Устройство для ввода информации в эвм

Устройство для ввода информации в эвм

Реферат

 

Изобретение относится к электронике и вычислительной технике и может быть использовано для ввода координатной, графической, текстовой информации и команд в ЭВМ. Техническим результатом является обеспечение независимого манипулирования шестью координатами, а также повышение надежности, технологичности. Для этого устройство для ввода информации в ЭВМ содержит датчик ускорения, корпус для размещения элементов устройства, линию связи с ЭВМ; датчик ускорения выполнен в виде симметричного инерционного тела из немагнитного материала, помещенного в замкнутый объем, заполненный магнитной жидкостью, вокруг которого попарно по трем взаимно перпендикулярным осям размещены источники магнитного поля. 21 з.п.ф-лы,1 ил.

Изобретение относится к электронике и вычислительной технике и может быть использовано для ввода координатной, графической информации и команд в ЭВМ.

Известно устройство для ввода в ЭВМ координатной и графической информации, объединяющее "мышь" и шаровой манипулятор, содержащее шаровой манипулятор, формирующий сигналы, соответствующие углам его поворота, и две крышки, причем манипулятор установлен между крышками таким образом, что только часть его поверхности выступает сзади от крышек, одна из которых закреплена на шарнирах с возможностью перемещения между открытым и закрытым положением, при этом первый фиксатор удерживает крышки в положении, когда одна поверхность манипулятора размещена напротив плоской поверхности, а второй фиксатор удерживает крышки в положении, когда поверхность манипулятора опирается на две поверхности и контактирует с названной плоской поверхностью (заявка EP N 0480700, класс МПК 5 G 06 K 11/18, "Изобретения стран мира", N 14 1993 г., стр. 26).

Недостатком данного устройства является возможность управления только двумя независимыми координатами X и Y, необходимость в специальной рабочей поверхности, по которой перемещается устройство, необходимость прецизионной обработки механических деталей и узлов, износ и загрязнение которых приводят к быстрому выходу устройства из строя.

Известен графический манипулятор, обеспечивающий ввод трех независимых координат X, Y и Z, содержащий основание с двумя взаимно перпендикулярными валами, вращающимися в подшипниках, и держатель с закрепленным в подшипнике третьим валом. Каждый вал механически связан с соответствующим преобразователем угла поворота в код. Полученные коды передаются в ЭВМ по кабелю, обеспечивая управление графическим объектом на экране дисплея. (Патент RU N 2004930, МПК 5 G 06 K 11/18).

Недостатками данного устройства являются возможность одновременного управления только двумя независимыми координатами (XY) или (XZ) или (YZ) и вытекающая из этого неестественность движения руки оператора, жестко ограниченный объем, в котором должна находиться рука оператора во время работы (определяемый длиной вала, закрепленного в держателе и расположением основания), наличие сложных в изготовлении и быстроизнашивающихся трущихся деталей.

Известен так же контроллер с координатной ручкой для вводя трехмерной информации, содержащий сфероид, свободно вращающийся во всех направлениях внутри неподвижного корпуса; вставленная в сфероид управляющая рукоятка, которую можно вращать и направлять в произвольном направлении; внутренняя и внешняя рычажные пластины, шарнирно прикрепленные к корпусу, расположенные во взаимно пересекающихся плоскостях и поворачивающиеся вместе с рукояткой, два угловых преобразователя, прикрепленных к корпусу и срабатывающих при повороте пластины, преобразователь угла поворота, срабатывающий при повороте рукоятки, муфтовый механизм, оборудованный между рукояткой и преобразователем и соединяющий или разъединяющий их в соответствии с осевым перемещением рукоятки. Одновременно с этим формируются выходные электрические сигналы преобразователя, зависящие от вращения рукоятки.(Заявка JP N 3 - 44326, класс МПК 5 G 06 K 3/033, G 06 K 11/18, "Изобретения стран мира" N 20 1993 г., стр. 46).

Недостатком контроллера с координатной ручкой является сложность устройства, большое число деталей и узлов, требующих прецизионной обработки, большое количество трущихся деталей, износ которых определяет срок службы устройства.

