DE69532742T2 - Laserabtastsystem und Abtastungsverfahren zum Lesen von Streifencodes - Google Patents

Laserabtastsystem und Abtastungsverfahren zum Lesen von Streifencodes Download PDF

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf die Konstruktion von Scanner- bzw. Abtastsystemen zum Lesen von Strichcodesymbolen oder ähnlichen Anzeigemitteln und insbesondere auf die Abtastung von sowohl eindimensionalen als auch zweidimensionalen Strichcodesymbolen in automatischer Weise. Die meisten herkömmlichen optischen Abtastsysteme können entweder eindimensionale oder zweidimensionale Strichcodesymbole lesen. Ein Strichcodesymbol ist ein codiertes Muster von Anzeigemitteln (Indizia) die eine Reihe von Strichen mit variabler Breite getrennt durch Freiräume mit variabler Breite haben, wobei die Striche und Freiräume unterschiedliche Lichtreflektionscharakteristiken haben. Ein Beispiel eines eindimensionalen Strichcodes ist der UPC/EAN-Code, der gegenwärtig im Gebrauch ist, um Artikel und andere Informationen zu identifizieren. Ein Beispiel eines zweidimensionalen oder gestapelten bzw. zweizeiligen Strichcodes ist der PDF417-Strichcode, der im US-Patent 5 159 639 beschrieben wird.
  • Die meisten Abtastsysteme oder Scanner erzeugen einen Lichtstrahl, der von einem Strichcodesymbol wegreflektiert wird, so daß das Abtastsystem das reflektierte Licht aufnehmen kann. Das System wandelt dann das reflektierte Licht in elektrische Signale um und decodiert diese elektrischen Signale, um die Informationen herauszuziehen, die in dem Strichcodesymbol eingebettet sind. Abtastsysteme dieser allgemeinen Bauart werden beschrieben in den US-Patenten 4 251 798; 4 360 798; 4 369 361; 4 387 297; 4 409 470 und 4 460 120, die alle der Symbol Technologies Incorporated zu eigen sind.
  • US-A-5 235 167 offenbart ein System zum Lesen von Strichcodesymbolen oder ähnlichem, welche eindimensionale oder zweidimensionale Strichcodesymbole mit einschließen, welches einen Scanner bzw. eine Abtastvorrichtung besitzt, um einen Laserstrahl zu erzeugen, der zu einem Target bzw. Ziel geleitet wird und ein schmales erstes Rasterabtastmuster erzeugt, welches es dem Anwender ermöglicht, manuell zu zielen und den Strahl auf die Stelle zu richten, die der Anwender haben möchte, und ein zweites Raster abtastmuster, welches bezüglich der Höhe zunimmt, welches über das gesamte zu lesende Symbol streicht, und einen Detektor zur Aufnahme von reflektiertem Licht von einem solchen Symbol zur Erzeugung von elektrischen Signalen, die den Daten entsprechen, die von einem solchen Symbol dargestellt werden.
  • US-A-5 001 406 offenbart, daß die Betriebsgeschwindigkeit bzw. Betriebsdrehzahl eines bürstenlosen Gleichstrommotors auf einer erwünschten Drehzahl gehalten wird, in dem man den Spannungspegel der Leistung steuert, die zum Motor geliefert wird. Der Motor weist einen Rotor auf, der Permanentmagneten trägt, die mit Elektromagneten zusammenarbeiten, die in einem stationären Anker enthalten sind, und weiter Hall-Effektvorrichtungen, um die Betriebsdrehzahl und die Position des Rotors abzufühlen. Eine Schaltung, die mit den Hall-Effektvorrichtungen verbunden ist, erzeugt Winkelsektorsignale, die den Aktivierungsperioden entsprechen oder den Perioden, während denen Leistung an die Elektromagneten angelegt wird, um den Motor zu betreiben. Ein Prozessor, der mit einer der Hall-Effektvorrichtungen verbunden ist, überwacht die Betriebsdrehzahl des Motors und erzeugt ein Fehlersignal, welches die Differenz zwischen der Betriebsdrehzahl des Motors und einer erwünschten Referenzdrehzahl darstellt. Eine Leistungsversorgung wird durch den Prozessor gesteuert, um Leistung zu erzeugen, die einen Spannungspegel entsprechend dem Fehlersignal hat. Schalttransistoren sind zwischen dem Elektromagneten und der Schaltung angeschlossen, um die Winkelsektorsignale zu erzeugen, um Leistung von der Leistungsversorgung an jeden der Elektromagneten während der gesamten Zeit seiner entsprechenden Aktivierungsperiode anzulegen, um die Motordrehzahl auf der erwünschten Referenzdrehzahl zu halten.
  • Es sei ebenfalls hingewiesen auf US-A-5 162 709, die eine Vorrichtung zur Steuerung eines Gebläsemotors offenbart, der aus einem bürstenlosen Motor besteht, der dahingehend wirksam ist, daß er den Gebläsemotor steuert, und zwar in einem pulsbreitenmodulierten Betriebszustand (PWM-Betriebszustand, PWM = pulse width modulation), und zwar mit einer Anzahl von Impulsen, die umgekehrt proportional zu einer Einstellgeschwindigkeit sind, genauso wie zur Verringerung des Betriebsgeräusches des Motors und des Leistungsverbrauches. Eine geeignete Auswahl der zum Gebläsemotor zu liefernden Wellenform oder der Störung der Erregungszeit einer Erregungsspule des Gebläsemotors ist dahingehend wirksam, daß das Auftreten eines Resonanzphänomens verhindert wird, welches durch Schwingungen verursacht wird, die von dem Gebläsemotor erzeugt werden.
  • Weil sowohl eindimensionale Symbole als auch zweidimensionale Symbole gleichzeitig verwendet werden, wäre es einfacher und wirkungsvoller, wenn ein einziges Abtastsystem nicht nur ein Strichcodesymbol von anderen Markierungen unterscheiden könnte, wie beispielsweise von einem Text, sondern auch das Symbol decodieren könnte, egal ob es eindimensional oder zweidimensional ist. Dieser Betriebsvorgang ist insbesondere wichtig, wenn das Strichcodesymbol relativ zu den Abtastmustern des Scanners schräg liegt.
  • Ein zusätzliches Problem für solche Abtastsysteme tritt auf, wenn man zweidimensionale Strichcodesymbole decodiert. Diese Symbole haben nicht alle die gleiche Höhe, und somit muß das Abtastsystem sein Abtastmuster erweitern, um das gesamte zweidimensionale Symbol abzudecken. Einige herkömmliche Systeme tun dies manchmal über Gebiete außerhalb des Symbols. Obwohl die Anwendung eines solchen großen Musters nicht die Genauigkeit der Abtastvorrichtung selbst beeinflußt, ist sie ineffizient. Die Teile des Abtastmusters, die außerhalb des Strichcodesymbols liegen, sind nutzlos, und die Abtastung dieser Gebiete verlangsamt den Abtastungsvorgang. Zusätzlich verringert es die Genauigkeit der Decodierung des zweidimensionalen Strichcodesymbols, wenn das Abtastmuster gezwungenermaßen zu groß ist.
  • Der Aufbau eines Systems zur Überwindung dieser Probleme ist nicht nur schwierig, er ist durch einen zusätzlichen Punkt kompliziert. Abtastvorrichtungen bzw. Scanner sollten nicht noch größer werden, und zwar aus ergo nomischen und wirtschaftlichen Gründen. Somit müssen leistungsfähige und flexible Abtastvorrichtungen kompakt sein.
  • Ein weiterer Betrachtungspunkt ist die Geschwindigkeit. Die zusätzliche Verarbeitung, die für eine gesteigerte Effizienz und Flexibilität benötigt wird, darf nicht auf Kosten der Geschwindigkeit kommen. Diese Verarbeitung muß daher schnell und effizient voranschreiten.
  • Noch ein weiterer Betrachtungspunkt ist die Notwendigkeit sicherzustellen, daß die unterschiedlichen Scanner- bzw. Abtastvorrichtungsuntersysteme miteinander wirkungsvoll kommunizieren, wenn sie robuster werden. Abtastsysteme haben typischerweise Untersysteme, wie beispielsweise den Scanner- bzw. Führungsmotor, den optischen Sensor und den Decoder. Die Schnittstellen zwischen diesen unterschiedlichen Untersystemen müssen die erforderliche Verarbeitungsleistung unterstützen und es gestatten, daß man einen Teil eines Abtastsystems verbessert, ohne die anderen Systeme erneut zu konstruieren.
  • Eine Abtastvorrichtung mit all diesen Merkmalen zu erhalten ist tatsächlich sehr schwierig. Die schnell ansteigende Anwendung von Strichcodes verlangt jedoch, daß die Abtastsysteme eine steigende Flexibilität, Robustheit und Wirkungsgrad zeigen.
