辐射束坐标探测系统 本发明涉及一个辐射束坐标探测系统，特别涉及一个交叉的红外光束坐标探测系统。
交叉的红外光束X-Y坐标探测和译码系统已是公知技术。例如参见美国专利3，764，813;3，775，560;3，860，754;4，243，879;4，267，443和4，384，201。一般在这种系统中红外光源和探测器对的坐标陈列X-Y，可用一个电子扫描系统，以交叉的光束去扫描显示表面得到。当任何一束光束被中断时，现有技术的探测系统，装备了测定中断光束位置的系统。
如上所述，在设计交叉辐射束坐标探测系统中所遇到的问题包括：可产生红外光谱辐射的背景光的干扰，能影响系统的工作;光电装置的性能由于光轴和机械轴的偏差而有较大的变化;发射器的老化所引起的输出的减小;由于外壳用来固定发射器-探测器对而产生的散射、反射和衰减效应以及发射器-探测器的光学对准。
美国专利3，764，813、3，775，560和3，860，754公开了几种系统，在这些系统中，发射器和探测器的阵列在电学上是顺序扫描的。这有助于减少由于发射器-探测器由对不准、散射效应和反射等所引起的问题。
美国专利4，243，879公开了一种装置，可用来补偿背景光在交叉的坐标探测和译码系统性能的起伏，同时美国专利4，267，443和4，384，201特别公开了一种装置，可用来探测把光束中断了的目标的相对尺寸或中心线。
尽管上述系统有一些优点，但针对上述有较大灵活性的问题，仍有必要改进交叉光束坐标探测和译码系统。
本发明的目的之一是提供一种改进了的，其性能有较大灵活性的交叉光束坐标探测和译码系统
本发明涉及到一个交叉的辐射光束的X-Y坐标探测系统。在优选的实施例中，交叉的辐射光束是由一个多元的沿显示区间的每个轴设置的发射器-探测器对来提供的。交叉的红外光束是调幅的，并用来扫描显示区间。为探测对幅度调节的存在或不存在敏感的交叉光束的中断而配备了装置。
探测器是在一个宽的动态范围内工作的，再与幅度调节的包络探测相结合，即可提供这样一种装置，只要探测器在其动态范围内工作，即可消除背景光的干扰。将包络探测器的输出耦合到高增益的放大器，这有助于补偿电子元件的老化和允许偏差以及固有的对不准问题。
本发明还涉及一个交叉辐射光束X-Y坐标探测和译码系统，它包括：一个沿每个轴的多元的发射器-探测器对，其中交叉光束是用来扫描显示区间的，以及为探测光束的中断而设置的装置。另外，该系统还包括通过一组显示区间扫描而重复报告中断光束坐标的装置，报告存在于整个予定扫描间隔内。在优选的实施例中，设置两种扫描间隔：起始扫描时间间隔T1和后续扫描时间间隔T2。
报告装置还包括当中断光束消失时的立即报告。但是，该系统还包括封锁连续出现中断光束的重复报告和中断光束超出首次发生的中断光束起始报告的坐标而消失的装置，该封锁装置是在选定的显示区间对中断的光束位置敏感而工作的。
探测和编码系统的报告装置还包括报告每个轴的中断光束的最小和最大坐标以及报告中断光束的平均X-Y值的装置。此外该装置，根据此所报告的最小和最大或平均值，当沿着任意一个轴的中断光束过小或过大时，还能报告误差。
本发明的坐标探测译码系统还进一步包括一个诊断装置，用以校验每一发射器-探测器对的工作，校验系统的扫描速度。另外发射器-探测器对的校验可以在正常功率电平下进行，也可以在减小了发射器的功率电平下进行，以便校验临界性能。
图1是本发明的交叉光束坐标探测和译码系统的总体方框图。
图2是一个图1所示系统的光发射及其有关的驱动电路部分较详细的方框图。
图3是一个图1所示系统的探测电路部分较详细的方框图。
图4是一个图1所示系统的接收电路部分较详细的方框图。
图5是一个图4所示接收电路放大器部分较详细的方框图。
