DE102008030518B4 - Optoelectronic sensor - Google Patents
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Abstract
Optoelektronischer Sensor (30) mit wenigstens einem Lichtsender (60) zur Aussendung von Lichtsignalen in einen Überwachungsbereich, wenigstens einem Lichtempfänger (32) zum Empfang von vom Lichtsender ausgesandten Signalen und einer Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung (34) zur Ansteuerung des Lichtsenders und zur Erzeugung eines Objektfeststellungssignals (36) im Falle des Vorhandenseins eines Objektes im Überwachungsbereich in Abhängigkeit vom Ausgangssignal (38) des Lichtempfängers (32), wobei die Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung (34) zur Verstärkung des Ausgangssignals des Lichtempfängers (32) einen Verstärker (40) und zum Vergleich des verstärkten Ausgangssignals (42) des Lichtempfängers (32) mit einem über ein verstellbares Bedienelement (44) variabel einstellbaren Referenzsignal (46) einen Komparator (48) umfasst, über dessen Ausgangssignal das Objektfeststellungssignal (36) erzeugt wird, und wobei sich eine Ausgangsgröße, die dem maximalen Abstand zwischen dem Lichtempfänger (32) und dem Objekt entspricht, bei dem noch ein Objektfeststellungssignal erzeugt wird, mit der Einstellung des verstellbaren Bedienelements (44) entsprechend einer Einstellkennlinie ändert, die den Verlauf der Ausgangsgröße, d. h. des...Optoelectronic sensor (30) having at least one light transmitter (60) for emitting light signals in a surveillance area, at least one light receiver (32) for receiving signals emitted by the light emitter and a control and / or evaluation device (34) for controlling the light emitter and Generating an object detection signal (36) in the case of the presence of an object in the surveillance area in response to the output signal (38) of the light receiver (32), the control and / or evaluation device (34) amplifying the output signal of the light receiver (32) an amplifier ( 40) and for comparing the amplified output signal (42) of the light receiver (32) with a variable adjustable reference element (46) reference signal (46) comprises a comparator (48), the output of which the object detection signal (36) is generated, and wherein an output corresponding to the maximum distance between the Light receiver (32) and the object at which an object detection signal is still generated, with the setting of the adjustable control element (44) changes according to a Einstellkennlinie that the course of the output variable, d. H. of...
Description
Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor mit wenigstens einem Lichtsender zur Aussendung von Lichtsignalen in einen Überwachungsbereich, wenigstens einem Lichtempfänger zum Empfang von vom Lichtsender ausgesandten Signalen und einer Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung zur Ansteuerung des Lichtsenders und zur Erzeugung eines Objektfeststellungssignals im Falle des Vorhandenseins eines Objektes im Überwachungsbereich in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Lichtempfängers, wobei die Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung zur Verstärkung des Ausgangssignals des Lichtempfängers einen Verstärker und zum Vergleich des verstärkten Ausgangssignals des Lichtempfängers mit einem über ein verstellbares Bedienelement variabel einstellbaren Referenzsignal einen Komparator umfasst, über dessen Ausgangssignal das Objektfeststellungssignal erzeugt wird, und wobei sich eine Ausgangsgröße, die dem maximalen Abstand zwischen dem Lichtempfänger und dem Objekt entspricht, bei dem noch ein Objektfeststellungssignal erzeugt wird, mit der Einstellung des verstellbaren Bedienelements entsprechend einer Einstellkennlinie ändert, die den Verlauf der Ausgangsgröße, d. h. des maximalen Abstandes in Abhängigkeit von der Einstellung des verstellbaren Bedienelementes wiedergibt.The The invention relates to an optoelectronic sensor with at least a light emitter for emitting light signals in a surveillance area, at least one light receiver for Reception of signals emitted by the light emitter and a control and / or evaluation device for controlling the light emitter and for generating an object detection signal in case of presence an object in the surveillance area dependent on from the output signal of the light receiver, wherein the control and / or evaluation device for amplifying the Output signal of the light receiver an amplifier and to compare the amplified Output signal of the light receiver with one over an adjustable control variable adjustable reference signal a Comparator includes, over whose output signal the object detection signal is generated, and wherein an output, the corresponds to the maximum distance between the light receiver and the object, in which an object detection signal is still generated with the Adjustment of the adjustable control element according to a Setting characteristic changes, the course of the output, d. H. the maximum distance depending on reflects the setting of the adjustable control element.