  • Es ist daher ein Ziel dieser Erfindung, eine Abtastvorrichtung mit einer verbesserten Steuerung eines Abtastelementes vorzusehen.
  • Es ist auch ein Ziel der Erfindung, eine solche Abtastvorrichtung zu haben, die für unterschiedliche Charakteristiken der Abtastelemente geeignet sind.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Um diese Ziele zu erreichen, sieht die vorliegende Erfindung eine Abtastvorrichtung bzw. einen Scanner nach Anspruch 1 vor. Bevorzugte Ausführungs beispiele der vorliegenden Erfindung können aus den abhängigen Ansprüchen gewonnen werden. Die vorliegende Erfindung sieht auch ein Verfahren zum elektrooptischen Lesen von codierten Anzeigemitteln (Indizia) vor, wie in Anspruch 9 dargelegt.
  • Ein mikroprozessorgesteuerter Führungsmotor verwendet eine Spule sowohl zum Antrieb eines Führungs- bzw. Abtastelementes als auch zur Aufnahme von Rückkoppelungssignalen, die die Bewegung des Abtastelementes darstellen. Der Führungsmotor verwendet auch unterschiedliche Schaltungstechniken, um eine Verschlechterung des Systems zu vermeiden, und hat eine leistungsfähige Schnittstelle zur Decodierungs- und Steuerlogik der Abtastvorrichtung. Der Führungsmotor kann eingestellt sein, daß er sicherstellt, daß zweidimensionale Abtastmuster verarbeitet werden, um die Abtastlinien an unterschiedlichen Teilen der Strichcodesymbole zu bewegen, um irgendwelche Spalte zu vermeiden, die anderenfalls auftreten könnten.
  • Insbesondere weist eine Abtastvorrichtung bzw. ein Scanner gemäß dieser Erfindung einen Pulsbreitenmodulationsregler auf, der mit der Spule gekoppelt ist, um zu bewirken, daß ein erwünschter Strom durch die Spule gemäß eines analogen Antriebssignals fließt; weiter einen Digital/Analog-Wandler, der mit der Pulsbreitenmodulationsschaltung gekoppelt ist, um das analoge Antriebssignal aus einem digitalen Antriebssignal zu erzeugen; und eine Steuervorrichtung, die mit dem Digital/Analog-Wandler gekoppelt ist, um das digitale Antriebs- bzw. Treibersignal zu erzeugen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die beigefügten Zeichnungen sorgen für ein weiteres Verständnis der Erfindung und erklären zusammen mit der Beschreibung die Prinzipien der Erfindung.
  • 1 ist eine vereinfachte diagrammartige Darstellung von einem Ausführungsbeispiel eines Laserabtastsystems;
  • 2 ist ein Blockdiagramm eines Scanner- bzw. Führungsmotors;
  • 3 ist eine Darstellung, die die bevorzugte Konstruktion eines PWM-Reglers bzw. Pulsbreitenmodulationsreglers zeigt, der bei dem Führungsmotor der 2 verwendet wird;
  • 4 ist eine Darstellung, die Schalter zeigt, die in dem PWM-Regler in 3 verwendet werden;
  • 5a ist eine Darstellung des Frequenzansprechens für einen RASE- und Mylar-Träger, der bei dieser Erfindung verwendet werden kann;
  • 5b ist eine Darstellung, die die Größe und die Phasenveränderungen als eine Funktion der Frequenz für den RASE zeigt;
  • 6 ist eine Darstellung von zwei Sinuswellen, um eine grobe Amplitudeneinstellung zu zeigen;
  • 7 ist eine Darstellung von zwei Kurven, um die Feinamplitudeneinstellung zu zeigen;
  • 8 ist eine Kurvendarstellung, die die Veränderungen der Resonanzfrequenz eines RASE mit der Temperatur zeigt;
  • 9 ist eine Darstellung, die veranschaulicht, wie die Summe der Sinuswellen für das in 2 gezeigte digitale Antriebssignal gebildet wird;
  • 10 ist ein Flußdiagramm des Betriebs für die Motorsteuerung des Führungsmotors in 2;
  • 11 ist ein Flußdiagramm des Verfahrens zur Erzeugung von Raster-Abtastungen bzw. Raster-Scans;
  • 12a–12c sind unterschiedliche Perspektivansichten einer bevorzugten Anordnung für den in 2 gezeigten Führungsmotor;
  • 13a–13c zeigen ein Führungs- bzw. Scannermuster und seine Fortschritte;
  • 14 ist ein Blockdiagramm des Führungsmotors in 2 und seiner Schnittstellen zu anderen Untersystemen;
  • 15 ist ein Diagramm der bevorzugten Formate für Befehle und Nachrichten, die mit dem in 2 gezeigten Führungsmotor bzw. Scannermotor ausgetauscht werden;
  • 16 ist eine Liste der Befehle und Nachrichten, die unter Verwendung des Formats der 15 ausgetauscht werden.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
  • Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele dieser Erfindung beschreibt nicht alle möglichen Ausführungsbeispiele. In der Beschreibung beziehen sich gleiche Bezugszeichen in unterschiedlichen Figuren auf gleiche Teile, außer wenn dies in anderer Weise angezeigt wird.
  • A. Überblick
  • Außer wenn der Kontext oder die speziellen Anweisungen dies anders zeigen, sollten die Ausdrücke "Symbol" und "Strichcode" in dieser Beschreibung und in den folgenden Ansprüchen breit ausgelegt werden. Beispielsweise decken diese Ausdrücke jegliche Anzahl von Mustern ab, die abwechselnde Striche und Freiräume haben, einschließlich jenen mit verschiedener Breite und einschließlich eindimensionalen oder zweidimensionalen grafischen Mustern, die anders sind, als jene, die insbesondere erwähnt wurden.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Abtastsysteme, die jene miteinschließen, die automatisch die Abtastung eines Ziels (target) einleiten und beenden können. Einige Abtastsysteme mit dieser automatischen Fähigkeit verwenden einen manuell betätigten Auslöser bzw. Trigger, um die Abtastung des Ziels einzuleiten, wie es beispielsweise das US-Patent 4 387 297 beschreibt. Obwohl der Auslöser für viele Anwendungen wichtig ist, ziehen einige Anwendungen aus anderen Techniken Vorteil, und diese Erfindung umfaßt auch solche Technologien.
  • 1 zeigt ein stark vereinfachtes Ausführungsbeispiel eines Strichcodescanners 100, der gemäß der Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebaut sein kann. Obwohl 1 einen Scanner bzw. eine Abtastvorrichtung 100 als in der Hand gehalten zeigt, erfordert die Erfindung nicht, daß die Abtastvorrichtung in dieser Form sein muß. Beispielsweise könnte die Abtastvorrichtung eine Desktop- bzw. Tischarbeitsstation miteinschließen oder könnte eine andere Art einer stationären Architektur aufweisen. Die Abtastvorrichtung 100 kann auch als tragbares Computerterminal arbeiten und eine Tastatur 148 und eine Anzeige 149 aufweisen, wie beispielsweise im US-Patent 4 409 470 beschrieben.
  • Der in der Hand gehaltene Scanner 100 der 1 hat die Bauart, die allgemein im US-Patent 4 760 248 oder 4 896 026 beschrieben wird, die beide der Symbol Technologies, Inc. zu eigen sind. Die Abtastvorrichtung 100 hat auch eine ähnliche Konstruktion wie der Strichcodeleser, der im Handel erhältlich ist als Teil Nr. LS 8100 oder LS 2000 von Symbol Technologies Inc.
  • Ein Anwender zielt die Abtastvorrichtung 100 auf ein Strichcodesymbol 170 ohne dies physikalisch zu berühren. Typischerweise arbeitet die Abtastvorrichtung 100 mehrere Inch von dem gelesenen Strichcodesymbol entfernt.
  • Um die Abtastvorrichtung 100 zu konstruieren, kann der Fachmann sich auf die US-Patente 4 387 297; 4 409 470; 4 760 248; 4 896 026 und 4 387 298 beziehen. Um beim Verständnis der beanspruchten Erfindung beizuhelfen, werden jedoch die Hauptmerkmale der Abtastvorrichtung 100 unten beschrieben.
  • Die Abtastvorrichtung 100 ist vorzugsweise pistolenförmig in einem Gehäuse 155 mit einem Pistolenhandgriff 153. Ein bewegbarer Auslöser 154 an dem Handgriff 153 gestattet, daß ein Anwender einen Lichtstrahl 151 und eine assoziierte Detektorschaltung aktiviert, wenn der Anwender den Scanner bzw. die Abtastvorrichtung 100 auf ein Symbol 170 gezielt hat.
