مشفر تزايدي

مقدمة عن أجهزة التشفير التزايدي، من نص VideoWiki النصي Incretal Encoder

المشفر التزايدي هو جهاز كهروميكانيكي خطي أو دوار مزود بإشارتين خرج ، A و B ، تُصدران نبضات عند تحريك الجهاز. ^{[ 1 ]} تشير الإشارتان A و B معًا إلى حدوث الحركة واتجاهها. تحتوي العديد من المشفرات التزايدية على إشارة خرج إضافية، تُسمى عادةً المؤشر ^{[ 2 ]} أو Z ، ^{[ 3 ]} تُشير إلى أن المشفر موجود في موضع مرجعي محدد. كما توفر بعض المشفرات إشارة حالة (تُسمى عادةً الإنذار ) ^{[ 4 ]} تُشير إلى حالات الأعطال الداخلية مثل تلف المحمل أو خلل في المستشعر.

على عكس المشفر المطلق ، لا يُشير المشفر التزايدي إلى الموضع المطلق؛ ^{[ ملاحظة 1 ]} فهو يُبلغ فقط عن تغيرات الموضع واتجاه الحركة المقابل لكل تغيير. وبالتالي، لتحديد الموضع المطلق في أي لحظة معينة، من الضروري إرسال إشارات المشفر إلى واجهة المشفر التزايدي ، والتي بدورها ستتتبع الموضع المطلق للمشفر وتُبلغ عنه.

تُبلغ أجهزة التشفير التزايدي عن تغيرات الموضع بشكل فوري تقريبًا، مما يسمح لها بمراقبة حركات الآليات عالية السرعة في الوقت الفعلي تقريبًا . ولهذا السبب، تُستخدم أجهزة التشفير التزايدي بشكل شائع في التطبيقات التي تتطلب قياسًا دقيقًا وتحكمًا دقيقًا في الموضع والسرعة .

مخرجات التربيع

يُولّد جهاز التشفير التزايدي إشارتي الخرج A و B باستخدام تقنية التشفير التربيعي. عندما يتحرك جهاز التشفير بسرعة ثابتة، تكون إشارتا A و B عبارة عن موجات مربعة بفارق طور 90 درجة بينهما، مما يسمح بالكشف عن كل من الحركة والاتجاه. ^{[ 2 ]}

في أي لحظة معينة، يكون فرق الطور بين الإشارتين A و B موجبًا أو سالبًا تبعًا لاتجاه حركة المشفر. في حالة المشفر الدوراني، يكون فرق الطور +90° للدوران باتجاه عقارب الساعة و-90° للدوران عكس اتجاه عقارب الساعة، أو العكس، وذلك حسب تصميم الجهاز.

إشارات تربيعية من عمود متذبذب. اقرأ اتجاه عقارب الساعة من "البيانات" عند الحافة الصاعدة لإشارة "الساعة". عندما يغير العمود اتجاهه، يتباطأ وينعكس، مما يغير عرض النبضة وطورها.

يتناسب تردد النبضات على مخرجي A أو B تناسبًا طرديًا مع سرعة المشفر (معدل تغير الموضع)؛ فالترددات الأعلى تدل على حركة سريعة، بينما الترددات الأقل تدل على سرعات أبطأ. ^{[ 1 ]} تُخرج إشارات ثابتة غير متغيرة على المخرجين A و B عندما يكون المشفر ساكنًا. في حالة المشفر الدوراني ، يشير التردد إلى سرعة دوران عمود المشفر، وفي المشفرات الخطية يشير التردد إلى سرعة الحركة الخطية.

رسومات تخطيطية لآليات استشعار مشفر التربيع

يمكن إنتاج مخرجات مشفر التربيع بواسطة نمط إزاحة التربيع الذي تقرأه أجهزة الاستشعار المتوافقة (الرسم التخطيطي الأيسر)، أو بواسطة نمط بسيط تقرأه أجهزة استشعار الإزاحة (الرسم التخطيطي الأيمن).

جهاز تشفير دوار، مع حالات الإشارة A / B المقابلة المعروضة على اليمين أثناء انعكاس العمود.
المشفر الخطي؛ يتم إزاحة المستشعرات A و B بمقدار 90 درجة طور للنمط البسيط، وتشير إشارة مؤشر R إلى أن المشفر موجود في موضعه المرجعي.

دقة

دقة المشفر التزايدي هي مقياس لدقة معلومات الموضع التي ينتجها. تُحدد دقة المشفر عادةً بعدد النبضات A (أو B ) لكل وحدة إزاحة، أو ما يعادلها، عدد دورات الموجة المربعة A (أو B ) لكل وحدة إزاحة. في حالة المشفرات الدورانية، تُحدد الدقة بعدد النبضات لكل دورة (PPR) أو الدورات لكل دورة (CPR)، ^{[ 3 ]} بينما تُحدد دقة المشفر الخطي عادةً بعدد النبضات الصادرة لمسافة اجتياز خطية معينة (مثل 1000 نبضة لكل مليمتر ).

يختلف هذا عن دقة القياس، التي تشير إلى أصغر تغيير في الموضع يمكن للمشفّر رصده. كل حافة إشارة على المخرج A أو B تُقابل تغييرًا منفصلاً في الموضع. ولأن دورة الموجة المربعة الكاملة على A (أو B ) تتضمن أربع حواف - صعود A ، وصعود B ، وهبوط A ، وهبوط B - فإن دقة القياس تُساوي ربع المسافة التي تُمثلها دورة كاملة. على سبيل المثال، يتمتع مشفّر خطي بدقة 1000 نبضة لكل مليمتر بدقة دورة واحدة تبلغ 1 ميكرومتر (1 مليمتر / 1000 دورة)، مما يُعطي دقة قياس تبلغ 250 نانومتر (1 ميكرومتر / 4).

