内予以放大，再由同步相位检测器42检测，由低通滤波器39滤波，然后由浣的模/数(A/D)转换器43进行处理，其数字输出存入存储器44内。所有这一切操作都是在一个微控制器(μc)45的控制下进行的。
在一种典型的操作中，扫描器40依次将每一条栅格线每隔100微秒与放大器41相连接一次。这样就可得到在某一栅格线中感应的电压，然后将其放大、滤波，并转换为一个数字计数并存入存储器44中相继的存储单元中。微控制器45经引线47与开关37相连，并在预置期间关断开关37，这样，在线圈35不通电亦即在栅格线内没有感应信号的情况下，可以确定一个参考的数字计数值。而在其后的处理期间，再将开关接通。
众所周知，对于数字化过程，可以将一个模拟信号的大小数字化为二进制位的位数。这样，一个8位的A/D转换器可以将模拟信号转换为256个可能的数值，而一个10位的A/D转换器可以将其转换为1024个可能的数值。虽然本发明不受此限制，然而本发明人还是喜欢使用一个10位的A/D转换器43来提高分辨率，下面给出的数值都是基于使用这样的转换器而取得的。
图2是从栅格线和相位检测器42输出的电压图形，该电压输入到A/D转换器43，它是时间(以微秒为单位)的函数。图1中所示的情况是假设线圈中心36位于线21和22之间的某处。点线表示的曲线51代表处理过程中在各个时间点上相位检测器42输出的信号电压，该电压输入到A/D转换器43。水平虚线52表示一个参考值，这将在下文中解释。
从这个假设的图形输入板构件的一种典型的扫描路线中得出的数据列在下面的表1中。
表 1时间(μs) 栅格位置 A/D输入 计数值 附注0 5.000 2.50 512 REF100 5.250 2.51 513 REF200 5.500 2.48 507 REF300 5.750 2.55 522400 6.000 2.63 538500 6.250 3.00 614 PROX600 6.500 3.40 696700 6.750 4.00 819800 7.000 4.45 911900 7.250 4.55 932 MAX1000 7.500 4.25 8701100 7.750 3.50 717 P1＞REF1200 8.000 2.00 411 P2＜REF1300 8.250 0.80 1641400 8.500 0.45 92 MIN1500 8.750 0.55 1131600 9.000 1.05 2151700 9.250 1.75 3581800 9.500 2.25 4611900 9.750 2.40 4922000 10.000 2.48 5072100 10.250 2.50 5122200 10.500 2.50 512
这里共有五栏。第一栏是栅格线的顺序扫描时间，以微秒为单位，范围从0(代表线10)到2200(代表线32)。第二栏表示这些相继的栅格线距离原点的相应位置，以英寸为单位，范围从5.0英寸(代表线10)到10.5英寸(代表线32)，第一间隔增量为0.25英寸。第三栏标注了“A/D输入”，它是A/D转换器输入端处的信号电压，以伏特为单位，由图2中的曲线51表示。第四栏标注了“计数值”，它是数字化的电压，对于假设的10位A/D转换器其范围为0-1024，这些计数值随后存入存储器44中。第五栏是“附注”栏，其中的内容参见下文所作的解释。
图3是图2所示曲线在800-1500微秒范围内相应于线18-25这部分的放大图。
将这样得出的信息进行如下处理以准确地确定线圈中心36相对于所示栅格阵的位置，其实，就是在微控制器45的控制下由一个适当的程序执行一套连续的步骤。使用的基本算法如下1.确定参考电平计数值REF，即图2中的52，是在无激励信号情况下得到的。可取几个取样值加以平均以减小噪声的影响。