  • Das Gehäuse 155, welches vorzugsweise aus leichtgewichtigem Plastik gemacht ist, enthält eine Laserlichtquelle 146 (die eine Halbleiter-Laserdiode oder irgend eine andere Lichtquelle sein kann), weiter eine Linse 157, einen teilweise versilberten Spiegel 147, einen Detektor 158, einen oszillierenden Spiegel 159, einen Motor 160, eine Leistungsquelle (Batterie) 162 und eine Signalverarbeitungs- und Steuerschaltung 165. Die Schaltung 165 weist eine CPU bzw. zentrale Verarbeitungseinheit 140 und Decodierungs- und Steuerelektronik 142 auf einer gedruckten Schaltungsplatine 161 auf.
  • Wenn ein Anwender die Abtastvorrichtung 100 aktiviert, in dem er den Auslöser 154 zieht, erzeugt die Lichtquelle 146 einen Lichtstrahl 151 entlang der Achse der Linse 157. Die Linse 157, die nicht in allen Ausführungsbeispielen notwendig ist, kann eine einzelne Linse oder ein System aus mehreren Linsen sein. Nach dem er durch die Linse 157 gelaufen ist, läuft der Strahl 151 durch den teilweise versilberten Spiegel 147, und falls erwünscht, durch andere Linsen oder Strahlformgebungsstrukturen. Der Strahl 151 trifft dann auf den oszillierenden Spiegel 159, der durch den Scanner- bzw. Führungsmotor 160 angetrieben wird, was zusammen den Strahl 151 in einem Abtastmuster leitet. Vorzugsweise startet der Motor 160 auch, wenn der Anwender den Auslöser 154 zieht.
  • Wenn der Lichtstrahl 151 unsichtbar ist, kann das optische System ein Ziellicht parallel zum Strahl 151 aufweisen, um dem Anwender dabei zu helfen, die Abtastvorrichtung 100 zu zielen. Das Ziellicht ist ein sichtbarer Lichtstrahl, der entweder festgelegt sein kann oder dem Lichtstrahl 151 folgen kann.
  • Der Spiegel 159 leitet den Lichtstrahl 151 durch ein lichtdurchlässiges Fenster 156 und über das Strichcodesymbol 170 in einem gewissen vorbestimmten Muster, wie beispielsweise in einem linearen Rasterabtastmuster.
  • Das Symbol 170 kann ein eindimensionaler Strichcode sein, wie beispielsweise der übliche UPC/EAN-Code, oder kann ein zweidimensionaler Strichcode sein, wie beispielsweise PDF417, wie im US-Patent 5 159 639 beschrieben. Zusätzlich, wie oben erklärt, kann das Symbol 170 irgend ein anderes akzeptables Symbol sein, welches zu decodierende Informationen trägt.
  • Der Lichtstrahl 152 ist das Licht von dem Strahl 151, welches von dem Symbol 170 wegreflektiert wurde. Der Strahl 152 kehrt zu der Abtastvorrichtung 100 entlang eines Pfades zurück, der parallel zu dem Strahl 151 oder manchmal übereinstimmend mit diesem Strahl ist. Der Strahl 152 reflektiert somit weg vom Spiegel 159 und trifft auf den teilweise versilberten Spiegel 147. Der Spiegel 147 reflektiert einen Teil des Strahls 152 auf einen lichtansprechenden Detektor 158, der das Licht 152 in elektrische Signale umwandelt.
  • Die elektrischen Signale laufen dann in die Signalverarbeitungs- und Steuerschaltung 165, um verarbeitet und decodiert zu werden, um die Informationen zu extrahieren, die von dem Strichcode dargestellt werden. Die Signalverarbeitungs- und Steuerschaltung 165 steuert auch den Betrieb des Motors 160, um das Abtastmuster einzustellen und eine andere Steuerung vorzusehen.
  • B. Abtaststeuerung
  • 1. Führungselementsteuerung
  • 2 zeigt die Details eines Scanner- bzw. Führungsmotors 1200 gemäß dieser Erfindung, der sowohl flexibel als auch effizient ist. Der Führungsmotor 1200 kann mit den Scanneruntersystemen verwendet werden, die in dieser Beschreibung beschrieben wurden, oder mit anderen Untersystemen.
  • Wie 2 zeigt, hat der Führungsmotor 1200 drei Hauptkomponenten: die Steuervorrichtung 1210, den Digital/Analog-Wandler 1220 (D/A-Wandler) und den PWM-Regler bzw. Pulsbreitenmodulationsregler 1230. Der PWM-Regler 1230 steuert eine Motorspule 1240, die ein (nicht gezeigtes) Führungselement antreibt und eine Rückkoppelung zur Steuervorrichtung 1210 über den Verstärker 1250 liefert.
  • Die Steuervorrichtung 1210, die vorzugsweise ein PIC16C71 ist, der von Microchip Technology Inc. hergestellt wurde, formt und sendet ein digitales Treibersignal 1215 an den D/A-Wandler 1220. Das digitale Treibersignal 1215 ist tatsächlich eine Reihe von 7-Bit-Digitalzahlen entsprechend den Spannungswerten eines Signals zum Antrieb der Spule 1240. Wie genauer unten beschrieben ist das digitale Antriebssignal 1215 vorzugsweise die Summe von zwei Sinuswellen, eine zum Antrieb der horizontalen Auslenkung oder X-Achsen-Auslenkung, und eine zum Antrieb der vertikalen Auslenkung oder Y-Achsen-Auslenkung.
  • Der D/A-Wandler 1220 erzeugt ein analoges lineares Steuerspannungssignal 1225 aus dem digitalen Antriebssignal 1215 und liefert das analoge Antriebssignal 1225 als eine Einganggröße an den PWM-Reglers 1230. Der D/A-Wandler 1220 erscheint konzeptionell wie ein Leiter-Wandler, weil solche Wandler sehr kompakt gemacht werden können. Andere Wandlerkonstruktionen werden jedoch genauso gut arbeiten.
  • Der PWM-Regler 1230, der einen Komparator 1231 mit einschließt, erzeugt ein Stromtreibersignal 1235 aus dem analogen Antriebssignal 1225 und sendet das Stromtreibersignal 1235 durch die Spule 1240. Die Form des Stromtreibersignals 1235 ähnelt jener des analogen Spannungstreibersignals 1225, somit wirkt in einem Sinne der PWM-Regler 1230 als ein Spannung/Strom-Wandler.
  • Die Spule 1240 erzeugt ein Magnetfeld proportional zu dem Stromtreibersignal 1235. Dieses Magnetfeld bewirkt, daß ein RASE (RASE = Resonant A symmetric Scan Element = resonantes asymmetrisches Abtastelement) horizontal oszilliert, und daß ein Mylar-Träger des RASE vertikal oszilliert. In dieser Weise wirken das RASE und sein Träger als Führungsspiegel 159 (1). Das RASE und sein Träger werden beschrieben im US-Patent 5 280 165.
  • Das RASE bzw. resonante asymmetrische Führungselement hat ein hohes Q, was ihm gestattet, weiter zu oszillieren, auch nach dem das Treibermagnetfeld stoppt. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel zieht Vorteil aus diesem Merkmal durch periodisches Anhalten des aktiven Antriebs der Spule 1240. Das RASE oszilliert jedoch weiter, und die Spule 1240 wirkt dann als passives Abfühlelement, welches Informationen über die Amplitude und die Phase des sich bewegenden RASE aufnimmt.
  • Der Verstärker 1250, der als ein Puffer angeschlossen ist, wandelt die Signale von der Spule 1240 in ein Amplituden- und Phasenrückkoppelungssignal 1255 um, und zwar als eine Eingangsgröße in die Steuervorrichtung 1210. Die Steuervorrichtung 1210 verwendet das Rückkoppelungssignal 1255 um sicherzustellen, daß sie die Spule 1240 ordnungsgemäß antreibt.
  • Ein Temperatursensor 1260 liefert eine zweite Eingangsgröße für die Steuervorrichtung 1210, das Temperatursignal 1265. Das Signal 1265 stellt die Umgebungstemperatur in der Nähe des Führungsmotors 1200 dar.
  • Der Sensor 1260 mißt die Umgebungstemperatur aus zwei Gründen. Einer ist es, den Motor 1200 zu kalibrieren, um Veränderungen aufgrund der Temperatur zu berücksichtigen. Der andere Zweck ist es, die Steuervorrichtung 1210 zu alarmieren, um die Betriebsvorgänge zu stoppen, wenn die Umgebungstemperatur außerhalb eines sicheren Betriebsbereiches ist.
  • Eine dritte Eingangsgröße für die Steuervorrichtung 1210 ist die serielle ZIF-Schnittstelle 1270 mit zwei Drähten (Takt plus Daten). Wie im folgenden in dem Abschnitt genauer erklärt wird, der mit "Führungsmotorschnittstelle" bezeichnet ist, gestattet diese Schnittstelle, daß die Steuervorrichtung 1210 Befehle vom Rest der Abtastvorrichtung aufnimmt und Informationen zu der Abtastvorrichtung sendet.
