Title:
Empfänger für ein Lichtgitter und Verfahren zum Betreiben des Empfängers
Kind Code:
B4


Abstract:

Empfänger (E) für ein Lichtgitter mit einem Analogteil (10) und einem programmierbaren Logikbaustein (1), wobei der Analogteil (10) mindestens 80 Empfangskanäle aufweist, die aus jeweils einer Fotostromquelle (8), die zur Wandlung von Licht in Fotoströme dient, und einem mit der Fotostromquelle (8) verbundenen Speicherkondensator (7) bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass der programmierbare Logikbaustein (1) zur parallelen digitalen Signalverarbeitung ausgebildet ist und mindestens 80 Komparatoren (5) aufweist, die jeweils mit einer der Fotostromquellen (8) verbunden sind und die Teil eines nach dem Ein-Rampen-Verfahren arbeitenden Analog-Digital-Wandlers sind, wobei der Analog-Digital-Wandler eine Steuerung (4) aufweist, die Bestandteil des programmierbaren Logikbausteins (1) ist. embedded image




Inventors:
Baumann, Robert (88239, Wangen, DE)
Application Number:
DE102009053135A
Publication Date:
03/10/2011
Filing Date:
11/05/2009
Assignee:
ifm electronic gmbh, 45128 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE10201894B4N/A2010-03-18
DE102007024210A1N/A2008-11-27
DE102007017631B3N/A2008-07-10
DE102006059322A1N/A2008-06-19
DE102005003492B4N/A2008-05-29
DE102006054124A1N/A2008-05-21
DE202006020161U1N/A2008-01-10
DE102006005463A1N/A2007-08-09
DE29924961U1N/A2007-03-08
DE20022809U1N/A2002-05-02
DE3939191C3N/A1996-02-08
DE3803033A1N/A1989-08-10



Foreign References:
EP19033562008-03-26
EP11747332005-02-02
200402680962004-12-30
Claims:
Empfänger (E) für ein Lichtgitter mit einem Analogteil (10) und einem programmierbaren Logikbaustein (1), wobei der Analogteil (10) mindestens 80 Empfangskanäle aufweist, die aus jeweils einer Fotostromquelle (8), die zur Wandlung von Licht in Fotoströme dient, und einem mit der Fotostromquelle (8) verbundenen Speicherkondensator (7) bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass der programmierbare Logikbaustein (1) zur parallelen digitalen Signalverarbeitung ausgebildet ist und mindestens 80 Komparatoren (5) aufweist, die jeweils mit einer der Fotostromquellen (8) verbunden sind und die Teil eines nach dem Ein-Rampen-Verfahren arbeitenden Analog-Digital-Wandlers sind, wobei der Analog-Digital-Wandler eine Steuerung (4) aufweist, die Bestandteil des programmierbaren Logikbausteins (1) ist.

Empfänger (E) für ein Lichtgitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils mit einer Fotostromquelle (8) verbundenen Speicherkondensatoren (7) mit ihrem zweiten Anschluss untereinander verbunden sind, wobei die Kontaktstellen zwischen den Fotostromquellen (8) und den Speicherkondensatoren (7) jeweils mit einem Eingang eines Komparators (5) verbunden sind, wobei jeder Fotostromquelle (8) ein separater Analog-Digital-Wandler (3 bis 7) zugeordnet ist, in dem eine parallele Signalauswertung erfolgt und die Fotostromquellen (8) neben ihrer Funktion als Lichtempfänger auch als Stromquellen für eine Ein-Rampen-Analog-Digital-Wandlung genutzt werden.

Verfahren zum Betreiben eines Empfängers (E) für ein Lichtgitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die als Fotoempfänger dienenden Fotostromquellen (8) als Stromquellen für eine Ein-Rampen-Analog-Digital-Wandlung genutzt werden und über eine parallele Signalauswertung ein Objektfeststellungssignal durch Vergleich der digitalisierten Fotoströme mit einem Speicherwert erzeugt wird.

Description:

Die Erfindung betrifft einen Empfänger für ein Lichtgitter gemäß dem Patentanspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben des Empfängers gemäß Patentanspruch 3.