Bei einem solchen optoelektronischen Sensor kann es sich beispielsweise um eine Sender-Empfänger-Lichtschranke, eine Reflexions-Lichtschranke, einen Energetischen Lichttaster, einen Triangulations-Lichttaster oder dergleichen handeln.at Such an optoelectronic sensor may be, for example to a transmitter-receiver photoelectric sensor, a retro-reflective sensor, an energetic light sensor, a triangulation light scanner or the like act.
Die Vorgabe des Schaltpunkts eines derartigen optoelektronischen Sensors erfolgt üblicherweise über einen Einlernvorgang (Teach-In), über eine Datenschnittstelle (IO-Link) oder über ein z. B. rotatorisches Bedienelement wie insbesondere ein Potentiometer. Im letzteren Fall muss die die Abhängigkeit einer bestimmten Ausgangsgröße von der Stellgröße wiedergebende Einstellkennlinie bestimmten Qualitätskriterien und insbesondere einem linearen Zusammenhang zwischen Ausgangs- und Stellgröße genügen. Zu diesen Qualitätskriterien zählen insbesondere:
- – Die Steigung der Einstellkennlinie, d. h. die Änderung der Ausgangsgröße je Änderung der Stellgröße sollte stetig und über den ganzen Stellbereich näherungsweise konstant bleiben.
- – Es sollte kein Bereich im Stellbereich existieren, in dem eine jeweilige Änderung der Stellgröße keine Änderung der Ausgangsgröße mit sich bringt.
- – Anwendungen, bei denen nur ein Teilbereich hoch aufgelöst werden soll.
- - The slope of the adjustment characteristic, ie the change in the output variable per change in the manipulated variable should remain constant and approximately constant over the entire control range.
- - There should be no area in the setting range in which a respective change in the manipulated variable does not bring about a change in the output variable.
- - Applications where only a subarea should be resolved high.
Dabei
zeigt
Dagegen
zeigt
Auch
bei der in der
Der Zusammenhang zwischen der physikalischen Messgröße wie insbesondere der Lichtmenge oder der Lichtfleckposition auf dem Sensorelement und der gewünschten Ausgangsgröße wie beispielsweise der Tastweite ist abhängig vom gewählten Sensor-Typ, dem damit einhergehenden physikalischen Messprinzip und der zugrunde liegenden Messaufgabe.Of the Relationship between the physical measurand, in particular the amount of light or the light spot position on the sensor element and the desired Output variable such as the scanning distance is dependent of the selected sensor type, the associated physical measuring principle and the underlying lying measuring task.
Bei einem so genannten Energetischen Lichttaster ist der Fotodiodenstrom IPD näherungsweise proportional zu 1/D2, wobei D wieder dem Abstand zwischen Objekt oder Tastgut und Sensor entspricht. Um einen möglichst großen Arbeitsbereich des Sensors zu erhalten, ist es erforderlich, sowohl sehr kleine Fotodiodenströme für einen großen Abstand D als auch sehr große Fotodiodenströme für einen kleinen Abstand D detektieren zu können. In der Praxis sind eine Dynamik > 1:1000 und für die relative Einstellauflösung ein Wert < 10% gefordert.In a so-called energetic light scanner, the photodiode current I PD is approximately proportional to 1 / D 2 , where D again corresponds to the distance between object or target and sensor. In order to obtain the largest possible working range of the sensor, it is necessary to be able to detect both very small photodiode currents for a large distance D and very large photodiode currents for a small distance D. In practice, a dynamic range of> 1: 1000 and a value of <10% are required for the relative setting resolution.
Bei einer Reflexions-Lichtschranke zur Detektion transparenter Materialien ist der Fotodiodenstrom proportional zur optischen Transmission des Materials und zur relativen Abdeckung des Reflektors, wenn der Reflektor vom Sender überstrahlt wird und das Objekt oder Tastgut den Reflektor nicht komplett abdeckt.at a reflection light barrier for the detection of transparent materials the photodiode current is proportional to the optical transmission of the material and relative coverage of the reflector when the Reflector overshadowed by the transmitter is and the object or Tastgut the reflector is not completely covered.
Daraus ergibt sich, dass für die genannten Sensor-Typen und gegebenenfalls sogar speziell für bestimmte Anwendungen unterschiedliche Ein stellkennlinien realisiert werden müssen. Bisher war eine relativ hohe Anzahl unterschiedlicher Elektronik-Varianten erforderlich, um die genannten unterschiedlichen Sensor-Typen fertigen zu können, was mit entsprechend hohen Kosten verbunden ist.from that it turns out that for the mentioned sensor types and possibly even specifically for certain Applications different Einstellkennlinien be realized have to. So far, there has been a relatively large number of different electronic variants required to manufacture the mentioned different sensor types to be able to which is associated with correspondingly high costs.