  • Die restliche Eingangsgröße in die Steuervorrichtung 1210 ist ein externer Takt 1280. Der Takt bzw. Clock 1280 erzeugt ein Signal als eine Frequenz, die von dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Steuervorrichtung 1210 erzeugt wird.
  • Zusätzlich zu der ZIF-Schnittstelle 1270 und dem digitalen Treibersignal 1215 sendet die Steuervorrichtung 1210 auch zwei andere Signale aus. Eins ist ein "Listen-Signal" 1234, um dem PWM-Regler 1230 zu sagen, wann er aufhören muß, das Stromtreibersignal 1235 zu erzeugen, wodurch die Spule 1240 in eine Aufnahmevorrichtung umgewandelt wird.
  • Ein zweites Signal, welches von der Steuervorrichtung 1210 gesandt wird, ist das Abtastungsbeginn- oder SOS-Signal 1290 (SOS = Start of Scan = Abtastungsbeginn). Wie oben erklärt zeigt das SOS-Signal, wann und in welcher Richtung das RASE horizontal angetrieben wird.
  • In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält die Steuervorrichtung 1210 einen Mikroprozessor 1211, einen Nachschau-ROM 1212, einen inneren Timer 1213 und einen Analog/Digital-Wandler 1214 (A/D-Wandler). Der Mikroprozessor 1211 weist eine arithmetische Logikeinheit und einen internen Speicher auf. Der ROM 1212, der vorzugsweise programmierbar ist, sieht Datentabellen und Routinen zur Steuerung der Betriebsvorgänge des Mikroprozessors 1211 vor. Der Timer bzw. die Zeitsteuervorrichtung 1213 ist ein Interrupt-Timer, den der Mikroprozessor 1211 verwendet, um Echtzeitbetriebsvorgänge zu steuern. Der A/D-Wandler 1214 wandelt die analoge Temperatur, die Amplitude und die Phaseninformation in ein digitales Format für den Mikroprozessor 1211 um.
  • Wenn sie in ihrem normalen Betriebszustand arbeitet, erzeugt die Steuervorrichtung 1210 ein Sieben-Bit-Digitaltreibersignal 1215, welches die Summe von zwei Sinuswellen darstellt. Eine ist ungefähr 290 Hz, und die andere ist ungefähr 15 Hz. Das Signal mit 290 Hz wird verwendet, um die X-Achsen-Auslenkung des RASE anzutreiben, und das 15 Hz-Signal wird verwendet, um die Y-Achsen-Auslenkung des Mylar-Trägers anzutreiben.
  • Die Steuervorrichtung 1210 kann das digitale Treibersignal 1215 verändern, wie benötigt. Beispielsweise überwacht die Steuervorrichtung 1210 konstant das Rückkoppelungssignal 1255, um zu bestimmen, ob die Amplitude oder Frequenz des digitalen Treibersignals 1215 zu verändern ist. Zusätzlich kann die Steuervorrichtung 1210 ein Signal mit einer anderen Form oder mit anderen Frequenzen erzeugen, um andere Ausrüstungsgegenstände aufzunehmen bzw. zu bedienen.
  • Der D/A-Wandler 1220 wandelt kontinuierlich das digitale Treibersignal 1215 in ein analoges Treibersignal 1225 um. Ein analoges Treibersignal gestattet, daß der Führungsmotor 1200 genau bei höheren Frequenzen arbeitet. Um zu verstehen warum, erfordert dies ein Verständnis des PWM-Reglers 1230.
  • Der PWM-Regler 1230 nimmt das analoge Antriebssignal 1225 an einem nicht invertierenden Eingang des Komparators 1231 auf und nimmt ein Stromrückkoppelungssignal 1232 an dem invertierenden Eingang des Komparators 1231 auf. Der Stromsensor 1242 erzeugt ein Stromrückkoppelungssignal 1232 als ein Spannungssignal entsprechend dem Stromtreibersignal 1235. Der Aufbau des PWM-Reglers 1230 in dieser Weise zwingt den Regler 1230 dazu, dem analogen Treibersignal 1225 zu folgen.
  • Diese Konstruktion des PWM-Reglers 1230 hat zwei Vorteile gegenüber herkömmlichen Spannungstreiberschaltungen. Erstens erfordern die Spannungstreiber eine Versorgung für sehr große Spannungen, um dem hinteren Ende der Spule 1240 entgegenzuwirken. Der PWM-Regler 1230 tut dies nicht, weil er ein Stromtreiber ist.
  • Zweitens kann ein Spannungstreiber das hohe Q des RASE reduzieren, in dem er durch die Spule 1240 Signale zwingt, die nicht bei der Resonanzfrequenz der Spule liegen. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel des Reglers 1230 verringert nicht das Q des RASE, weil die Rückkoppelungskomponente sicherstellt, daß das RASE mit der Resonanzfrequenz angetrieben wird.
  • 3 zeigt die bevorzugte Konstruktion des PWM-Reglers 1230 genauer. Das analoge Treibersignal bzw. Antriebssignal 1225, welches als Vo gezeigt ist, tritt in den nicht invertierenden Eingang des Operationskomparators 1231 über den Widerstand 1301 ein. Der invertierende Eingang des Komparators 1231 ist in Verbindung mit einer Referenzspannung Vref über den Widerstand 1310.
  • Die Ausgangsgröße des Komparators 1231 mit offenem Kollektor, der auf eine Steuerspannung Vcc über den Widerstand 1230 heraufgezogen wird, erzeugt ein PWM-Signal, welches der Inverter 1330 verwendet, um ein invertiertes PWM-Signal zu bilden. Das PWM-Signal steuert einen Schalter 1340, und das invertierte PWM-Signal steuert einen Schalter 1345. Die Schalter 1340 und 1345 sind in Verbindung mit gegenüberliegenden Seiten der Spule 1240, um eine ½H-Brücke zu formen.
  • 4 zeigt, daß die Schalter 1340 und 1345 vorzugsweise Transistoren 1440 bzw. 1455 sind. Die Transistoren 1440 und 1455 wirken als Schalter, weil sie in einem von zwei Zuständen sind: Gesättigt oder nicht leitend. Die Anwendung von Transistoren in dieser Weise verringert den RDS-Verlust (RDS = resistance from drain to source = Widerstand von drain zu source) und ist wirkungsvoller als die Verwendung von Transistoren in ihren aktiven Regionen als lineare Antriebe. Der in den 3 und 4 gezeigte PWM-Regler ist ungefähr zweimal so effizient wie ein linearer Antrieb. Darüber hinaus erzeugt dieser PWM-Regler eine Schaltfrequenz von mehr als 100 KHz, wodurch die Schaltfrequenzstromkomponenten in der Motorspule minimiert werden.
  • Die Schalter 1340 und 1345 schalten abwechselnd an und aus, um eine Hochfrequenz-PWM-Impulsabfolge an der Spule 1240 zu erzeugen. Die Induktivität der Spule 1240 integriert diese Impulsabfolge, um in der Spule 1240 einen stückweise linearen Strom proportional zur Gleichstromkomponente der Impulsabfolge zu erzeugen. Dieser mit der Zeit variierende Strom nähert sich an die summierte Sinuswellenform eines analogen Signals 1225 an.
  • 3 zeigt, daß in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Spule 1240 in zwei seriell verbundene Abschnitte 1347 und 1348 aufgeteilt ist, die von dem Stromabfühlwiderstand Rs 1242 getrennt sind. Eine Seite des Rs 1242 ist durch den Widerstand 1302 mit dem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 1231 verbunden, und die andere Seite des Abfühlwiderstandes 1242 ist durch den Widerstand 1312 mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 1231 verbunden. Die Größen der Widerstände werden so ausgewählt, daß der Strom durch die Spule 1240, iL, ungefähr gleich (Vo – Vref)/Rs ist.
  • Die Spule 1240 erzeugt ein Magnetfeld mit der gleichen Form wie des Stromtreibersignals 1235, die Summe der Sinuswellen mit 290 Hz und mit 15 Hz. Das RASE filtert mechanisch den niederfrequenten Teil des magnetischen Signals aus, und der Mylar-Träger filtert mechanisch den hochfrequenten Teil aus.
  • 5a zeigt die Frequenzantwort für das RASE und seinen Mylar-Träger, um die mechanische Filterung zu zeigen. Wie es offensichtlich ist, wird der Mylar-Träger nur auf die niederfrequenten Signale ansprechen, und das RASE wird nur auf die Signale in einem schmalen Band um 280 Hz ansprechen.
  • 5b zeigt das hohe Q (ungefähr 500) des RASE, dessen Resonanzfrequenz 280 Hz ist. Die Werte für die Größe und die Phase weichen merklich als eine Funktion der Frequenz ab.
