DE3717272A1 - Verfahren zum feststellen von koordinaten - Google Patents
Verfahren zum feststellen von koordinatenInfo
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- G06F3/046—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by electromagnetic means
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feststellen von
Koordinaten, welches angewendet werden kann bei einem
Koordinaten-Eingabegerät zum exakten Lesen einer auf einer
Eingabeebene gekennzeichneten Stelle.
Von der Anmelderin wurde bereits eine Koordinaten-Eingabe-
und -Erfassungs-Methode zum genauen Lesen (Erfassen) einer
auf einer Ebene gekennzeichneten Stelle vorgeschlagen
(japanische Patentanmeldung 60-1 17 761). Das dazugehörige
Koordinaten-Eingabegerät ist so aufgebaut, daß gleichzeitig
mindestens zwei Leitern einer Mehrzahl von in einem
Tablett eingebetteten parallelen Leitern Abtastsignale
gleicher Phase zugeführt werden, ein durch die diesen
Leitern zugeführten Abtastsignale erzeugtes Signal mit
Hilfe eines Koordinatengebers erfaßt, ermittelt wird, ob
sich die Polarität des erfaßten Signals umgekehrt hat, die
Signalpegel vor und nach der Polaritätsumkehr erfaßt
werden, und die von dem Koordinatengeber gekennzeichnete
Stelle berechnet wird auf der Grundlage einer Grob-Zone
auf der Koordinate, in der die Polaritätsumkehr festgestellt
wurde, sowie den Signalpegeln, die in der Grob-Zone
ermittelt wurden.
Der in der genannten Anmeldung beschriebene Koordinaten-
Berechnungsvorgang wurde unter der Annahme vorgeschlagen,
daß sich die Polarität eines Magnetfelds am Mittelpunkt
zwischen zwei ausgewählten Leitern ändert. Somit bestand
die Möglichkeit, daß sich die Umkehrstelle gegenüber dem
Mittelpunkt verschob, veranlaßt durch das Magnetfeld, das
von einem zum Zuführen eines Abtaststroms zu jedem Leiter
verwendeten gemeinsamen Leiter erzeugt wird, so daß es
manchmal zu dem Problem von Fehlberechnungen kam. Besonders
dann, wenn die Leiter oder Schleifen zeitlich gestaffelt
ausgewählt und abgetastet werden, veranlaßt die Verschiebung
der Umkehrstelle ein schwieriges Problem bezüglich
der Genauigkeit. Dies soll im folgenden näher ausgeführt
werden:
Fig. 11 zeigt die Verteilung der Detektorspannung, wenn
die Stelle der Polaritätsumkehr keiner Verschiebung unterliegt.
Die Verteilungsdarstellung zeigt das Intervall von
10 mm ≦ X ≦ 30 mm beispielsweise, wobei die Detektorspannungen
für die jeweiligen Schleifen ihre Polarität bei X =
10, 15, 20, 25 und 30 mm umkehren und mit L 10, L 15, L 20,
L 25 bzw. L 30 bezeichnet sind. Obschon die Verteilung der
Magnetfeldstärke H z für jede Schleife L 10-L 30 auf der
linken Seite des Zeichnungs-Nullpunkts positiv und auf der
rechten Seite negativ ist, repräsentiert die erfaßte
Spannung den Absolutwert der Magnetfeldstärke H z . Zur
Vereinfachung der Darstellung werden die Zonen von 10 mm ≦
X ≦ 20 mm, 15 mm ≦ X ≦ 25 mm und 20 mm ≦ X ≦ 30 mm als
Segmente S 2, S 3 bzw. S 4 bezeichnet.
Ein Aufnehmer befindet sich an der Stelle T (X = 21 mm) in
Fig. 11. Für S 4, X = 20 mm, gilt H z <0, während für S 5,
X = 25 mm, H z <0 gilt. Folglich erhält das System eine zu
der Schleife L 25 gehörige Detektorspannung V 2. Dann wählt
das System die Schleife L 15, d. h. die um zwei Schleifen
vorausgehende Schleife S (5-2) = S 3; X = 25-10 = 15 mm,
und es erhält die dazugehörige Detektorspannung V 1.
Deshalb wird bei diesem Beispiel als zu interpolierendes
Zielsegment das Segment S 3 entsprechend der Zone 15 mm ≦ X ≦ 25 mm ausgewählt.
Im folgenden soll anhand von Fig. 12 der Fall erläutert
werden, daß sich die Polaritätsumkehrstelle verschoben
hat. Dieses Beispiel ist typisch für die Verteilungskurve
der Magnetfeldstärke H z , die sich in positiver Richtung
von X verschoben hat, wobei die Schleifen und Segmente
durch die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 11
identifiziert sind. Es sei weiterhin angenommen, daß sich der
Aufnehmer an der Stelle T entsprechend X = 21 mm befindet.
In dem in Fig. 12 skizzierten Fall gilt H z <0 bereits bei
S 4, X = 20 mm. Folglich wird als Interpolationszone S (4-2)
= S 2 betrachtet, und folglich wird die Interpolation in
der Zone von 10 mm ≦ X ≦ 20 mm durchgeführt.
Man sieht, daß die Interpolations-Berechnung für diejenige
Zone durchgeführt wird, die sich von der Zone des
betroffenen Segments unterscheidet, so daß es zu einem Fehler
kommt. Im Beispiel von Fig. 12 ist die Durchführung der
Interpolation in S 3 ideal. Selbst wenn also die
Entscheidung bezüglich des Segments fehlerhaft ist, läßt sich eine
Genauigkeitsverbesserung erwarten, wenn als Interpolationssegment
das Segment S 4 genommen wird.
Um das oben aufgezeigte Problem zu beseitigen, ist in der
japanischen Patentanmeldung 60-290797 vorgeschlagen, die
Absolutwerte der Detektorspannungen einer ersten Schleife,
bei der die von dem Koordinatengeber festgestellte
Polaritätsumkehr des Magnetfelds zuerst festgestellt wurde, und
von einer zweiten Schleife, die der ersten Schleife eine
gegebene Anzahl von Schleifen in Abtastrichtung vorausgeht,
zu vergleichen, um dadurch eine zu interpolierende
Grob-Zone festzulegen. Bei diesem verbesserten Verfahren
wird das Vergleichsverhältnis zwischen den Absolutwerten
der Detektorspannungen der Schleifen vor und nach der
Polaritätsumkehr erhalten, um die Grob-Zone zu bestimmen,
die der Interpolation unterliegt. Dieses Verfahren soll im
folgenden näher erläutert werden.
