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Die
Erfindung betrifft eine Datenübertragungseinrichtung
und ein Datenübertragungsverfahren,
insbesondere zur Übertragung
von Signalen über
eine Freiraumübertragungsstrecke.
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Datenübertragungseinrichtungen übertragen Signale über Übertragungsmedien
wie Kabel, Lichtwellenleiter. In der industriellen Automatisierung,
beispielsweise bei Hochregallagern, würde eine Anbindung eines Regalbediengerätes an ein
Bussystem ein langes Schleppkabel erfordern, dessen Führung aufwändig ist
und das mechanischem Verschleiß und elektromagnetischen
Störungen
unterliegt und zudem teuer ist. Hierfür sind Datenübertragungseinrichtungen,
so genannte Datenlichtschranken, bekannt geworden, bei denen zwei
Endstellen optische Signale über
eine Freiraumübertragungsstrecke
austauschen. Jede der Endstellen weist einen optoelektronischen
Wandler auf, der die elektrischen Signale, beispielsweise aus einem
Profibus oder RS422, in optische Signale umsetzt oder umgekehrt.
Diese Lichtsignale werden vom optoelektronischen Wandler in der
jeweils anderen Endstelle mittels einer Optik empfangen, gebündelt und
wieder in elektrische Signale umgesetzt. Solche optoelektronischen
Wandler sind für
jeweils ein bestimmtes Bussystem vorgesehene proprietäre Lösungen,
die bei einer Auf- oder Umrüstung
des Bussystems ausgetauscht werden müssen.
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine den Stand der Technik
verbessernde Datenübertragungseinrichtung
und ein den Stand der Technik verbesserndes Datenübertragungsverfahren
anzugeben.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Datenübertragungseinrichtung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Datenübertragungsverfahren
mit den Merkmalen des Anspruchs 7.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine
erfindungsgemäße Datenübertragungseinrichtung
umfasst zwei Endstellen, zwischen denen zumindest unidirektional
Signale übertragbar sind.
Dabei weist jede der Endstellen mindestens einen optoelektronischen
Signalwandler auf. Ein optoelektronischer Signalwandler dient der
Wandlung von Signalen aus einer elektrischen Form in eine optische Form
und/oder umgekehrt. Der optoelektronische Signalwandler einer der
Endstellen ist zumindest mit einem ersten Lichtwellenleiter so verbunden,
dass optische Signale aus dem optoelektronischen Signalwandler in
den ersten Lichtwellenleiter eingekoppelt werden können. An
einem Ende des ersten Lichtwellenleiters ist eine Linse angeordnet,
mittels derer die optischen Signale über eine Freiraumübertragungsstrecke
zur anderen der Endstellen übertragen
werden. Die Linse dient dabei der Erzeugung einer gewünschten
Abstrahlcharakteristik. Der optoelektronische Signalwandler der
anderen der Endstellen ist mit einem zweiten Lichtwellenleiter verbunden,
an dessen Ende eine Sammellinse angeordnet ist. Diese koppelt die
optischen Signale aus der Freiraumübertragungsstrecke in den zweiten
Lichtwellenleiter ein, der sie dem optoelektronischen Signalwandler zuführt.
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Mit
einer so aufgebauten Datenübertragungseinrichtung
lassen sich schnell und kostengünstig
Datenverbindungen im Freiraum unter Vermeidung von Kabeln und langen
Lichtwellenleitern zwischen den Endstellen erstellen. Die Reichweite der
Datenverbindung im Freiraum hängt
im Wesentlichen von der Sendeleistung der sendenden Endstelle und
von der Empfängerempfindlichkeit
der empfangenden Endstelle ab. Die Datenübertragungsrate zwischen den
Endstellen ist dabei durch die Eigenschaften der optoelektronischen
Signalwandler abhängig.
Es können
dabei beliebige, mit einem Lichtwellenleiter-Anschluss versehene
Busgeräte
als optoelektronische Wandler verwendet werden. Bei der Auf- oder
Umrüstung
eines Bussystems, beispielsweise von Profibus auf Profinet, können die optischen Komponenten
(Linsen, Sammellinsen, erste und zweite Lichtwellenleiter) beibehalten
und an entsprechende neue optoelektronische Signalwandler angeschlossen
werden. Somit ist eine einfache Adapterlösung ermöglicht. Im Gegensatz zu einer
kabelgebundenen Verbindung ist die mittels der erfindungsgemäßen Datenübertragungseinrichtung
erzielte Freiraumübertragung
unempfindlich gegenüber
elektromagnetischen Störungen.
Es ist lediglich eine Sichtverbindung erforderlich. Wird die Sichtverbindung
unterbrochen, kann der Datenverlust auf bekannte Weise mittels eines
Busprotokolls ausgeglichen werden, sofern die Datenübertragungseinrichtung
Teil eines Bussystems ist. Ein weiterer Vorteil sowohl gegenüber kabelgebundenen
als auch lichtwellenleitergebundenen Verbindungen ist die Flexibilität der Anordnung
der Endstellen zueinander. Beispielsweise kann bei einem in einem
Hochregallager eingesetzten Regalbediengerät durch Einsatz der erfindungsgemäßen Datenübertragungseinrichtung
die Verwendung von langen Schleppkabeln entfallen.