  • Um das RASE mit einem so hohen Q anzutreiben erfordert dies eine sorgfältige Rückkoppelungsüberwachung. Der Mikroprozessor 1211 arbeitet so, daß er durch eine Extraktion aus dem digitalisierten Rückkoppelungssignal die Informationen über die maximale Amplitude und die Phase (oder die Frequenz) extrahiert. Das bevorzugte Verfahren zur Rückkoppelungsüberwachung sieht vor, daß periodische Messungen bei der gleichen relativen Phase des digitalen Treibersignals 1215 aufgenommen werden. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel nimmt der Mikroprozessor 1211 eine Rückkoppelungsmessung einmal alle 19½ Zyklen des X-Achsen-Antriebs auf, und steuert zeitlich die Messungen so, daß sie beim Nulldurchgang beginnen und bei der maximalen Amplitude oder dem Punkt des viertelten Zyklus beginnen. Wenn der gemessene Wert von dem beabsichtigten Wert abweicht, ist die Steuervorrichtung 1210 außer Phase mit dem RASE, und der Mikroprozessor 1211 verändert die Frequenz, um diese Bedingung zu korrigieren.
  • Um die Amplituden- und Frequenzwerte des Signals 1215 zu korrigieren, verwendet der Mikroprozessor 1211 verschiedene Werte, die während der Kalibrierung in der Fabrik eingestellt wurden. Dies ist der bevorzugte Zeitpunkt, um die Grundwerte in den ROM 1212 einzugeben.
  • Natürlich können die in den ROM 1212 bei der Kalibrierung gespeicherten Werte nicht immer genau bleiben. Veränderungen der Temperatur, des RASE oder andere Faktoren könnten erfordern, daß der Mikroprozessor 1211 andere Werte für das Treibersignal 1215 erzeugt. Dies ist warum der Mikroprozessor 1211 Einstellungen basierend auf der Rückkoppelung vornimmt. Um Einstellungen vorzunehmen, erhält der Mikroprozessor 1211 vom ROM 1212 zwei Sätze von Amplitudenwerten für die X-Achsenauslenkung und eine Frequenzeinstellung (oder Sinuswellenperiodeneinstellung). In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gibt es keine Y-Achsen-Einstellung, nur einen Satz von Amplitudenwerten für die X-Achsen-Einstellung. Um die Y-Achsen- Auslenkung zu korrigieren, könnte jedoch der ROM 1212 einen zusätzlichen Satz von Amplitudenwerten enthalten.
  • Für die X-Achsen-Auslenkung weist der ROM 1212 Grundlinienwerte auf, die die maximale Auslenkung darstellen, und grobe Amplitudeneinstellwerte. Die groben Einstellwerte sind 5 Prozent der entsprechenden Grundlinienwerte. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel hat jeder Satz von Werten für die hohe Frequenz oder das X-Achsen-Signal 16 Einträge, und jeder Satz von Werten für die niedrige Frequenz oder das Y-Achsen-Signal hat 26 Einträge. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel stellen die Werte aufeinanderfolgende Werte für Sinuswellen dar.
  • Der Frequenzwert sagt dem Mikroprozessor 1211, wie oft er neue Werte für das digitale Treibersignal 1215 aussenden soll. Beispielsweise hätte für eine Sinuswelle von 300 Hz der Mikroprozessor 1211 einen vollständigen Satz von Werten alle 1/300 Hz oder 3,33 ms aussenden müssen. Wenn ein vollständiger Satz 16 Werte aufweisen würde, müßte der Mikroprozessor 1211 einen neuen Wert alle 3,33 ms/16 oder alle 208 μs liefern. Vorzugsweise wird der Interrupt-Timer 1213 auf den Wert eingestellt, der nötig ist, um das digitale Treibersignal 1215 mit der erwünschten Frequenz zu erzeugen.
  • Der Mikroprozessor 1211 macht Frequenzeinstellungen in dem er einen neuen Wert in den Interrupt-Timer 1213 lädt. Amplitudeneinstellungen sind ebenfalls nicht sehr kompliziert. Der Mikroprozessor 1211 bildet neue Werte für das Signal 1215 durch Subtraktion von Werten unter Verwendung von groben Einstellwerten von der Grundlinie und dann durch Verwendung einer Feineinstelltechnik.
  • 6 veranschaulicht, wie die groben Einstellungen vorgenommen werden. Die Kurve 1610 enthält verschiedene Grundlinienamplitudenwerte, und die Linie 1620 enthält verschiedene Grobeinstellwerte, die von den Grundlinienwerten zu subtrahieren sind. Um beispielsweise ein Amplitudensignal 15 Prozent niedriger zu formen als die Grundlinie, als Kurve 1630 gezeigt, sub trahiert der Mikroprozessor 1211 die Grobeinstellwerte (jeder mit 5 Prozent des entsprechenden Grundlinienwertes) dreimal von den Grundlinienwerten.
  • 7 zeigt, wie Feineinstellungen beim bevorzugten Ausführungsbeispiel gemacht werden. Die Feineinstellung erfordert auch eine wiederholte Subtraktion, jedoch anstelle der Verwendung eines Prozentsatzes von Grundlinienwerten, verwendet der Mikroprozessor 1211 eine feste Versetzung. Die Versetzung ist positiv, wenn der Grundlinienwert positiv ist, ist negativ, wenn der Grundlinienwert negativ ist, und ist Null, wenn der Grundlinienwert Null ist. Die Feineinstellung wandelt die Kurve 1710 in die Kurve 1720 um. Die Feineinstellung tendiert dazu, die Sinuswellenform geringfügig zu verzerren, jedoch mit wenig merklichem Effekt.
  • Zusätzlich verwendet der Mikroprozessor 1211 während der Kalibrierung das Umgebungstemperatursignal 1265 zur Einstellung der Frequenz des RASE gemäß der Temperatur. 8 zeigt eine typische Beziehung zwischen der Temperatur in Grad Celsius und einer Resonanzfrequenz in Hz für ein RASE. Weil das RASE einen so hohen Q-Wert hat, ist es wichtig, eine ordnungsgemäße Temperaturkompensation sicherzustellen.
  • In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel bildet der Mikroprozessor 1211 die Werte für die Sinuswelle mit höherer Frequenz, wie oben beschrieben, und zwar durch Bestimmung eines neuen Spannungswertes immer dann, wenn der Interrupt-Timer 1213 ein Interrupt-Signal erzeugt. Der Mikroprozessor 1211 bildet einen neuen Wert für die Sinuswelle mit niedriger Frequenz durch Zugriff auf den ROM 1212, nach dem er eine gewisse vorbestimmte Anzahl von neuen Werten für das höherfrequente Signal erhalten hat. Um beispielsweise ein Signal mit 15 Hz aus einer Tabelle mit 26 Werten zu bilden, ruft der Mikroprozessor 1211 einen neuen Wert für das niederfrequente Signal alle 0,75 Zyklen eines höherfrequenten Signals von 300 Hz auf.
  • 9 zeigt die Bildung einer hochfrequenten Sinuswelle für ein Signal mit 300 Hz mit 16 Werten, und einer niederfrequenten Sinuswelle mit einem neuen Wert alle 0,75 Zyklen (oder alle 12 Werte) der hochfrequenten Sinuswelle. Wie oben erklärt, würde der Mikroprozessor 1211 bei einem Signal von 300 Hz mit 16 Werten alle 208 μs einen Interrupt aufnehmen. 9 zeigt auch die Beziehung zwischen dem SOS-Signal und dem digitalen Treibersignal 1215. Der Pegel des SOS-Signals zeigt die Polarität des Treibersignals 1215 und somit die Richtung der Abtastung an.
  • Dieses grundlegende Verständnis der Schlüsselkomponenten des Führungsmotors 1200 gestattet einen Überblick über den gesamten Betrieb des Führungsmotors 1200. 10 enthält ein Flußdiagramm 2000, welches die Betriebsvorgänge zeigt, die für die Motorsteuerung nötig sind.
  • Als erstes wird das Verfahren entweder anfänglich oder nach einer gewissen Art eines Rücksetzvorgangs gestartet. (Schritt 2010). Als Nächstes liest der Mikroprozessor 1211 den Eingangsanschluß aus der seriellen Schnittstelle 1270 aus, um zu sehen, welche Befehle auszuführen sind. (Schritt 2015). Der erste Befehl wird wahrscheinlich gewisse Anfangswerte einstellen.
  • Der Mikroprozessor 1211 mißt dann die Temperatur. (Schritt 2020). Wenn die Temperatur zu warm ist, dann sendet die Steuervorrichtung 1200 ein Laser-Off-Signal, um die Abtastvorrichtung abzuschalten. Anderenfalls geht das Verfahren weiter und der Mikroprozessor 1211 stellt die Frequenz (d. h. die Periode) für die X-Achse ein. (Schritt 2025).