Eine weitere Anforderung an einen optoelektronischen Sensor ist ein möglichst genauer Abgleich der Leistungsdaten des Sensors. Auf der einen Seite müssen die dem Kunden zugesicherten Leistungsdaten wie insbesondere die maximale Reichweite oder Schaltfrequenz durch den Sensor erfüllt werden. Auf der anderen Seite sollte die Streuung dieser Daten möglichst klein sein, damit sich baugleiche Sensoren in einer jeweiligen Anwendung identisch verhalten und stets eine gleiche Qualität der Sensoren gewährleistet ist. Dazu erfolgt in der Praxis ein Abgleich bestimmter Parameter wie beispielsweise des Sendestroms oder der Verstärkung in der Fertigung.A Another requirement for an optoelectronic sensor is one possible precise adjustment of the performance data of the sensor. On the one hand, the the customer assured performance data such as the maximum Range or switching frequency can be met by the sensor. On the other hand, the scatter of this data should be as possible be small, so that identical sensors in a particular application behave identically and always the same quality of the sensors guaranteed is. This is done in practice, a comparison of certain parameters such as the transmission current or the gain in the production.
Dabei
erzeugt ein Pulsgenerator
Die Sende- und Empfangsoptik ist hier der Einfachheit halber weggelassen.The Transmitting and receiving optics is omitted here for the sake of simplicity.
Ein
Lichtempfänger
Mittels
eines Hochpasses
Üblicherweise
wird entweder das Potentiometer
Dabei
ist die Einstellkennlinie des Potentiometers
Die
Einstellkennlinie des Potentiometers
Die
Realisierung der analogen Hysterese ist in dieser
Abhängig vom
digitalen Ausgangssignal Q muss die Referenzschwelle am negativen
Eingang des Komparators
Durch
Einfügen
weiterer Trenn-Potentiometer beispielsweise in Serie mit dem Potentiometer
Optoelektronische
Sensoren der eingangs genannten Art sind beispielsweise aus den
folgenden Veröffentlichungen
bekannt: ”Optoelektronische
Sensoren”,
Günter
Fetzer und Heinrich Hippenmeyer, 1988, Verlag Modernde Industrie,
ISBN 3-478-93023-5;
Eine
weitere Möglichkeit
zur Modifikation der Einstellkennlinie ist der Einsatz von analogen
Funktionsnetzwerken, wie sie beispielsweise aus ”Halbleiterschaltungstechnik”, U. Tietze
und Ch. Schenk, 12. Auflage, Springer, ISBN 3-540-24849-6, Seiten
765 bis 780, bekannt sind. Hier wird die gewünschte Funktion (Logarithmus,
Exponentialfunktion, Wurzel) durch eine elektronische Schaltung
dargestellt, indem z. B. die Strom/Spannungskennlinie eines Transistors
oder einer Diode geeignet ausgenutzt wird. Bei einem optoelektronischen
Sensor der in
Es
sind bereits berührungslose
Sensoren wie unter anderem optische Sensoren bekannt, die mit Hilfe
von Regelelementen und geeignet abgelegten oder verwendeten Referenzen
ihre Ansprechempfindlichkeit, Kalibrierung usw. durchführen (vgl.
Der genannte Stand der Technik weist unter anderem die folgenden Nachteile auf:
- – Unterschiedliche Kennlinien benötigen unterschiedliche Schaltungselemente, d. h. unterschiedliche Bestückungsvarianten oder Leiterplattenvarianten.
- – Ein Abgleich in der Fertigung über Trim-Potentiometer ist relativ zeit- und kostenaufwendig. Das mechanische Kontaktieren und Verstellen der Trim-Potentiometer über Stellmotoren ist durch mechanische Toleranzen fehleranfällig.
- – Mechanische und elektronische Trim-Potentiometer benötigen im Vergleich zur reinen Auswerte-Elektronik relativ viel Fläche auf der Leiterplatte.
- – Die ideale, lineare Kennlinie kann nicht erreicht werden.
- - Different characteristics require different circuit elements, ie different equipment variants or PCB variants.
- - An adjustment in the production of trim potentiometers is relatively time consuming and costly. The mechanical contacting and adjustment of the trim potentiometers via servomotors is susceptible to error due to mechanical tolerances.
- - Mechanical and electronic trim potentiometers require relatively much space on the printed circuit board compared to pure evaluation electronics.