Наиболее близким по технической сущности аналогом является устройство для ввода информации в ЭВМ, представляющее собой перо для ввода рукописной информации, содержащее полый корпус, внутри которого расположен пишущий элемент, датчик давления и датчик ускорения, выполненный в виде взаимно перпендикулярных пьезопластин, с инерционными элементами, расположенными вдоль оси пишущего элемента в два ряда, в верхнем из которых инерционные элементы закреплены на нижних концах пьезопластин, причем датчик давления выполнен в виде пьезопластины, плоскость которой параллельна оси пишущего элемента, и один конец которой жестко закреплен в корпусе, а другой соединен с рычагом, одна сторона которого через амортизирующий элемент связана с корпусом, а другая через подпружиненный толкатель - с пишущим элементом. (А. С. СССР N 811307, класс G 06 K 11/06).

Описанный выше ближайший аналог позволяет осуществлять ввод в ЭВМ только двухмерной координатной информации.

Решаемой задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является создание устройства, обеспечивающего манипулирование шестью независимыми координатами, обладающего надежностью, технологичностью, плавной регулировкой чувствительности.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для ввода информации в ЭВМ, содержащем датчик ускорения согласно изобретению, датчик ускорения выполнен в виде симметричного инерционного тела из немагнитного материала, помещенного в замкнутый объем, заполненный магнитной жидкостью, вокруг которого попарно по трем взаимно перпендикулярным осям размещены источники магнитного поля, в устройство введены блок преобразования сигнала и переключатели, предназначенные для задания режима работы устройства, при этом выходы источников магнитного поля подключены к аналоговым входам блока преобразования сигнала, цифровые входы которого подключены к выходам переключателей, последовательные вход и выход блока преобразования сигнала являются входом и выходом устройства, которые предназначены для подключения к ЭВМ.

Поставленная задача решается также в следующих частных случаях выполнения предлагаемого устройства, в которых нашли развитие и уточнение признаки предлагаемого решения: - замкнутый объем датчика ускорения выполнен в виде сферы; - замкнутый объем датчика ускорения выполнен в виде центрально-симметричного многогранника; - инерционное тело выполнено в виде шара; - инерционное тело выполнено в виде центрально- симметричного многогранника; - инерционное тело выполнено полым; - инерционное тело выполнено из двух и более немагнитных материалов; - в устройство дополнительно введено несколько источников магнитного поля, расположенных вблизи имеющихся источников магнитного поля; - источник магнитного поля выполнен в виде последовательно соединенных генератора тока и катушки индуктивности, причем выход генератора тока является выходом источника магнитного поля; - для повышения технологичности изготовления устройства катушка индуктивности дополнительного источника магнитного поля выполнена в виде нескольких соединенных между собой катушек; - с целью снижения энергопотребления устройства в источник магнитного поля введен один или несколько постоянных магнитов.