  • Als nächstes startet die X-Achsenführung durch Vorsehen einer maximalen Eingabe oder eines "Stoßes". (Schritt 2030). Der Mikroprozessor 1211 mißt dann die maximale Amplitude für die X-Achse. (Schritt 2035). Der "Stoß" fährt fort, bis die maximale X-Achsenamplitude den Grundlinienwert erreicht. An diesem Punkt beginnt die Y-Achsensignalauslenkung. (Schritt 2040).
  • Als nächstes liest der Mikroprozessor 1211 wiederum den Steueranschluß aus, um den nächsten Befehl zu bekommen. (Schritt 2045). Wenn der Befehl ist, die X- oder Y-Amplitude zu modifizieren, dann wird die Modifikation durchgeführt (Schritt 2050), und der Steueranschluß wird wiederum für einen weiteren Befehl abgefragt. (Schritt 2045).
  • Wenn der Befehl anzeigt, daß das Symbol zweidimensional ist, öffnet der Mikroprozessor 1211 die Y-Achse, um die Höhe des Abtastmusters zu vergrößern. (Schritt 2055). Nach dem man dies so getan hat, modifiziert der Mikroprozessor 1211 die X- oder Y-Amplituden zur Wiederspiegelung der Veränderung in dem Abtastmuster. (Schritt 2060). Danach liest der Mikroprozessor 1211 den Steueranschluß bezüglich eines weiteren Befehls aus. (Schritt 2065).
  • Wenn der Befehl anzeigt, daß das Abtastmuster wiederum modifiziert werden muß, erfüllt der Mikroprozessor 1211 dies (Schritt 2060) und liest den Steueranschluß bezüglich des nächsten Befehls aus. (Schritt 2065).
  • An diesem Punkt oder während einer früheren Auslesung des Steueranschlusses (Schritt 2045) kann die Steuervorrichtung 1210 einen Befehl aufnehmen, der eine Decodierung zur Überprüfung des Führungsmotors 1200 anzeigt. Ansprechend darauf bremst der Mikroprozessor das RASE (Schritt 2070) und wartet auf die nächste Operation. Vorzugsweise bremst der Mikroprozessor 1211 das RASE, in dem er es um 180 Grad außer Phase antreibt.
  • 11 enthält ein Flußdiagramm 2100, welches die Schritte zur Erzeugung der ordnungsgemäßen Rasterabtastungen zeigt. Nach dem Start (Schritt 2110) sendet der Mikroprozessor 1211 die summierten Sinuswellensignale an den D/A-Wandler 1220. (Schritt 2115). Dies wird die Abtastung einleiten oder fortsetzen.
  • Als nächstes bestimmt der Mikroprozessor 1211, ob er die Amplituden- oder Frequenzwerte verändern muß, und zwar ansprechend auf einen Befehl vom Steueranschluß. (Schritt 2120). Wenn dies so ist, modifiziert der Mikropro zessor 1211 die geeigneten Register für die Frequenz, die X-Achsen-Amplitude oder die Y-Achsen-Amplitude. (Schritt 2125).
  • Nach der Modifikation der Register, oder wenn keine Veränderung erforderlich ist, nimmt der Mikroprozessor 1211 den nächsten Grundlinienwert für die X-Achse auf (Schritt 2130) und bekommt die entsprechenden Grob- und Feineinstellungswerte (insgesamt X'). (Schritt 2135).
  • Dann beginnt eine Schleife, in der die X'-Einstellwerte wiederholt von dem X-Grundlinienwert subtrahiert werden (Schritt 2140), und zwar eine Anzahl von Malen gleich einem gespeicherten Wert "xcntr". (Schritt 2145). Xcntr zeigt, um wieviel der Grundlinienwert modifiziert werden muß. Als nächstes führt der Mikroprozessor 1211 einen ähnlichen Satz von Operationen für die Y-Achsenwerte aus. Wie oben erklärt tritt dieser Betriebsvorgang alle 0,75 Zyklen der X-Achsen-Sinuswelle bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel auf. Ähnlich wie bei der X-Achsenschleife ruft der Mikroprozessor 1211 den Grundlinienwert für die Y-Achse auf (Schritt 2150), und die entsprechenden Y-Fine- und Y-Grobeinstellwerte Y'. (Schritt 2155). Als nächstes subtrahiert der Mikroprozessor die Y'-Einstellwerte (Schritt 2160) von dem Grundlinien-Y-Wert für eine Anzahl von Malen gleich "ycntr", ein gespeicherter Wert ähnlich xcntr. (Schritt 2165).
  • Nach der Bestimmung der eingestellten X- und Y-Werte addiert der Mikroprozessor 1211 diese Werte miteinander. (Schritt 2170). Dann wartet er auf eine Timer-Unterbrechung (timer-interrupt). (Schritt 2175).
  • Wenn der Interrupt auftritt, lädt der Mikroprozessor 1211 erneut einen Timer-Wert in ein X-Achsen-Frequenzsteuerregister. Der Timer-Wert ist entweder eine grobe Frequenzeinstellung, die vorzugsweise der Wert ist, der zwischen allen außer zwei Sampling- bzw. Aufnahmepunkten verwendet wird, oder er ist ein feiner Frequenzwert, der vorzugsweise der Wert ist, der zwischen zwei Sampling- bzw. Aufnahmepunkten verwendet wird, um kleinere Frequenzeinstellungen vorzunehmen. (Schritt 2180). Der gesamte Prozeß wiederholt sich dann, wobei die Summe der eingestellten X-Achsen- und Y-Achsen-Amplitudenwerte an einen D/A-Wandler 1220 ausgesandt wird. (Schritt 2115).
  • Um das Verständnis dieser Erfindung zu vervollständigen ist es nützlich, die spezifischen Variablen zu kennen, die in dem ROM 1212 bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gespeichert sind. Während der anfänglichen Programmierung in der Fabrik ordnen die Techniker vorzugsweise einen Wert von 30 für die maximale Y-Amplitudenvariable zu. Der Mikroprozessor 1211 in dem Führungsmotor 1200 bestimmt die grobe Einstellung und die feine Einstellung aus diesem Wert.
  • Der Techniker gibt die folgenden 8-Bit-Worte in eine Kalibrierungstabellenstelle in dem ROM 1212 ein.
    Ymax: Maximale Y-Amplitude (größte Höhe des Abtastmusters)
    Ymin: Minimale Y-Amplitude (kleinste Höhe des Abtastmusters)
    Xdrive: X-Amplitudeneinstellung, die beim Start verwendet wird, um grobe und feine Einstellwerte zu erzeugen
    Fcrs: Grober Frequenzwert (Distanz zwischen allen Aufnahmepunkten außer den Einstellungspunkten)
    FFine: Feiner Frequenzwert (während den Einstellpunkten verwendet)
    Phase: Phasenreferenzwert für die X-Achsen-Frequenzsteuerung (Wert, der verwendet wird, um den maximalen Wert für die Phasenmessung zu finden)
    Fback: Amplitudenreferenz, die verwendet wird, wenn man das Rückkoppelungssignal untersucht
    Kcount: Anzahl der X-Achsen-Zyklen zur Anwendung des Stoßes (kick)
  • Dies ist der einzige Abschnitt des Programmraums der Steuervorrichtung 1200, der sich für jeden Scanner bzw. jede Abtastvorrichtung verändert.
  • Der Kalibrierungstabellenbereich in dem ROM 1212 ist groß genug, um eine erneute Programmierung zu unterstützen. Vorzugsweise kann jede Kalibrierungstabelle eines jeden Scanners bis zu viermal programmiert werden. Um die alten Tabellenwerte auszulöschen, überschreibt der Mikroprozessor 1211 den Tabellenraum mit jenen Werten mit NOP-Anweisungen (0016). Er schreibt dann die neue Kalibrierungstabelle in neue zuvor reservierte Speicherstellen des ROM 1212. Wenn der Mikroprozessor 1211 auf die Kalibrierungstabelle zugreift, überspringt er die NOP-Anweisungen und inkrementiert einen Programmzähler, bis er die neuen Tabelleneinträge findet.
  • Gewöhnlicherweise muß ein Techniker nur die Kalibrierungstabelle erneut programmieren, wenn ein Motor während des Services ersetzt wird, oder wenn der Ausrichtungsoperator in der Fabrik die Motorausrichtungsfehler korrigieren muß. In der Fabrik wird der Führungsmotor auf einer Ausrichtungsfixierung angeordnet, die automatisch den Motor ausrichtet, um Kalibrierungstabellenwerte zu erzeugen.