- - The ideal, linear characteristic can not be achieved.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optoelektronischen Sensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der die zuvor erwähnten Anforderungen erfüllt, ohne dabei die genannten Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Dabei soll insbesondere bei minimalem Bedarf an Leiterplattenfläche und ohne mechanischen Abgleich eine sehr einfache und entsprechend kostengünstige Anpassung der jeweiligen Einstellkennlinie an unterschiedliche Sensor-Typen und unterschiedliche Sensor-Anwendungen möglich sein.Of the Invention is based on the object, an optoelectronic sensor of the type mentioned above, which meets the requirements mentioned above Fulfills, without having to accept the mentioned disadvantages. there especially with minimal need for PCB surface and without mechanical adjustment a very simple and correspondingly cost-effective adjustment the respective adjustment characteristic to different sensor types and different sensor applications may be possible.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung ist also so ausgeführt, dass die jeweilige Einstellung des verstellbaren Bedienelements erfasst und zur Linearisierung der Einstellkennlinie das Referenzsignal und der Verstärkungsfaktor des Verstärkers jeweils entsprechend einem der erfassten Einstellungen zugeordneten Wert eines vorgebbaren Kennfeldes eingestellt werden. Dabei kann es sich bei dem vorgebbaren Kennfeld insbesondere um ein frei parametrisierbares Kennfeld handeln.According to the invention this Problem solved by the characterizing features of claim 1. The Control and / or evaluation is thus designed so that detects the respective setting of the adjustable operating element and for linearization of the adjustment characteristic, the reference signal and the gain factor of the amplifier each assigned according to one of the detected settings Value of a predetermined characteristic map can be set. It can in particular, the parameterizable characteristic field is a freely parameterizable one Act map.
Aufgrund dieser Ausbildung ist zur Linearisierung der betreffenden Einstellkennlinie keinerlei mechanischer Abgleich mehr erforderlich. Für die unterschiedlichen Sensor-Typen bzw. unterschiedlichen Sensor-Anwendungen sind auch keine unterschiedlichen Elektronik-Varianten mehr nötig. Stattdessen kann eine entsprechende Anzahl unterschiedlicher vorgebbarer Kennfelder, insbesondere parametrisierter Kennfelder vorgesehen sein. Im Ergebnis wird somit auch Leiterplattenfläche eingespart. Eine jeweilige Anpassung der Einstellkennlinie an unterschiedliche Sensor-Typen und unterschiedliche Sensor-Anwendungen ist auf äußerst einfache und entsprechend kostengünstige Weise möglich.by virtue of This training is for the linearization of the relevant adjustment characteristic no mechanical adjustment required anymore. For the different ones Sensor types or different sensor applications are also no different electronics variants more necessary. Instead can a corresponding number of different predefinable maps, be provided in particular parameterized maps. In the result will thus also PCB surface saved. A respective adaptation of the adjustment characteristic to different ones Sensor types and different sensor applications is extremely simple and easy correspondingly inexpensive Way possible.
Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers ist bevorzugt in diskreten Stufen einstellbar. Dabei können die diskreten Stufen insbesondere durch Zweierpotenzen definiert sein.Of the gain of the amplifier is preferably adjustable in discrete stages. The can discrete stages in particular be defined by powers of two.
Das Referenzsignal ist vorteilhafterweise mit einer quasi-kontinuierlichen Auflösung einstellbar. Dazu kann beispielsweise eine entsprechend hohe Auflösung bei der Digitalisierung des entsprechend der Einstellung am verstellbaren Bedienelement erzeugten Analogsignals und bei der anschließenden Rückwandlung des über das jeweilige Kennfeld bestimmten Wertes vorgesehen sein. Es ist somit eine hoch aufgelöste Referenzwert- oder Schwellwerteinstellung möglich.The Reference signal is advantageously with a quasi-continuous resolution adjustable. This can, for example, a correspondingly high resolution at digitizing the according to the setting at the adjustable Operating element generated analog signal and in the subsequent reconversion of the over the respective map of certain value be provided. It is thus a high resolution Reference value or Threshold setting possible.
Wie bereits erwähnt, sind bevorzugt über unterschiedliche Kennfelder auch unterschiedliche Einstellkennlinien vorgebbar.As already mentioned, are preferred over different maps also different setting characteristics predetermined.
Gemäß einer praktischen zweckmäßigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors umfasst das verstellbare Bedienelement ein Potentiometer.According to one practical expedient embodiment of the optoelectronic according to the invention Sensor includes the adjustable control a potentiometer.