Fig. 10 zeigt die Verteilung der durch den Aufnehmer
erhaltenen Detektorspannungen, wobei die Kurven zur
Vereinfachung geradlinig dargestellt sind. Ähnlich wie bei
der obigen Erläuterung, ist jedes Segment mit Sn (n ist
eine natürliche Zahl) bezeichnet, während die entsprechende
Schleife durch L 5n bezeichnet sind. Die Interpolationszonen
sind jeweils 10 mm lang. Die Segmente sind so definiert,
daß sie einander um 5 mm überlappen. Die Schleifen sind
in Intervallen von 5 mm angeordnet.
Bei der in Fig. 10 dargestellten Verteilung der
Detektorspannung werden die Detektorspannungen Vn-2 und Vn
entsprechend den Schleifen Ln-2 und Ln bei der Interpolation
mit dem Segment Sn-2 verwendet. Wenn die X-Koordinate des
Schnittpunkts C 1 der Detektorspannungen Vn-2 und Vn-1 mit
A und die X-Koordinate des Schnittpunkts C 2 der
Detektorspannungen Vn-1 und Vn mit B bezeichnet werden, so hat
Vn-2 in der Zone X<A einen kleineren Wert als im übrigen
Bereich, und Vn hat in der Zone X<B einen kleineren Wert
als im übrigen Bereich. Im Hinblick auf die Arbeitsweise
einer entsprechenden Schaltung ist es zu bevorzugen, einen
größeren Wert als den am Schnittpunkt C 1 von Vn-1 und Vn-2
und am Schnittpunkt C 2 von Vn und Vn-1 zu verwenden, und
folglich sollte die Interpolation stets innerhalb der Zone
A≦X≦B durchgeführt werden. Befindet sich also der
Aufnehmer an der rechten Seite von X = 5(n-1) mm in Fig.
10, so wird die Polaritätsumkehr zum ersten Mal festgestellt,
wenn die Schleife Ln angesteuert wird. Um also dem
oben genannten Erfordernis zu genügen, muß das Segment Sn-2
ausgewählt werden, wenn sich der Aufnehmer in der Zone von
5(n-1) mm<X<B befindet, während das Segment Sn-1
ausgewählt wird, wenn sich der Aufnehmer in der Zone B<X
<5n mm befindet. Als Folge dieser Auswahl ist es stets
möglich, Detektorspannungen zu erhalten, die größer sind
als diejenigen an den Punkten C 1 und C 2, und man kann die
optimale Zone als Interpolationszone definieren.
Folglich ergibt sich folgender Algorithmus zum Ableiten
des optimalen Segments bezüglich des Bereichs A<X<B:
Es sei angenommen, daß im Zuge des Ansteuerns der Schleifen
L 0, L 1, . . . nacheinander die Polaritätsumkehr der
Magnetfeldstärke H z zum ersten Mal bei Ankommen an der
Schleife Ln festgestellt wurde. Unter dieser Bedingung
gilt:
Mit der obigen Auswahl befinden sich die Detektorspannungen
für die Interpolation stets innerhalb der Interpolationszone
und sind größer als die Spannungen an den
Schnittpunkten C 1 und C 2. Somit ist es möglich, eine
gewisse Genauigkeit bei der Interpolation zu gewährleisten.
Anhand der Fig. 13 und 14 soll im folgenden ein
beispielhafter Prozeß zur Auswahl der Segmente entsprechend dem
obigen Algorithmus erläutert werden. Fig. 13 und 15 zeigen
die Verteilung der Detektorspannung in der Nähe von Y =
100 mm und die den jeweiligen Verteilungskurven entsprechenden
Interpolationszonen, wobei unterhalb der X-Achse
dargestellte rechtwinklige Blöcke die oben erwähnten
Segmente S darstellen und für die Interpolation ein
Segment ausgewählt werden soll, wenn der Aufnehmer innerhalb
von dessen schraffierten Bereich steht. Allerdings
wird das Ausmaß der Verschiebung der Feldpolaritäts-
Umkehr-Stelle im Umfangsbereich der Eingabeebene groß, und
ebenfalls verschieben sich die Stellen gemäß den Punkten A
und B in Fig. 10, so daß sie die Neigung haben, in die
Segment-Grenzbereiche zu rutschen oder geringfügig
außerhalb des betroffenen Segments zu geraten. In diesem Fall
werden die oben angegebenen Bedingungen folgendermaßen
geändert:
(1) Sn-1 ausgewählt, wenn |Vn/Vn-1| < 2
(2) Sn-2 ausgewählt, wenn 3LVn/Vn-1| ≧ 2
Unter Verwendung des obigen Algorithmus wird die Auswahl
eines geeigneten Segments möglich.
Die oben erläuterte zweite Vorgehensweise sieht vor, ein
geeignetes Segment dadurch auszuwählen, daß das Vergleichs-
Verhältnis der Spannungswerte ermittelt wird.
Obschon es notwendig ist, den Bezugswert des Vergleichs-
Verhältnisses in bezug auf den Umfangs- oder Seitenbereich
der Eingabeebene zu ändern, ermöglicht es diese Vorgehensweise,
ein geeignetes Segment in der Nähe der Position A
oder B in Fig. 10 bezüglich des Umfangsbereichs der
Eingabeebene zu verwenden. Allerdings steht bei dieser
Vorgehensweise zu befürchten, daß eine bei der Interpolation
verwendete Spannung einen kleinen Wert annimmt und daß ein
Koordinaten-Ausgabewert instabil wird, wenn die Erfassung
mit hoher Genauigkeit durchgeführt wird. Deshalb ist mit
einer abträglichen Einwirkung auf die Genauigkeit der
Erfassung zu rechnen. Da außerdem die Erfassung erfolgt,
nachdem der Bezugswert des Vergleichs-Verhältnisses abhängig
von einer Segmentzahl geändert wurde, steht zu befürchten,
daß der Detektoralgorithmus zu kompliziert wird.