  • Nach einem Reset lädt der Mikroprozessor 1211 die Kalibrierungstabellen aus dem ROM 1212 in einen RAM in den Mikroprozessor 1211. Wie der Abschnitt unten erklärt der "Führungsmotorschnittstelle" betitelt ist, können die RAM-Stellen modifiziert werden durch Verwendung des Kalibrierungsbetriebszustandes, um Veränderungen des Abtastmusters "in Betrieb" zu bewirken. In den meisten Fällen jedoch gestattet die Führungsmotorschnittstelle dynamische Abtastmusterveränderungen, in dem sie den Decoderamplituden und Öffnungsraten durch Befehle festlegen läßt, wie beispielsweise durch OPEN Y. Die normalen Produktbefehle verändern nicht die Kalibrierungswerte, sind jedoch kein Teil des Kalibrierungsbetriebszustandes. Der Führungsmotor 1200 erzeugt Befehle in die Steuerung, Variablen, die der Mikroprozessor 1211 verwendet, um die Grundlinienwerte zu manipulieren.
  • Es wird aus der vorangegangenen Beschreibung offensichtlich, daß die Konstruktion des Führungsmotors 1200 seinen Scan- bzw. Führungsvorgang leistungsstark und wirkungsvoll macht. Ein weiterer Vorteil des Scanner- bzw. Führungsmotors 1200 ist, daß er sehr wenig Raum erfordert. 12a zeigt eine Perspektivansicht einer bevorzugten Anordnung, die einen Laser 2210, den RASE-Spiegel 2220, die Mylar-Anordnung 2225 und die Motorspule 1240 enthält.
  • 12b zeigt eine andere Perspektivansicht von unten in der Ansicht der 12a, die wiederum den Laser 2210 zeigt, wobei eine gedruckte Schaltungsplatine (PCB = printed circuit board) 2250 des Führungsmotorantriebs unter dem Laser 2210 und der Spule 1240 montiert ist. Die gedruckte Schaltungsplatine 2250 des Führungsmotorantriebs, die die in 2 gezeigte Elektronik enthält, hat die Steuervorrichtung 1210 als ihr größtes Element.
  • 12c zeigt die Beziehung des Detektors 2220 und ihrer gedruckten Schaltungsplatine 2260. Die Decoderschaltung ist vorzugsweise auf einer anderen gedruckten Schaltungsplatine an einem anderen Teil des Scanners gelegen.
  • 2. Vorlauf
  • Ein weiteres Merkmal des bevorzugten Ausführungsbeispiels, welches nicht leicht offensichtlich ist, ist der Grund zur Auswahl der niedrigeren Frequenz mit 15 Hz. Insgesamt schlägt die 5a vor, daß mehrere unterschiedliche Frequenzen ein adäquates Ansprechen vorsehen würden. Der Grund zur Auswahl von 15 Hz ist, daß die X-Achsen-Führungsfrequenz von 290 Hz nicht ein ganzzahliges Vielfaches von 15 Hz ist. Das tatsächliche Verhältnis ist ungefähr 19,5.
  • Wenn die X-Achsen-Führungsfrequenz kein ganzzahliges Vielfaches der Y-Achsen-Führungsfrequenz ist, wird das Abtastungsmuster dazu tendieren, vorzulaufen oder zu rollen, und zwar weil die Bewegungen entlang der zwei Achsen nicht simultan beginnen. Obwohl man ein solches Vorlaufen bzw. Durchlaufen als Nachteil empfinden kann, kann es tatsächlich hilfreich bei der Abtastung von unterschiedlichen Teilen eines Strichcodesymbols sein.
  • Beispielsweise kann ein Strichcode einige Teile haben, die schwierig auszulesen sind, oder die Zeilen können eng gepackt sein. In diesem Fall stellt das Durchlaufen des Abtastmusters sicher, daß die aufeinanderfolgenden Abtastungen über unterschiedliche Teile des Symbols laufen und eine genauere Auslesung bieten.
  • 13a–13c zeigt aufeinanderfolgende Abtastmuster während des Durchlaufs. Wie die Muster zeigen, laufen die Abtastungen über unterschiedliche Pfade durch das Muster, um eine bessere gesamte Abdeckung vorzusehen.
  • Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Durchlauf, dessen Rate von dem Verhältnis der X-Achsenfrequenz und der Y-Achsenfrequenz abhängt, bei jedem Scanner eingebaut. Eine ordnungsgemäße Programmierung des ROM 1212, wie beispielsweise während der Kalibrierung, kann den Durchlauf verändern oder sogar eliminieren.
  • 3. Führungsmotorschnittstelle
  • Wie die vorherige Beschreibung vorschlägt, muß der Führungsmotor 1200 mit anderen Teilen der Abtastvorrichtung 100 kommunizieren. 14 ist ein Blockdiagramm, welches die Schnittstellen zwischen dem Scanner- bzw. Führungsmotor 1200, dem Decoder 2410, der Digitalisierungsvorrichtung 2420 und dem optischen Detektor 2430 zeigt. In 14 nimmt der optische Detektor 2430 das reflektierte Licht auf und gibt elektrische Signale aus, die die Pegel des aufgenommenen Lichtes reflektieren. Die Digitalisierungsvorrichtung 2420 bildet die DBP-Signale, die oben besprochen wurden, aus diesen elektrischen Signalen.
  • Der Decoder 2410 stellt die Schaltung sowohl zur Decodierung der Strichcodedaten als auch zur Steuerung des Betriebs des Scanners 100 dar. Wie 14 zeigt, nimmt der Decoder 2410 das SOS-Signal 1290 von dem Führungsmotor 1200 auf und tauscht Befehle und Daten mit dem Mikroprozes sor 1211 über die serielle ZIF-Schnittstelle 1270 aus. Der Decoder 2410 nimmt auch DBP-Daten von der Digitalisierungsvorrichtung 2420 auf, und sendet automatische Gain- bzw. Verstärkungssteuersignale zurück zum Detektor 2430, um eine Auflösung mit hoher Qualität sicherzustellen.
  • Die meisten der Signale und der Schnittstellen, die in 1 gezeigt sind, sind oben beschrieben worden. Eine wichtige Schnittstelle, die nicht beschrieben worden ist, ist die serielle ZIF-Schnittstelle 1270. Die Schnittstelle ist sehr leistungsfähig, weil sie gestattet, daß der Führungsmotor 1200 mit dem Rest der Abtastvorrichtung 100 zusammenarbeitet und die Vorteile erzeugt, die in der vorherigen Beschreibung aufgezählt wurden.
  • 15 zeigt ein bevorzugtes Format für die Befehle und die Nachrichten, die über die ZIF-Schnittstelle 1270 ausgetauscht werden. Die Befehle und Nachrichten werden in 8-Bit-Bytes 2500 gesandt. Jedes Byte hat zwei 4-Bit-Teile (Nibbel), gezeigt als Teil bzw. Nibbel 2510 und Teil bzw. Nibbel 2520. Der Nibbel 2510 trägt vorzugsweise den Befehl und den Nachrichtenidentifikator, und der Nibbel 2520 trägt irgendwelche Daten, die für die Nachricht des Befehls erforderlich sind.
  • 16 zeigt eine Liste von Befehlen und Nachrichten, die über die serielle ZIF-Schnittstelle 1270 zwischen dem Führungsmotor 1200 und dem Decoder 2410 im bevorzugten Ausführungsbeispiel ausgetauscht wurden. Es gibt acht Befehle vom Decoder 2410 zum Führungsmotor 1200 und fünf Nachrichten vom Führungsmotor 1200 zum Decoder 2410.
  • Der Befehl CALIBRATION wird prinzipiell in der Fabrik verwendet, um den Führungsmotor 1200 zu kalibrieren. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel spricht der Mikroprozessor 1211 nur auf den Befehl CALIBRATION an, wenn das SOS-Signal 1290 tief ist. Wenn dies nicht der Fall ist, wird der Mikroprozessor 1211 diesen Befehl ignorieren.
  • Der spezielle Zweck der Kalibrierung ist es, den RAM in dem Mikroprozessor 1211 umzuschalten oder zu lesen. Die Kalibrierung sieht eine erste Annäherung der Abtastelementparameter vor, die später bei der Rückkoppelung eingestellt werden.
  • Der Nibbel 2520 in dem Befehl CALIBRATION kann anzeigen, daß das RAM-Modul gelesen werden sollte (0001), daß in das RAM-Modul geschrieben werden sollte (0000) oder daß der Kalibrierungsbetriebszustand eingeschaltet werden sollte (0010). Wenn der Führungsmotor schon in dem Kalibrierungsbetriebszustand ist, können zusätzliche Betriebszustände, wie beispielsweise Lesen, Schreiben oder Ende eingestellt werden, ohne das SOS-Signal 1290 tief zu halten.
  • Um die Inhalte einer RAM-Adresse zu verändern, setzt der Decoder 2410 den Führungsmotor 1200 in den Write-RAM-Kalibrierungsbetriebszustand (Schreiben) und sendet ihn zu der erwünschten RAM-Adresse (ein Byte). Ansprechend darauf gibt der Führungs- bzw. Scannermotor 1200 die Adresse als Echo an den Decoder 2410, der dann überprüft, ob das Echo korrekt war. Als nächstes sendet der Decoder 2410 Daten für diese RAM-Adresse, und der Führungsmotor 1200 sendet die Daten als Echo für den Decoder 2410 zur Überprüfung.