- блок преобразования сигнала содержит АЦП с числом каналов по числу источников магнитного поля, вычислитель, последовательный интерфейс, преобразователь уровней и регистр, входы которого являются цифровыми входами блока преобразования сигнала, аналоговые входы которого являются входами упомянутого АЦП, выход которого соединен двунаправленной шиной с вычислителем, регистром и последовательным интерфейсом, вход и выход которого подключены соответственно к выходу и входу преобразователя уровней, вход и выход которого являются соответственно входом и выходом блока преобразования сигнала; - для осуществления плавной регулировки чувствительности устройства с помощью программного обеспечения ЭВМ в блок преобразования сигнала введен ЦАП, выходы которого являются аналоговыми выходами блока преобразования сигнала, которые подключены к управляющим входам источников магнитного поля, причем вход ЦАП соединен двунаправленной шиной с вычислителем, а управляющий вход источника магнитного поля является управляющим входом генератора тока; - упомянутое подключение устройства с ЭВМ осуществлено с помощью линии связи, при этом устройство полностью размещено в корпусе; - линия связи выполнена в виде радиоканала, приемник которого расположен в корпусе ЭВМ, выход приемника подключен к ЭВМ через интерфейсное устройство, обеспечивающее сопряжение ЭВМ с выходом приемника, приемная антенна расположена на корпусе ЭВМ, а в корпусе устройства расположена другая антенна, соединенная с выходом передатчика, и аккумулятор, зарядные контакты которого расположены на наружной поверхности корпуса устройства и соединены с входами питания передатчика и блока преобразования сигнала, выход которого соединен с входом передатчика; - радиоканал выполнен двунаправленным; - датчик ускорения и переключатели размещены в корпусе, а блок преобразования сигнала размещен в ЭВМ, при этом выходы датчика ускорения и выходы переключателей соединены с соответствующими входами блока преобразования сигнала с помощью линии связи, выполненной в виде многожильного кабеля, а упомянутое подключение устройства к ЭВМ осуществлено непосредственно; - корпус выполнен малогабаритным, помещающимся в руке оператора, причем датчик ускорения жестко закреплен в корпусе таким образом, что ось X датчика ускорения направлена вперед, ось Y - вправо, а ось Z - вверх, кроме того переключатели размещены на поверхности корпуса так, что располагаются под пальцами оператора; - переключатели размещены в отдельном корпусе, а упомянутая связь выходов переключателей с цифровыми входами блока преобразования сигнала осуществляется с помощью многожильного кабеля; - корпус расположен стационарно, а датчик ускорения выполнен с возможностью перемещения относительно корпуса посредством кинематической связи с управляющими органами, расположенными по трем взаимно перпендикулярным осям; - один из переключателей предназначен для индицирования использования устройства оператором; - в устройство дополнительно введено m датчиков ускорения, предназначенных для размещения на перемещающемся в пространстве объекте, при этом в состав блока преобразования сигнала дополнительно введены АЦП, предназначенные для подключения дополнительно введенных датчиков ускорения, цифровые входы этих АЦП подключены к вычислителю блока преобразования сигнала, что позволит использовать предлагаемое устройство для создания виртуального костюма, обучения роботов, изучения процесса деформации разрушающегося объекта (например, испытания автомобилей на прочность).

В предлагаемом устройстве для ввода информации в ЭВМ в датчике ускорения использовано свойство магнитной жидкости, заключающееся в возникновении выталкивающей силы, действующей на тело из немагнитного материала, помещенное в магнитную жидкость. Величина и направление этой силы определяются величиной напряженности и распределением силовых линий магнитного поля в магнитной жидкости. (С. В. Рулев, В. Н. Самсонов, А. М. Савостьянов, Г.К. Шмырин, "Управляемые магнитожидкостные виброизоляторы", МО СССР, М., 1988 г., с. 17 - 21).

Таким образом магнитную жидкость можно рассматривать как среду, эффективное значение плотности которой (по отношению к телу из немагнитного материала) увеличивается при увеличении напряженности магнитного поля.

Внутри датчика ускорения, представляющего собой замкнутый объем (например сферический), заполненный магнитной жидкостью, создано магнитное поле с нарастающей от центра объема напряженностью. Такая конфигурация поля создается тремя парами источников магнитного поля, каждый из которых включает катушку индуктивности, закрепленных на поверхности датчика ускорения и расположенных по трем взаимно перпендикулярным осям. Дополнительные источники магнитного поля, выполненные в виде электромагнитов или постоянных магнитов, позволят повысить технологичность изготовления устройства (за счет применения выполненных печатным способом катушек индуктивности), и/или уменьшить энергопотребление за счет замены части электромагнитов на постоянные магниты. В магнитную жидкость помещено инерционное тело из немагнитного материала, имеющее симметричную (например, шарообразную) форму. Наличие радиального градиента напряженности магнитного поля приводит к увеличению эффективной плотности магнитной жидкости в направлении от центра датчика ускорения, таким образом инерционное тело выталкивается в точку равновесия, расположенную вблизи от геометрического центра датчика ускорения.

При перемещении датчика ускорения инерционное тело в переходном режиме смещается от точки равновесия, что приводит к изменению толщины слоя магнитной жидкости под каждым из электромагнитов (каждой катушкой), следовательно, изменяется реактивное сопротивление электромагнитов (катушек), что приводит к изменению напряжений на электромагнитах (катушках), причем на катушках, по оси расположения которых действует приложенная к датчику ускорения сила, амплитуды напряжений изменяются противофазно. Разность приращений амплитуд переменных составляющих напряжений на каждой паре катушек при перемещении датчика ускорения пропорциональна действующему вдоль соответствующей оси компоненту ускорения, следовательно, по ней можно описать перемещение датчика ускорения вдоль любой пространственной траектории.