图6是一个表示通过双向8一位总线耦合到主处理机部分的图1所示本发明的微处理机控制器部分的方框图。
图7A和图7B是控制图1所示系统的程序流程图。
参照图1，图中给出一个以标号100表示的交叉光束坐标探测一译码系统的优选实施例。它包括由安排在显示区间102一边的X轴阵列的LED发射器和相应的驱动电路105以及安排在显示区间102另一边的Y轴阵列的LED发射器和相应的驱动电路所产生的交叉光束所扫描的显示区间102，以上各个部件全通过总线部分112受微处理机控制器110的控制。在该优选的实施例中，沿X-轴有48个LED（发光二极管），沿Y-轴有32个LED，虽然，根据系统设计要求无论多少个LED都可以使用。
该系统还包括一个有48个光探测器阵列114和相应的多路转换器电路115，它们都与LED的X-阵列104平行，在显示区间102的另一边。同样，还包括一个有32个光探测器的Y-轴阵列116和相应的多路转换器电路117，它们都与LED的Y-轴阵列106平行，在显示区间102的另一边。每个阵列的光探测器和多路转换电路都通过总线部分118由控制器110控制。每一对平行安排的LED和光探测器都是彼此成对的。
在扫描期间，一个光束或多个光束的中断能被接收电路120探测到。被接收电路探测到的中断光束通过总线部分118传送到控制器110。
现在参照图2，X-轴的LED阵列和驱动电路包括48个LED器件LED1～LED8和译码驱动电路202～212（均为偶数）。这些是标准的TTL7445器件。这里有六个译码驱动电路，而每个都与8个LED相连接，例如，译码驱动电路202是与LED1～LED8相连接的。从202到212的每一个译码驱动电路从控制器110（在优选的实施例中是一个Intel 8041微处理机控制器）通过总线部分112接收三个地址线ADDRA，ADDRB和ADDRC。这三个地址线确定与译码驱动电路相连的8个LED中的哪一个将被激发。来自控制器的信号SEL0/，SEL1/，SEL2/和SEL3/被用来选择哪一个译码驱动电路是被选通的。这些选择信号是低电平有效的，并且在某一时刻只有一个信号起作用。
Y-轴LED阵列106和驱动电路107有类似的设计。与上述相同的地址和选择信号是同时传送给Y-轴的驱动电路107和LED阵列106的。但因，在优选的实施例中，这里Y轴只32个LED，所以只用了四个译码驱动电路。从图2中可以看到，或当SEL0/被激励，或当SEL1/被激励时，对X轴有两个LED在工作，对Y-轴只有一个LED在工作。当SEL0/是低电平激励时，电路202和210同时工作，当SEL1是低电平激励时，电路204和212同时工作。例如当LED1被激发时，LED33也被激发。同样，当LED16被激发时，LED48也被激发。
在此之后，当扫掠其余部分时，只有一个X-轴的LED被激发，Y-轴的LED也是如此。这就提供了在较短的时间内完成32×48阵列的扫描。
同样，地址和选择信号同时沿总线部分118传送给X-轴多路转换电路115和Y-轴多路转换电路117。参照图3，对X-轴多路转换电路的表示更为详细。48个光电三极管PT1～PT48的阵列已表示出与六个多路转换电路302～312（全为偶数）相耦合。合适的多路转换器是RCA制造的4501型多路转换器。多路转换器302～308有其公共的输出线一起耦合到晶体管发射器320。同时，电路310和312的公共输出被耦合到晶体管发射器321。
当X-轴的LED阵列中的一个特定的LED被激发时，一个相应的光晶体管被选择到两个公共输出中的一个，并传送给晶体管发射器或320，或321。例如，当LED1和LED33同时被点亮时，多路转换电路302和310使光晶体管PT1和PT33分别对晶体管发射器320和321有效。晶体管320和321的集电极输出分别通过X1Sense和S2Sense耦合到接收电路120。
