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Die Erfindung betrifft ein Lichtgitter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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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.
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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.
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Ein solches ”Lichtschrankengitter” wird in der
DE 3803033 A1 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.
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In der
DE 10 2006 005 463 A1 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.
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In der
DE 2002 28 09 U1 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 schaltungstechnische Aufwand deutlich (siehe
3).
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In der
US 20040268096 A1 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.
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In der
EP 1174733 B1 wird Anordnung mit einer CCD-Zeile gezeigt. Diese Anordnung ist wegen der relativ langen Zykluszeit des CCD-Aufnehmers für die schnelle parallele Weiterverarbeitung nicht geeignet.
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Die
DE 10 2005 003 492 B4 zeigt ein Sensorsystem für eine Schutzeinrichtung zur Absicherung eines Gefahrenbereichs, welches neben dem optische Sensor zusätzlich einen kapazitiven Hilfssensor aufweist. Hierbei werden die Kapazitätswerte einer Anzahl von Kondensatorelektroden mit einem zugeordneten Referenzwert verglichen.
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Nachteilig ist die vergleichsweise geringe Reichweite und geometrische Auflösung eines kapazitiven Sensors.
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Die
DE 10 2006 054 124 A1 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.
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Die
DE 3939191 C3 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.
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Die
DE 29924961 U1 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.
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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.
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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.
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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.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Lichtgitter zu schaffen, welches die oben genannten Nachteile nicht aufweist, das insbesondere eine kurze Ansprechzeit, eine hohe geometrischer Auflösung besitzt und das kostengünstig und einfach zu fertigen ist.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, den Analogteil der Empfangskanäle möglichst klein zu gestalten und direkt mit einer universell einsetzbaren Logikbaustein, in dem eine parallele Signalverarbeitung stattfindet, zu verbinden.
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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.
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Alle weiteren Funktionen können von einem Field Programmable Gate Array (FPGA) bzw. einem Complex Programmable Logic Device (CPLD) übernommen werden. Dadurch kann in besonders vorteilhafter Weise für jeden Fotoempfänger ein separater Analog-Digital-Wandler (Sample C-Kanal) zu Verfügung gestellt werden.
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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
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Da FPGAs bzw. CLPDs bis zu mehreren hundert Ein- bzw. Ausgabekanäle besitzen, können auch ebenso viele Empfängerelemente parallel ausgewertet werden. Die Auflösung der Analog-Digital-Wandler kann flexibel gewählt werden. Da die Taktfrequenz von FPGAs bzw. CLPDs 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 ein 5-faches Oversampling.
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Wie man anhand des ersten Ausführungsbeispiels sieht, liegen die Messwerte sofort in der gewünschten Auflösung, nämlich in der einstellbaren Bitbreite des Timers vor, so dass die Weiterverarbeitung extrem schnell erfolgen kann. Die Verarbeitung ist also nicht wie beim Mikrocontroller an eine vorgegebene Bitbreite gebunden.
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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. CLPD erreicht wird.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 Förderband mit Lichtgitter in schematischer Darstellung
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2 erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lichtgitters als Blockdiagramm
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3 zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lichtgitters als Blockdiagramm
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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. 25 mm 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.
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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.
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Obwohl die vorzugsweise aus Fotodioden 8 mit einer lichtempfindlichen Fläche von 0,6 × 0,6mm 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.
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Ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Lichtgitters ist in der 2 dargestellt. Das FPGA 1, beispielsweise ein Derivat aus der Serie ”Spartau-3E” mit 190 I/O-Ports und 500000 System Gates, von der Firma Xilinx, wurde so konfiguriert, dass es im Wesentlichen aus einer Verarbeitungseinheit 2, einem Timer 3, einer Steuerung 4, den Capture Einheiten 5 und den Entladungstransistoren 6 besteht. Die Entladungstransistoren 6 sind Bestandteil der I/O-Ports, wo sie eigentlich Ausgangstransistoren dienen. Die Eingänge der I/O-Ports sind Bestandteil der Capture Einheiten 5 und wirken dort als Komparatoren, die bei Überschreiten einer bestimmten Eingangsspannung eine logische 1 erzeugen.