Dabei kann das verstellbare Bedienelement vorteilhafterweise ein Drehpotentiometer umfassen, dessen zu erfassende Einstellung insbesondere durch den jeweiligen Drehwinkel beispielsweise eines zugeordneten Schleifkontakts bestimmt ist.there the adjustable control advantageously a rotary potentiometer whose attitude to be detected is determined in particular by the respective rotational angle, for example, an associated sliding contact is determined.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des optoelektronischen Sensors ist die Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung zumindest teilweise in Form einer Anwendungsspezifischen Integrierten Schaltung (ASIC) vorgesehen. Dabei kann die Anwendungsspezifische Integrierte Schaltung (ASIC) beispielsweise einen integrierten OTP-ROM-Speicher umfassen, d. h. einen Einmal Programmierbaren Speicher. Bei der Anwendungsspezifischen Integrierten Schaltung (ASIC) kann es sich vorzugsweise um eine so genannte ”Mixed-Signal”-ASIC handeln, d. h. eine Kombination aus analogen und digitalen Komponenten.According to one preferred embodiment of Optoelectronic sensor is the control and / or evaluation at least partially in the form of an application specific integrated circuit (ASIC). The application-specific integrated Circuit (ASIC), for example, an integrated OTP ROM memory full. H. a programmable memory. In the Application Specific Integrated Circuit (ASIC) may be preferably to act as a so-called "mixed signal" ASIC, d. H. a combination of analog and digital components.
Der Verstärker ist bevorzugt als Strom-Spannungs-Wandler ausgeführt. Umfasst der Lichtempfänger eine Fotodiode, so kann also deren Fotodiodenstrom durch den Verstärker in eine Spannung umgewandelt werden.The amplifier is preferably designed as a current-voltage converter. Includes the Lichtemp catch a photodiode, so their photodiode current can be converted by the amplifier into a voltage.
Der Komparator ist vorzugsweise als analoger Komparator vorgesehen, wobei das diesem zugeführte Referenzsignal über einem Digital-Analog-Wandler erzeugt wird.Of the Comparator is preferably provided as an analog comparator, where this supplied Reference signal over a digital-to-analog converter is produced.
Zweckmäßigerweise wird an dem verstellbaren Bedienelement ein von dessen Einstellung abhängiges analoges elektrisches Signal erzeugt, wobei die jeweilige Einstellung über einen Analog-Digital-Wandler, vorzugsweise einem Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler erfasst wird. Dabei bringt die Erfassung über einen Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler unter anderem die Vorteile mit sich, dass ein solcher Wandler relativ kostengünstig ist, einen geringen Stromverbrauch aufweist, extrem linear ist und eine inhärente Filterwirkung besitzt.Conveniently, is on the adjustable control one of its setting dependent generates analog electrical signal, the respective setting via a Analog-to-digital converter, preferably a delta-sigma analog-to-digital converter is detected. It brings the detection via a delta-sigma analog-to-digital converter Among other things, the advantages of having such a transducer relative economical is, has a low power consumption, is extremely linear and an inherent one Filter effect possesses.
Das Kennfeld ist vorteilhafterweise zumindest teilweise dynamisch über eine digitale IC-Schnittstelle, vorzugsweise eine SPI-Schnittstelle (SPI = Serial Peripheral Interface), eine I2C-Schnittstelle (I2C = Inter-Integrated Circuit) oder ein Schieberegister vorgebbar. Das Kennfeld kann jedoch zumindest teilweise auch statisch insbesondere über eine OTP-ROM-parametrisierbare interne digitale Schaltung vorgebbar sein.The map is advantageously at least partially dynamically via a digital IC interface, preferably an SPI interface (SPI = Serial Peripheral Interface), an I 2 C interface (I 2 C = Inter-Integrated Circuit) or a shift register predetermined. However, the map can be at least partially statically specified in particular via an OTP-ROM-parametrisierbare internal digital circuit.
Zweckmäßigerweise umfasst die Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung Filtermittel zur Filterung des vorzugsweise verstärkten Ausgangssignals des Lichtempfängers.Conveniently, the control and / or evaluation device comprises filter means for Filtering of the preferably reinforced Output signal of the light receiver.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors zeichnet sich dadurch aus, dass sowohl das verstärkte und vorzugsweise gefilterte Ausgangssignal des Lichtempfängers als auch das für die jeweilige Einstellung des verstellbaren Bedienelements repräsentative analoge elektrische Signal jeweils über einen Analog-Digital-Wandler digitalisiert wird und durch eine entsprechende Programmierung der Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung die gesamte Einstellkennlinie abgebildet bzw. das betreffende Kennfeld vorgegeben ist.A further advantageous embodiment of the Optoelectronic according to the invention Sensors is characterized by the fact that both the reinforced and preferably filtered output signal of the light receiver as also for the respective setting of the adjustable control representative analog electrical signal each digitized via an analog-to-digital converter and by appropriate programming of the control and / or Evaluation device shows the entire adjustment characteristic the relevant map is given.