相同的电路是与Y-轴光晶体管阵列116和多路转换电路117一起使用的，只是这里只有32个光晶体管和4个多路转换电路。它们的公共输出被耦合到图4中的晶体管402的发射极，而它们的集电极输出作为提供给接收器电路120的一个信号Y1Sense。
还记得在图2中的阐述，控制器110对每个轴通过选择线选通一个译码驱动电路（对X轴驱动电路105，如果SEL0或SEL1为低电平时，则是一对电路），再通过三条地址线从8个与已选通的译码驱动电路相耦合的LED中选定一个特定的发光二极管LED，以待激发。然后产生一个高电平脉冲信号150（图1中），使控制器转到已选定的X和Y发射器，并用一个29KHz的钟脉冲152来调制信号105。此信号被耦合到晶体管160的基极，而它的集电极提供一个29KHz调制的驱动LED的信号，经总线部分112，分别传给X-轴阵列104和Y-轴阵列106的LED，参照图2的LEDRIVE线。设计一个合适的包络探测接收电路，使29KHz的载波有助于减缓各种类型的、包括背景光的干扰。
现在参照图4，这里给出图1三通道接收器电路120的一个通道的较详细的电路图。所有三个通道基本上是相同的，所以选Y1通道做为代表。如上所述，把多路转换器电路107和X-轴阵列106所选中的光晶体管的发射电流耦合到晶体管402的发射极。通过一个相对小的470Ω的电阻把X-轴阵列114和Y-轴阵列116的光晶体管的集电极分别耦到一个5伏的电源上。这就保证了相应于入射光平有一个宽的动态范围，采用避免光晶体管饱和的方式来得到最大限度的不受高光平背景光的影响。晶体管402的基极接地，从而满足了29KHz载波所要求的速度，此外它还能提供在低背景光平下的放大。
在9.1KΩ的负载电阻404两端产生一个电压摆动。这个摆动从当选中的探测器上没有光照，即光束被中断时的一个负电压摆动到当探测器饱和时的接近5V的电压。但是，为了避免集电极的直流饱和，为了补偿探测器灵敏度的增加，以及为了限制由多路转换器所产生的转换尖峰，把一个非线性负载与电阻404并联加到集电极负载上。这个非线性负载包括与一个IN4152硅二极管408串联的220Ω的电阻406和与一个G866锗二极管412串联的620Ω的电阻410。当探测器接收到较强的光，而多路转换器处在转换过程当中，这两个并联的电阻-二极管对必然会使输出电压箝位。
在晶体管402的集电极上所产生的电压通过一个1000pf的电容器420被耦合到模拟集成电路（IC）放大器500，在图5中给出了较详细的描述。该电容420能阻止伪背景光所产生的60Hz或120Hz的分量，但可允许29KHz的载波通过。由晶体管402的集电极所产生的信号在通过电路420之后，被耦合IC放大器500的脚7。耦合到脚7的二极管和RC网络进一步减少多路转换器的尖峰，以箝位平均输入。
将IC放大器500设计成能探测红外载波的存在或不存在，特别是在遥控应用中。它是市场上可买到的NEC产的1373型或Motorola产的3373型。它包括一个有自动偏置控制504的80dB的放大器，跟着一个限幅器506，阀值可调的峰值探测器508和输出整形器512。IC放大器500的增益为脚3的负载阻抗除以脚6的负载阻抗之比值所限定。IC放大器500可工作在宽带（有电阻性负载）或工作在窄带（有调谐电路）。在调谐电路的实施例中，图4提供一个调谐电路，它包括一个并联的430Ω的电阻440，一个电感442，一个2200pF的电容444。但在优选的实施例中，提供了一个电阻性负载，来代替电感442。脚6的负载是3.9Ω的电阻446，它通过4.7μF的电容448耦合到地。