2.使图形输入板通电并进行扫描，直到获得超过某一阈值计数值PROX的计数为止。这是为了保证指示器比所谓的接近度阈值(这是所有图形输入板的一个具体的特性)更靠近栅格。在很多图形输入板中，如果该指示器不在接近度(PROX)处和超出接近度(OUT-OF-PROX)，就不产生坐标。这是通过给参考值计数加上一个任意的增量N来实现的，对于所假定的图形输入板，N取100，亦即PROX＝REF+100。
3.确定一个最大的记录计数值，它必须超过PROX。
4.确定低于该最大计数值的中间计数值。从图2可以看出，对应于一个最大值的信号电压的峰值之后，曲线51向零下降。在经过最大值以后，所需的相应的中间计数值位于曲线51的斜率为负的部位。此后，继续扫描直到得出一连串的计数值，其中，在前面的代表最大值MAX的第一个计数值之后为第二个计数值，它小于第一个计数值;第二个计数值之后的是第三个计数值，它小于第二个计数值。如果第二和第三个计数值分别在REF的上面和下面，则它们可作为内插法中所用的中间值。另一种方法是计算对应于曲线51的计数值的斜率，然后由该斜率变负时可确定已经越过了峰值。
5.利用在步骤4中确定的中间值，通过计算这些中间计数值形成的直线的X截距(与REF电平的相交处)，在这些数值之间进行内插。这个截距或交点表示出线圈中心36在该栅格阵上的准确位置。
以下参照表1和图4的流程图作更详细的描述。栅格的起始地址和停止地址都由微控制器45输入扫描电路40中，如图4中方框60所示。然后该程序使A/D转换在每一扫描间隔期间中断，在本案中扫描间隔为100微秒，如框61所示。这个数值是根据要实现高的精确度的需要而得出的。在所述的系统中，这些线的具体配置及其间距都是恒定的。为了获得精确的内插，电子设备也必须保持不变。意思是栅格的驱动和数据的收集必须只与所确定的时间有关，这与一个实时系统的要求相类似，在该系统中从一个端口的输入被尽快且无中断地接收和分析。在图形输入板中传统使用的这种类型的一种典型的微处理器(μP)或微控制器(μc)被间断地驱动。这意味着每当被中断时该处理器都要停止它正在做的工作，处理该中断，然后再继续进行先前的过程。如果在本发明中使用这样的微处理器或微控制器，则由于模拟电压波形在相同准确的时间间隔内未被取样和数字化，因而会产生某种不准确性。虽然这种不准确性对于性能低的图形输入板是可以接受的，但是本发明人更喜欢在本发明系统中使用这样一种微处理器或微控制器，它的中断可以受到控制，以保证对被收集的数据的取样进行预处理并将它转换为数字值。通过这种控制，可使输出的数字值成为只与时间有关。设有多个微处理器和微控制器，它们提供了公知为可编程事件的协调程序的这种特性。一种较佳的微控制器是INTEL 8096族的任何一个，它包括一个高速的I/O模件，而该模件是与微控制器本身无关的硬件。在方框61中表明的程序步骤使微控制器每隔100微秒进行一次输入模拟波形的A/D转换，而对任何其它的任务不作中断。虽然在图1中A/D转换器43和存储器44是与微控制器45分开表示的，但对8097部件而言，A/D转换器和存储器实际上是包含在一个单一的8097芯片中的。
下一步即方框62用来确定REF值，这是在没有任何信号存在的情况下进行的。取得一个好的REF值的一种方法是采集未被驱动的栅格的三个取样值，然后将三个值加以平均。这个平均值示于表1的前三行内。所列出的这三个REF计数值临时被存储，然后微处理器执行一个例行的程序，以求出它们的平均值并将这个平均的REF值存储起来。在所列举的实例中，平均的REF＝511。
接下去，在方框63中，栅格被驱动、扫描和取样，直到计数值超过假设的PROX值为止。在本案中RPOX＝REF+N，其中N是一个任意值，取N＝100，因此PROX＝511+100＝611。然后将该值进行存储。在方框64中，将被扫描和取样的计数值与PROX相比较，如果它小于PROX，则将该栅格地址上移并得到一个新的取样值。从表1中可以看出，在500微秒扫描时间时，记录的计数值614已超过PROX，然后程度进入图4流程图中的下一方框65。如果该取样值未超过PROX值，则可以认为指示器尚未接近图形输入板。