Angesichts der oben aufgezeigten Umstände wurde von der
Anmelderin vorgeschlagen (japanische Patentanmeldung
61-106837), ein Verfahren zum Feststellen von Koordinaten
zu verwenden, bei dem ein relativ einfacher Algorithmus
verwendet wird, nach welchem die Segmente in die
Verschieberichtung der Feldpolaritäts-Umkehr-Position ein
vorbestimmtes Stück versetzt werden und ein Objektsegment
lediglich abhängig von der relativen Größe Vn, Vn-1
ausgewählt wird.
Dieses vorgeschlagene Verfahren soll im folgenden näher
erläutert werden.
Zunächst soll anhand des in Fig. 1 gezeigten
Blockdiagramms der Aufbau einer Koordinateneingabevorrichtung
erläutert werden. Die Vorrichtung besitzt eine Eingabeebene
2 b, die mit Hauptschleifen 2 a und einer
Kompensationsschleife 3 a ausgestattet ist, einen Treiber 2 zum
Abgeben eines eine gewisse Amplitude aufweisenden Stroms
von einem Oszillator 1 zu den Hauptschleifen 2 a, einen
weiteren Treiber 3 zum Einspeisen eines Stroms in die
Kompensationsschleife 3 a, einen Aufnehmer 6 mit einer
Magnetfeld-Detektorspule, welcher als Koordinatengeber
(Koordinaten-Detektorglied) fungiert, eine Verstärkerschaltung
7, die das Ausgangssignal des Aufnehmers 6 verstärkt,
eine Polaritätsdiskriminatorschaltung 8, eine
Detektorschaltung 9, Abtast- und Halteverstärker 11 und
12, einen Multiplexer 13, einen Analog/Digital-Umsetzer
(ADU) 14, einen ROM-Tabellenspeicher 15 als erste
Speichereinrichtung zum Speichern von Kompensationswerten,
einen weiteren ROM-Tabellenspeicher 16 als zweite
Speichereinrichtung zum Speichern von Korrekturwerten zur
Korrektur von Fehlern der Interpolationswerte, und eine
Steuerschaltung 10. Außerdem sind vorgesehen: eine X-
Schaltvorrichtung 4 in Verbindung mit der in X-Richtung
angeordneten Gruppe von Hauptschleifen 2 a und eine Y-
Schaltvorrichtung 5 in Verbindung mit der in Y-Richtung
orientierten Gruppe von Hauptschleifen 2 a.
Die Hauptschleifen 2 a sind zueinander parallel in der
Eingabeebene 2 b mit Abständen von 5 mm eingebettet. Ein
Ende jeder Schleife L ist an die Schaltvorrichtung 4 (bzw.
5) angeschlossen, während das andere Ende an eine Quellenleitung
2 s angeschlossen ist. Die Anordnung ist so dimensioniert,
daß eine Eingabeebene mit einer Flächengröße von
insgesamt beispielsweise 200 mm×200 mm vorhanden ist.
Die Quellenleitung 2 s ist an den Treiber 2 angeschlossen.
Die in Y-Richtung verlaufenden Schleifen sind in ähnlicher
Weise angeordnet und orientiert, so daß sie die Schleifen
der X-Richtung senkrecht kreuzen.
Die Kompensationsschleife 3 a wird durch einen von den
Hauptschleifen 2 a unabhängigen Leiter gebildet, der in der
Nähe der Quellenleitung 2 s der Hauptschleifen 2 a derart
angeordnet ist, daß er sämtliche Hauptschleifen 2 a umfaßt.
Mit einem Ende ist die Kompensationsschleife 3 a an den
Treiber 3 angeschlossen, um von diesem einen Strom mit
einer bestimmten Amplitude zu empfangen, entgegengesetzt
dem durch die Source-Leitung 2 s der Hauptschleifen 2 a
fließenden Strom. Das andere Ende der Kompensationsschleife
ist geerdet. In dem ROM-Tabellenspeicher 15, der als
erste Speichereinrichtung zum Speichern von Kompensationswerten
fungiert, sind Kompensationswerte für die jeweiligen
Schleifen L in Y-Richtung (oder in X-Richtung) gespeichert.
In dem ROM-Tabellenspeicher 15 sind Kompensationswerte ISC
für sämtliche Segmente Sn und die zu den Segmenten Sn
gehörigen Hauptschleifen für die Bedingung, daß die
Erfassungshöhe Z=15 mm beträgt, gespeichert. Im Betrieb wird
ein maßgeblicher Kompensationswert ISC durch die
Steuerschaltung 10 in Abhängigkeit der Erfassungsergebnisse
seitens der Steuerschaltung 10 aufgerufen und verwendet
für die Berechnung eines Interpolationswerts, die von
einer in der Steuerschaltung 10 enthaltenen arithmetischen
Einrichtung durchgeführt wird.
Die als zweite Speichereinrichtung fungierende ROM-Tabelle
16 speichert Korrekturwerte, die dazu dienen, eine exakte
Koordinatenposition aus dem so errechneten Interpolationswert
zu erhalten, indem dieser Fehler korrigiert wird. Die
Tabelle enthält Korrekturwerte, die z. B. jeweils eine
Zunahme von 0,1 mm des für das erfaßte Segment maßgeblichen
Interpolationswerts entspricht.
Der Aufnehmer 6 enthält in seiner Spitze die Magnetfeld-
Detektorspule. Eine von der Spule erzeugte Spannung gelangt
über die Verstärkerschaltung 7 zu der Detektorschaltung
9 und der Polaritäts-Diskriminatorschaltung 8.
Im folgenden soll der Betrieb der oben erläuterten
Koordinateneingabevorrichtung beschrieben werden.
Das Feststellen oder Erfassen der Position des Aufnehmers
6 geschieht grundsätzlich durch folgende drei Schritte:
Erfassen der Grob-Lage oder eines Segments des Aufnehmers
6; Durchführen einer Interpolation oder Erfassen einer
Fein-Lage innerhalb des erfaßten Segments; und Kombinieren
der Segmentlage und der Fein-Lage innerhalb des Segments.