Es
kann also beispielsweise die gesamte Signalverarbeitung in einer
ASIC, insbesondere Mixed-Signal-ASIC mit integriertem OTP-ROM-Speicher
erfolgen. Die Strom-Spannungs-Konversion kann dann insbesondere
mit in diskreten Stufen einstellbarer Verstärkung erfolgen. Bei den Verstärkungsfaktoren
kann es sich beispielsweise um Zweierpotenzen handeln. Das Referenzsignal
am Komparator kann über
einen Digital-Analog-Wandler erzeugt werden. Die Potentiometerstellung
kann über einen
internen Analog-Digital-Wandler, insbesondere einen Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler ermittelt werden,
wobei ein Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler unter anderem die Vorteile
mit sich bringt, dass er kostengünstig
ist, einen geringen Stromverbrauch aufweist, extrem linear ist und
eine inhärente
Filterwirkung besitzt. Vorteilhafterweise wird die Funktion des
Verstärkers
oder des insbesondere kontinuierlich verstellbaren Bedienelements bzw.
Potentiometers
Das die jeweilige Einstellung des verstellbaren Bedienelements repräsentierende, über einen Analog-Digital-Wandler digitalisierte Signal kann beispielsweise über eine wahlweise durch eine digitale IC-Schnittstelle wie beispielsweise eine SPI-Schnittstelle, eine I2C-Schnittstelle oder ein Schieberegister dynamisch oder durch ein OTP-ROM statisch parametrisierbare interne digitale Schaltung in einen über einen Digital-Analog-Wandler erzeugten analogen Referenzwert für den Komparator und eine Verstärkungseinstellung umgerechnet werden.The signal representing the respective setting of the adjustable control element, which is digitized via an analogue-to-digital converter, can be generated dynamically or by an OTP via, for example, a digital IC interface such as an SPI interface, an I 2 C interface or a shift register -ROM static parametrisierbare internal digital circuit into a generated via a digital-to-analog converter analog reference value for the comparator and a gain setting are converted.
Es kann beispielsweise über eine wahlweise abschaltbare Funktionstabelle die Funktion f(x) = 1/x2 nachgebildet werden, die beispielsweise dem Umstand Rechnung trägt, dass bei einem Energetischen Lichttaster der Fotodiodenstrom IPD näherungsweise proportional zu 1/D2 (D = Abstand Sensor/Objekt) ist. Es können beispielsweise über eine ALU-Einheit (ALU = Arithmetic Logic Unit) verschiedene Referenzschwellen beispielsweise zur Darstellung der analogen Hysterese zur Rauschunterdrückung und zur Darstellung unterschiedlicher Schwellwerte zur Ermittlung einer Vorausfallmeldung berechnet werden. Die ALU-Einheit kann insbesondere mehrere seriell angeordnete einfache Schaltungsblöcke wie Multiplexer, Shifter, Limiter, Addierer, Subtrahierer usw. umfassen. Durch eine integrierte Rückkopplung können Daten mehrfach addiert, subtrahiert und geshiftet werden, so dass auch komplexere Rechenoperationen möglich sind. Die parametrisierbare Ablaufsteuerung kann ein fest verdrahtetes Programm aus einem Microcode enthalten, das jedoch durch die flexible Parametrisierung Varianten berücksichtigt.By way of example, the function f (x) = 1 / x 2 can be simulated via an optionally switchable function table, which takes into account, for example, the fact that the photodiode current I PD is approximately proportional to 1 / D 2 (D = sensor distance) for an energetic light scanner / Object) is. For example, an ALU unit (ALU = Arithmetic Logic Unit) can be used to calculate different reference thresholds, for example for displaying the analog hysteresis for noise suppression and for displaying different threshold values for determining a pre-failure message. In particular, the ALU unit may comprise a plurality of serially arranged simple circuit blocks such as multiplexers, shifters, limiters, adders, subtracters, etc. Through an integrated feedback, data can be added, subtracted and shifted several times, so that even more complex arithmetic operations are possible. The programmable sequential control can contain a hardwired program from a microcode, which however takes into account variants due to the flexible parameterization.
