Машинная графика - Учебное пособие (П.В.Вельтмандер)

0.12.4  планшеты (tabletts)

Планшеты являются устройствами ввода с непосредственным заданием координат (локаторы). Это одно из важнейших устройств ввода. Пользователь может вводить информацию в компьютер привычным образом, как при использовании карандаша и бумаги.

Позиции задаются перемещением зонда планшета (визира или карандаша) по рабочей поверхности. Координата текущего положения зонда определяется с частотой от 200 до 500 раз в секунду. Этим обеспечивается что даже при быстрых перемещениях зонда вдоль какой-нибудь кривой она будет вводиться достаточно гладко. Из-за большой частоты опроса генерируется много данных, поэтому в большинстве случаев они подвергаются дальнейшей обработке для сокращения объема. Обычно используемый способ - выдача новой координатной пары при достижении заданного отклонения от последней зафиксированной.

В общем планшеты работают в различных режимах:

 точечном, когда генерируется координата при нажатии кнопки зонда;

 непрерывном, когда последовательность координат генерируется непрерывно при нахождении зонда в рабочей области планшета (при этом может производиться сокращение объема передаваемых данных так, как это описано выше);

 переключаемом непрерывном, когда генерируется непрерывная последовательность координат при нажатии кнопки зонда;

 приращений, когда формируются приращения к последней выданной позиции.

Имеется много различных способов определения координат зонда на планшете. Далее будут рассмотрены основные из них.

Потенциометрический (градиентный) планшет

Поверхность планшета представляет собой резистивное покрытие (рис. 0.12.2). По границам к этому покрытию подводится ток попеременно по X и Y направлениям. Зонд планшета имеет гальванический контакт с резистивным покрытием. Координата определяется по падению напряжения в точке контакта. Для устранения искажений поля, вызываемого взаимным влиянием контактных шин, питающие напряжения подводят через диоды. Основные проблемы при разработке таких планшетов:

 материал покрытия должен быть достаточно высокоомным, чтобы обеспечить простоту и точность измерения;

 материал покрытия должен обладать однородной проводимостью, чтобы обеспечить линейность ввода координат;

 материал покрытия должен быть достаточно прочным, чтобы выдержать постоянный контакт с наконечником планшета.

Рисунок 84

Рис. 0.5.2: Устройство потенциометрического планшета

Предлагаются и иные конструкции градиентных планшетов, не требующие гальванического контакта зонда с поверхностью. Например, планшет в котором резистивный слой из окиси олова находится между двух стеклянных пластин. Высокочастотное питание подводится через контактные шины по краям планшета. Используются различные частоты для X и Y напряжений питания. Зонд планшета воспринимает фазы сигналов, различные для различных точек на планшете. Так как используется высокочастотный сигнал, то возможно значительное удаление зонда от поверхности - более 10 мм. Измерение амплитуды сигнала позволяет получить информацию о высоте подъема зонда.

Акустический планшет

В таком планшете разрядник в зонде излучает ультразвуковой сигнал, который принимается ленточными микрофонами, расположенными на двух смежных сторонах планшета (рис. 0.12.3а). Акустические планшеты с тремя группами микрофонов (рис. 0.12.3б) могут выдавать трехмерную координатную информацию.

Рисунок 85

Рис. 0.5.3: Устройство акустического планшета

По времени прихода звука к микрофонам определяется точное положение зонда. В связи с большой скоростью распространения звука в воздухе  330 м/с эти измерения не представляют трудностей. Акустический планшет позволяет определять координаты и при значительном удалении от поверхности планшета, но с ошибкой, как это пояснено на рис. 0.12.4a).

Рисунок 86

Рис. 0.5.4: Причина ошибки в акустическом планшете

Это свойство планшета позволяет определять 3D координаты с помощью плоского планшета, имеющего по микрофону на каждой стороне. При стороне планшета = 2а и измерении координат x и y относительно центра планшета из рис. 0.12.4б) можно написать следующие выражения для z:

 

z2

=

d12 - (x+a)2,

 

=

d22 - (x-a)2,

 

=

d32 - (y+a)2,

 

=

d42 - (y-a)2.