Bei der Segment-Erfassung werden zuerst die Treiber 2 und
3 durch eine von dem Oszillator 1 abgegebene Sinuswelle
betrieben. Dadurch speist der Treiber 2 in die Schleifen L
nacheinander einen Strom ein, wobei die jeweilige Schleife
festgelegt wird durch den Betrieb der Schaltvorrichtung 4
und 5, die ihrerseits von der Steuerung 10 angesteuert
werden. Während dieses Vorgangs wird ein Strom mit der
halben Amplitude des durch die Hauptschleifen 2 a
fließenden Stroms von dem Treiber 3 durch die Kompensationsschleife
3 a geschickt.
Während die einzelnen Schleifen L von dem Strom abgetastet
werden, wird das durch die jeweilige wirksame Schleife L
erzeugte Magnetfeld von dem Aufnehmer 6 geführt und von
dem Verstärker 7 in ein Signal einer gewünschten Amplitude
verstärkt. Dieses Signal wird hinsichtlich der Phase mit
dem Ausgangssignal des Oszillators 1 durch den
Polaritätsdiskriminator (Phasenvergleicher) 8 verglichen. In anderen
Worten: Die Polarität des Magnetfelds wird ermittelt. Es
sei angenommen, das Ausgangssignal des Polaritätsdiskriminators
8 sei "H", wenn die Schleife L auf der linken Seite
der Zeichnung bezüglich des Aufnehmers 6 angesteuert wird.
Dann kehrt sich die Polarität des erfaßten Magnetfelds um,
wenn die Schleife L auf der rechten Seite des Aufnehmers 6
angesteuert wird, und folglich kehrt sich auch das
Ausgangssignal des Polaritätsdiskriminators um und wird zu
einem Pegel "L".
Wenn die Schleifen L nacheinander in der Reihenfolge X 0,
X 1, X 2, . . ., Xn ausgewählt und mit Strom beschickt werden,
wird diejenige Schleife Ln in der Nähe des Aufnehmers 6
festgestellt, durch die das Ausgangssignal des Polaritätsdiskriminators
8 umgekehrt wird. Nach dem Erkennen dieser
Schleife Ln erfaßt das System eine zu dieser Schleife Ln
gehörige Spannung Vn sowie eine weitere Spannung Vn-1, die
zu der vorausgehenden Schleife Ln-1 gehört, vergleicht die
beiden Spannungen Vn und Vn-1, um dann anhand eines Algorithmus
eine zu interpolierende Zone (ein Segment) festzulegen.
Wenn ein Objektsegment (z. B. das Segment Sn-2 in Fig. 10)
bestimmt ist, wählt die Steuerschaltung zuerst die auf der
linken Seite des Segments Sn-2 befindliche Schleife Ln-2
aus. Dann wird das Signal, welches durch den Aufnehmer 6
und die Verstärkerschaltung 7 gelaufen ist, mit Hilfe der
Detektorschaltung 9 in ein Gleichstromsignal umgesetzt,
und dieses Signal wird in der Abtast- und Halteschaltung
11 in Form einer Gleichspannung festgehalten.
Danach wählt die Steuerschaltung 10 die auf der rechten
Seite des Segments Sn-2 befindliche Schleife Ln aus, und
ähnlich wie oben ausgeführt, wird eine weitere Gleichspannung
durch die Detektorschaltung 9 gebildet und in der
Abtast- und Halteschaltung 12 gespeichert. Dann werden
nach Maßgabe des von der Steuerschaltung 10 abgegebenen
Signals die in den Abtast- und Halteschaltungen 11 und 12
gespeicherten Signale von dem Multiplexer 13 ausgewählt
und von dem ADU 14 in ein digitales Signal umgesetzt, um
Werte für die Spannungen Vn-2 und Vn bezüglich der
Schleifen Ln-2 bzw. Ln zu erhalten.
Dann schaltet die Steuerschaltung 10 beide Schaltvorrichtungen
4 und 5 ab. Demzufolge fließt nur der oben erwähnte
vorbestimmte Strom lediglich durch die Kompensationsschleife
3 a. Durch Erfassen eines A/D-gewandelten
Ausgangssignals ist es möglich, in der oben beschriebenen
Weise eine für die Kompensationsschleife 3 a maßgebliche
Spannung Vc zu erhalten.
Anschließend ruft die Steuerschaltung 10 von dem ROM-
Tabellenspeicher 15 einen Kompensationswert ISC ab,
welcher dem Wert (dem Abstand) des durch die Segment-
Unterscheidung ermittelten Segments in der X-/Y-Richtung
entspricht, und sie veranlaßt die Arithmetikeinrichtung
innerhalb der Steuerschaltung 10, einen Interpolationswert
P′ zu berechnen, indem die ermittelten Spannungen Vn-2, Vn
und Vc sowie der Wert ISC in die nachstehende Gleichung
(2), die den Kompensationswert beinhaltet, eingesetzt
werden:
Wenn dieser Interpolationswert P′ berechnet ist, wird auf
den ROM-Tabellenspeicher 16, in welchem Korrekturwerte P
für die Korrektur der oben erwähnten Fehler gespeichert
sind, zugegriffen, um einen Koordinatenwert zu erhalten,
welcher eine Stelle innerhalb des Segments spezifiziert.
Dann werden die Positionskoordinate (Sn×5,0+α) des
Segments und der Koordinatenwert P innerhalb dieses
Segments durch die Arithmetikeinrichtung innerhalb der
Steuerschaltung kombiniert, um die endgültige X-Koordinate
der Zielposition des Aufnehmers 6 nach folgender Gleichung
zu bestimmen:
X = (Sn × 5,0 + α) + P (mm)
wobei
Sn
= die Segmentnummer,
P
= der Korrekturwert, der durch Verbessern des
Interpolationswerts erhalten wird,
α
= das Ausmaß der Verschiebung des Segments S (z. B.
α = -2,5; 0; +2,5, der entsprechend dem Vorhandensein/
Fehlen und der Versetzungsrichtung des
Segments voreingestellt ist und durch Programmierung
gewählt wird).
Eine ähnliche Gruppe von Segmenten wird bezüglich der Y-
Richtung definiert, und mithin kann das System die Y-
Koordinate der Zielstelle mit Hilfe eines ähnlichen Ablaufs
berechnen und den berechneten Koordinatenwert über
die Schnittstellenschaltung 17 an einen Hostcomputer liefern.