峰值探测器的输出在图5中的脚4与图4中的电路450所设定的阀值相比较。在通过整形电路512之后，电路500在脚1的输出被转变为TTL兼容的信号，但被门460缓冲。这个输出YDET或高，或低，对应于光束的存在或不存在。
另外的两个接收器的通道，类似于上面图4和图5所描述的通道，它是为接收来自图3中晶体管320和322的集电极的信号而设的。唯一的差别就是数值的选择不同于耦合到402的集电极的330pF和9.1KΩ的电阻404。在X1和X2Sense通道，这些值分别为820pF和4.7KΩ。这两种值之所以不同，是因为Y轴LED到相应的探测器之间的距离大于X轴到相应的探测器之间的距离。所以要求各自的接收通道电路有不同的灵敏度。
设置一个DEGRADE线，从控制器110通过总线部分112直到X发射阵列和Y发射阵列及其驱动电路。这些线通过一个180Ω的电阻耦合到光发射二极管，例如X轴阵列104的二极管LED1～48。当控制器激励这些线时，由于老化而估计到LED的退化，会使所产生激励对LED的驱动偏低。
在探测器DT1～48上的470Ω的低值的负载电阻340提供一个快速响应时间及宽的动态范围。使用AM载波（被时钟152调制的29KHz）及使用接收通道120，只要探测器在它的动态范围之内就能实际减少背景光的干扰。有自动偏置控制（IC放大器500）的高增益（80dB）的交流放大器的使用，吸收了由于光通路和光学元件、发射器的老化以及装备中的变动所引起的一切损失和变化。
参照图6，如前所述，用一个单片外围微处理器110来控制系统100。控制器110（一个Intel 80186与主处理机通过双向8一位总线604通信。该控制器110有几种内部寄存器（MCRO～MCR6），它确定了运行中的设备和系统的分数：屏幕的尺寸和格式、重复速率、扫描速度、工作模式等等。这些寄存器在任何时间都可以由主处理机来改变。控制器110可以执行四种操作的任何一种：正常屏幕扫描，内部寄存器转储，对控制器或系统的诊断以及空操作。
控制器110有64字节的RAM和1K字节的ROM，加上一个8一位内部定时器-计数器。它通过一组三个寄存器：DBIN606;DBOUT 608及STATUS610在主处理机的数据总线（DO～D7）上的低字节上与主处理机602通信。
主处理机602写入到DBIN606，它把一个中断传送给控制器110，并在STATUS寄存器中用D1设置标志位IBF。当控制器110读数据时，标志位将被清零。DBIN606的内容可以根据在写入时已存入控制器标志寄存器F1的系统地址总线607的Aφ的状态被译成命令或数据（Aφ＝0指数据）。来自主处理机602的地址总线607经过译码电路609被耦合到控制器110。
数据输出寄存器608，当被控制器110写入时，对主处理机602产生一个中断TSINT，并将标志OBF置于对应的STATUS寄存器610中的Do位。当处理机602读DBOUT寄存器608时，标志位被清零。状态寄存器可以在任意时刻被主处理机读出，但它对控制器110而言是一个只写寄存器。
分配给控制器110的任务是提供目标的坐标，它是坐标探测系统100光束的交叉点，并对系统进行诊断。一般来说，因为用来中断光束的手指或其它尖物将会中断不止一束沿X轴和Y轴的光束，坐标或以加权平均值来计算，或以目标所中断的光束的最小/最大位置来计算。控制器110的MCR5寄存器可确定光束的最小和最大数目，光束必须是交叉的，以便得X轴和Y轴的有效坐标。它还可以确定一个待报告的平均坐标（一个X-Y对）或最大和最小坐标（两个X-Y对）。
寄存器MCR6可确定系统是处于前面列举的哪一种模式。例如，在正常的模式中，MCR6的格式如下：
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
