DE102012200153B4 - Optical proximity switch with a correlation receiver - Google Patents
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Abstract
Optischer Näherungsschalter, vorzugsweise energetischer Lichttaster, mit einem Sender (10), zur Aussendung eines mit einem Pseudo-Zufallszahlen-Code, vorzugsweise mit einem 32-Bit -Code modulierten Lichtsignals in einen Überwachungsbereich (20), einem Korrelationsempfänger (30) zum Empfang des moduliertes Lichtsignals und einer Auswerteeinheit (40) zur Erzeugung eines binären Schaltsignals, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrelationsempfänger (30) ein PMD-Pixel aufweist, dessen Ausgänge mit der Auswerteeinheit (40) verbunden sind, die das über die Länge des Pseudo-Zufallszahlen-Codes summierte Differenzsignal der Ausgänge mit einer Schaltschwelle vergleichen kann, wobei die Bitlänge innerhalb des Pseudo-Zufallszahlen-Codes mindestens das 10-fache der regulären Lichtlaufzeit vom Sender (10) zum Empfänger (30) beträgt. Optical proximity switch, preferably energetic light sensor, with a transmitter (10) for emitting a light signal modulated with a pseudo-random number code, preferably with a 32-bit code, into a monitoring area (20), a correlation receiver (30) for receiving the modulated light signal and an evaluation unit (40) for generating a binary switching signal, characterized in that the correlation receiver (30) has a PMD pixel whose outputs are connected to the evaluation unit (40) which over the length of the pseudo-random number Codes can compare summed difference signal of the outputs with a switching threshold, the bit length within the pseudo-random number code is at least 10 times the regular light propagation time from the transmitter (10) to the receiver (30).
Description
Die Erfindung betrifft einen optischen Näherungsschalter, insbesondere einen energetischen Lichttaster mit einem Korrelationsempfänger nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiterhin wird ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen optischen Näherungsschalters beansprucht.The invention relates to an optical proximity switch, in particular an energetic light scanner with a correlation receiver according to the preamble of patent claim 1. A method for operating the optical proximity switch according to the invention is also claimed.
Optische Näherungsschalter sind in der Automatisierungstechnik weit verbreitet. Sie werden u. a. auch von der Anmelderin hergestellt und vertrieben. Ein besonderes Problem ist deren Störfestigkeit. Neben den übrigen elektromagnetischen Störungen geht es um Fremdlicht, aber auch um die gegenseitige Beeinflussung der Sensoren, insbesondere in Lichtgittern.Optical proximity switches are widely used in automation technology. You will e.g. also manufactured and sold by the applicant. A particular problem is their immunity to interference. In addition to the other electromagnetic interference, there is extraneous light, but also the mutual influence of the sensors, especially in light grids.
Eine Verbesserung der Störfestigkeit kann mit Korrelationsempfängern erreicht werden. Die
Die
Ferner offenbart die
Aus der
Die
Aus der
Aus diesen Gründen sollen die oben beschriebenen optischen Korrelationsempfänger weiter verbessert werden. Zusätzliche Abschirmungen sind aufwändig und nicht immer erfolgreich. Die Verlängerung der Integrationszeit ist zwar ein wirksames Mittel, verlängert aber auch die Reaktionszeit der Sensoren. Deshalb wird nach einer anderen effizienten Möglichkeit zur Verbesserung der Störfestigkeit gesucht.For these reasons, the optical correlation receivers described above should be further improved. Additional shielding is expensive and not always successful. While increasing the integration time is an effective tool, it also increases the response time of the sensors. Therefore, another efficient way to improve the noise immunity is sought.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Störfestigkeit bei optischen Näherungsschaltern zu verbessern. Dabei soll insbesondere auch die gegenseitige Beeinflussung bei benachbart angeordneten Sensoren mit überlappenden Empfangsbereichen vermindert werden, ohne deren Reaktionszeit zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die weiteren Ansprüche betreffen die vorteilhafte Ausgestaltung, sowie ein erfindungsgemäßes Auswerteverfahren.The object of the invention is to improve the immunity to interference in optical proximity switches. In particular, the mutual influencing of adjacently arranged sensors with overlapping reception areas should also be reduced without increasing their reaction time.
This problem is solved according to the features of patent claim 1 . The further claims relate to the advantageous embodiment and an evaluation method according to the invention.
Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, die Korrelation mit der Sendeimpulsfolge zum frühestmöglichen Zeitpunkt, d. h. bereits im optischen Empfänger durchzuführen. So kann die Bandbreite der nachfolgenden elektronischen Schaltung herabgesetzt werden. Auf diese Weise werden eingestreute hochfrequente Störsignale wirksam unterdrückt. Dazu ist allerdings ein Bauelement erforderlich, das die Mischung mit dem Sendesignal in seiner Empfangsfläche ermöglicht.The essential idea of the invention is the correlation with the transmission pulse sequence at the earliest possible point in time, i. H. to be carried out in the optical receiver. In this way, the bandwidth of the subsequent electronic circuit can be reduced. In this way, stray high-frequency interference signals are effectively suppressed. However, this requires a component that allows mixing with the transmission signal in its receiving area.