Wie oben erläutert, entstehen Fehler bei der
Koordinatenerfassung durch die Verschiebung der Polaritätsumkehrstelle
des Magnetfelds. Die oben näher beschriebenen Vorgehensweisen
zielen darauf ab, Fehler weitestgehend dadurch
zu reduzieren, daß der Kompensationswert oder der Korrekturwert
eingeführt wird, um eine korrekte Koordinatenstelle
zwischen Segmenten zu interpolieren, oder dadurch, daß
ein Segment ausgewählt wird, welches weniger Fehler liefert.
Diese früheren Ideen hatten ihren Ursprung in dem
grundsätzlichen Aufbau der Anordnung, wonach die Segmente auf
der Grundlage eines gegebenen Abstands zwischen den
Schleifen definiert sind. Da die Anordnung der Segmente
vom Standpunkt der Hardware aus bestimmt wurden, ohne
Berücksichtigung des Ausmaßes der Verschiebung, wurden die
Berechnungs-Algorithmen kompliziert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben
angesprochenen technischen Probleme, wenn nicht zu lösen, so
doch zumindest zu mildern. Demgemäß soll die Erfindung ein
Verfahren zum Feststellen von Koordinaten schaffen, das in
der Lage ist, eine Koordinate mit Hilfe eines vergleichsweise
simplen Algorithmus festzustellen, indem Segmente
oder Zonen unter Berücksichtigung der Besonderheit oder
des Aussehens von Verschiebungen eingerichtet werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die Erfindung das im
Anspruch 1 angegebene Verfahren.
Aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich,
rasch eine genaue Koordinatenstelle zu berechnen, indem
ein vergleichsweise einfacher Algorithmus verwendet wird.
Dazu werden Segmente eingerichtet, indem als Bezugsgröße
die festgestellten Polaritätsumkehrstellen eines Magnetfelds
hergenommen werden, die Polaritätsumkehrstellen-
Daten in einen (ROM-)Tabellenspeicher eingegeben werden,
eine durch einen Koordinatengeber innerhalb eines
einschlägigen Segments gekennzeichnete Koordinate interpoliert
wird und das Ausmaß der Abweichung des Segments zu
bzw. von einem bei der Interpolation erhaltenen
Interpolationswert addiert bzw. subtrahiert wird.
Anhand von Fig. 1 soll ein Beispiel für ein
Berechnungsprinzip erläutert werden. Es sei angenommen, daß die
Schleifen Ln und Ln+2 unter der Bedingung abgetastet
werden, daß der Koordinatengeber (Aufnehmer) sich an der
Stelle X befindet. Die zu der Schleife Ln gehörige
Detektorspannung betrage Vn, die Detektorspannung für die
Schleife Ln+2 betrage Vn+2. Ein Interpolationswert X p
innerhalb des Segments Sn, welches definiert wird durch
die Polaritätsumkehrstellen Xn bzw. Xn+2 ergibt sich dann
wie folgt:
Die X-Koordinate des Koordinatengebers zwischen den
Schleifen Ln und Ln+2 erhält man durch Addieren des
Abweichungsbetrags On des Segments Sn von der Schleife Ln:
X = X p + On (4)
Der Wert X läßt sich nun leicht ermitteln, wenn der Wert
von On vorab in dem ROM-Tabellenspeicher abgespeichert
wurde.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Skizze zur Veranschaulichung des
Berechnungsprinzips bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren zum Feststellen von Koordinaten,
Fig. 2 eine Skizze zur Veranschaulichung eines
Segment-Unterscheidungs-Prozesses,
Fig. 3 eine Skizze zur Veranschaulichung von
Segmenten und Verschieberichtungen,
Fig. 4 bis 7 Diagramme von betrachteten Fehlern,
Fig. 8 ein Flußdiagramm eines Prozesses zum
Feststellen von Koordinaten,
Fig. 9 ein funktionelles Blockdiagramm einer
Koordinateneingabevorrichtung, die in Verbindung
mit der vorliegenden Erfindung verwendet
werden kann,
Fig. 10 eine Skizze, die eine Segment-Unterscheidung
erläutert,
Fig. 11 und 12 Skizzen, die die Beziehung zwischen
Detektorspannungen und Segmenten veranschaulicht,
und
Fig. 13 und 14 Skizzen, die beobachtete Segment-
Verschiebungen veranschaulichen.
Fig. 2 bis 8 veranschaulichen eine Ausführungsform der
Erfindung. Aufbau und Schaltungsanordnung einer
Koordinateneingabevorrichtung für dieses Ausführungsbeispiel sind
im wesentlichen identisch mit der oben beschriebenen
Vorrichtung, mit der Ausnahme, daß der ROM-Tabellenspeicher
18 das Maß oder den Betrag der Abweichung des Segments S
speichert. Deshalb soll die Koordinateneingabevorrichtung
selbst hier nicht nochmal erläutert werden. Entsprechende
Teile werden im folgenden mit den bereits oben verwendeten
Bezugszeichen bezeichnet.
Fig. 2 zeigt Schleifen L und Spannungsverteilungskurven,
die zu dem jeweiligen Magnetfeld gehören, das entsteht,
wenn diese Schleifen L abgetastet werden. In der Zeichnung
sind auf der Abszisse oder horizontalen Achse die jeweiligen
Abstände 5n in der X-Richtung der Schleifen Ln (n=0-39)
für eine Schrittweite von 5 mm dargestellt, während
auf der Ordinate oder vertikalen Achse der Absolutwert der
jeweiligen Detektorspannung aufgetragen ist. Während bei
dem oben beschriebenen System ein Segment Sn auf der
Grundlage der Position der Schleife Ln definiert wird,
definiert die vorliegende Erfindung das Segment Sn auf der
Grundlage der festgestellten Polaritätsumkehrstelle eines
Magnetfelds. Das heißt: Der Startpunkt des n-ten Segments
Sn wird definiert durch einen Punkt, bei dem die
Detektorspannung Vn Null wird, während die n-te Schleife Ln
abgetastet wird, während der Endpunkt definiert wird durch
einen weiteren Punkt oder Fleck, bei dem die Detektorspannung
Vn+2 Null wird, wenn die auf die Schleife Ln als
übernächste abgetastete Schleife Ln+2 abgetastet wird.