التناظر والطور

عند الحركة بسرعة ثابتة، يُفترض أن يُخرج جهاز التشفير التزايدي المثالي موجات مربعة مثالية على النقطتين A و B (أي أن عرض النبضات سيكون 180 درجة بالضبط، ودورة التشغيل 50%) مع فرق طور 90 درجة بالضبط بين الإشارتين A و B. أما في أجهزة التشفير الحقيقية، وبسبب عيوب المستشعرات وتغيرات السرعة، فإن عرض النبضات لا يكون 180 درجة بالضبط، وفرق الطور لا يكون 90 درجة بالضبط. علاوة على ذلك، يختلف عرض نبضات A و B من دورة إلى أخرى (ومن بعضها البعض)، ويختلف فرق الطور عند كل حافة من حواف إشارتي A و B. وبالتالي، يتغير كل من عرض النبضة وفرق الطور ضمن نطاق من القيم.

بالنسبة لأي مُشفِّر مُحدد، يتم تحديد نطاقات عرض النبضة وفرق الطور من خلال مواصفات "التناظر" و"الطور" (أو "التزامن") على التوالي. على سبيل المثال، في حالة مُشفِّر ذي تناظر مُحدد بـ 180° ±25°، يُضمن أن يكون عرض كل نبضة خرج 155° على الأقل و205° على الأكثر. وبالمثل، مع تحديد الطور بـ 90° ±20°، سيكون فرق الطور عند كل حافة A أو B 70° على الأقل و110° على الأكثر.

أنواع الإشارات

تستخدم أجهزة التشفير التزايدي أنواعًا مختلفة من الدوائر الإلكترونية لتشغيل (إرسال) إشارات الخرج، وغالبًا ما يمتلك المصنّعون القدرة على تصميم نموذج معين من أجهزة التشفير باستخدام أي نوع من أنواع المحركات المتاحة. تشمل أنواع المحركات الشائعة: محرك الجامع المفتوح، والمحرك الميكانيكي، ومحرك الدفع والسحب، ومحرك RS-422 التفاضلي.

جامع مفتوح

تسمح مشغلات المجمع المفتوح (باستخدام ترانزستور NPN أو مشغلات المصرف المفتوح باستخدام MOSFET من النوع n ) بالتشغيل على نطاق واسع من جهد الإشارة وغالبًا ما يمكنها استيعاب تيار خرج كبير، مما يجعلها مفيدة لتشغيل حلقات التيار والعوازل الضوئية وأجهزة إرسال الألياف الضوئية بشكل مباشر .

نظرًا لعدم قدرة مُشغّل المُجمّع المفتوح على توليد التيار، يجب توصيل خرجه بجهد تيار مستمر موجب عبر مقاومة سحب . بعض أجهزة التشفير مزودة بمقاومة داخلية لهذا الغرض، بينما لا تحتوي أجهزة أخرى عليها، وبالتالي تتطلب مقاومة سحب خارجية. في الحالة الأخيرة، عادةً ما توضع المقاومة بالقرب من واجهة جهاز التشفير لتحسين مقاومة التشويش.

يُحدد جهد إشارة المنطق عالي المستوى للمشفّر بواسطة الجهد المُطبق على مقاومة السحب ( VOH في المخطط)، بينما يُحدد تيار الخرج منخفض المستوى بواسطة كلٍ من جهد الإشارة ومقاومة الحمل (بما _في ذلك مقاومة السحب). عند انتقال الدائرة من مستوى المنطق المنخفض إلى مستوى المنطق العالي ، تعمل مقاومة الحمل وسعة الدائرة معًا لتشكيل مرشح تمرير منخفض ، مما يُطيل (يزيد) زمن صعود الإشارة ، وبالتالي يحد من تردد التبديل الأقصى.

ميكانيكياً

تستخدم المشفرات التزايدية الميكانيكية (أو التلامسية ) ^{[ 5 ]} نقاط تلامس كهربائية منزلقة لتوليد إشارات الخرج A و B مباشرةً. ^{[ 2 ]} عادةً، تكون نقاط التلامس متصلة كهربائيًا بأرضية الإشارة عند إغلاقها بحيث يتم "تشغيل" المخارج عند مستوى منخفض، مما يجعلها فعليًا مكافئة ميكانيكيًا لمحركات المجمع المفتوح، وبالتالي تخضع لنفس متطلبات تهيئة الإشارة (أي مقاومة السحب الخارجية).

يُحدَّد الحد الأقصى لتردد الخرج بنفس العوامل التي تؤثر على مخارج المجمع المفتوح، بالإضافة إلى محدودية ارتداد التلامس (الذي يجب ترشيحه) وسرعة تشغيل التلامسات الميكانيكية، مما يجعل هذه الأجهزة غير عملية للتشغيل بترددات عالية. علاوة على ذلك، تتعرض التلامسات للتآكل الميكانيكي أثناء التشغيل العادي، مما يحد من عمر هذه الأجهزة. من ناحية أخرى، قد تكون المشفرات الميكانيكية رخيصة نسبيًا ولا تحتوي على إلكترونيات داخلية نشطة. هذه الخصائص تجعل المشفرات الميكانيكية مناسبة تمامًا للتحكم اليدوي (مثل التحكم في مستوى الصوت في المعدات الصوتية والتحكم في الجهد في مصادر الطاقة المكتبية ) ومجموعة متنوعة من التطبيقات الأخرى منخفضة الحمل والتردد.

الدفع والسحب

تُستخدم مخارج الدفع والسحب (مثل TTL ) عادةً للربط المباشر بدوائر المنطق. وهي مناسبة تمامًا للتطبيقات التي يكون فيها المشفر والواجهة قريبين من بعضهما (مثلًا، متصلين عبر موصلات الدوائر المطبوعة أو كابلات قصيرة محمية) ويتم تزويدهما بالطاقة من مصدر طاقة مشترك، مما يجنب التعرض للمجالات الكهربائية وحلقات التأريض وتأثيرات خطوط النقل التي قد تشوه الإشارات وبالتالي تعطل تتبع الموضع، أو ما هو أسوأ، تلف واجهة المشفر.

زوج تفاضلي

يُفضّل استخدام إشارات RS-422 التفاضلية عادةً عندما يُخرج المُشفّر ترددات عالية أو يكون بعيدًا عن واجهة المُشفّر، ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]} أو عندما تتعرض إشارات المُشفّر لمجالات كهربائية أو جهود الوضع المشترك، ^{[ 5 ]} أو عندما يجب أن تكون الواجهة قادرة على اكتشاف مشاكل الاتصال بين المُشفّر والواجهة. ومن أمثلة ذلك آلات قياس الإحداثيات ثلاثية الأبعاد (CMMs) وآلات التحكم الرقمي الحاسوبي (CNC) ، والروبوتات الصناعية ، وأتمتة المصانع، ومنصات الحركة المستخدمة في محاكيات الطائرات والمركبات الفضائية.