Lichtgitter werden in vielen Bereichen der Industrie wie Fertigung und Verpackung eingesetzt. Sie werden insbesondere dann benötigt, wenn der zu überwachende Bereich für eine einzelne Lichtschranke zu breit ist, oder Informationen über Form, Größe oder Position eines in den Überwachungsbereich eindringenden Gegenstandes benötigt werden.

Hierbei kann es sich um die Absicherung eines Gefahrenbereichs, beispielsweise die Überwachung des Schwenkbereichs eines Roboterarmes, aber auch um die aktuelle Positionsbestimmung eines Gegenstandes, wie z.B. eines schnell bewegten Arbeitsmittels oder Maschinenteils handeln. In diesem Fall werden sie auch als Lichtvorhänge bezeichnet.

Ein solches „Lichtschrankengitter“ wird in der DE3803033A1 beschrieben. Über eine Lichtquellensteuerung, sowie eine Empfängersteuerung werden die Lichtschranken nacheinander aktiviert. Die Synchronisation kann beispielsweise über eine Verbindungsleitung oder auch über Synchronisationspausen definierter Länge erfolgen. Da immer nur eine Lichtschranke aktiv ist, sind gegenseitige Beeinflussungen praktisch ausgeschlossen. Durch die serielle Auswertung kann die Digitalisierung durch eine einzige Auswerteschaltung, wie z.B. einen Analog-Digital-Wandler oder Komparator erfolgen. Diesen Vorteilen stehen aber eine relativ langsame Reaktionszeit bzw. eine lückenhafte zeitliche Überwachung gegenüber. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass beim Umschalten der Kanäle unerwünschte Störimpulse auftreten können.

Lichtgitter mit vielen Empfangskanälen sind aufwändig und kostenintensiv. Neben dem prinzipiell unvermeidbaren mechanischen Aufwand müssen die einzelnen Lichtschranken getrennt ausgewertet werden.

In der DE102006005463A1 wird eine nach dem Triangulationsprinzip arbeitende optoelektronische Anordnung zur Objekterfassung mit einem Mehrfachempfänger beschrieben. Das Objektfeststellungssignal wird durch die Summierung bzw. Integration der Fotoströme der Zellen aus einem Nah- und einem Fernbereich gebildet. Dadurch wird das zu verarbeitende Signal auf zwei Kanäle und damit auch auf zwei Messwerte reduziert, was die Auswertemöglichkeiten erheblich einschränkt. Weiterhin ist für jede Fotodiode mindestens ein Analogschalter erforderlich, der bei einer sehr großen Anzahl von Empfängerelementen als spezielle und damit kostenaufwändige integrierte Schaltung zu realisieren wäre.

In der DE20022809U1 wird ein Lichtgitter beschrieben, bei dem die Empfangssignale an den Ausgängen paarweise jeweils auf ein Differenzierglied zur Bildung der Differenz der Empfangssignale geführt und die Ausgangssignale einer Schwellwerteinheit zur Erzeugung eines binären Schaltsignals zugeführt werden. Nachteilig ist die geringe Flexibilität des Auswerteverfahrens, sowie der hinter einer vergleichsweise einfachen Logikschaltung stehende deutliche schaltungstechnische Aufwand (siehe 3).

In der US20040268096A1 wird eine zweidimensionale digitale Bildaufnahme- und Verarbeitungseinheit für Kameras, Drucker oder Kopierer beschrieben, die als Empfänger für ein Lichtgitter wegen ihrer Auswertemöglichkeiten und diversen Filterfunktionen weit überdimensioniert und damit für die Lösung der vorliegenden Erfindungsaufgabe nicht in Frage kommt.

In der EP1174733B1 wird eine Anordnung mit einer CCD- Zeile gezeigt. Diese Anordnung ist wegen der relativ langen Zykluszeit des CCD- Aufnehmers für die schnelle parallele Weiterverarbeitung nicht geeignet.