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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 Capture Einheiten 5, die Steuerung 4 und der Timer 3.
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Die Analog-Digital-Wandlung erfolgt nach dem bekannten Single-Slope-Verfahren. Dazu werden die von den Fotoströmen aufgeladenen Speicherkondensatoren 7 zyklisch über die Entladungstransistoren 6 entladen.
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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 Timer 3 wird gestartet. Nun beginnen die Fotoströme die Speicherkondensatoren erneut 7 aufzuladen.
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Erreicht die Spannung an einem der Kondensatoren 7 und damit auch am Eingang der zugehörigen Capture Einheit 5 die Schwellspannung VH, so wird der vom Timer 3 über einen 10 Bit breiten Bus zur Verfügung gestellte aktuelle Timerwert Tmess in der Capture Einheit 5 gespeichert. Nach Erreichen des Timer-Endwerts T2 erzeugt der Timerüberlauf ein Triggersignal, woraufhin die noch nicht getriggerten Capture Einheiten den Timer-Endwert übernehmen.
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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 Capture Einheiten 5 gelieferten Timerwerte sind reziprok zu den von den Fotodioden gesammelten Lichtmengen, und repräsentieren somit den digitalisierten Messwert (Fotostrom) der jeweiligen Fotodiode 8.
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In der frei programmierbaren Verarbeitungseinheit 2 können die von den einzelnen Empfängereinheiten (Empfangskanäle) gemessenen Werte mit den vorhergehenden Messwerten, aber auch mit eingelernten Vergleichswerten oder langfristigen Mittelwerten verglichen werden.
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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.
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Falls Informationen über die abgestrahlte Sendeleistung in Form von Kontroll- oder Referenzmesswerten vorliegen, kann der Vergleich auch mit solchen Werten erfolgen.
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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.
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Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass die Fotodioden nicht nur als Lichtempfänger, sondern auch als Stromquellen für die Single-Slope-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.
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Bei sehr hohen Anforderungen an die Messgenauigkeit kann die Toleranz und die Temperaturdrift der Komparator-Eingänge der Capture Einheiten 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 Ports des Field Programmable Gate Array (FPGA) nur als Eingänge genutzt. Aus diesem Grund wurden die in der 2 mit 6 bezeichneten und als Entladungstransistoren genutzten Ausgangstransistoren der I/O Ports 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.
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Erreicht die Spannung an den Speicherkondensatoren die Schwellspannung VH, so schalten die Komparatoren, und die Capture Einheiten 5 speichern die aktuellen, zu diesem Zeitpunk vorliegenden Timerwerte, 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 Empfangseinheiten 8 bauteilmäßig sehr klein ausgestaltet. Das erste Ausführungsbeispiel nach 1 stellt mit zwei Bauteilen Fotodiode 8 + Kondensator 9 in Verbindung mit dem Single Slope Verfahren sicher die Minimallösung dar.
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Durch die parallele Verbindung der Empfangseinheiten 8 mit dem programmierbaren Logikbaustein 1 und durch die parallele digitale Signalverarbeitung ist das Lichtgitter extrem reaktionsschnell, was insbesondere bei Sicherheitsanwendungen wichtig ist.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Field Programmable Gate Array (FPGA)
- 2
- Verarbeitungseinheit
- 3
- Timer
- 4
- Steuerung
- 5
- Capture Einheit des FPGA (Komparator)
- 6
- Entladungstransistor (N-MOS oder NPN)
- 7
- Speicherkondensator (Sample-C)
- 8
- Empfängereinheit (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
- Timerendwert
- Tmess
- aktueller Timerwert
- VCC
- Versorgungsspannung
- VH
- Schwellspannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3803033 A1 [0004]
- DE 102006005463 A1 [0005]
- DE 20022809 U1 [0006]
- US 20040268096 A1 [0007]
- EP 1174733 B1 [0008]
- DE 102005003492 B4 [0009]
- DE 102006054124 A1 [0011]
- DE 3939191 C3 [0012]
- DE 29924961 U1 [0013]