عند استخدام مخارج RS-422، يوفر المُشفِّر زوجًا من الموصلات التفاضلية لكل مخرج منطقي؛ على سبيل المثال، يُستخدم الرمزان "A" و"/A" عادةً للدلالة على الزوج التفاضلي ذي الحالة النشطة العالية والمنخفضة على التوالي، واللذان يشكلان مخرج A المنطقي للمُشفِّر. وبالتالي، يجب أن توفر واجهة المُشفِّر مستقبلات خط RS-422 لتحويل أزواج RS-422 الواردة إلى منطق أحادي الطرف. ^{[ 5 ]}

التطبيقات الرئيسية

تتبع الموقع

تُستخدم أجهزة التشفير التزايدي بشكل شائع لمراقبة المواضع الفيزيائية للأجهزة الميكانيكية. يُثبّت جهاز التشفير التزايدي ميكانيكيًا على الجهاز المراد مراقبته، بحيث تتغير إشارات خرجه مع حركة الجهاز. ومن أمثلة هذه الأجهزة: الكرات في فئران الحاسوب الميكانيكية وكرات التتبع، ومقابض التحكم في المعدات الإلكترونية، والأعمدة الدوارة في هوائيات الرادار.

تستخدم كرات التتبع وفأرات الحاسوب الكهروميكانيكية اثنين من أجهزة التشفير الدورانية التزايدية لتسهيل تتبع الموضع على محورين.
غالباً ما يتم تنفيذ عناصر التحكم في المعدات الإلكترونية باستخدام مقبض متصل بجهاز تشفير ميكانيكي (كما هو موضح مع المقبض المنفصل).
في هوائيات الرادار البحرية التجارية ، يتم عادةً تثبيت مشفر تزايدي دوار على عمود الهوائي الدوار لمراقبة زاوية الهوائي.
تتم مراقبة موقع جرار فحص خط الأنابيب بالفيديو عادةً بواسطة مشفر تزايدي دوار متصل ببكرة كابل الجرار.

لا يحتفظ جهاز التشفير التزايدي بسجل لموقعه الحالي، ولا تشير مخرجاته إلى هذا الموقع؛ بل يُبلغ فقط عن التغيرات التزايدية في الموقع. ^{[ 3 ]} وبالتالي، لتحديد موقع جهاز التشفير في أي لحظة معينة، من الضروري توفير دوائر إلكترونية خارجية "لتتبع" الموقع. هذه الدوائر الخارجية، المعروفة بواجهة جهاز التشفير التزايدي، تتتبع الموقع عن طريق عدّ التغيرات التزايدية في الموقع.

عند تلقي كل تقرير عن تغير الموقع التدريجي (المشار إليه بانتقال الإشارة A أو B )، تأخذ واجهة التشفير في الحسبان علاقة الطور بين A و B ، وبناءً على إشارة فرق الطور، تقوم بالعد تصاعديًا أو تنازليًا. تشير قيمة "العد" التراكمية إلى المسافة المقطوعة منذ بدء التتبع. تضمن هذه الآلية تتبعًا دقيقًا للموقع في التطبيقات ثنائية الاتجاه، وفي التطبيقات أحادية الاتجاه، تمنع العد الخاطئ الذي قد ينتج عن الاهتزاز أو التذبذب الميكانيكي بالقرب من انتقال رمز AB.

وحدات الإزاحة

في كثير من الأحيان، يجب التعبير عن قراءات جهاز التشفير بوحدات مثل الأمتار أو الأميال أو الدورات. في مثل هذه الحالات، يتم تحويل القراءات إلى الوحدات المطلوبة عن طريق الضرب بنسبة إزاحة جهاز التشفير. $D$ لكل عدد $C$ :

position=counts\times {\frac {D}{C}}

.

عادةً ما تُجرى هذه العملية الحسابية بواسطة جهاز كمبيوتر يقرأ عدد النبضات من واجهة المشفر التزايدي. على سبيل المثال، في حالة مشفر تزايدي خطي ينتج 8000 نبضة لكل مليمتر من الحركة، يتم حساب الموضع بالملليمترات كما يلي:

mm=counts\times {\frac {\text{1 mm}}{\text{8000 counts}}}

.

صاروخ موجه

لكي تتمكن واجهة المشفر التزايدي من تتبع الموضع المطلق والإبلاغ عنه، يجب ربط قراءات المشفر بموضع مرجعي في النظام الميكانيكي المتصل به. ويتم ذلك عادةً عن طريق ضبط النظام، والذي يتضمن تحريك النظام الميكانيكي (والمشفر) حتى يتطابق مع الموضع المرجعي، ثم إدخال ^{[ ملاحظة 2 ]} قراءات الموضع المطلق المرتبطة في عداد واجهة المشفر.

يُدمج مستشعر تقارب في بعض الأنظمة الميكانيكية لتسهيل عملية تحديد نقطة البداية، حيث يُصدر إشارةً عندما يكون النظام الميكانيكي في موضعه المرجعي. في هذه الحالة، تتم إعادة ضبط النظام الميكانيكي عن طريق تحريكه حتى تستقبل واجهة المشفر إشارة المستشعر، وعندها تُسجل قيمة الموضع المقابلة في عداد المواضع.

في بعض الأنظمة الميكانيكية الدوارة (مثل هوائيات الرادار الدوارة)، يُقصد بـ"الموضع" المطلوب زاوية الدوران بالنسبة إلى وضع مرجعي. وتستخدم هذه الأنظمة عادةً مشفرًا دورانيًا تزايديًا مزودًا بإشارة خرج مؤشر (أو Z ). تُفعّل إشارة المؤشر عندما يكون العمود في وضعه المرجعي، مما يدفع واجهة المشفر إلى إدخال زاوية الدوران المرجعية في عداد الموضع.