При вращении датчика ускорения вокруг оси роль инерционного тела играет магнитная жидкость, которая перемещается в неоднородном в направлении вращения магнитном поле. Возникающее при вращении датчика ускорения течение магнитной жидкости приводит к изменению реактивного сопротивления тех катушек, относительно которых магнитная жидкость движется. Это изменение сопротивления, обусловленное затратами энергии магнитного поля на перемагничивание перемещающегося объема магнитной жидкости, приводит к синфазному изменению напряжения на катушках, величина которого пропорциональна угловому ускорению датчика ускорения, следовательно, по ней можно описать процесс вращения датчика ускорения вокруг произвольной оси.

Из вышесказанного следует, что предлагаемое устройство для ввода информации в ЭВМ обеспечивает независимое восприятие перемещения по трем пространственным и трем угловым координатам, таким образом выходной сигнал устройства содержит информацию о шести независимых координатах.

Надежность устройства обеспечивается отсутствием деталей и узлов находящихся в механическом контакте, технологичность производства тем, что детали датчика ускорения не требуют прецизионной обработки (могут быть изготовлены литьем из пластмассы). Изготовление катушек индуктивности печатным способом позволит отказаться от применения намоточных изделий, что так же повышает технологичность производства. Регулировка чувствительности устройства для ввода информации в ЭВМ осуществляется путем изменения средней напряженности магнитного поля в магнитной жидкости, то есть либо изменением тока электромагнитов, либо приближением (удалением) к поверхности датчика ускорения источников магнитного поля.

Предлагаемое устройство может быть использовано для ввода координат, графической и управляющей информации, таким образом в ряде применений ЭВМ (компьютерные игры, объемное конструирование и т. д.) позволит отказаться от использования клавиатуры.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежом. Приняты следующие обозначения: U_x1, U_x2 - напряжения на выходах датчика ускорения, соответствующих оси X; U_y1, U_y2 - напряжения на выходах датчика ускорения, соответствующих оси Y; U_z1, U_z2 - напряжения на выходах датчика ускорения, соответствующих оси Z.

Устройство для ввода информации в ЭВМ содержит датчик ускорения 1, включающий симметричное инерционное тело - шар 2, выполненное из немагнитного материала (например, из пластмассы), которое помещено в замкнутый объем, заполненный магнитной жидкостью 3, и три пары источников магнитного поля 4, расположенных попарно вокруг замкнутого объема с магнитной жидкостью 3 по трем взаимно перпендикулярным осям, блок преобразования сигнала 5 и переключатели 6, причем источник магнитного поля 4 содержит последовательно соединенные генератор тока 7 и катушку индуктивности 8, вход которой является выходом источника магнитного поля 4, кроме того блок преобразования сигнала 5 включает 6 - канальный АЦП 9, вычислитель 10, последовательный интерфейс 11, преобразователь уровней 12 и входной регистр 13, входы которого являются цифровыми входами блока преобразования сигнала 5, аналоговые входы блока преобразования сигнала 5 являются входами АЦП 9, выход которого соединен двунаправленной шиной с вычислителем 10, входным регистром 13 и последовательным интерфейсом 11, вход и выход которого соединены соответственно с выходом и входом преобразователя уровней 12, вход и выход которого являются входом и выходом устройства, причем выходы датчика ускорения 1 соединены с аналоговыми входами блока преобразования сигнала 5, цифровые входы которого подключены к выходам переключателей 6, один из которых выполняет функцию индикатора использования устройства оператором, а остальные формируют сигналы управления программным обеспечением ЭВМ.

Аналоговые выходы блока преобразования сигнала 5, являющиеся выходами 6 - канального ЦАП 14, подключены к управляющим входам источников магнитного поля 4, которые являются входами генераторов тока 7, а цифровые входы ЦАП 14 соединены двунаправленной линией связи с вычислителем 10.

Различные варианты реализации управляемого напряжением генератора тока 7 на транзисторах и/или на операционных усилителях приведены в П. Хоровиц, У. Хилл "Искусство схемотехники" в 3 - х томах, М., "Мир", 1993 г.