Ein geeignetes Bauelement ist aus der
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Die
Der Lichtsender 10 und das erste Modulationsphotogate K+ werden mit dem Code Q moduliert. Das zweite Modulationsphotogate K- wird mit dem ebenfalls vom Generator 11 erzeugten invertierten Code Q' moduliert. Das zweite Modulationsphotogate K- wird also nur in den Sendepausen aktiviert, d. h. die Korrelation erfolgt auf der photoempfindlichen Fläche. Hier sei angemerkt, dass der Generator 11 prinzipiell als Software im Mikrocontroller 40 nachgebildet werden kann.The
Die Photoströme werden in den Akkumulationsgates des PMD-Pixels 30 summiert, bzw. integriert und als Spannungswerte ua und ub ausgegeben. Anschließend werden sie dem ohne äußere Beschaltung dargestellten Differenzverstärker 31 zugeführt. Die am Ausgang des Differenzverstärkers 31 entstehende Spannungsdifferenz wird im Trigger 32 mit einer Schaltschwelle verglichen. Diese Operationen können auch im Mikrocontroller 40 erfolgen, falls Analog-Digital-Wandler vorhanden sind und die Verarbeitungsgeschwindigkeit ausreicht. Die Bewertung, d. h. der Vergleich mit der Schaltschwelle erfolgt natürlich erst nach Ablauf der Sendeimpulsfolge. Anschließend wird das PMD-Pixel durch einen Reset-Befehl zurückgesetzt und der Generator erneut gestartet. Natürlich kann die Bewertung erst nach Ablauf mehrerer Sendeimpulsfolgen vorgenommen werden.The photocurrents are summed up in the accumulation gates of the
Ohne Reflexsignal aus dem Überwachungsbereich 20 werden beide Modulationsphotogates gleichermaßen mit Fremdlicht oder Störlicht beaufschlagt, so dass ihr Differenzsignal Null ergibt. Ein Nutzsignal wird lediglich in dem mit dem Sendesignal Q synchronisierten ersten Modulationsphotogate wirksam.Without a reflex signal from the
Für die Lichtlaufzeitmessung sind weder die oben beschriebene Sendeimpulsfolge noch die Art der Auswertung geeignet. Die Integration des Empfangssignals und die einmalige Messung am Ende der Sendeimpulsfolge erlaubt keine Aussage über die Phasenverschiebung und damit über die Lichtlaufzeit. Hierzu sind ein symmetrisches Sendesignal und mindestens 2, im Allgemeinen sogar 4 Messungen in unterschiedlichen Phasenlagen (0°, 90°,180°, 270°) erforderlich. Die Lichtlaufzeit ist nur dann von Bedeutung, wenn die Taktfrequenz zu hoch gewählt wird. Deshalb wird der Takt, d.h. die Bitlänge des Sendesignals erfindungsgemäß an den zu erwartenden Überwachungsbereich 20 angepasst. Für einen Reflektor in 30 cm Abstand beträgt die Lichtlaufzeit ca. 2 Nanosekunden. Bei einer Taktfrequenz von 0,5 MHz beträgt die Bitlänge 1 Mikrosekunde. Die Lichtlaufzeit ist vernachlässigbar, weil die Phase des Empfangssignals gegenüber dem Sendesignal nur um 1 Promille verschoben wird. Weit entfernte Reflektoren werden allerdings abgeschwächt, bzw. können durch Anpassung der Taktfrequenz ausgeblendet werden. Bei einem maximalen Überwachungsabstand von 30 cm beträgt die Lichtlaufzeit (time of flight) für den regulären Lichtimpuls 2 Nanosekunden. Für ein Hintergrundobjekt in 180 cm Abstand beträgt die Laufzeit 12 Nanosekunden. Wählt man die Bitlänge 24 Nanosekunden, was eine Taktfrequenz f = 1/ (ton+toff) von ca. 21 MHz ergibt, heben sich die Photoströme der beiden Modulationsphotogates gegenseitig auf. Das Objekt wird ausgeblendet, das Nutzsignal aber nur um etwa 16 Prozent abgeschwächt. Statistisch auf beide Modulationsphotogates verteilte Störsignale heben sich durch die Synchrongleichrichtung mit anschließender Differenzbildung vollständig auf. So kann durch Erzeugung einer Zufallsfolge und Korrelation des Empfangssignals mit den Sendesignal die Störsicherheit nahezu beliebig verbessert werden kann. Hierzu ist lediglich die Verlängerung der Zufallsfolge und damit allerdings auch die Verlängerung der Integrationszeit erforderlich, sofern der Sendetakt beibehalten werden soll.Neither the transmission pulse sequence described above nor the type of evaluation are suitable for the time-of-flight measurement. The integration of the received signal and the one-off measurement at the end of the transmitted pulse sequence do not allow any statement to be made about the phase shift and thus about the light propagation time. This requires a symmetrical transmission signal and at least 2, generally even 4 measurements in different phase positions (0°, 90°, 180°, 270°). The light propagation time is only important if the clock frequency is too high. The clock, i.e. the bit length of the transmission signal, is therefore adapted to the