تفتقر بعض تطبيقات التشفير التزايدي إلى كاشفات موضع مرجعي، ولذلك يجب عليها تنفيذ عملية تحديد الموضع الأصلي بوسائل أخرى. على سبيل المثال، عند استخدام فأرة أو كرة تتبع ، يقوم الحاسوب عادةً بتحديد موضع الجهاز الأصلي من خلال اتخاذ موضع مركزي أولي على الشاشة عند بدء التشغيل ، ثم يُدخل القيم المقابلة في عدادات الموضع X وY. أما في حالة مشفرات اللوحة المستخدمة كأدوات تحكم يدوية (مثل التحكم في مستوى الصوت)، فيتم استرجاع الموضع الأولي عادةً من ذاكرة فلاش أو ذاكرة غير متطايرة أخرى عند التشغيل، ويُدخل في عداد الموضع، وعند إيقاف التشغيل، يتم حفظ قيمة الموضع الحالي في الذاكرة غير المتطايرة لتكون بمثابة الموضع الأولي عند التشغيل التالي.

قياس السرعة

تُستخدم أجهزة التشفير التزايدي بشكل شائع لقياس سرعة الأنظمة الميكانيكية. وقد يُستخدم ذلك لأغراض المراقبة أو لتوفير بيانات مرجعية للتحكم في الحركة ، أو كليهما. ^{[ 5 ]} تشمل التطبيقات واسعة الانتشار لهذا النوع من الأجهزة التحكم في سرعة دوران هوائيات الرادار وسيور نقل المواد ، بالإضافة إلى التحكم في الحركة في الروبوتات وآلات قياس الإحداثيات ثلاثية الأبعاد وآلات التحكم الرقمي الحاسوبي .

تُعنى واجهات التشفير التزايدي بشكل أساسي بتتبع الإزاحة الميكانيكية، ولا تقيس السرعة عادةً بشكل مباشر. لذا، يجب قياس السرعة بشكل غير مباشر عن طريق حساب مشتقة الموضع بالنسبة للزمن. إشارة الموضع مُكمّمة بطبيعتها ، مما يُشكّل تحديات في حساب المشتقة بسبب خطأ التكميم، خاصةً عند السرعات المنخفضة.

يمكن تحديد سرعة المُشفِّر إما عن طريق عدّ نبضات (أو حواف) خرج المُشفِّر أو عن طريق قياس توقيتها. ^{[ 7 ]} تشير القيمة الناتجة إلى التردد أو الدورة، على التوالي، والتي يمكن من خلالها حساب السرعة. تتناسب السرعة طرديًا مع التردد، وعكسيًا مع الدورة.

حسب التكرار

إذا تم أخذ عينات من إشارة الموضع (إشارة زمنية منفصلة)، فإن النبضات (أو حواف النبضات) يتم اكتشافها وعدّها بواسطة الواجهة، وعادةً ما يتم حساب السرعة بواسطة جهاز كمبيوتر لديه إمكانية الوصول للقراءة إلى الواجهة. وللقيام بذلك، يقرأ الكمبيوتر عدد المواضع. $C_{0}$ من الواجهة في ذلك الوقت $T_{0}$ ثم، في وقت لاحق $T_{1}$ يقرأ الإحصاءات مرة أخرى للحصول على $C_{1}$ متوسط السرعة خلال الفترة الزمنية $T_{0}$ ل $T_{1}$ ثم يتم حسابها: ^{[ 2 ]}

speed={\frac {(C_{1}-C_{0})}{(T_{1}-T_{0})}}

.

تُعبّر قيمة السرعة الناتجة عن عدد العدّات في وحدة الزمن (مثلًا، عدد العدّات في الثانية). ولكن عمليًا، غالبًا ما يكون من الضروري التعبير عن السرعة بوحدات قياسية مثل المتر في الثانية، أو عدد الدورات في الدقيقة (RPM)، أو الميل في الساعة (MPH). في هذه الحالات، يأخذ البرنامج في الاعتبار العلاقة بين عدد العدّات ووحدات المسافة المطلوبة، بالإضافة إلى نسبة فترة أخذ العينات إلى وحدات الزمن المطلوبة. على سبيل المثال، في حالة مُشفّر دوراني تزايدي يُنتج 4096 عدّة لكل دورة، ويتم قراءته مرة واحدة في الثانية، سيحسب البرنامج عدد الدورات في الدقيقة (RPM) كما يلي:

RPM={\frac {(C_{1}-C_{0})}{\text{ثانية واحدة}}}\times {\frac {\text{60 ثانية}}{\text{دقيقة واحدة}}}\times {\frac {\text{دورة واحدة}}{\text{4096 عدّة}}}

.

عند قياس السرعة بهذه الطريقة، تتناسب دقة القياس طرديًا مع كل من دقة المشفر وفترة أخذ العينات (الوقت المنقضي بين عينتين)؛ وستزداد دقة القياس مع زيادة فترة أخذ العينات. ^{[ 2 ]}

حسب الفترة

بدلاً من ذلك، يمكن الإبلاغ عن قياس السرعة عند كل نبضة خرج للمشفّر عن طريق قياس عرض النبضة أو دورتها. عند استخدام هذه الطريقة، يتم تشغيل القياسات عند مواضع محددة بدلاً من أوقات محددة. حساب السرعة هو نفسه كما هو موضح أعلاه (العدّات / الوقت)، على الرغم من أنه في هذه الحالة أوقات بدء وإيقاف القياس ( $T_{0}$ و $T_{1}$ يتم توفيرها بواسطة مرجع زمني.

تتجنب هذه التقنية خطأ تحديد الموضع الكمي، لكنها تُدخل أخطاءً متعلقة بتحديد المرجع الزمني الكمي. كما أنها أكثر حساسيةً لعيوب المستشعر، مثل أخطاء الطور، وأخطاء التناظر، والاختلافات في مواقع الانتقال عن قيمها الاسمية. ^{[ 8 ]}

واجهة مشفر تزايدي

واجهة المشفر التزايدي هي دائرة إلكترونية تستقبل الإشارات من المشفر التزايدي، وتعالج الإشارات لإنتاج الموضع المطلق ومعلومات أخرى، وتجعل المعلومات الناتجة متاحة للدوائر الخارجية.