Die DE102005003492B4 zeigt ein Sensorsystem für eine Schutzeinrichtung zur Absicherung eines Gefahrenbereichs, welches neben dem optischen Sensor zusätzlich einen kapazitiven Hilfssensor aufweist. Hierbei werden die Kapazitätswerte einer Anzahl von Kondensatorelektroden mit einem zugeordneten Referenzwert verglichen.

Nachteilig ist die vergleichsweise geringe Reichweite und geometrische Auflösung eines kapazitiven Sensors.

Die DE102006054124A1 betrifft ein Verfahren und ein System zur sicheren Datenübertragung. In der 8 wird ein Lichtgitter mit einer Vielzahl von Lichtquellen und einen Vielzahl von Lichtsensoren gezeigt. Eine separate Lichtschranke wirkt als optischer Datenkanal zum Informationsaustausch der Auswerteeinheiten für Sender und Empfänger. Dieser Aufwand soll durch die vorliegende Erfindung vermieden werden.

Die DE3939191C3 zeigt eine mehrstrahlige Einwegschranke, deren Sender eine Reihenanordnung von periodisch und zyklisch nacheinander eingeschalteten Infrarot-Sendedioden und einen Empfänger mit einer Reihenanordnung von periodisch und zyklisch von einem freilaufenden Oszillator getakteten Photodioden aufweist. Hier sind die relativ langsame Reaktionszeit bzw. die daraus resultierende lückenhafte zeitliche Überwachung als Nachteil zu nennen.

Die DE29924961U1 zeigt einen Triangulations-Lichttaster, bei dem die Fotoströme der Empfangselemente über Analogschalter wahlweise addiert oder subtrahiert werden können. Mit Hilfe von zwei Summierern und einem Subtrahierer wird ein auf dem Objektabstand beruhendes Objektfeststellungssignal erzeugt. Eine Analog- Digital-Wandlung findet nicht statt.

Die DE102007024210A1 zeigt ein Lichtgitter mit mindestens zwei Sensorteilen, die sich in einem räumlichen Abstand befinden. Jedes Sensorteil besitzt eine Vielzahl von Sendeelementen und eine Vielzahl von Empfangselementen. Die Empfangselemente werden parallel ausgewertet. Als Ziel wird die Verkürzung der Reaktionszeit und eine kostengünstige Realisierung angegeben. In jedem Sensorteil gibt es neben dem Auswerteschaltkreis auch einen Steuerschaltkreis, der mit den Sendeelementen des jeweiligen Sensorteils gekoppelt ist, so dass jeder Baustein autark arbeiten kann.

Besonderes Augenmerk wird auf die Codierung bzw. Modulation der Sendeelemente gelegt. Deshalb und wegen der Kombination von Sende- und Empfangselemente in einem Baustein erscheint diese Anordnung als zu aufwändig.

Die DE202006020161U1 zeigt ein Lichtgitter mit einer vorgegebenen Anzahl von Sendern, die jeweils mit einem zugeordneten Empfänger eine Strahlachse bilden. Die am Ausgang der Empfänger anstehenden Empfangssignale werden in einer zentralen Auswerteeinheit ausgewertet. Durch eine optische Synchronisation, die insbesondere anhand einer spezifischen Kennung der von einem ausgewählten Sender emittierten Sendeimpulse erfolgt, werden die Sender und die Empfänger der einzelnen Strahlachsen nacheinander zyklisch ausgewertet. Diese Auswertemethode erscheint senderseitig zu aufwändig und in der Auswertung zu langsam.

Die DE102006059322A1 offenbart ein Lichtgitter mit einer vorgegebenen Anzahl von Sendelichtstrahlen emittierenden Sendern und Empfängern. Jeweils ein Sender und ein Empfänger bilden eine Strahlachse. In einer Auswerteeinheit wird in Abhängigkeit von an den Empfängerausgängen anstehenden Empfangssignalen ein Objektfeststellungssignal generiert. Die einzelnen Sender werden zyklisch nacheinander aktiviert, wobei den Sendern diese eindeutig kennzeichnende Codes aufgeprägt sind. Die Empfänger sind gleichzeitig aktiviert, wobei deren Empfangssignale parallel auf separate Eingänge der Auswerteeinheit geführt sind. In der Auswerteeinheit werden jeweils nur die Empfangssignale des dem jeweils aktiven Sender zugeordneten Empfängers registriert und abgespeichert. Weil die Sender zyklisch aktiviert werden, führt die gleichzeitige Aktivierung aller Empfänger nicht zu der gewünschten parallelen und damit wesentlich schnelleren Auswertung.