Wie durch den Tiefpass angedeutet, kann die Bandbreite der elektronischen Schaltung auf das zur Verarbeitung der mechanischen Bewegung im Überwachungsbereich 20 notwendige Maß begrenzt werden.As indicated by the low-pass filter, the bandwidth of the electronic circuit can be limited to that used to process the mechanical movement in
Der Mikrocontroller 40 steuert den Generator 11 und dient zur weiteren Signalverarbeitung.The
Mit den beiden gezeigten Schaltausgängen bzw. Ports 41 und 42 kann der Schaltzustand angezeigt oder auch an eine übergeordnete Steuereinheit gemeldet werden. Weiterhin können Einlernvorgänge, Parametrierungen oder sonstige Steuerfunktionen ausgelöst werden. Die Verbindung mit dem Generator 11 erlaubt die Auswahl des für die aktuelle Messaufgabe an besten geeigneten Pseudo-Zufallszahlen-Code Q bzw. der Taktfrequenz.With the two switching outputs or
Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischer Näherungsschalter, vorzugsweise einen energetischen Lichttaster, sie ist aber auch für Einweg- oder Reflexlichtschranken geeignet. Er enthält einem Sender 10, der von einem Generator 11 oder von einer Steuereinheit 40 ein mit einem Pseudo-Zufallszahlen-Code Q, vorzugsweise mit einem 32-Bit -Code moduliertes Lichtsignal erhält und in einen Überwachungsbereich 20 aussendet.The present invention relates to an optical proximity switch, preferably an energetic light sensor, but it is also suitable for one-way or reflex light barriers. It contains a
Ein Korrelationsempfänger 30, erfindungsgemäß ein PMD-Pixel, wird zum Empfang des moduliertes Lichtsignals synchron mit dem Code Q und dem inversen Code Q' gespeist.A
Die Ausgänge des als Korrelator wirkenden PMD-Pixels sind mit einer Auswerteeinheit 40 verbunden. Hier wird das Differenzsignal der beiden Ausgänge über mindestens eine Länge des Pseudo-Zufallszahlencodes summiert und mit einer Schaltschwelle verglichen und im Ergebnis ein binäres Schaltsignal erzeugt.The outputs of the PMD pixel acting as a correlator are connected to an
Im Gegensatz zur Lichtlaufzeitmessung wird lediglich die Amplitude des Differenzsignals am Ende der vorzugsweise aus 32 Bit bestehenden Pseudo-Zufallsfolge bewertet.In contrast to the time-of-flight measurement, only the amplitude of the differential signal at the end of the pseudo-random sequence, which preferably consists of 32 bits, is evaluated.
Vorteilhaft beträgt die Bitlänge des Pseudo-Zufallscodes mindestens das10-fache der regulären Lichtlaufzeit vom Sender 10 zum Empfänger 30. Unter regulärer Lichtlaufzeit wird der direkte Weg ohne Umspiegelung oder weitere Reflexionen verstanden.Advantageously, the bit length of the pseudo-random code is at least 10 times the regular light propagation time from the
Weiterhin wird ein Verfahren zum Betreiben eines optischen Näherungsschalters beansprucht, wobei ein in einen Überwachungsbereich 20 ausgesendetes Lichtsignal in einem PMD-Pixel mit dem Empfangssignal korreliert und ein binäres Schaltsignal erzeugt wird. In einem ersten Verfahrensschritt wird von einem Sender 10 ein mit einem Pseudo-Zufallszahlencode, vorzugsweise mit einem 32-Bit -Code moduliertes Lichtsignal in einen Überwachungsbereich 20 ausgesendet.Furthermore, a method for operating an optical proximity switch is claimed, with a light signal emitted into a
In einem zweiten Verfahrensschritt wird das Lichtsignal mit einem synchron modulierten PMD-Pixel 30 empfangen und über die Länge des Pseudo-Zufallszahlen-Codes aufsummiert.In a second method step, the light signal is received with a synchronously modulated
In einem dritten Verfahrensschritt wird vorzugsweise in einer Auswerteeinheit 40 ein Differenzsignal gebildet, das Differenzsignal mit einer Schaltschwelle verglichen und daraus ein binäres Schaltsignal erzeugt.In a third method step, a difference signal is preferably formed in an
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- optischer Sender, LED, Laserdiodeoptical transmitter, LED, laser diode
- 1111
- Pseudo-Zufallsgenerator, FunktionsgeneratorPseudo-random generator, function generator
- 2020
- Überwachungsbereich, Reflektor, Objekt, TargetSurveillance area, reflector, object, target
- 3030
- Korrelationsempfänger, PMD-Empfänger, PMD-PixelCorrelation Receiver, PMD Receiver, PMD Pixel
- 3131
- Differenzverstärkerdifferential amplifier
- 3232
- Triggertriggers
- 4040
- Steuereinheit, Auswerteeinheit, Mikrocontroller, µCControl unit, evaluation unit, microcontroller, µC
- 4141
- erster Schaltausgang, Port 1first switching output, port 1
- 4242
- zweiter Schaltausgang, Port 2second switching output, port 2
Claims (2)
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