＊ ＊ ＊ 0 1 1 1 0
正常模式下“＊”位的含义是：
标准正常模式 0 0 0
再起动（从T1） × × 1
封销 × 1 ×
（“×”位表示与状态无关。）再起动和封锁将在下边阐述。一般在正常模式的操作中，在探测目标之后，中断光束的坐标可从地址线、选择线和X1，X2及Y1探测线的数值的信息产生。继续扫描，但新坐标直到延迟了T1时间之后才开始报告。这包括不报告后续扫描中断了的光束的坐标，如果它们一直存在，并且中断的目标不被移走，才予以报告。坐标将以T1和其后T2的速率予以报告。T1和T2的值由处理机602分别装入MCR1和MCR2。
对某些键盘指令，操作员使他的手指入位，直到一个特定的值，诸如一个报警电平已经增加或减少到所要求电平，这就是为什么在第一个T1间隔之后，每隔T2秒钟，坐标才报告一次的原因。但是，不能指望另一些键盘指令作为重复功能，而主处理机也不希望在开始报告之后，为报告与这些指令有关的坐标而被中断。在这样一个例子中，处理机602发出一个封锁命令，这意味着没有下一个坐标待报告，一直到获得一个“目标移出”或“新目标”的报告。
现在参照图7A和图7B。这里给出一个正常操作模式的较详细的描述。起始，系统清除任何中断光束报告，并将状态标志置零。进行一次快速的显示区域扫描，并且在步骤702如果该区域的任何中断光束已全清除，则在步骤704该状态仍为零。寻找中断光束的程序再重新开始。
当继续扫描时，如果在702中断光束被首次探测，在步骤703，状态仍为零（即在前次扫描中，显示区间未起作用），然后将状态标志置于1，并在步骤707将延迟计数置于T1，在步骤710执行错误校验。
由控制器110对产生坐标的地方实行错误校验，以确定目标沿X轴或Y轴，是否不连续的，即并不是所有的光束在所报告的最小和最大坐标之间全被中断，或者目标在X方向或Y方向过小或过大。后一步是这样进行的，即把沿每个轴被中断的光束的数目与存储在MCR5中的最大和最小值加以比较。
然后，在711将数据跟错误字节一起传送给主处理机602。当报告平均坐标时，传输的顺序是ERROR-BYTE，X和Y。在最大-最小模式中，数值的范围对X是0～47，对Y是0～31。输出的顺序是ERROR-BYTE，MAXX，MAXY，MINX和MINY。当数据传输给处理机602之后，用状态寄存器中的由D4，D5和D6所指示的一个字节数目来标志。在数据传送期间，停止对显示区间的扫描。
接着，是数据传输，当控制器110接到一个来自处理机602的证实信号时，程序再从步骤702开始，验证一下屏幕是否已清零。如果回答仍是“NO”，则步骤706监视一下状态标志位，在前一循环中，它已被置1。然后在步骤712进行询问转储标志位是否已置位。这个标志位是由在步骤707置位的控制器110的内部定时器-计数器控制的。转储标志位是在起始坐标产生之后的时间T1置位的。如果时间T1没有结束，则控制器做空操作，程序返回到开始。
假定下一个循环通过了，则屏幕仍未清零，状态仍为1，转储标志位将在时间T1置位。在时间T1，该状态置于2，而转储标志在步骤714被置成“伪”。在步骤716，如果封锁命令不存在，则步骤708重新产生坐标，在步骤710执行错误校验，数据传输给处理机602。这个程序将继续下去，直到目标存在为止。但转储标志位将在以后的时间间隔T2置位。
在步骤716如果有一个封锁存在，则代之以新产生的坐标，程序返回到开始。
在步骤702的时间内的某些点，屏幕将被清除，但状态在步骤704将不为零。如果在步骤718没有封锁存在，则对主处理机602给一个报告，目标移出。720。在此之后，在步骤722状态将被置于零，转储标志置于“伪”，在步骤724清除封锁命令，则跳过报告“目标移出”这一步。