Die EP1903356A1 offenbart ein Lichtgitter bestehend aus einer Sendeeinheit mit einzelnen Sendeelementen zum Aussenden einer Mehrzahl in einer Ebene verlaufenden Lichtstrahlen, einer Steuereinheit zur separaten Ansteuerung der einzelnen Sendeelemente und einer zur Sendeeinheit beabstandeten Empfangseinheit, einer Auswerteeinheit zur separaten Ansteuerung und Auswertung der einzelnen Empfangselemente und zur Ausgabe eines Schaltsignals bei Lichtstrahlunterbrechung.

Zur Auswahl wenigstens eines der Sendeelemente ist ein Adressbus oder ein kombinierter Adress-Datenbus vorhanden. Dabei können die Sendeelemente und Empfangselemente einzeln, aber auch gleichzeitig angesteuert werden. Im Ausführungsbeispiel geschieht das zyklisch. Auch diese Anordnung wird als zu aufwändig angesehen.

Die DE102007017631B3 offenbart einen optoelektronischen Sensor mit einem Lichtsender und einer Steuerung, die eine Sendeleitung zu dem Lichtsender aufweist, welche für die Übertragung eines elektrischen Sendemusters ausgebildet ist, das der Lichtsender in ein optisches Sendemuster umwandeln kann. Dabei ist die Sendeleitung zur differenziellen Übertragung des elektrischen Sendemusters mit mehreren Einzelleitern ausgeführt. Da es sich um ein Lichtlaufzeitgerät handelt ist eine sehr hohe Übertragungsfrequenz erforderlich. Die Steuerung ist bevorzugt zumindest teilweise in einem ASIC oder auf einem programmierbaren Logikbaustein, insbesondere einem FPGA implementiert. Die Auswertung der Empfangssignale eines Lichtlaufzeit- oder Pulslaufzeitgerätes wird für eine Lichtschrankenanordnung als sehr aufwändig angesehen und deshalb wohl Spezialanwendungen vorbehalten bleiben.

Die DE10201894B4 betrifft ein Sensorsystem mit wenigstens einem eine Steuereinrichtung aufweisenden Gegenstandserfassungssensor und einen hieran anschließbaren Sensor/Aktor, von dem Daten in den Gegenstandserfassungssensor einlesbar sind. Diese Steuereinrichtung enthält eine programmierbare Logikeinheit. Der Grundgedanke besteht darin, den Sensor zu einem Sensorsystem zu erweitern und flexibel mit diversen Anwenderschnittstellen zu verknüpfen, um so den Zentralrechner zu entlasten. Der Anwender kann die logischen Verknüpfungen zwischen den Sensordaten beliebig einstellen. Zu diesem Zweck weist der Gegenstandserfassungssensor eine vom Anwender programmierbare Logikeinheit auf, durch die die Sensordaten in frei wählbarer Weise logisch verknüpft werden können. Durch eine derartige Ausgestaltung wird die Steuereinrichtung des Sensors nicht nur zur Auswertung der von Sensor selbst akquirierten Daten herangezogen, sondern kann zusätzlich dazu verwendet werden, beliebige logische Verknüpfungen zwischen Daten zu erstellen, die der Sensor selbst ermittelt und/oder die dem Sensor zugeführt werden. Diese frei programmierbare Logikeinheit ist besonders einfach zu verwirklichen, wenn die Daten darin in digitaler Form vorliegen und verarbeitet werden. Zu diesem Zweck ist es bevorzugt, wenn die Daten, insbesondere die vom Gegenstandsfeststellungssensor ermittelten Messwertdaten, bereits in einer vorgeschalteten, internen oder externen Auswerteschaltung ausgewertet werden oder aufbereitet worden sind. Beispielsweise kann bereits ein Schwellenwertevergleich durchgeführt, oder die Anzahl von unterbrochenen Lichtstrahlen bestimmt worden sein, bevor das Ergebnis eines derartigen Auswerteschritts an die Logikeinheit weitergeleitet wird. Die Analog-Digital-Wandlung erfolgt also außerhalb der programmierbaren Steuereinheit. Als nachteilig wird angesehen, dass die Messwertefassung und Analog-Digital-Wandlung nicht mit Hilfe der frei programmierbaren Logikeinheit, sondern in einer separaten Auswerteschaltung erfolgt. Gerade dieser Nachtteil soll durch die vorliegende Erfindung überwunden werden.