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Als
optoelektronische Wandler kommen vorzugsweise herkömmliche
Lichtwellenleiter-Transceiver zum Einsatz, die zum Senden und/oder
Empfangen von optischen Signalen über Lichtwellenleiter geeignet
sind. Solche Lichtwellenleiter-Transceiver sind aufgrund ihrer weiten
Verbreitung und Verfügbarkeit
kostengünstiger
als die bekannten Datenlichtschranken. Linsen und Sammellinsen mit
Glasfaseranschluss sind gleichfalls leicht verfügbare und damit kostengünstige Standardkomponenten.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
werden die Signale zwischen den Endstellen bidirektional übermittelt,
indem jeder der optoelektronischen Signalwandler über einen
ersten Lichtwellenleiter mit einer Linse und über einen zweiten Lichtwellenleiter mit
einer Sammellinse verbunden sind. Zu diesem Zweck weist der optoelektronische
Signalwandler mindestens zwei Lichtwellenleiter-Anschlüsse auf. Alternativ
kann für
den bidirektionalen Betrieb jede der Endstellen je einen op toelektronischen
Signalwandler zum Senden und einen zum Empfangen von Daten umfassen.
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Die
optischen Signale können
von der Linse mit einer parallelen Abstrahlcharakteristik in die
Freiraumübertragungsstrecke
abgestrahlt werden. In diesem Fall ist jedoch eine genaue Positionierung
der Linse und der Sammellinse erforderlich.
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Vorzugsweise
ist die Linse jedoch so gestaltet, dass die optischen Signale mit
einer leicht streuenden Abstrahlcharakteristik in die Freiraumübertragungsstrecke
abgestrahlt werden. Die Linse kann so zur Sammellinse etwas freier
positioniert werden. Auf diese Weise können Bewegungen der Endstellen
zueinander ausgeglichen oder kleine Ausrichtungsfehler kompensiert
werden. Die Sendeleistung ist entsprechend der Streuung und der
zu erwartenden Entfernung zwischen Linse und Sammellinse anzupassen.
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Insbesondere
bei einer leicht streuenden Abstrahlcharakteristik der Linse ist
die Sammellinse vorzugsweise besonders groß gestaltet, d. h. sie weist eine
größere lichtbrechende
Fläche
auf als die Linse, so dass ein möglichst
großer
Teil des durch die Streuung aufgeweiteten Lichtstrahls in den Lichtwellenleiter
eingekoppelt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann in Richtung der
Freiraumübertragungsstrecke
eine zusätzliche
Linse mit einer besonders großen
lichtbrechenden Fläche
vorgesehen sein.
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Bevorzugt
wird die Datenübertragungseinrichtung
in einem Bussystem, insbesondere zur optischen Freiraumübertragung
und somit einer Datenübertragung
ohne Kupfer- oder Glasfaserkabel, eingesetzt. Die Datenübertragungseinrichtung
ist dabei für beliebige
Datenraten verwendbar. Die Reichweite wird insbesondere durch die
Sendeleistung und die Empfängerempfindlichkeit
bestimmt und kann durch diese beschränkt sein. Die beschriebene
Datenübertragungseinrichtung
mit optischer Freiraumübertragung,
d. h. kabelloser optischer Datenübertragung, ermöglicht die
Verwendung in industriellen Automatisierungs systemen, in welchen
gegenüber
herkömmlichen
kabelgebundenen Datenübertragungen,
kabellose Datenübertragungen
wünschenswert
sind. Bevorzugt wird die Datenübertragungseinrichtung
in einem Regalbediengerät
in einem Hochregallager eingesetzt. Dabei ist eine derartige Datenübertragungseinrichtung
beispielsweise an verschiedenen Positionen zwischen fahrerlosen
Transportsystemen, wie einem Flurförderfahrzeug, einem Hochregal,
einer Förderstrecke
und/oder einem Regalbediengerät,
angeordnet. Je nach Positionierung und Reichweite der Datenübertragungseinrichtung
zwischen den jeweiligen genannten Einrichtungen dient diese insbesondere
dem Kollisionsschutz sowie der Steuerung der Bewegung des fahrerlosen
Transportsystems im Hochregallager oder der Steuerung der Bewegung
von Lagerware bei der Ablage im Hochregallager bzw. bei der Beförderung
auf einer der Förderstrecken
oder einem der Flurförderfahrzeuge.
Somit kann die Verwendung von langen Schleppkabeln sicher entfallen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin
zeigen:
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1 eine
Datenübertragungseinrichtung zur
unidirektionalen Signalübertragung
mit zwei optoelektronischen Signalwandlern, einem ersten und einem
zweiten Lichtwellenleiter, einer Linse und einer Sammellinse sowie
einer Freiraumübertragungsstrecke,
und
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2 eine
Datenübertragungseinrichtung zur
bidirektionalen Signalübertragung
in einem Bussystem.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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In 1 ist
eine Datenübertragungseinrichtung 1 gezeigt.