 

Из этого легко находятся:

x = (d12 - d22)  /  4a;

 

y = (d32 - d42)  /  4a;

 

4z2 = (d12 + d22 + d32 + d42) + 2x2 + 2y2 + 4a2.

Основным недостатком акустического планшета является сильная зависимость от окружающей среды, особенно влажности.

Емкостные планшеты

В таких планшетах под непроводящей рабочей поверхностью генерируется электромагнитное поле с помощью взаимно перпендикулярных групп проводников (рис. 0.12.5). Проводники в каждой группе должны быть точно параллельны и находиться на одинаковых расстояниях друг от друга. Эти проводники служат передающими антеннами. На передающие антенны поочередно подается высокочастотное напряжение. Сигнал принимается емкостным датчиком зонда. Пусть датчик находится между двумя проводниками, тогда вначале будет получен сигнал от одной антенны, затем от другой. По соотношению амплитуд сигналов можно узнать точное расположение между антеннами.

Недостатком этого планшета является то, что зонд должен находиться либо непосредственно на рабочей поверхности, либо на малых расстояниях от нее (на толщину нескольких листов бумаги).

Рисунок 87

Рис. 0.5.5: Устройство планшета с емкостным съемом информации

Примером такого устройства может служить планшет, разработанный в ИЯФ'е и выпускавшийся рядом организаций. Рабочее поле планшета 380×380 мм, проводники расположены на двухсторонней печатной плате с довольно большим шагом - 5мм. Частота высокочастотного генератора - 625 КГц. Время коммутации 200 мкс. Датчиком служит незамкнутая круглая проволочная петля. Встроенный в планшет микропроцессор за 7 мс рассчитывает и выдает координату с довольно высокой точностью - 0.1 мм.

Магнитоэлектрические планшеты

В таких планшетах катушка в зонде и проводники под рабочей поверхностью планшета могут рассматриваться как первичная и вторичная обмотки трансформатора. Если приемная катушка находится на зонде, то конструктивно этот планшет подобен емкостному планшету. Существенно большее разрешение достигается при использовании обмотки зонда как передатчика, но в этом случае катушка зонда должна иметь много витков, чтобы сгенерировать достаточно мощное поле. Большинство далее упоминаемых кодировщиков, используемых для ввода чертежей, работает на этом принципе.

Магнитострикционные планшеты

Магнитострикционные планшеты используют магнитострикционные проволоки как носители сигнала, которые под воздействием внешнего магнитного поля незначительно изменяют свою форму (рис. 0.12.6). Магнитное поле, вызываемое передающими катушками на краю планшета и перпендикулярное магнитострикционным проволокам, генерирует изменение их длин. Это изменение длины распространяется вдоль проволоки как волна механического напряжения со скоростью около 5000 м/с. Волна, попадая в приемную катушку, расположенную в зонде планшета, из-за изменения потока формирует в катушке импульс напряжения. Время прихода волны пропорционально расстоянию от передающей катушки на краю планшета до зонда. Так как расстояние всегда измеряется вдоль проволоки, то не требуется, чтобы проволоки были абсолютно параллельны. Не требуется располагать проволоки так часто, как это следовало бы из разрешения прибора. Более того достаточно их расположить на расстоянии в 2-3 мм все равно при этом на планшете гарантируется достаточное изменение потока. Этот принцип имеет относительно высокую точность (0.01 мм), широко используется в робототехнике и в большинстве планшетов.

Bit Pad One фирмы Summagraphics работает на магнитострикционном принципе. Размер его рабочей области 300×300 мм. На подложке под рабочей поверхностью планшета с шагом  3 мм расположены по 96 проволок для каждой из осей. Разрешение по координате составляет 0.1 мм.

Стандартом на рынке для PC является планшет Bit Pad Two, имеющий разрешение в 0.05 мм и точность в 0.5 мм.

Рисунок 88

Рис. 0.5.6: Устройств магнитострикционного планшета