Es
ist beispielsweise auch denkbar, sowohl das verstärkte und
vorzugsweise gefilterte Messsignal als auch die Einstellgröße über einen
Analog-Digital-Wandler
zu digitalisieren und die komplette Einstellkennlinie in Software
abzubilden. Wäre
die Verstärkung
des einen Strom-Spannungs- Wandler
bildenden Verstärkers
Die zuletzt genannte Variante eignet sich für eine Implementierung in einem System mit wenigstens einem Mikrocontroller (μC). Für eine Implementierung in einem kostenoptimalen ASIC ist diese Variante dagegen weniger geeignet, da sowohl ein schneller, hoch auflösender Analog-Digital-Wandler als auch ein integrierter Mikrocontroller mit einem Daten-RAM und einem Programm-ROM deutlich mehr Fläche benötigen würde als die bevorzugten anderen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors.The The latter variant is suitable for an implementation in one System with at least one microcontroller (μC). For an implementation in one cost-optimized ASIC, this variant is less suitable, as both a faster, higher-resolution analog-to-digital converter than also an integrated microcontroller with a data RAM and a program ROM significantly more area need would as the preferred other embodiments of the optoelectronic according to the invention Sensor.
Besonders kostengünstig ist eine solche Ausführungsform des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors, bei der die digitale Logik und der Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler in einer ASIC, insbesondere einer CMOS-ASIC realisiert sind.Especially economical is such an embodiment of the optoelectronic according to the invention Sensors in which the digital logic and the sigma-delta analog-to-digital converter implemented in an ASIC, in particular a CMOS ASIC.
Ein weiterer entscheidender Vorteil des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors ist dessen Flexibilität. So sind durch die betreffende Struktur alle bisher bestehenden analog realisierten Einstellkennlinien durch digitale Parametrisierung darstellbar. Der Abgleich wie beispielsweise bezüglich Schwelle und Verstärkung bei Linksanschlag/Rechtsanschlag des Potentiometers kann ebenfalls vollständig durch digitale Parametrisierung realisiert werden. Damit ist es auch möglich, über eine digitale Schnittstelle, z. B. IO-Link, die Einstellkennlinie ”online” abzugleichen bzw. zu verändern. Zudem ist es möglich, über ein weiteres Bedienelement die Auswahl der Einstellkennlinie durch den Benutzer durchführen zu lassen. Damit sind Universal-Sensoren darstellbar, deren Ausprägung wie insbesondere Sender-Empfänger-Lichtschranke, Reflexions-Lichtschranke, Energetischer Lichttaster, erst vom Kunden ausgewählt wird.One Another decisive advantage of the optoelectronic invention Sensors is its flexibility. Thus, by the structure in question all previously existing analog realized setting characteristics through digital parameterization represented. Adjustment such as threshold and gain at Left stop / right stop of the potentiometer can also completely through digital parameterization can be realized. It is also possible to do this over a digital interface, e.g. B. IO-Link, to adjust the adjustment characteristic "online" or change. In addition it is possible over one further control element the selection of the adjustment characteristic by the Perform user allow. Thus, universal sensors can be represented, their expression as in particular transceiver-light barrier, Reflection light barrier, Energetic light sensor, only from the customer selected becomes.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors ist durch den minimierten Platzbedarf gegeben. So erfordert die gesamte Funktionalität keinen weiteren Mikrocontroller (μC) oder Bauteile wie Widerstände oder Kondensatoren zur Parametrisierung, wodurch deutlich stärker miniaturisierte Leiterplatten möglich sind.One Another advantage of the optoelectronic sensor according to the invention is given by the minimized space requirement. So that requires entire functionality no further microcontroller (μC) or Components such as resistors or capacitors for parameterization, which significantly more miniaturized PCBs possible are.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung; in dieser zeigen:Further Features and advantages of the invention will become apparent from the drawing; in this show:
Der
optoelektronische Sensor
Die
Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung
Dabei ändert sich
eine Ausgangsgröße wie beispielsweise
der maximale Abstand zwischen dem Lichtempfänger
Die
Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung
Wie
anhand der
Der
Ausgang des Operationsverstärkers
Der
Verstärkungsfaktor
des Verstärkers
Das
Referenzsignal
Wie
bereits erwähnt,
kann die Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung
Beim
vorliegenden Ausführungsbeispiel
umfasst das verstellbare Bedienelement
Die
Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung
Als
Komparator
An
dem verstellbaren Bedienelement
Die
Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung
Über eine wahlweise abschaltbare Funktionstabelle kann beispielsweise die Funktion f(x) = 1/x2 nachgebildet werden. Über eine ALU-Einheit können verschiedene Referenzschwellen beispielsweise zur Darstellung der analogen Hysterese zur Rauschunterdrückung und zur Darstellung unterschiedlicher Schwellwerte zur Ermittlung einer Vorausfallmeldung berechnet werden. Die ALU kann aus mehreren seriell angeordneten einfachen Schaltungsblöcken wie beispielsweise Multiplexer, Shifter, Limiter, Addierer/Subtrahierer und/oder dergleichen, aufgebaut sein. Durch eine integrierte Rückkopplung können Daten mehrfach addiert, subtrahiert und geshiftet werden, so dass auch komplexere Rechenoperationen möglich sind. Eine parametrisierbare Ablaufsteuerung kann ein fest verdrahtetes Programm in Form eines Microcodes umfassen, das durch die flexible Parametrisierung jedoch auch Varianten berücksichtigen kann.For example, the function f (x) = 1 / x 2 can be simulated by means of an optionally switchable function table. Different reference thresholds can be calculated via an ALU unit, for example, to display the analog hysteresis for noise suppression and to display different threshold values for determining a pre-event message. The ALU may be constructed of a plurality of serially arranged simple circuit blocks such as multiplexers, shifters, limiters, adders / subtractors and / or the like. Through an integrated feedback, data can be added, subtracted and shifted several times, so that even more complex arithmetic operations are possible. A programmable sequential control can include a hard-wired program in the form of a microcode, which, however, can also take into account variants due to the flexible parameterization.