В качестве основы блока преобразования сигнала 5 может быть использована микросхема MC68HC05B6, последовательные вход и выход которой подключены соответственно к выходу и входу преобразователя уровней, выполненного, например, на микросхеме ADM203. Микросхема MC68HC05B6 представляет собой 8 - разрядный однокристальный микроконтроллер, содержащий микропроцессорное ядро HC05, 6 Кбайт ПЗУ программ, 176 байт ОЗУ, 8-канальный 8-разрядный АЦП с внутренним источником опорного напряжения, многофункциональный таймер, тактовый генератор, для работы которого достаточно подключить внешний кварцевый резонатор с пассивными фильтрующими цепями и последовательный интерфейс типа RS - 232. Схема включения и подробное описание микроконтроллера приведены в "MC68HC05B6/D Technical Data" Rev. 3, 1995 г.

В качестве входящего в состав блока преобразования сигнала 5 6-канального ЦАП 14 может быть использована микросхема AD7228A, представляющая собой 8-канальный 8- разрядный ЦАП с внутренним источником опорного напряжения, работающий от единственного источника питания +5B.

Для создания в блоке преобразования сигнала дополнительных аналоговых входов может быть использована одна или несколько микросхем AD7828, представляющих собой 8- канальное 8-разрядное АЦП, работающее от единственного источника питания +5B, причем в качестве необходимого для работы АЦП опорного напряжения можно использовать отфильтрованное напряжение питания +5B.

Технические характеристики микросхем AD7228A и AD7828 приведены в "1996 short form designer's guide". Analog Devices 1996 г.

Микросхема ADM203, содержащая два канала преобразования логических сигналов с уровнями 0- +15 В в сигналы стандарта RS - 232 и два канала преобразования сигналов стандарта RS - 232 в логические сигналы с уровнями 0- +5B работает от единственного источника питания +5B и не требует внешних пассивных элементов. Технические характеристики и схема включения ADM203 приведены в "ADM2XXL Family for RS - 232 Communications" Rev. 0, 1994 г.

Устройство для ввода информации в ЭВМ работает следующим образом. Когда корпус устройства неподвижен, немагнитное инерционное тело 2 находится вблизи центра, заполненного магнитной жидкостью 3 объема датчика ускорения 1. Такое положение инерционного тела обеспечивается созданием в магнитной жидкости 3 магнитного поля, напряженность которого нарастает от центра датчика ускорения 1, что приводит к возникновению градиента эффективной плотности магнитной жидкости 3, направленного так же от центра датчика ускорения, следовательно, не взаимодействующее с магнитным полем инерционное тело 2 выталкивается в область наименьшего значения эффективной плотности магнитной жидкости 3, то есть в окрестность геометрического центра. заполненного магнитной жидкостью 3 объема датчика ускорения 1. Симметричная (например, шарообразная) форма инерционного тела 2, находящегося в сферическом объеме магнитной жидкости 3, обеспечивает приблизительное равенство толщины слоя магнитной жидкости 3 под каждым источником магнитного поля 4, в качестве которого использован генератор тока 7, нагруженный катушкой индуктивности 8. Для измерения реактивного сопротивления катушек выходной сигнал генератора тока 7 содержит переменную составляющую. Амплитуда переменной составляющей выходного сигнала каждого генератора много меньше амплитуды постоянной составляющей (в случае использования в источнике магнитного поля 4 постоянного магнита выходной сигнал генератора тока может содержать только переменную составляющую, что позволяет снизить энергопотребление устройства). Амплитуды переменных составляющих выходного сигнала каждого генератора тока 7 близки между собой. Толщина слоя магнитной жидкости 3 под каждым источником магнитного поля 4 практически одинакова, что обеспечивает незначительный разброс реактивных сопротивлений катушек индуктивности 8, следовательно, в состоянии покоя амплитуды переменных напряжений на каждом выходе датчика ускорения 1 практически равны. Регулировка чувствительности датчика ускорения 1 производится изменением среднего значения напряженности магнитного поля в магнитной жидкости 3, то есть изменением постоянной составляющей выходного тока генераторов тока 7, либо приближением/удалением от центра датчика ускорения 1 источников магнитного поля 4. Регулировка постоянных составляющих сигнала генераторов тока может осуществляться по командам ЭВМ, поступающим с последовательного входа устройства, путем изменения напряжений на выходах ЦАП 14, управляющих генераторами тока 7. Таким образом регулировка чувствительности датчика ускорения может осуществляться двумя способами: - независимо от программного обеспечения ЭВМ (приближением/удалением источников магнитного поля 4 от центра датчика ускорения 1 или ручной регулировкой постоянных составляющих тока генераторов тока 7); - по командам с ЭВМ (изменением напряжений на аналоговых выходах блока преобразования сигнала 5).