Sie umfasst zwei Endstellen 2.1, 2.2, zwischen
denen im gezeigten Ausführungsbeispiel Signale
unidirektional übertragbar
sind. Die als Sender genutzte Endstelle 2.1 umfasst hierzu
einen optoelektronischen Signalwandler 3.1, der Signale
aus einer elektrischen Form in eine optische Form wandelt, beispielsweise
mittels einer Leuchtdiode oder eines Lasers.
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Die
optischen Signale werden in einen ersten Lichtwellenleiter 4.1 eingekoppelt,
der in einer Linse 5 endet. Die Linse 5 richtet
einen die optischen Signale tragenden Lichtstrahl L mit einer leicht
streuenden Abstrahlcharakteristik, die hier der besseren Anschaulichkeit
halber vergrößert dargestellt
ist, durch eine Freiraumübertragungsstrecke 6 in
Richtung der anderen Endstelle 2.2 aus. Alternativ kann
die Linse 5 durch eine geeignete andere Ausgestaltung eine andere
gewünschte
Abstrahlcharakteristik, z. B. eine parallele Abstrahlcharakteristik
(wie durch die gestrichelten Linen dargestellt), aufweisen.
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Die
Endstelle 2.2 umfasst ebenfalls einen optoelektronischen
Signalwandler 3.2, der jedoch die optischen Signale in
Signale mit einer elektrischen Form umwandelt, beispielsweise mittels
eines fotosensitiven Bauelements. An den optoelektronischen Signalwandler 3.2 ist
ein zweiter Lichtwellenleiter 4.2 angeordnet, der in einer
Sammellinse 7 endet. Vor der Sammellinse 7 ist
in Richtung der Freiraumübertragungsstrecke 6 eine
zusätzliche
Linse 8 angeordnet, die eine besonders große lichtbrechende
Fläche aufweist.
Die zusätzliche
Linse 8 bündelt
den hier aufgeweiteten Lichtstrahl auf die Sammellinse 7.
Die Sammellinse 7 nimmt die vom Lichtstrahl L getragenen
optischen Signale auf und koppelt sie in den zweiten Lichtwellenleiter 4.2 ein,
von wo aus sie dem optoelektronischen Signalwandler 3.2 zugeführt werden.
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Die
zusätzliche
Linse 8 kann optional entfallen. In diesem Fall ist die
Sammellinse 7 vorzugsweise so gestaltet, dass ihre lichtbrechende
Fläche
größer ist
als die der Linse 5.
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In 2 ist
eine Datenübertragungseinrichtung 1 zur
bidirektionalen Signalübertragung
in einem Bussystem 9 angeordnet. Das Bussystem 9 umfasst
Busteilnehmer 10.1 bis 10.5 und eine Kabelverbindung 11 zwischen
den Busteilnehmern 10.1 bis 10.5 und den Endstellen 2.1, 2.2 der
Datenübertragungseinrichtung 1.
Die Datenübertragungseinrichtung 1 verbindet
dabei zwei Bussegmente 9.1 und 9.2 drahtlos miteinander.
Im vorliegenden Beispiel ist der Busteilnehmer 10.1 als
Master konfiguriert. Die übrigen
Busteilnehmer 10.2 bis 10.5 sind als Slaves eingerichtet.
Die im Bussystem 9 erforderliche bidirektionale Signalübertragung
wird erreicht, indem die optoelektronischen Signalwandler 3.1, 3.2 beider Endstellen 2.1, 2.2 jeweils über einen
ersten Lichtwellenleiter 4.1 und eine Linse 5 optische
Signale an den optoelektronischen Signalwandler 3.2, 3.1 der
jeweils anderen Endstelle 2.2, 2.1 senden und
von diesem über
eine Sammellinse 7 und einen zweiten Lichtwellenleiter 4.2 optische
Signale empfangen. Hierzu muss jeder der optoelektronischen Signalwandler 3.1, 3.2 mit
mindestens zwei Lichtwellenleiteranschlüssen versehen und als Transceiver
sowohl zum Senden als auch zum Empfangen ausgebildet sein.
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Insbesondere
bei einer unveränderlichen Position
der Linse 5 zur Sammellinse 7 kann die Linse 5 so
ausgebildet sein, dass die Abstrahlcharakteristik des Lichtstrahls
L parallel statt streuend ist.
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Das
Bussystem 9 kann statt als Master-Slave-System auch mit
gleichberechtigten Busteilnehmern 10.1 bis 10.n konfiguriert
sein.
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Die
Linse 5 kann als eine Kollimatorlinse ausgebildet sein.
Kollimatorlinsen dienen der Parallelisierung eines Strahlenverlaufs.
Sie sind im einfachsten Fall wie Sammellinsen ausgebildet, können jedoch
zusätzlich
eine Lochblende und/oder einen umgebenden Tubus enthalten, der innen
geschwärzt sein
kann, um Streulicht fern zu halten.
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Sowohl
die Linse 5 als auch die Sammellinse 7 kann separat
ausgebildet oder in das Ende des jeweiligen Lichtwellenleiters 4.1, 4.2 eingearbeitet
sein.