Obschon also benachbarte Segmente S einander überlappen,
wird die Feldumkehrstelle, d. h. der Fleck, bei dem die
Detektorspannung Vn (n = 0-39) den Wert Null annimmt,
stets als Startpunkt bzw. Endpunkt hergenommen, selbst
wenn das Ausmaß der Verschiebung zunimmt, so daß das
Objektsegment Sn, wo die Interpolation stattfinden soll,
durch Verwendung lediglich der obigen Bedingungsgleichung
(1) ausgewählt werden kann.
Es sei ein anschauliches Beispiel erläutert: Man nehme an,
der Aufnehmer 6 befinde sich an der Stelle T in Fig. 2.
Die Feldpolarität ändert sich zum ersten Mal, wenn die
(n+2)-te Schleife Ln+2 abgetastet wird. Wenn die zu der
Schleife Ln+2 gehörige, von dem Aufnehmer 6 erfaßte
Detektorspannung Vn+2 beträgt und die zu der Schleife Ln+1
gehörige Spannung Vn+1 beträgt, werden diese zwei Spannungen
Vn+2 und Vn+1 verglichen, und es wird auf die obige
Bedingungsgleichung (1) Bezug genommen. Daraus ergibt
sich:
|Vn+2/Vn+1| ≧ 1
Daraus wird als sogenanntes Objektsegment S, also als zu
interpolierendes Segment, das Segment Sn bestimmt, welches
wirksam ist, wenn die n-te Schleife Ln abgetastet wird. Es
ist also möglich, einen Interpolationswert Xp aus der
obigen Gleichung (3) zu erhalten, indem man die Detektorspannungen
Vn+2 und Vn verwendet.
Fig. 4 veranschaulicht einen Fehler oder eine Diskrepanz
zwischen dem Interpolationswert und dem idealen Wert. Der
in Fig. 4 skizzierte Graph zeigt Fehler für die Schleife
L 5 bei X = 20 mm, d. h., das Segment S 5 mit dem Startpunkt
bei X = 22,36 mm; die Schleife L 19 bei X = 95 mm, d. h.,
das Segment S 19 mit dem Startpunkt bei X = 95,07 mm; und
die Schleife L 34 bei X = 170 mm, d. h., das Segment S 34 mit
dem Startpunkt bei X = 168,21 mm. Die Fehler sind
innerhalb des Positionsbereichs von 10 mm, gemessen nach dem
Startpunkt, angegeben.
Aus Fig. 4 entnimmt man, daß in dem Bereich (X ≦ 100 mm)
auf der linken Seite der Mitte C der Eingabeebene 2 b der
Fehler kaum über 0,5 mm hinausgeht, selbst wenn die obige
Gleichung (3) unverändert angewendet wird, während in dem
Bereich (X < 100 mm) auf der rechten Seite der Mitte der
Fehler gegenüber der anderen Hälfte zunimmt, wenn die
Gleichung (3) angewendet wird.
Wenn man also aufgrund der Symmetrie der Anordnung der
Schleifen L in der Eingabeebene 2 a die Gleichung
für den Bereich (X < 10 mm) auf der rechten Seite der
Mitte der Eingabeebene 2 b verwendet und die Magnetfeld-
Umkehr-Position, die festgestellt wird, wenn die näher an
dem Endpunkt des Segments Sn liegende Schleife Ln+2
abgetastet wird, als Bezugsgröße hergenommen wird, so läßt
sich ein Fehler für den auf der rechten Seite befindlichen
Bereich erwarten, der größenordnungsmäßig vergleichbar ist
mit demjenigen auf der linken Seite der Mitte C, welcher
sich unter Verwendung der Gleichung (3) ergibt. Der oben
beschriebene Prozeß ist in Fig. 3 dargestellt. Wenn man
die Mitte C der Eingabeebene 2 b bei X = 100 mm als
Bezugsgröße nimmt, berechnet sich der Interpolationswert in
ansteigender Richtung von X bezüglich des Bereichs auf der
linken Seite (X 100 mm) und in absteigender Richtung von
X für den Bereich auf der rechten Seite (X < 100 mm).
Die Diskrepanz zwischen dem in oben beschriebener Weise
berechneten Interpolationswert und dem Idealwert ist in
den Fig. 5 bis 7 dargestellt. Fig. 5 zeigt Fehler in
dem Intervall von 20 mm ≦ X ≦ 30 mm, Fig. 6 zeigt Fehler
in dem Intervall von 95 mm ≦ X ≦ 105 mm, und Fig. 7 zeigt
Fehler in dem Intervall von 170 mm ≦ X ≦ 180 mm (das ist
symmetrisch zu dem in Fig. 5 dargestellten Fall bezüglich
X = 100 mm), und zwar für fünf Punkte Y = 20, 60, 100, 140
und 180 mm, wobei der Startpunkt oder Ursprung jedes
Graphen der Position (5n mm) der jeweils anzusteuernden
Schleife Ln in Fig. 3 entspricht.
Man ersieht aus den graphischen Darstellungen, daß der
Fehler abrupt ansteigt, nachdem die Feldpolaritäts-Umkehr-
Stelle überschritten ist, jedoch in einen Bereich von ±
0,5 über der gesamten Oberfläche der Eingabeebene 2 b im
übrigen Teil abfällt.
Zum Berechnen einer tatsächlichen Koordinate unter
Verwendung des in oben beschriebener Weise erfaßten
Interpolationswerts X p , ist es notwendig, in dem ROM-
Tabellenspeicher 18 die Feldpolaritäts-Umkehr-Positionen zu
speichern. Wenn die Absolut-Position der Polaritätsumkehr so,
wie sie ist, tabelliert werden soll, wird der Datenumfang
zu groß, um innerhalb eines Bytes untergebracht zu werden.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird deshalb der
Abweichungsbetrag On (n = 0-39) gegenüber der
Schleifenposition der Schleife L in dem ROM-Speicher gespeichert.
Damit wird der in Fig. 9 gezeigte ROM-Tabellenspeicher 15
überflüssig. In der Praxis werden die Beträge On-1, On,
On+1 der Abweichung von der Stelle der Schleife Ln-1, Ln,
Ln+1 entsprechend 5(n-1), 5n, 5(n+1) mm gemäß Fig. 2 in
Tabellenform gebracht und in dem ROM-Speicher 18 gespeichert.