Wenn ein Lichtgitter mit zeitlich nahezu lückenloser Überwachung bzw. eine sehr schnelle Reaktionszeit gefordert wird, kommt nur der kontinuierliche Betrieb der Lichtschranken in Verbindung mit einer parallelen, nicht nur separaten sonder auch gleichzeitigen Auswertung aller Lichtschranken in Frage. Bei Lichtgittern mit 80 oder mehr Empfangskanälen ist das sehr aufwändig.

Vorteilhaft erscheint deshalb die Ausleuchtung des zu überwachenden Raumes mit einer oder mehrerer Gleichlichtquellen. Unter einer Gleichlichtquelle soll eine unmoduliertes Licht, also Gleichlicht, aussendende Licht- bzw. Strahlungsquelle verstanden werden, die neben dem sichtbaren Spektrum selbstverständlich auch infrarotes oder ultraviolettes „Licht“ aussenden kann.

Dieser Sender kann beispielsweise aus einer Kette von Licht emittierenden Dioden (LED) bestehen. In Verbindung mit einer Digitalisierung der Empfangssignale mit entsprechender Auflösung können auch in Sendernähe befindliche Objekte noch sicher nachgewiesen werden.

Das erfordert allerdings einen erheblichen Schaltungsaufwand, der mit diskreten Bauelementen, bzw. niedrig integrierten Bausteinen kaum zu bewältigen ist. Der Einsatz eines Mikrocontrollers ist hier nicht sinnvoll, da herkömmliche Mikrocontroller nicht über genügend Ports für eine parallele Verarbeitung einer so großen Zahl von Empfangskanälen verfügen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Lichtgitter zu schaffen, welches die oben genannten Nachteile nicht aufweist, das insbesondere eine kurze Ansprechzeit, eine hohe geometrische Auflösung besitzt und das kostengünstig und einfach zu fertigen ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, den Analogteil der Empfangskanäle möglichst klein zu gestalten und direkt mit einem universell einsetzbaren Logikbaustein, in dem eine parallele Signalverarbeitung stattfindet, zu verbinden.

Der Analogteil der Empfangskanäle soll möglichst auf eine Fotostromquelle und einen Speicherkondensator beschränkt werden. Die Fotostromquelle kann in vorteilhafter Weise als „Zeitgeber“ für den Analog-Digital-Wandler verwendet werden. Vorzugsweise wird eine in Sperrrichtung betriebene Fotodiode benutzt. Ein Fotowiderstand oder ein Fototransistor wären ebenfalls verwendbar. Ein CCD- Aufnehmer ist wegen des seriellen Zugriffs auf die Sensorelemente ungeeignet.

Alle weiteren Funktionen können von einer Anwendungs-programmierbaren Logikgatteranordnung (FPGA) bzw. einem Komplex programmierbaren Logikbausstein (CPLD) übernommen werden. Dadurch kann in besonders vorteilhafter Weise für jeden Fotoempfänger ein separater Analog-Digital-Wandler zu Verfügung gestellt werden.