يتم تنفيذ واجهات التشفير التزايدي بطرق متنوعة، بما في ذلك كدوائر متكاملة خاصة بالتطبيقات (ASICs) ، وككتل IP داخل FPGAs ، وكواجهات طرفية مخصصة في وحدات التحكم الدقيقة ، أو كبرامج (عبر المقاطعات أو استطلاع GPIOs ).

بغض النظر عن طريقة التنفيذ، يجب على الواجهة أخذ عينات من إشارات خرج المشفر A و B بشكل متكرر بما يكفي لاكتشاف كل تغيير في حالة AB قبل حدوث التغيير التالي. عند اكتشاف تغيير في الحالة، ستزيد أو تنقص عدادات الموضع بناءً على ما إذا كان A يسبق B أو يتبعه . يتم ذلك عادةً عن طريق تخزين نسخة من حالة AB السابقة، وعند حدوث تغيير في الحالة، يتم استخدام حالتي AB الحالية والسابقة لتحديد اتجاه الحركة.

مستقبلات الخط

تستخدم واجهات التشفير التزايدي أنواعًا مختلفة من الدوائر الإلكترونية لاستقبال الإشارات المولدة من جهاز التشفير. تعمل مستقبلات الخطوط هذه كمخازن مؤقتة لحماية دوائر الواجهة المتصلة بها، وفي كثير من الحالات، توفر أيضًا وظائف معالجة الإشارة.

أحادي الطرف

تستخدم واجهات التشفير التزايدي عادةً مدخلات مُشغِّل شميت لاستقبال الإشارات من أجهزة التشفير ذات المخارج أحادية الطرف (مثل مخارج الدفع والسحب، أو مخارج المجمع المفتوح). يرفض هذا النوع من مستقبلات الخطوط بطبيعته الضوضاء منخفضة المستوى (عن طريق خاصية التخلف في الإدخال) ويحمي الدوائر المتصلة به من مستويات إشارات المنطق غير الصالحة (والتي قد تكون مدمرة).

التفاضلي

تُستخدم مستقبلات خط RS-422 عادةً لاستقبال الإشارات من أجهزة التشفير ذات المخارج التفاضلية. يرفض هذا النوع من المستقبلات الضوضاء ذات الوضع المشترك ويحول الإشارات التفاضلية الواردة إلى الشكل أحادي الطرف المطلوب لدوائر المنطق اللاحقة.

في الأنظمة بالغة الأهمية، قد يلزم وجود واجهة مُشفِّر لاكتشاف فقدان إشارات الإدخال نتيجةً لانقطاع طاقة المُشفِّر، أو عطل في مُشغِّل الإشارة، أو خلل في الكابل، أو انقطاعه. ويتم ذلك عادةً باستخدام مُستقبِلات خط RS-422 مُحسَّنة، والتي تكتشف غياب إشارات الإدخال الصحيحة، وتُبلغ عن هذه الحالة عبر مُخرَج حالة "فقدان الإشارة". في التشغيل العادي، قد تظهر نبضات قصيرة (تشويشات) على مُخرَجات الحالة أثناء انتقالات حالة الإدخال؛ وعادةً ما تقوم واجهة المُشفِّر بتصفية إشارات الحالة لمنع تفسير هذه النبضات بشكل خاطئ على أنها إشارات مفقودة. وبحسب الواجهة، قد تشمل المعالجة اللاحقة إنشاء طلب مقاطعة عند اكتشاف فقدان الإشارة، وإرسال إشعار إلى التطبيق لتسجيل الأخطاء أو تحليل الأعطال.

مزامنة الساعة

عند ترددات الساعة العالية، قد تستخدم أجهزة المزامنة ثلاثة قلابات (مثل هذا) أو أكثر لتقليل معدل خطأ البت.

تتكون واجهة التشفير التزايدي في الغالب من منطق تسلسلي يتم ضبط توقيته بواسطة إشارة ساعة . ومع ذلك، فإن إشارات التشفير الواردة غير متزامنة مع ساعة الواجهة لأن توقيتها يتحدد فقط بحركة التشفير. ونتيجة لذلك، يجب مزامنة إشارات الخرج من مستقبلات الخطين A و B (وكذلك Z والإنذار ، إن وُجد) مع ساعة الواجهة، وذلك لتجنب الأخطاء الناتجة عن عدم الاستقرار ولإجبار الإشارات على الدخول في نطاق ساعة وحدة فك التشفير التربيعية. ^[⁹^]

عادةً ما تتم هذه المزامنة بواسطة مُزامِنات مستقلة أحادية الإشارة، مثل مُزامِنة القلابين الموضحة هنا. عند ترددات ساعة عالية جدًا، أو عند الحاجة إلى معدل خطأ منخفض جدًا، قد تتضمن المُزامِنات قلابات إضافية لتحقيق معدل خطأ بت منخفض مقبول . ^{[ 10 ]}

مرشح الإدخال

في كثير من الحالات، يجب على واجهة المشفر تصفية إشارات المشفر المتزامنة قبل معالجتها. قد يكون ذلك ضروريًا لرفض الضوضاء منخفضة المستوى والارتفاعات المفاجئة في مستوى الضوضاء ذات السعة الكبيرة التي توجد عادةً في تطبيقات المحركات ^{[ 11 ]} ، وفي حالة المشفرات الميكانيكية، لمنع ارتداد الإشارتين A و B لتجنب أخطاء العد الناتجة عن ارتداد التلامس الميكانيكي .

توفر الواجهات المعتمدة على الأجهزة عادةً مرشحات قابلة للبرمجة لإشارات المُشفِّر، مما يتيح نطاقًا واسعًا من إعدادات المرشح، وبالتالي يسمح لها بتصحيح ارتداد نقاط التلامس أو كبح الإشارات العابرة الناتجة عن الضوضاء أو الإشارات بطيئة التغير، حسب الحاجة. أما في الواجهات المعتمدة على البرمجيات، فيتم توصيل A و B عادةً بمنافذ الإدخال/الإخراج للأغراض العامة (GPIO ) التي يتم أخذ عينات منها (عبر الاستقصاء أو مقاطعات الحافة) وتصحيح ارتدادها بواسطة البرمجيات.