При этом изменяется коэффициент демпфирования магнитной жидкостью 3 колебаний инерционной массы 2 от положения равновесия. Коэффициент демпфирования определяет амплитудно-частотную характеристику величины смещения инерционной массы 2 от положения равновесия при действии на датчик ускорения 1 заданного значения ускорения, следовательно, определяется диапазон изменения толщины слоя магнитной жидкости 3 под каждым источником магнитного поля 4, который в свою очередь определяет диапазон изменения реактивного сопротивления катушки индуктивности 8, следовательно, происходит регулировка изменения амплитуды переменной составляющей напряжения на выходах датчика ускорения 1. Для сопряжения динамического диапазона изменения выходных напряжений датчика ускорения 1 с фиксированной шкалой АЦП микроконтроллера, входящего в состав блока преобразования сигнала 5, в блок АЦП 9 может быть включен 6-канальный усилитель переменного напряжения, включенный последовательно с входами АЦП микроконтроллера. Усилитель может быть выполнен в виде активного фильтра. Для снижения требований к точности изготовления деталей и узлов датчика ускорения 1 и регулировке каналов усилителя, входящего в состав АЦП 9, фактические амплитуды напряжений на выходах датчика ускорения 1 в состоянии покоя, преобразованные в цифровую форму АЦП 9, запоминаются вычислителем 10.

Рассмотрим работу устройства для ввода информации в ЭВМ. Пусть один из переключателей, выполняющий функцию индикатора использования устройства оператором, нажат, а перемещение корпуса устройства рукой оператора вызвало ускорение, действующее вдоль оси X. При этом инерционное тело 2 смещается влево от положения равновесия, толщина слоя магнитной жидкости 3 под левой катушкой индуктивности 8 уменьшается, а под правой катушкой индуктивности 8, расположенной по оси X, соответственно увеличивается, что приводит к противофазному изменению амплитуд переменных напряжений на выходах датчика ускорения 1, соответствующих оси X. Напряжения с выходов датчика ускорения 1, преобразованные АЦП 9 в цифровую форму, поступают в вычислитель 10, где величина ускорения по оси X определяется в соответствии с формулой: а_x=k[(U_x1-U_x1⁰)- (U_x2-U_x2⁰), (1) где k - коэффициент, определяемый геометрическими размерами элементов датчика ускорения 1 и свойствами магнитной жидкости 3 при заданной величине постоянной составляющей магнитного поля в магнитной жидкости 3 (заданном среднем значении тока генераторов тока 7), U_xi - текущее значение амплитуды переменной составляющей напряжения на i-ом выходе датчика ускорения 1, соответствующем оси X, U_xi⁰ - значение амплитуды переменной составляющей напряжения на i-ом выходе датчика ускорения 1, соответствующем оси X в состоянии покоя.

Компоненты ускорения a_y, a_z, направленные вдоль осей Y и Z, определяются по формулам, аналогичным (1).

Рассмотрим вращение датчика ускорения вокруг оси X. В этом случае роль инерционного тела выполняет магнитная жидкость 3, перемещающаяся относительно расположенных по осям Y и Z источников магнитного поля 4. Магнитное поле в направлении вращения неоднородно, следовательно, перемещение магнитной жидкости 3 приводит к ее перемагничиванию, на которое расходуется энергия магнитного поля, следовательно, во время вращения датчика ускорения 1 вокруг оси X изменяется реактивное сопротивление катушек индуктивности 8, входящих в состав источников магнитного поля 4, расположенных по осям Y и Z, что приводит к изменению амплитуд переменных составляющих напряжений на выходах датчика ускорения 1, соответствующих осям Y и Z.