Die
Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung
Auch
dieser optoelektronische Sensor
Das
verstellbare Bedienelement
Im
vorliegenden Fall wird also sowohl das verstärkte und vorzugsweise gefilterte
Ausgangssignal
Dabei
kann die Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung
Es können also sowohl das verstärkte und vorzugsweise gefilterte Messsignal als auch die Einstellgröße über einen Analog-Digital-Wandler digitalisiert und die komplette Einstellkennlinie in Software abgebildet werden. Wäre die Verstärkung des als Strom/Spannungs-Wandler vorgesehenen Verstärkers konstant, so müsste der Analog-Digital-Wandler zur Einhaltung der geforderten Einstelldynamik und -auflösung des Systems eine Auflösung ≥ 14 Bit aufweisen. Mit der Verwendung eines Verstärkers mit verstellbarer Verstärkung wird hier ein Ausweg angegeben.It can So both the reinforced and preferably filtered measurement signal as well as the set size via a Digitized analog-to-digital converter and the complete adjustment characteristic be mapped in software. Would the reinforcement of the intended as a current / voltage converter amplifier constant, so would have to the analog-to-digital converter to comply with the required adjustment dynamics and resolution of the system have a resolution ≥ 14 bits. With the use of an amplifier with adjustable reinforcement Here is a way out.
Die vorliegende Ausführungsform eignet sich für eine Implementierung in einem System mit Mikrocontroller (μC).The present embodiment is suitable for an implementation in a system with microcontroller (μC).
Im Übrigen kann
diese Ausführungsform
zumindest im Wesentlichen gleich ausgeführt sein wie die gemäß
- 1010
- optoelektronischer Sensoroptoelectronic sensor
- 1212
- Pulsgeneratorpulse generator
- 1414
- Sendestufetransmitting stage
- 1616
- Lichtsenderlight source
- 1818
- Lichtempfängerlight receiver
- 2020
- Operationsverstärkeroperational amplifiers
- 2222
- Potentiometerpotentiometer
- 2424
- Hochpasshighpass
- 2626
- Komparatorcomparator
- 2828
- Potentiometerpotentiometer
- 2929
- Flip-FlopFlip-flop
- 3030
- optoelektronischer Sensoroptoelectronic sensor
- 3232
- Lichtempfängerlight receiver
- 3434
- Steuer- und/oder AuswerteinrichtungTax- and / or evaluation device
- 3636
- ObjektfeststellungssignalObject detection signal
- 3838
- Ausgangssignal des Lichtempfängersoutput of the light receiver
- 4040
- Verstärkeramplifier
- 4242
- verstärktes Ausgangssignalamplified output signal
- 4444
- verstellbares Bedienelement, Potentiometeradjustable Operating element, potentiometer
- 4646
- Referenzsignalreference signal
- 4848
- Komparatorcomparator
- 5050
- Operationsverstärkeroperational amplifiers
- 5252
- Widerstandresistance
- 5454
- Digital-Analog-WandlerDigital to analog converter
- 5656
- analoges elektrisches Signalanalog electrical signal
- 5858
- Analog-Digital-WandlerAnalog to digital converter
- 6060
- Lichtsenderlight source
- 6262
- Microcontrollermicrocontrollers
- 6464
- HochpassfilterHigh Pass Filter
- 6666
- Pulsgeneratorpulse generator
- 6868
- Sendestufetransmitting stage
- 7070
- Analog-Digtial-WandlerDigtial analog converter
- DD
- TastweiteOperating distance
- IPD I PD
- FotodiodenstromPhotodiode current
- digitales Ausgangssignaldigital output
- VDDVDD
- Spannungtension
- ΦΦ
- EinstellwinkelSetting angle
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