وحدة فك التشفير التربيعي

يقوم جهاز فك التشفير التربيعي بتحويل الإشارتين A و B من جهاز التشفير التزايدي إلى إشارات *اتجاه* وتمكين *العد* ، والتي تُستخدم للتحكم في عداد متزامن تصاعدي/تنازلي

تستخدم واجهات التشفير التزايدي عادةً وحدة فك تشفير تربيعية لتحويل الإشارات A و B إلى إشارات تمكين الاتجاه والعد (تمكين الساعة) اللازمة للتحكم في عداد متزامن ثنائي الاتجاه (العد التصاعدي والتنازلي) .

عادةً، يُنفَّذ مُفكِّك التربيع كآلة حالة محدودة (FSM) تقوم بأخذ عينات من الإشارتين A و B في آنٍ واحد ، وبالتالي تُنتج عينات مُدمجة "AB". مع كل عينة AB جديدة يتم الحصول عليها، تخزن آلة الحالة المحدودة العينة السابقة لتحليلها لاحقًا. تُقيِّم آلة الحالة المحدودة الفروق بين حالتي AB الجديدة والسابقة، وتُولِّد إشارات تمكين الاتجاه والعدد بما يتناسب مع تسلسل حالات AB المُكتشفة. ^[¹¹^]

**جدول حالة وحدة فك التشفير التربيعي**
وصف	ولاية ألبرتا		المخرجات
	سابق	حاضِر	علامة CE			مدير	خطأ
	سابق	حاضِر	x1	x2	x4	مدير	خطأ
تم التحرك بمقدار خطوة واحدة في الاتجاه "الأمامي" ( أ يتقدم على ب )	٠٠	10	1	1	1	1	0
	10	11	0	0
	11	01		1
	01	٠٠		0
تم تحريكها بمقدار زيادة واحدة في الاتجاه "العكسي" ( يتقدم B على A )	٠٠	01		0		0
	01	11		1
	11	10		0
	10	٠٠	1	1
لم يتم رصد أي حركة	٠٠	٠٠	0			X
	01	01
	10	10
	11	11
تم تحريك عدد غير محدد من الزيادات	٠٠	11					1
	01	10
	10	01
	11	٠٠

التحولات الحكومية

في أي عينتين متتاليتين من AB، قد يتغير مستوى الإشارة المنطقية A أو B ، أو قد يبقى كلا المستويين دون تغيير، ولكن في التشغيل العادي، لن يتغير كل من A و B معًا. وبناءً على ذلك، تُعتبر كل عينة من AB بمثابة رمز غراي ثنائي البت .

الحركة في الاتجاه الأمامي
الحركة في الاتجاه المعاكس
لا حركة
خطأ

التحولات الطبيعية

عندما يتغير وضع A أو B فقط ، يُفترض أن المُشفِّر قد تحرك بمقدار وحدة واحدة من دقة قياسه، وبناءً على ذلك، سيُفعِّل مُفكِّك التربيع إشارة تمكين العد للسماح بتغيير القيم. واعتمادًا على اتجاه حركة المُشفِّر (للأمام أو للخلف)، سيُفعِّل مُفكِّك التربيع إشارة الاتجاه أو يُلغيها لزيادة القيم أو إنقاصها (أو العكس).

عندما لا يتغير أي من A أو B ، يُفترض أن جهاز التشفير لم يتحرك، وبالتالي يقوم جهاز فك التشفير التربيعي بإلغاء خرج تمكين العد الخاص به ، مما يؤدي إلى بقاء العد دون تغيير.

أخطاء

إذا تغيرت حالتا المنطق A و B في عينات AB متتالية، فلن يتمكن مُفكِّك التربيع من تحديد عدد الزيادات أو اتجاه حركة المُشفِّر. قد يحدث هذا إذا كانت سرعة المُشفِّر أعلى من قدرة المُفكِّك على معالجتها (أي أن معدل تغيرات حالة AB يتجاوز معدل أخذ العينات للمُفكِّك التربيعي؛ انظر معدل نايكويست )، أو إذا كانت إشارة A أو B مشوشة .

في العديد من تطبيقات التشفير، يُعدّ هذا حدثًا كارثيًا لأن العداد لم يعد يُقدّم مؤشرًا دقيقًا لموضع المُشفّر. ونتيجةً لذلك، غالبًا ما تُخرج مُفكّكات التشفير التربيعية إشارة خطأ إضافية تُفعّل عند تغيّر حالتي A و B في آنٍ واحد. ونظرًا لخطورة هذه الحالة وحساسيتها للوقت، غالبًا ما تُربط إشارة الخطأ بطلب مقاطعة .

مضاعف الساعة

لا يسمح جهاز فك التشفير التربيعي بالضرورة بتغيير عدد العدّات مع كل تغيير تدريجي في الموضع. فعندما يكتشف جهاز فك التشفير تغييرًا تدريجيًا في الموضع (نتيجةً لانتقال الحالة A أو B ، وليس كليهما)، فقد يسمح بتغيير عدد العدّات أو قد يمنع العدّ، وذلك بحسب انتقال الحالة AB ومضاعف تردد الساعة لجهاز فك التشفير .

يُطلق على مُضاعِف الساعة في مُفكِّك الإشارة التربيعي هذا الاسم لأنه ينتج عنه معدل عدٍّ يُساوي مُضاعفة تردد نبضة A أو B. وبحسب تصميم مُفكِّك الإشارة، قد يكون مُضاعِف الساعة مُدمجًا في التصميم أو قابلًا للضبط أثناء التشغيل عبر إشارات الإدخال.

قد تكون قيمة مُضاعِف الساعة واحدًا أو اثنين أو أربعة (ويُشار إليها عادةً بـ "x1" و"x2" و"x4"، أو "1x" و"2x" و"4x"). ^{[ 12 ]} في حالة المُضاعِف x4، تتغير العدّات مع كل تغيير في حالة AB، مما ينتج عنه معدل عدّ يساوي أربعة أضعاف تردد A أو B. يسمح المُضاعِفان x2 وx1 بتغيير العدّات عند بعض تغييرات حالة AB، وليس جميعها، كما هو موضح في جدول حالة مُفكِّك التربيع أعلاه (ملاحظة: يُظهر هذا الجدول أحد التطبيقات المُمكنة للمُضاعِفين x2 وx1؛ قد تُتيح تطبيقات أخرى العدّ عند انتقالات AB مُختلفة).