Hiermit wird eine spezifische an die jeweilige Überwachungsaufgabe angepasste Logikkonfiguration geschaffen, ohne das nur bei sehr großen Stückzahlen gerechtfertigte Risiko einer Neuentwicklung eines anwendungsspezifischen Schaltkreises (ASIC) einzugehen. Vorteilhaft ist weiterhin die hohe Flexibilität bei der Weiterverarbeitung der Daten nach erfolgter Analog-Digital-Wandlung. Unterschiedliche Kundenwünsche können ohne Hardwareänderung allein durch eine entsprechende Konfiguration des programmierbaren Logikbausteins (FPGA) berücksichtigt werden Da FPGAs bzw. CPLDs bis zu mehreren hundert Ein- bzw. Ausgabekanäle besitzen, können auch ebenso viele Fotostromquellen parallel ausgewertet werden.

Die Auflösung der Analog-Digital-Wandler kann flexibel gewählt werden. Da die Taktfrequenz von FPGAs bzw. CPLDs bis zu 100 MHz betragen kann, ist eine zeitliche Auflösung von 100 ns erreichbar. Beispielsweise erlaubt eine Taktfrequenz von 50 MHz bei 100 ns Auflösung immer noch eine 5-fache Überabtastung (Oversampling).

Wie man anhand des ersten Ausführungsbeispiels sieht, liegen die Messwerte sofort in der gewünschten Auflösung, nämlich in der einstellbaren Bitbreite des Zeitgebers vor, so dass die Weiterverarbeitung extrem schnell erfolgen kann. Die Verarbeitung ist also nicht wie beim Mikrocontroller an eine vorgegebene Bitbreite gebunden.

Da nur wenige externe Bauteile benötigt werden, ist ein kompakter Aufbau möglich. Der Aufwand pro Messkanal sinkt mit wachsender Anzahl der Kanäle bis die Kapazitätsgrenze des FPGA bzw. CPLD erreicht wird.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen:

  • 1 Förderband mit Lichtgitter in schematischer Darstellung
  • 2 erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lichtgitters als Blockdiagramm
  • 3 zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lichtgitters als Blockdiagramm

Die 1 zeigt eine Anordnung zur Überwachung der Position eines auf einer vorgegebenen Bahn, beispielsweise auf einem in Pfeilrichtung laufenden Förderband, bewegten Gegenstandes G. Diese häufig in der Automatisierungstechnik vorkommende Aufgabe ist durch einen nur geringfügig variierenden Objektabstand D von 3 bis 4 mm charakterisiert. Der Abstand A zur Lichtquelle 11 ist mit ca. 25mm deutlich größer als D. Die Lichtquelle 11 besteht aus einer Reihe von vorzugsweise mit Gleichstrom betriebenen Leuchtdioden LED, mit einem Öffnungswinkel δ = 15° Unter diesem Winkel fällt die abgestrahlte Leistung auf 50% ihres Maximalwerts ab.

Insbesondere kann das Licht eines Lichtemitters ausreichender Größe für mehrere Kanäle verwendet oder auch durch Lichtleiter oder Strahlteiler in die dazu notwendige geometrische Form gebracht werden.

Obwohl die vorzugsweise aus Fotodioden 8 mit einer lichtempfindlichen Fläche von 0,6 mmx 0,6 mm bestehenden Elemente des Empfängers E bei freiem Überwachungsbereich von mehreren LED der Lichtquelle 11 (Sender) bestrahlt werden, ist die Position des Gegenstandes G durch Auswertung der Fotoströme der Fotodioden 8 anhand der Abschattung noch ohne weiteres feststellbar.

Ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Lichtgitters ist in der 2 dargestellt. Das FPGA 1, beispielsweise ein Derivat aus der Serie „Spartan-3E“ mit 190 Ein- und Ausgabekanälen und 500000 Systemeingängen von der Firma Xilinx, wurde so konfiguriert, dass es im Wesentlichen aus einer Verarbeitungseinheit 2, einem Zeitgeber 3, einer Steuerung 4, den Erfassungseinheiten 5 und den Entladungstransistoren 6 besteht. Die Entladungstransistoren 6 sind Bestandteil der Ein- und Ausgabekanäle, wo sie eigentlich als Ausgangstransistoren dienen. Die Eingänge der Ein- und Ausgabekanäle (I/O-Ports) sind Bestandteil der Erfassungseinheiten 5 und wirken dort als Komparatoren, die bei Überschreiten einer bestimmten Eingangsspannung eine logische 1 erzeugen.