上面已阐述过一些控制寄存器的模式（对T1的MCR1，对T2MCR2，对光束坐标计算和错误校验的MCR5指令，及对操作模式的MCR6）。MCRO确定了显示区间的格式，而寄存器MCR3用于诊断。
控制寄存器被设置在DBIN的处理机602的命令置位。在校验IBF标志之后，控制寄存器110把命令装入命令寄存器。待置位的控制寄存器的数目置于一个命令的低三位之内。除MCR6之外，用于将寄存器置位的命令跟着一个数据字节。MCR6，由命令字节的较高位置位，以此把这种最常用的命令限制在一个字节，来尽量减少主处理机过载。
上面已经阐述过了，正常操作模式的操作、有效的封锁操作以及根据MCR6的命令字节而产生的再起动命令。用于本发明的其余的有效模式是诊断模式。第一个诊断命令字节被送到命令寄存器。其格式为：
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
＃ × × 1 1 1 1 0
＃位表示;当置位时，选择对控制器进行诊断，否则，对坐标探测系统将进行诊断。
跟在诊断命令字节之后，是把确定待执行的诊断的数据字节装入MCR3寄存器。这个寄存器确定了在测试中的轴、待测试的发射器-探测器对，并报告是否用了DEGRADE信号，按降级模式，在执行测试。按降级模式，一个特定的射发器-探测器对是在发射器输出的90%被测试的。
然后校验扫描速率。扫描是某一对从被选定的时间到扫描被读出的时间之间的延迟时间。所要求的扫描速率是由控制寄存器MCR4来确定的。在优选的实施例中，从安排一个地址到读出探测线的状态之间的延迟是900微秒。这个数要尽可能的快，以减小响应时间，但也要足够的慢，使操作可信。处理机602可以改变MCR4的设置，去测试临界操作。
作为一个诊断测试结果的两个字节的报告通过DBOUT传送到处理机602。第一个字节报告执行的诊断，而第二个字节报告发射器-探测器是处于正常故障还是降级状态。
为执行诊断，主处理机602将必须把内部寄存器转储到读出MMCRO和MCR4。MCR0确定了屏幕格式，并必须用它在MCR3产生一个有效位组合模式。无效的组合模式将引起一个无效的错误报告。本发明的缺设格式，将屏幕的大小定义为32（Y）×48（X）对。全部在Y轴上的单元，将在Y1DET线上探测。但X轴上的单元1～32，将在X1DET线上探测，而单元33～48，将在X2DET线上探测。当地址范围只是0～31，为给＃33编址，地址必须为零并选定X2DET。
如前所述，MCRO确定了显示区间102的格式。该区间被分成许多同时扫描的单元。对X2DET和Y1DET的单元尺寸以及有效性范围可由寄存器重新确定。一个信号数据字节确定了如下的区间格式
单元的尺寸（3～32） D0～D3
X2D的有效范围（3～16） DO～D4
Y轴上Y的尺寸（3～32） D5～D7
来自控制器110的任何报告的末尾（例如坐标、诊断、寄存器转储）在状态寄存器的字节数将转为零，并要求来自处理机602的假（哑）数据字节作为一个信息交换（对数据不作考虑）。信息交换确保了在为一组新的坐标做好准备之前主处理机602不能被这组新的坐标等所中断。控制器110将处于空操作循环，直到收到这个字节为止。
现在返回参照图7A，在步骤700，主处理机将模式置为停止，正常、转储或诊断。在步骤701，如果被选为正常模式，在步骤702控制器继续进行，这在前面已经阐述过了。但，假定处理机602希望执行诊断，在步骤730它首先调用一个转储，在步骤732读出所有的控制寄存器。然后，在步骤734控制器停止。接着，在步骤740主处理机命令一个诊断，它由步骤742来执行，在步骤746产生报告字节并报告给主处理机。在步骤748控制器停止，等待下一个命令。