  • Um eine RAM-Stelle auszulesen, bringt der Decoder 2410 den Führungsmotor 1200 in den Read-RAM-Kalibrierungsbetriebszustand (Lesen) und sendet die erwünschte Adresse des RAM (ein Byte). Ansprechend darauf sendet der Führungsmotor 1200 die Daten von der angewiesenen RAM-Adresse zurück.
  • Diese beiden Mechanismen gestatten es dem Decoder 2410, die Parameter des Führungsmotors 1200 dynamisch zu verändern. Beispielsweise ist dies der Weg, wie der Decoder 2410 die X-Achsen- und Y-Achsen-Amplituden während der Abtastung verändern könnte.
  • Der Befehl AIM SLAB sagt dem Führungsmotor 1200, daß er das Führungselement in einem vorbestimmten Muster zum Zielen oder für die anfängliche Aufnahme bringen soll. Dieser Befehl steuert jedoch nicht den Laser.
  • Der Befehl AIM DOT sagt dem Führungsmotor 1200, daß er das Führungselement in einem vorbestimmten Muster für einen Punktzielvorgang im Sonnenlicht anordnen soll. Dieser Befehl steuert jedoch ebenfalls nicht den Laser.
  • Der Befehl SET Y ANGLE sagt dem Führungsmotor 1200 den maximalen Winkel zur Öffnung in der Y-Richtung ansprechend auf einen später ausgegebenen Befehl OPEN Y. Dieser Befehl hat Daten in dem Nibbel 2520, die einen von 16 möglichen Winkeln identifizieren.
  • Der Befehl OPEN Y weist den Führungsmotor 1200 an, das Y-Rastermuster in einer von 16 möglichen Öffnungsraten zu Öffnen. Die Rate wird im Nibbel 2520 codiert. Wenn der Befehl OPEN Y ohne einen Befehl SET Y ANGLE ausgesandt wird, wird der Führungsmotor 1200 als eine Voreinstellung den maximalen Winkel auswählen. Wenn ein anderer Winkel erwünscht ist, sollte der Befehl OPEN Y sofort dem Befehl SET Y ANGLE folgen.
  • Der Befehl CLOSE Y weist den Führungsmotor 1200 an, das Y-Rastermuster zu schließen. Die Rate ist in dem Nibbel 2520 codiert und kann einen von 16 möglichen Werten haben.
  • Der Befehl BRAKE sagt dem Führungsmotor 1200, daß er eine Abbremsung für die X-Bewegung, die Y-Bewegung oder für beide anwenden soll. Die Parameter im Nibbel 2520 zeigen an, welche Bewegung abgebremst werden soll.
  • Der Befehl STATUS REQUEST fragt den Status von dem Führungsmotor 1200 ab. Der Scanner antwortet mit dem gegenwärtigen Status des Scan- bzw. Führungselementes und des Lasers.
  • Die Nachricht OPEN Y DONE ist eine Statusnachricht, daß der Führungsmotor 1200 die maximale programmierte Y-Öffnung erreicht hat. Diese Nachricht folgt nur einem Befehl OPEN Y.
  • Die Nachricht CLOSE Y DONE ist eine Statusnachricht, die gesandt wird, wenn der Führungsmotor 1200 das Schließen des Rasters in Y-Richtung beendet. Sie folgt nur einem Befehl CLOSE Y.
  • Die Nachricht STATUS ist die Antwort des Führungsmotors 1200 auf einen Befehl STATUS. Sie zeigt den Status des Lasers und des Scan-Elementes in dem Nibbel 2520 an.
  • Die Nachricht RESET DONE wird folgend auf ein erfolgreiches Hochfahren gesandt und zeigt an, daß der Führungsmotor 1200 nun Befehle auf der seriellen ZIF-Schnittstelle 1270 aufnehmen kann. Der Nibbel 2520 enthält die Versionsnummer der Führungsmotor-Software, die von dem Mikroprozessor 1211 ausgeführt wird.

Claims (9)

  1. Scanner bzw. Abtastvorrichtung (100) zum elektro-optischen Lesen kodierter (Kenn-)Zeichen (170), wobei der Scanner ein schwingbares Scan- bzw. Führungselement (2220) zum Richten eines Lichtstrahls auf die (Kenn-)Zeichen (170) sowie eine Antriebsanordnung (1200) aufweist, wobei die Antriebsanordnung eine erregbare Motorspule (1240) besitzt zum Schwingen des Scan- bzw. Führungselements (2220), um den Lichtstrahl in einer Überstreichung bzw. einem Scan-Vorgang über die (Kenn-)Zeichen (170) zu streichen, wobei die Antriebsanordnung Folgendes aufweist: eine digitale Steuervorrichtung bzw. einen digitalen Controller (1210) zum Erzeugen eines digitalen Antriebssignals (1215); einen Digital/Analog-Wandler (1220), der mit der Steuervorrichtung (1210) verbunden ist zum Umwandeln des digitalen Antriebssignals (1215) in ein analoges Steuerspannungssignal (1225); und einen Pulsbreitenmodulationsregler (1230), der mit dem Wandler (1220) verbunden ist zum Erzeugen eines Stromantriebsignals (1235), das die Spule (1240) erregt und ein Magnetfeld erzeugt, das bewirkt, dass das Scan- bzw. Führungselement (2220) schwingt.
  2. Abtastvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung (1210) einen Mikroprozessor (1211) umfasst, der betriebsmäßig mit einer Nachschautabelle (1212) verbunden ist, welche Anfangswerte umfasst, die Scan- bzw. Führungsparameter bestimmen.
  3. Abtastvorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Abtastvorrichtung ferner Folgendes aufweist: einen Verstärker (1250) zum Verstärken des Stromantriebsignals (1235), um ein analoges Rückkopplungssignal (1255) zu erzeugen, und einen Analog/Digital-Wandler (1214) zum Umwandeln des analogen Rückkopplungssignals (1225) in ein digitales Rückkopplungssignal für den Mikroprozessor (1211).
  4. Abtastvorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei die Abtastvorrichtung ferner Folgendes aufweist: einen Temperatursensor (1260) zum Abfühlen der Umgebungstemperatur der Motorspule (1240) und zum Senden eines analogen Temperatursignals an den Analog/Digital-Wandler (1214) zur Umwandlung in ein digitales Temperatursignal für den Mikroprozessor (1211).
  5. Abtastvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Regler (1230) einen Komparator (1231) umfasst mit einem nicht invertierenden Eingang, an den das analoge Steuerspannungssignal (1225) angelegt ist, und mit einem invertierenden Eingang, an den ein Stromrückkopplungssignal (1232) angelegt ist, das von einem Stromsensor (1242) aus dem Stromantriebssignal (1235) erzeugt wird.
  6. Abtastvorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei der Komparator (1231) zwei Schalter (1340, 1345) steuert, die mit gegenüberliegenden Seiten der Spule (1240) verbunden sind.
  7. Abtastvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das digitale Treibersignal (1215) eine erste Komponente umfasst, um das Scan- bzw. Führungselement (2220) in einer ersten Richtung zu schwenken bzw. zu scannen, und eine zweite Komponenten umfasst, um das Scan- bzw. Führungselement (2220) in einer zweiten Richtung senkrecht zu der ersten Richtung zu bewegen.
  8. Abtastvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Regler (1230) die Erregung der Spule (1240) beendet und es dem Scan- bzw. Führungselement (2220) gestattet, mit seiner eigenen Resonanzfrequenz zu schwingen.
  9. Verfahren zum elektro-optischen Lesen codierter (Kenn-)Zeichen (170) durch schwingen eines Scan- bzw. Führungselements (2220), das einen Lichtstrahl zu den (Kenn-)Zeichen (170) richtet, und durch Erregen einer Motorspule (1240), die das Scan- bzw. Führungselement (2220) schwingt, um den Lichtstrahl in einer Überstreichung bzw. einem Scan-Vorgang über die (Kenn-)Zeichen (170) hinweg zu streichen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Erzeugen eines digitalen Treibersignals (1215) mit einer digitalen Steuervorrichtung bzw. einem digitalen Controller (1210); b) Umwandeln des digitalen Treibersignals (1215) in ein analoges Steuerspannungssignal (1225) durch Verbinden eines Digital/Analog-Wandlers (1220) mit der Steuervorrichtung (1210); und c) Erzeugen eines Stromtreibersignals (1235) zum Erregen der Spule (1240) und zum Erzeugen eines Magnetfelds, um zu bewirken, dass das Scan- bzw. Führungselement (2220) schwingt, und zwar durch Verbinden eines Pulsbreitenmodulationsreglers (1230) mit dem Wandler (1220).
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