إعداد التقارير الوظيفية

من منظور التطبيق، يتمثل الغرض الأساسي من واجهة التشفير التزايدي في الإبلاغ عن معلومات الموقع عند الطلب. وبحسب التطبيق، قد يكون هذا بسيطًا مثل السماح للحاسوب بقراءة عداد الموقع في أي وقت تحت سيطرة البرنامج. أما في الأنظمة الأكثر تعقيدًا، فقد يتم أخذ عينات من عداد الموقع ومعالجتها بواسطة آلات الحالة الوسيطة، والتي بدورها تُتيح هذه العينات للحاسوب.

سجل العينات

تستخدم واجهة التشفير عادةً سجلًا للعينات لتسهيل الإبلاغ عن الموضع. في الحالة البسيطة التي يطلب فيها الحاسوب معلومات الموضع تحت سيطرة البرنامج، تقوم الواجهة بأخذ عينة من عداد الموضع (أي نسخ عدد المواضع الحالية إلى سجل العينات)، ثم يقرأ الحاسوب هذه الأعداد من سجل العينات. تضمن هذه الآلية عملية ذرية ، وبالتالي سلامة بيانات العينة، التي قد تكون عرضة للخطر لولا ذلك (على سبيل المثال، إذا تجاوز حجم كلمة العينة حجم كلمة الحاسوب). ^{[ 1 ]}

أخذ العينات المُفعّل

في بعض الحالات، قد لا يتمكن الحاسوب من الحصول على معلومات الموقع بدقة زمنية كافية برمجيًا (عبر الإدخال/الإخراج المبرمج ). على سبيل المثال، قد يعجز الحاسوب عن طلب عينات بشكل دوري منتظم (مثل قياس السرعة) بسبب تباين التوقيت في البرمجيات. كذلك، في بعض التطبيقات، من الضروري طلب عينات عند وقوع أحداث خارجية، وقد يعجز الحاسوب عن القيام بذلك في الوقت المناسب. عند سرعات ودقة أعلى للمشفّر، قد تحدث أخطاء في قياس الموقع حتى عند استخدام المقاطعات لطلب العينات، لأن المشفّر قد يتحرك بين وقت إرسال إشارة المقاطعة (IRQ) ووقت إصدار طلب العينة من معالج المقاطعة .

للتغلب على هذا القيد، من الشائع أن تُنفذ واجهة التشفير التزايدي عملية أخذ عينات مُفعّلة بواسطة الأجهزة، مما يُمكّنها من أخذ عينات من عداد الموضع في أوقات مُحددة بدقة وفقًا لإشارة دخل مُفعّلة. ^{[ 1 ]} يُعد هذا الأمر بالغ الأهمية عندما يجب أخذ عينات من الموضع في أوقات مُعينة أو استجابةً لأحداث فيزيائية، وهو ضروري في تطبيقات مثل التحكم في الحركة متعددة المحاور وآلات قياس الإحداثيات، حيث يجب أخذ عينات من عدادات الموضع لواجهات تشفير متعددة (واحدة لكل محور) في وقت واحد.

في العديد من التطبيقات، يجب أن يعرف الحاسوب بدقة متى تم الحصول على كل عينة، وإذا كانت الواجهة تحتوي على عدة مداخل تشغيل، فيجب أن يعرف أي إشارة هي التي أدت إلى الحصول على العينة. ولتلبية هذه المتطلبات، تتضمن الواجهة عادةً طابعًا زمنيًا ومعلومات التشغيل في كل عينة.

إشعار بالحدث

غالبًا ما تكون عمليات أخذ العينات غير متزامنة مع تنفيذ البرنامج. وبالتالي، عند أخذ عينة من عداد الموضع استجابةً لإشارة تشغيل، يجب إخطار الحاسوب (عادةً عبر مقاطعة ) بتوفر عينة. يسمح هذا للبرنامج بالعمل وفقًا للأحداث (بدلاً من الاستقصاء الدوري )، مما يُسهّل استجابة النظام ويُزيل عبء الاستقصاء الدوري.

نموذج FIFO

قد تحدث عمليات أخذ العينات المتتالية بسرعة تفوق قدرة الحاسوب على معالجة العينات الناتجة. عند حدوث ذلك، تُستبدل المعلومات الموجودة في سجل العينات قبل أن يتمكن الحاسوب من قراءتها، مما يؤدي إلى فقدان البيانات. لتجنب هذه المشكلة، توفر بعض واجهات التشفير التزايدي مخزنًا مؤقتًا من نوع FIFO للعينات. ^{[ 1 ]} عند الحصول على كل عينة، تُخزن في المخزن المؤقت. وعندما يطلب الحاسوب عينة، يُسمح له بقراءة أقدم عينة في المخزن المؤقت.

ملحوظات

↑ لا تُشير إشارات الخرج A و B للمشفّر إلى الموضع المطلق. لا يُعرف الموضع المطلق إلا بعد الرجوع إلى إشارة المؤشر أو عملية التصفير. مع ذلك، تُشير إشارة المؤشر ، عند وجودها وتفعيلها، إلى أن المشفّر موجود في موضعه المرجعي، والذي قد يكون في بعض التطبيقات موضعًا مطلقًا.
في سياق العدادات الرقمية المتزامنة، يُقصد بـ"التشويش" تغيير القيم المخزنة إلى قيمة محددة. تُطبَّق هذه القيمة على مداخل البيانات المتوازية للعداد، ويتم تفعيل مدخل تمكين التحميل (أو ما يعادله) لتفعيل تغيير القيم. خلال هذه العملية، يتوقف العد العادي مؤقتًا .