Wenn die Segmentnummer n beträgt und das Maß der
Abweichung On mm (n = 0-40) beträgt, während der
Interpolationswert mit Xp bezeichnet wird, wird die X-
Koordinate für den linken Abschnitt bezüglich der Mitte C der
Eingabeebene 2 b nach folgender Gleichung berechnet:
X = 5,0 · n + On + 10 · Xp (mm) (6)
und gleichermaßen erfolgt für den Abschnitt auf der rechten
Seite bezüglich der Mitte C die Berechnung nach folgender
Gleichung:
X = 5,0 · (n+2) - On - 10 · Xp (mm) (7)
wobei Xp = Vn+2/(Vn + (Vn+2)) .
wobei Xp = Vn+2/(Vn + (Vn+2)) .
Die Y-Koordinaten können durch einen ähnlichen Prozeß wie
die X-Koordinaten berechnet werden, wobei es möglich ist,
sowohl die X- als auch die Y-Koordinaten des Aufnehmers 6
in der Eingabeebene 2 b zu erfassen. Da die beiden obigen
Gleichungen (6) und (7) zugrunde gelegt werden, sollte
sowohl die Symmetrie in X-Richtung als auch die Symmetrie
in Y-Richtung bezüglich der Mitte C in Betracht gezogen
werden.
Es gibt einen weiteren Berechnungsprozeß, bei dem in
Verbindung mit der Interpolations-Auflösung der Abstand von
beispielsweise 10 mm durch 256 dividiert wird und die
Länge eines Bruchteils, 0,04 mm, als eine Einheit behandelt
wird. In einem solchen Fall werden auch die Daten des
Abweichungsbetrages On gehandhabt, indem die
Interpolationsauflösung als eine Einheit hergenommen wird, und der
durch die Interpolationsberechnung erhaltene Interpolationswert
X p sowie das Abweichungsmaß On einen jeweils als
natürliche Zahl zwischen 0 und 255 dargestellt. In der so
digitalisierten Form läßt sich der X-Koordinatenwert für
den bezüglich der Mitte C auf der linken Seite liegenden
Abschnitt der Eingabeebene 2 b durch folgende Gleichung
berechnen:
X 50 n + (Xp+On) (10-1) mm) (8)
wobei Xp = Vn/(Vn+2)) und n = die Segment-Nummer
(0 ≦ n ≦ 20),
während ähnlich für den Abschnitt auf der rechten Seite
der Mitte C der Eingabeebene 2 b die Berechnung nach
folgender Gleichung durchgeführt wird:
X = 50 (n+2) - (Xp+On) (10-1) (9)
wobei Xp = Vn+2/(Vn + (Vn+2)) und n = die Segment-Nummer
(21 ≦ n ≦ 39).
Fig. 8 zeigt in Form eines Flußdiagramms ein Koordinaten-
Feststellungsverfahren, welches die obige Berechnung beinhaltet.
Der Betrieb der Koordinateneingabevorrichtung, bei
der die vorliegende Erfindung angewendet wird, soll im
folgenden unter Bezugnahme auf das Flußdiagramm beschrieben
werden. Hierbei wird allerdings die Beschreibung der
Verfahrensschritte bis zur Erfassung der Polaritätsumkehr
fortgelassen, da dies dem Stand der Technik entspricht.
Nach dem Abtasten der Schleifen L wird die Schleife Ln
erfaßt, die sich in der Nähe des Aufnehmers 6 befindet und
in dessen zugehörigem Ausgangssignal des Polaritätsdiskriminators
8 eine Polaritätsumkehr stattfindet. Die Spannung
Vn bezüglich dieser Schleife Ln wird verglichen mit der zu
der vorhergehenden Schleife Ln-1 gehörigen Spannung Vn-2,
und es wird ein zu interpolierendes Segment Sn-2 oder Sn-1
nach Maßgabe des durch die obige Gleichung (1) dargestellten
Algorithmus bestimmt. Nach der Bestimmung des Segments
S (z. B. des Segments Sn gemäß Fig. 2) wählt die
Steuerschaltung 10 die Schleife Ln (die Schleife bei X = 5n)
entsprechend dem Startpunkt dieses Segments aus. Jetzt
wird das durch den Aufnehmer 6 und die Verstärkerschaltung
7 gelangende Signal von der Detektorschaltung 9 in ein
Gleichspannungssignal umgesetzt, und das Gleichspannungssignal
wird in dem Abtast- und Halteverstärker 11 festgehalten.
Dann wählt die Steuerschaltung 10 die Schleife Ln+2 (die
Schleife bei X = 5(n+2)) entsprechend dem Endpunkt des
Segments Sn aus, und in ähnlicher Weise wird eine
Gleichspannung ermittelt, die dann in dem Abtast- und
Halteverstärker 12 gespeichert wird. Die in den Abtast- und
Halteverstärkern 11 und 12 festgehaltenen Spannungen werden
durch den Multiplexer 13 auf den ADU 14 gegeben und dort
in Digitalwerte umgesetzt. Dadurch erhält man schließlich
die zu den Schleifen Ln und Ln+2 gehörigen Spannungen Vn
bzw. Vn+2.
Dann wird der Interpolationswert X p durch die in der
Steuerschaltung 10 enthaltene Arithmetikschaltung berechnet,
entsprechend der obigen Gleichung (3) oder (5). Nach
der Berechnung des Interpolationswerts X p wird der
maßgebliche Abweichungsbetrag On aus dem ROM-Tabellenspeicher
18, in dem die Abweichungsbeträge On für die Segmente S
nach Segmentnummern gespeichert sind, ausgelesen, und
schließlich wird der endgültige Wert der X-Koordinate
unter Verwendung der obigen Gleichung (8) oder (9) erhalten.
Bezüglich der Y-Richtung wird ein ähnlicher Prozeß
durchgeführt, um die Y-Zielkoordinate zu erhalten. Diese
X- und Y-Koordinatenwerte werden kombiniert, so daß das
Feststellen der von dem Aufnehmer 6 gekennzeichneten Stelle
in der Eingabeebene 2 b abgeschlossen ist.