在先前对线10-32的扫描期间，数字化的计数值已存在存储器中。下一步是由一个例行程序确定最大计数值，该例行程序检查每个记录计数值，直到鉴别出一个最大值时为止。从表1中的数据可以看出，在栅格线19，即位置在7.25英寸处得到最大值。当鉴别出最大值时，要使该计数值开始减小。如流程图方框66表明的，在减小之后的下一个计数值起始在位置7.5英寸(线20)处，如果大于REF，则被定为P1而保存，其栅格线位置被定为G1而保存。从表1中可以看出，P1为717，G1为7.75。然后在方框67中，将REF与位置为8.0英寸的下一个取样值相比较。如果这下一个取样值小于REF，则它被定为P2而保存，其位置被定为G2而保存，如方68所示。如果这下一个取样值不小于REF，则取样继续在方框69中进行，直到沿着曲线51的负斜率部分确定出两个跨越REF值52的计数值P1和P2为止。这个过程的目的在于限定出图3所示输出曲线51穿过基准轴52的部分。经验表明，曲线的这一部分具有在峰点之后最陡的倾斜度，几乎是一条直线。这就使零交点的计算变得相当简单了。
下一步如方框71所示，通过在P1、G1和P2、G2之间内插来计算零交点。为了把零交点计算成为栅格间距(本实例中给定为0.25英寸)的一个百分率，我们假设G1＝0，G2-G1＝1，于是，计算P2和P1之间这一行成为Y＝mx+b(其中X为零交点)，于是Pn＝mGn+b(其中下标n表示对于任意一条线的P和G)。
为了简化，取G1＝0，所以b＝P1-REF;和G2-G1＝1，所以m＝P2-P1。由于Y截距等于REF，对于作为栅格间距的一个百分率的X的求解可简化为G0＝-b/m＝(P1-REF)/(P2-P1)，在方框72中将其转换为一个坐标，从而得出线圈中心36的X坐标为X＝(G1+G0)×0.250。在该具体实例中，G1＝7.75，G0＝(717-511)/(411-717)。对于这些数值而言，m＝-306，b＝206，内插为百分率＝0.6732%，以英寸为单位成为0.1683。于是X等于7.75+0.1683＝7.9183。
图3的直观对比说明了内插法的准确性。垂线75表示线21在位置7.75英寸处(G1)，垂线76表示线22在位置8.0英寸处(G2)，水平线52表示基准轴。点78是所要求的零交点，它约在线75到线76这段间距的67%处，由此得出其坐标位置为7.9183。可期待的准确度至少象流行的图形输入板一样好，但却使用了更少的电路，因而部件少、成本低。这一准确度取决于该假设的有效性，亦即认为在最接近零交点附近的一段模拟曲线几乎是一条直线，并且利用包括该交点的取样值来计算该直线。
本发明不限于利用直线公式Y＝mx+b来计算零交点，在本技术领域中计算一条直线或一条曲线中的X截距的其它方法都是已知的，如果需要，它们也可作为代替方法。如上所述，准确度还取决于使用单独定时的电路的模拟电压的固定取样间隔时间的准确度。在数据采集中非均匀的延时将会影响所存储的数字化计数值和所得出结果的准确度。这将使取样间距相等(G2-G1＝1)的假设失效。使用独立定时的微控制器如8097可以避免这个问题。从原理上来说，也可以使数据采集硬件化以消除定时问题，或使用实时系统开发中众所周知的任何其它的概念，以保证最佳的数据采集和处理而没有不适合的变化。
如上文提到的，用假设的图形输入板结构所描述的本发明确定了指示器线圈中心的X坐标位置。在最实用的实施例中，类似的栅格线阵可用以确定Y坐标的位置，而已描述的算法亦可在待确定的Y坐标栅格阵通电时所得到的数值基础上重复进行。
虽然已经描述了本发明并说明了有关的最佳实施例，但是在不违背本发明精神的前提下本技术领域的技术人员还可做出许多变型和修改，然而在所附的权利要求书中所述的本发明不受上述结构的细节描述限制，这些变型和修改都应包括在所附的权利要求书的范围之内。
权利要求