مراجع

1 2 3 4 5 سينسوراي. "مقدمة إلى المشفرات التزايدية" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 18 يوليو 2018 .
1 2 3 4 5 كريج، ك. "المشفرات البصرية" (ملف PDF) . تم الاطلاع عليه بتاريخ 25 يوليو 2018 .
1 2 3 "أساسيات كيفية عمل جهاز التشفير" (ملف PDF) . شركة منتجات التشفير . تم الاطلاع عليه بتاريخ 23 يوليو 2018 .
↑ "أساسيات التشفير" (ملف PDF) . ICS A/S.
1 2 3 4 5 "مقدمة عن المشفر" (ملف PDF) . مرفق تلسكوب الأشعة تحت الحمراء التابع لناسا (IRTF) . معهد علم الفلك، جامعة هاواي . تم الاطلاع عليه بتاريخ 17 أغسطس 2018 .
↑ "3 خطوات لتحديد نوع خرج المُشفِّر الصحيح" . منتجات المُشفِّر . تم الاطلاع عليه بتاريخ 20 أغسطس 2018 .
↑ كولينز، دانييل. "كيف تُستخدم أجهزة التشفير لقياس السرعة؟" . عالم التصميم . تم الاطلاع عليه بتاريخ 22 سبتمبر 2020 .
↑ بيتريلا، روبرتو؛ تورسيني، ماركو؛ بيريتي، لوكا؛ زيجليوتو، ماورو. "خوارزميات قياس السرعة لمحركات الأقراص المزودة بمشفرات تزايدية منخفضة الدقة: تحليل مقارن" (ملف PDF) . مؤرشف من النسخة الأصلية (PDF) بتاريخ 16 أبريل 2021. تم الاطلاع عليه بتاريخ 22 سبتمبر 2020 .
↑ جينوسار، ران. "الاستقرار الفائق والمزامنات: دليل تعليمي" (ملف PDF) . معهد إسرائيل للتكنولوجيا . تم الاطلاع عليه بتاريخ 21 يناير 2020 .
↑ دونوهيو، رايان. "التزامن في دوائر المنطق الرقمي" (ملف PDF) . جامعة ستانفورد . تم الاطلاع عليه بتاريخ 21 يناير 2020 .
1 2 "دوائر متكاملة لواجهة فك التشفير/العداد التربيعي" (ملف PDF) . شركة Agilent Technologies . تم الاطلاع عليه بتاريخ 20 أغسطس 2018 .
↑ "معالجة خطأ المشفر" . تصميم الآلة . تم الاطلاع عليه بتاريخ 20 أغسطس 2018 .

روابط خارجية

الوسائط المتعلقة بالمشفرات التزايدية على ويكيميديا كومنز

[abs-5] لا تُشير إشارات الخرج A و B للمشفّر إلى الموضع المطلق. لا يُعرف الموضع المطلق إلا بعد الرجوع إلى إشارة المؤشر أو عملية التصفير. مع ذلك، تُشير إشارة المؤشر ، عند وجودها وتفعيلها، إلى أن المشفّر موجود في موضعه المرجعي، والذي قد يكون في بعض التطبيقات موضعًا مطلقًا.

[jam-8] في سياق العدادات الرقمية المتزامنة، يُقصد بـ"التشويش" تغيير القيم المخزنة إلى قيمة محددة. تُطبَّق هذه القيمة على مداخل البيانات المتوازية للعداد، ويتم تفعيل مدخل تمكين التحميل (أو ما يعادله) لتفعيل تغيير القيم. خلال هذه العملية، يتوقف العد العادي مؤقتًا .

[sray-1] 1 2 3 4 5 سينسوراي. "مقدمة إلى المشفرات التزايدية" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 18 يوليو 2018 .

[craig-2] 1 2 3 4 5 كريج، ك. "المشفرات البصرية" (ملف PDF) . تم الاطلاع عليه بتاريخ 25 يوليو 2018 .

[epc-3] 1 2 3 "أساسيات كيفية عمل جهاز التشفير" (ملف PDF) . شركة منتجات التشفير . تم الاطلاع عليه بتاريخ 23 يوليو 2018 .

[ics-4] "أساسيات التشفير" (ملف PDF) . ICS A/S.

[nasa-6] 1 2 3 4 5 "مقدمة عن المشفر" (ملف PDF) . مرفق تلسكوب الأشعة تحت الحمراء التابع لناسا (IRTF) . معهد علم الفلك، جامعة هاواي . تم الاطلاع عليه بتاريخ 17 أغسطس 2018 .

[epc2-7] "3 خطوات لتحديد نوع خرج المُشفِّر الصحيح" . منتجات المُشفِّر . تم الاطلاع عليه بتاريخ 20 أغسطس 2018 .

[9] كولينز، دانييل. "كيف تُستخدم أجهزة التشفير لقياس السرعة؟" . عالم التصميم . تم الاطلاع عليه بتاريخ 22 سبتمبر 2020 .

[petrella-10] بيتريلا، روبرتو؛ تورسيني، ماركو؛ بيريتي، لوكا؛ زيجليوتو، ماورو. "خوارزميات قياس السرعة لمحركات الأقراص المزودة بمشفرات تزايدية منخفضة الدقة: تحليل مقارن" (ملف PDF) . مؤرشف من النسخة الأصلية (PDF) بتاريخ 16 أبريل 2021. تم الاطلاع عليه بتاريخ 22 سبتمبر 2020 .

[synchronizers-11] جينوسار، ران. "الاستقرار الفائق والمزامنات: دليل تعليمي" (ملف PDF) . معهد إسرائيل للتكنولوجيا . تم الاطلاع عليه بتاريخ 21 يناير 2020 .

[SU_sync-12] دونوهيو، رايان. "التزامن في دوائر المنطق الرقمي" (ملف PDF) . جامعة ستانفورد . تم الاطلاع عليه بتاريخ 21 يناير 2020 .

[agilent-13] 1 2 "دوائر متكاملة لواجهة فك التشفير/العداد التربيعي" (ملف PDF) . شركة Agilent Technologies . تم الاطلاع عليه بتاريخ 20 أغسطس 2018 .

[machine_design-14] "معالجة خطأ المشفر" . تصميم الآلة . تم الاطلاع عليه بتاريخ 20 أغسطس 2018 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ ملاحظة 1 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ ملاحظة 2 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

اللغة	العربية (RTL)
روابط موسوعية	30 رابطاً
المصدر الأصلي	ويكيبيديا ↗