Durch das beschriebene Ausführungsbeispiel werden folgende
Wirkungen erzielt:
- 1. Da nicht die Notwendigkeit besteht, einen Kompensationswert in die Interpolationsberechnung einzuführen, vereinfacht sich die Berechnung, und die Rechengeschwindigkeit wird erhöht;
- 2. da nicht die Notwendigkeit besteht, die Detektorspannung Vc der Kompensationsschleife 3 a bei der Interpolationsberechnung zu berücksichtigen, erübrigt sich eine Schaltvorrichtung zum Anschließen und zum Trennen der Kompensationsschleife 3 a. Dadurch reduzieren sich die Kosten, während sich die Rechenzeit durch Fortfall des Schaltvorgangs reduziert;
- 3. da die Daten des Abweichungsbetrags On der Feldpolaritäts-Umkehr-Stelle in direkter Beziehung zum Koordinatenwert stehen, lassen sich die Daten experimentell leicht korrigieren;
- 4. es ist keine besondere Berücksichtigung der Segmentverschiebung notwendig, welche den Abweichungsbetrag der Polaritäts-Umkehr-Stelle im Peripheriebereich der Eingabeebene 2 b beinhaltet, und außerdem ist keine Berücksichtigung des Segmentunterscheidungs-Algorithmus für den Peripheriebereich notwendig. Es genügt eine Art von Segmentunterscheidungs-Algorithmus. Dadurch vereinfacht sich das System; und
- 5. da die Schritte bis zu der Interpolationsberechnung separat für X-Richtung und Y-Richtung durchgeführt werden können, läßt sich das System so auslegen, daß auf den ROM-Tabellenspeicher 18 zum ersten Mal dann Zugriff genommen wird, wenn die Koordinatenwerte kombiniert werden. Dadurch wird der Rechenvorgang einfach und die Rechengeschwindigkeit weiter erhöht.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden also folgende
Schritte durchgeführt: Einrichten von Grob-Zonen in der
Eingabeebene, in welchen der Koordinatengeber steht,
während als Bezugsgröße die Polaritäts-Umkehr-Position des
Magnetfelds hergenommen wird, die festgestellt wird, wenn
das Abtastsignal zu den in der Eingabeebene eingebetteten
Leitern nacheinander gesendet wird; Durchführen der
Interpolation innerhalb der Grob-Zone, und Zusammensetzen der
von dem Koordinatengeber gekennzeichneten Stelle auf der
Grundlage der Koordinatenstelle der Grob-Zone und des
durch die Interpolation erhaltenen Interpolationswerts.
Erfindungsgemäß läßt sich die Grobe-Zone, die interpoliert
werden soll, spezifizieren, indem man eine Art von
Segmentunterscheidungs-Algorithmus anwendet. Dadurch wird
das Programm für den Algorithmus einfach. Der Interpolationswert
läßt sich berechnen aus lediglich den Detektorspannungen,
die für die Segmentunterscheidung verwendet
werden. Folglich besteht für die Berechnung des
Interpolationswerts nicht das Erfordernis, den Kompensationswert
und ähnliches einzuführen und die Spannung aus der
Kompensationsschleife zu erfassen. Insgesamt läßt sich
feststellen, daß die Rechengeschwindigkeit gegenüber den bekannten
Verfahren erhöht werden kann und außerdem eine höhere
Genauigkeit beim Feststellen von Koordinaten erzielt wird.
Claims (5)
1. Verfahren zum Feststellen von Koordinaten,
gekennzeichnet durch folgende
Schritte:
- - Es werden mehrere Grob-Zonen eingerichtet, wobei als Bezugsgröße die Polaritätsumkehrstellen eines Magnetfeldes hergenommen werden, die festgestellt werden, wenn einer mit mehreren aus parallel eingebetteten Leitern bestehenden Hauptschleifen ausgestatteten Eingabeebene ein Abtastsignal zugeführt wird, so daß die Hauptschleifen durch das Abtastsignal nacheinander angesteuert werden,
- - es wird eine Grob-Zone, die interpoliert werden soll, spezifiziert,
- - die Zielstelle eines Koordinatengebers wird innerhalb der Grob-Zone interpoliert und
- - die durch den Koordinatengeber gekennzeichnete Koordinate der Zielstelle in der Eingabeebene wird berechnet auf der Grundlage der Koordinatenstelle der spezifizierten Grob-Zone und eines in dem Interpolationsschritt erhaltenen Interpolationswertes.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Koordinatenstelle
der spezifizierten Grob-Zone dadurch erhalten wird,
daß Zugriff auf eine Festspeicher-Tabelle genommen wird,
in der der Abweichungsbetrag (On; n ist eine natürliche
Zahl) zwischen der Koordinatenstelle jeder Schleife (Ln)
und der Koordinatenstelle des Startpunkts der
entsprechenden Grob-Zone (Sn) gespeichert ist, um einen maßgeblichen
Abweichungsbetrag zu erhalten, und indem die Koordinatenstelle
der entsprechenden Schleife (Ln) addiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem jede Grob-
Zone (Sn; n ist eine natürliche Zahl) so eingerichtet
wird, daß sie an dem Punkt beginnt, an dem eine Detektorspannung
(Vn), die zu der entsprechenden Schleife (Ln)
gehört, den Wert Null annimmt, und an dem Punkt endet, an
dem die Detektorspannung (Vn+2), die der genannten
Schleife (Ln) als übernächste Schleife (Ln+2) folgt, den
Wert Null annimmt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die zu interpolierende Grob-Zone als Sn bestimmt wird,
wenn (Vn+2)/(Vn+1) ≧ 1 ist, wenn die durch den
Koordinatengeber festgestellte Magnetfeldpolarität sich zum ersten
Mal nach dem Abtasten der Schleife Ln+2 umkehrt, ansonsten
zu Sn+1 bestimmt wird, wobei Vn+2 und Vn+1 die zu den
Schleifen Ln+2 bzw. Ln+1 gehörigen Detektorspannungen
sind.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Interpolationswert Xp, der für die spezifizierte
Grob-Zone Sn maßgeblich ist, nach einer der folgenden
Gleichungen berechnet wird:
und
wobei Vn und Vn+2 die Detektorspannungen sind, die zu den
Schleifen Ln bzw. Ln+2 gehören.
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