1.一种数字转换器图形输入板，包括一个栅格线阵；一个其位置相对于该线阵待确定的指示器；用以给栅格线或指示器通电的装置；以及用于依次对这些线寻址以便从这些线和指示器得出相应于栅格线位置的相对于时间的感应模拟电压的装置，其特征在于改进之处包括(a)对这些模拟电压取样的装置；(b)用以确定从位于所述指示器的相对侧下的线中得出的一对取样值的装置；(c)用以在由(b)中确定的一对取样值之间进行内插以确定出所述指示器相对于所述线阵的确切位置的装置。
2.一种数字转换器图形输入板，包括一个栅格线阵;一个其位置相对于该线阵待确定的指示器;用以给栅格线或指示器通电的装置;以及用于依次对这些线寻址以便从这些线和指示器得出相应于栅格线位置的相对于时间的感应模拟电压的装置，其特征在于改进之处包括(a)用以将所述模拟电压转换成相应的数字值的装置;(b)用以确定未通电时的一个参考数字电平的装置;(c)用以确定在该参考电平之上的一个最大值与在该参考电平之下的一个较低值之间的一对中间数字值的装置;(d)用以在这两个中间值之间进行内插以实际上确定出相应于参考值的确切的数字值的装置;(e)用以将(d)中所确定的数字值转换为沿着所述指示器的线阵的一个坐标位置值。
3.根据权利要求2所述的数字转换器图形输入板，其特征在于，所述的内插装置能计算出由上述两个中间数字值所限定的一条直线的X截距。
4.在数字转换器图形输入板内的栅格线阵上沿指示器一个坐标轴线确定方位的一种方法，其特征在于该方法包括以下步骤(a)按寻址顺序扫描栅格线，以产生相对于时间和相应于每条被扫描的栅格线的模拟电压，然后取样并将这些被取样的电压数字化;(b)至少存储这些取样电压的数字化数值中某一些;(c)在给所述栅格阵或指示器通电之前根据已存储的数值确定无信号时的参考电平;(d)给所述栅格阵或指示器通电;(e)继续取样、转换和存储数值，直到得到超过所述参考电平的第一个数值为止;(f)根据在(e)步骤中存储的数值确定出所述第一个数值小、分别比所述参考值大和小、在时间上比第一个数值晚的第二个和第三个数值;(g)计算位于第二个数值与第三个数值之间的、基本上等于参考电平的一条线的方位。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(e)是通过确立一个第四个数值和在数字化取样值超过该第四个数值时确定所述第一个数值来完成的，所述第四个数值等于参考电平加上一个固定的增量值。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤(e)中确定第一个数值之后，在步骤(f)中检查后面的数字化数值，如果这后面的数值小于第一个数值，则存储该值作为第二个数值，并由此求得栅格线的方位;然后检查后面的数字化数值，以得到一个小于所述参考电平的数值并存储该值作为第三个数值;再用该第二和第三个数值来确定一条直线以完成步骤(g)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，计算X截距所用的公式为Y＝mx+b。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤(g)中确定的方位加上得出第二个数值的栅格线的方位，以确定指示器的确切方位。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，使用的处理单元是独立定时的。
全文摘要
一种数字转换器图形输入板，采用按栅格线顺序寻址以得到相应于被寻址线的相对于时间的电压值。使该电压被数字化，并采用一种算法以通过内插在被寻址的线上确定指示器的确切位置。该算法是基于确定一条直线的X截距而进行的。
文档编号G06F3/048GK1051805SQ9010906
公开日1991年5月29日 申请日期1990年11月7日 优先权日1989年11月7日
发明者丹尼尔·G·拉斯利 申请人:萨马图形公司