Амплитуды переменных составляющих напряжения с выходов датчика ускорения 1, преобразованные АЦП 9 в цифровую форму, поступают в вычислитель 10, где величина ускорения вращения вокруг оси X определяется по формуле =K[(U_y1-U_y1⁰+(U_y2 -U_y2)⁰+(U_z1-U_z1⁰) +(U_z2-U_z2⁰)], (2) где K - коэффициент, определяемый геометрическими размерами элементов датчика ускорения 1 и свойствами магнитной жидкости 3 при заданной величине постоянной составляющей магнитного поля в магнитной жидкости 3 (заданном среднем значении тока генераторов тока 7), U_yi - текущее значение амплитуды переменной составляющей напряжения на i-ом выходе датчика ускорения 1, соответствующем оси Y, U_zi - текущее значение амплитуды переменной составляющей напряжения на i-ом выходе датчика ускорения 1, соответствующем оси Z, U_yi⁰ - значение амплитуды переменной составляющей напряжения на i-ом выходе датчика ускорения 1, соответствующем оси Y в состоянии покоя, U_zi⁰ - значение амплитуды переменной составляющей напряжения на i-ом выходе датчика ускорения 1, соответствующем оси Z в состоянии покоя.

Компоненты ускорения возникающие при вращении датчика ускорения вокруг осей Y и Z, определяются по формулам, аналогичным (2).

Процесс вычисления значений компонентов линейного a ={а_x, a_y, a_z} и углового ускорения по формулам (1) и (2), включающий съем информации с каждого канала АЦП 9, реализуется в блоке преобразования сигнала 5 в соответствии с программой, которая хранится в ПЗУ микроконтроллера, а необходимые для вычисления промежуточные величины вместе с результатами вычислений - в ОЗУ микроконтроллера, входящих в состав вычислителя 10. Примененный для реализации блока преобразования сигнала 5 микроконтроллер содержит микропроцессорное ядро HC05, выполняющее операции сложения, вычитания и умножения; ПЗУ и ОЗУ используемого микроконтроллера достаточно велики, таким образом написание программы вычисления по формулам (1) и (2) не представляет трудности. Программа расчета текущего значения ускорения выполняется вычислителем 10 через равные промежутки времени (величина промежутка формируется с помощью многофункционального таймера, который так же входит в состав микроконтроллера). Рассчитанные значения компонентов линейного и углового ускорения и данные о состоянии переключателей 6 (например, нажатому оператором переключателю соответствует логический "0", а ненажатому - логическая "1"), объединяются программным обеспечением вычислителя 10 в пакет, который поступает на вход последовательного интерфейса 11 (реализованного в используемом микроконтроллере аппаратно), выполняющего преобразование параллельного двоичного кода в последовательный и добавление к пакету служебной информации (данные для синхронизации, обнаружения и исправления ошибок и т. д. ). С выхода последовательного интерфейса 11 пакет поступает на вход преобразователя уровней 12, преобразующего сигналы 5 В логики в соответствии с требованиями применяемого последовательного интерфейса. По линии связи пакет информации передается на ЭВМ, программное обеспечение которой интерпретирует полученные данные в соответствии с решаемой задачей. Например, программное обеспечение ЭВМ использует поступающую от предлагаемого устройства информацию для управления положением объекта в трехмерном пространстве, при этом перемещение управляемого объекта осуществляется только тогда, когда кнопка, управляющая одним из переключателей 6, нажата оператором (кнопка индикации использования устройства). Нажатие оператором других кнопок обеспечивает выделение объектов, работу с "всплывающими" меню и т.д. Общее количество переключателей 6 и соответствующих им кнопок может составлять до 5 (n 5).

Использование нескольких датчиков ускорения в составе предлагаемого устройства для ввода информации в ЭВМ позволяет создать "виртуальный костюм" (датчики ускорения закреплены на теле и конечностях оператора), предназначенный для "обучения" роботов, создания тренажеров и компьютерных игр в виртуальной реальности. Необходимые для подключения дополнительных датчиков ускорения 1 каналы АЦП 9 могут быть организованы с помощью мультиплексирования имеющихся каналов АЦП, либо добавлением в состав блока преобразования сигнала 5 микросхем АЦП, цифровые выходы которых подключены к вычислителю 10 двунаправленной шиной.