Der Analogteil 10 besteht nur aus den Fotodioden 8 und den Speicherkondensatoren 7. Die in Sperrrichtung betriebenen Fotodioden 8 sind die Empfängereinheiten des Lichtgitters. Sie wandeln das einfallende Licht in Fotoströme um. In ihrer Eigenschaft als Stromquellen sind sie gleichzeitig ein wesentlicher Bestandteil eines nach dem Single-Slope-Verfahren arbeitenden Analog-Digital-Wandlers. Die weiteren Bestandteile des Analog-Digital-Wandlers sind die Speicherkondensatoren 7, die Entladungstransistoren 6, die Erfassungseinheiten 5, die Steuerung 4 und der Zeitgeber 3.

Die Analog-Digital-Wandlung erfolgt nach der bekannten Ein-Rampen-Analog-Digital-Wandlung (Single-Slope-Verfahren). Dazu werden die von den Fotoströmen aufgeladenen Speicherkondensatoren 7 zyklisch über die Entladungstransistoren 6 entladen.

Ausgelöst wird dieser Vorgang von der Steuerung 4, die zum Zeitpunkt T0 die Entladungstransistoren 6 durchsteuert. Nach Ablauf einer festgelegten Entladezeit T1 sperren die Entladungstransistoren 6 und der Zeitgeber 3 wird gestartet. Nun beginnen die Fotoströme die Speicherkondensatoren 7 erneut aufzuladen.

Erreicht die Spannung an einem der Kondensatoren 7 und damit auch am Eingang der zugehörigen Erfassungseinheit 5 die Schwellspannung VH, so wird der vom Zeitgeber 3 über einen 10 Bit breiten Bus zur Verfügung gestellte aktuelle Zeitgeberwert Tmess in der Erfassungseinheit 5 gespeichert. Nach Erreichen des Zeitgeber-Endwerts T2 erzeugt der Zeitgeberüberlauf ein Triggersignal, woraufhin die noch nicht getriggerten Erfassungseinheiten den Zeitgeber-Endwert übernehmen.

Anschließend veranlasst die Steuerung 4, dass die Messwerte in den Speicher der Verarbeitungseinheit 2 übernommen werden. Danach werden alle Kondensatoren 7 durch die Entladungstransistoren 6 wieder entladen, und der Vorgang beginnt von Neuem. Die von den Erfassungseinheiten 5 gelieferten Zeitgeberwerte sind reziprok zu den von den Fotodioden gesammelten Lichtmengen, und repräsentieren somit den digitalisierten Messwert (Fotostrom) der jeweiligen Fotodiode 8.

In der frei programmierbaren Verarbeitungseinheit 2 können die von den einzelnen Fotostromquellen 8 (Empfangskanäle) gemessenen Werte mit den vorhergehenden Messwerten, aber auch mit eingelernten Vergleichswerten oder langfristigen Mittelwerten verglichen werden.

Bei Unterschreiten eines auf die o.g. Weise erzeugten Vergleichswertes wird ein Objektfeststellungssignal für den betreffenden Empfangskanal (Fotodiode) erzeugt.

In manchen Fällen ist eine dynamische Schwellennachführung vorteilhaft. Hierbei werden die gemessenen Werte mit den vorhergehende Messwerten verglichen, und ggf. neue Schaltschwellen festgelegt.

Falls Informationen über die abgestrahlte Sendeleistung in Form von Kontroll- oder Referenzmesswerten vorliegen, kann der Vergleich auch mit solchen Werten erfolgen.

Auch eine gepulste Lichtquelle ist denkbar. In diesem Fall wird jeweils während des Pulses und in der Sendepause gemessen. Die in der Sendepause gemessenen Werte können als Fremd- oder Störlicht von den Messwerten abgezogen werden. Der Vorteil der FPGA 1 besteht darin, dass verschiedenen Mess- und Überwachungsaufgaben mit derselben Hardware gelöst werden können. Es ist lediglich eine entsprechende Programmierung der Abläufe in der Verarbeitungseinheit 2 erforderlich.

Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass die Fotodioden nicht nur als Lichtempfänger, sondern auch als Stromquellen für die Ein-Rampen-Analog-Digital-Wandlung genutzt werden. Dadurch kann die Strom-Spannungswandlung entfallen, und der Analogteil 10 und damit auch die Hardware des Lichtgitters wird auf ein Minimum reduziert.

Bei sehr hohen Anforderungen an die Messgenauigkeit kann die Toleranz und die Temperaturdrift der Komparator-Eingänge der Erfassungseinheiten 5 zu groß sein. Dann wird zwischen den Fotodioden und dem FPGA-Eingang ein hochwertiger Komparator 9 geschaltet. Ein solches Ausführungsbeispiel wird in der 3 gezeigt. Hier werden die Ein- und Ausgabekanäle des FPGA 1 nur als Eingänge genutzt. Aus diesem Grund wurden die in der 2 mit 6 bezeichneten und als Entladungstransistoren genutzten Ausgangstransistoren der Ein- und Ausgabekanäle des FPGA nicht dargestellt. Ihre Funktion wird nun von den ebenfalls mit 6 bezeichneten Bipolartransistoren übernommen. Der Ablauf der Messung erfolgt wie in der Beschreibung zur 2. Die Schwellspannung wird nun an die nichtinvertierenden Eingänge der Komparatoren 9 gelegt. Diese Spannung kann wie in 3 dargestellt über ein Potentiometer oder auch von der FPGA 1 bereitgestellt werden.

Erreicht die Spannung an den Speicherkondensatoren die Schwellspannung VH, so schalten die Komparatoren, und die Erfassungseinheiten 5 speichern die aktuellen, zu diesem Zeitpunk vorliegenden Zeitgeberwerte, die wie bereits oben beschrieben von der Verarbeitungseinheit 2 übernommen werden. Bezüglich des Ablaufs der Analog-Digital-Wandlung wird auf die Beschreibung der 2 verwiesen. Wie aus 2 bzw. 3 erkennbar, sind die Fotostromquellen 8 bauteilmäßig sehr klein ausgestaltet. Das erste Ausführungsbeispiel nach 2 stellt mit zwei Bauteilen Fotodiode 8 + Kondensator 7 in Verbindung mit der Ein-Rampen-Analog-Digital-Wandlung sicher die Minimallösung dar.

Durch die parallele Verbindung der Fotostromquellen 8 mit dem programmierbaren Logikbaustein 1 und durch die parallele digitale Signalverarbeitung ist das Lichtgitter extrem reaktionsschnell, was insbesondere bei Sicherheitsanwendungen wichtig ist.

Durch die Verwendung eines programmierbaren Logikbausteins 1 ist das Lichtgitter extrem flexibel. Es spielt praktisch keine Rolle wie viele Empfangskanäle benötigt werden über 100 sind leicht realisierbar.

Bezugszeichenliste

1
Anwendungs-programmierbare Logikgatteranordnung, Field Programmable Gate Array (FPGA)
2
Verarbeitungseinheit
3
Zeitgeber (Timer)
4
Steuerung
5
Erfassungseinheit des FPGA (Komparator, Capture Einheit)
6
Entladungstransistor (N-MOS oder NPN)
7
Speicherkondensator (Sample-C)
8
Fotostromquelle (Fotodiode, Fotowiderstand, Fototransistor)
9
Komparator (extern)
10
Analogteil
11
Lichtquelle (Sender), auch für IR oder UV
A
Abstand Sender-Empfänger
D
Abstand zum zu detektierenden Gegenstand
G
Zu detektierender Gegenstand
E
Empfänger (Fotodioden 8)
LED
Leuchtdiode
δ
Öffnungswinkel der LED (50% Intensitätsabfall)
T0
Startzeit für die Entladung der Speicherkondensatoren 7
T1
Entladezeit für die Speicherkondensatoren 7
T2
Zeitgeberendwert (Timerendwert)
Tmess
aktueller Zeitgeberwert (Timerwert)
VCC
Versorgungsspannung
VH
Schwellspannung