Таким образом предлагаемое устройство для ввода информации ЭВМ позволяет осуществлять независимое, манипулирование шестью координатами, представленными в виде трех компонентов линейного а ={а_x, a_y, a_z} и трех компонентов углового ускорения, по которым программным обеспечением ЭВМ могут быть вычислены скорость перемещения устройства в трехмерном пространстве и абсолютные координаты (как линейные, так и углы поворот вокруг каждой из осей X, Y и Z). Начало отсчета для вычисления координат задается оператором (например, путем удержания оператором кнопки, управляющей одним из переключателей, в нажатом состоянии во время использования устройства).

Надежность работы предлагаемого устройства для ввода информации в ЭВМ обеспечивается отсутствием механически контактирующих деталей и узлов. Технологичность изготовления устройства обеспечивается низкими требованиями к точности выполнения геометрических размеров элементов датчика ускорения, точности регулировки генераторов тока, возможностью использования катушек индуктивности, изготовленных печатным способом, а так же малым числом узлов устройства (за счет высокой степени интеграции применяемой комплектации).

Плавная регулировка чувствительности устройства для ввода информации в ЭВМ выполняется изменением среднего значения напряженности магнитного поля в магнитной жидкости, то есть изменением токов в катушках индуктивности (или положения источников магнитного поля), при этом происходит плавная регулировка коэффициента демпфирования перемещений инерционной массы под действием ускорения, а следовательно, и амплитудно-частотной характеристики величины выходного сигнала устройства при заданной величине ускорения в широком диапазоне, причем регулировка не требует замены деталей устройства и может выполняться как программно,так и аппаратно.

Формула изобретения

1. Устройство для ввода информации в ЭВМ, содержащее датчик ускорения, отличающееся тем, что датчик ускорения выполнен в виде симметричного инерционного тела из немагнитного материала, помещенного в замкнутый объем, заполненный магнитной жидкостью, вокруг которого попарно по трем взаимно перпендикулярным осям размещены источники магнитного поля, в устройство введены блок преобразования сигнала и переключатели, предназначенные для задания режима работы устройства, при этом выходы источников магнитного поля подключены к аналоговым входам блока преобразования сигнала, цифровые входы которого подключены к выходам переключателей, последовательные вход и выход блока преобразования сигнала являются входом и выходом устройства, которые предназначены для подключения к ЭВМ.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что замкнутый объем датчика ускорения выполнен в виде сферы.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что замкнутый объем датчика ускорения выполнен в виде центрально-симметричного многогранника.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что инерционное тело выполнено в виде шара.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что инерционное тело выполнено в виде центрально-симметричного многогранника.

6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что инерционое тело выполнено полым.

7. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что инерционное тело выполнено из двух и более немагнитных материалов.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введено несколько источников магнитного поля, расположенных вблизи имеющихся источников магнитного поля.

9. Устройство по п.1 или 8, отличающееся тем, что источник магнитного поля выполнен в виде последовательно соединенных генератора тока и катушки индуктивности, причем выход генератора тока является выходом источника магнитного поля.

10. Устройство по п.8 или 9, отличающееся тем, что катушка индуктивности дополнительного источника магнитного поля выполнена в виде нескольких соединенных между собой катушек.

11. Устройство по одному из пп.1, 8, 9, отличающееся тем, что в источник магнитного поля введен один или несколько постоянных магнитов.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок преобразования сигнала содержит АЦП с числом каналов по числу источников магнитного поля, вычислитель, последовательный интерфейс, преобразователь уровней и регистр, входы которого являются цифровыми входами блока преобразования сигнала, аналоговые входы которого являются входами упомянутого АЦП, выход которого соединен двунаправленной шиной с вычислителем, регистром и последовательным интерфейсом, вход и выход которого подключены соответственно к выходу и входу преобразователя уровней, вход и выход которого являются соответственно входом и выходом блока преобразования сигнала.

13. Устройство по