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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Übertragen
von Steuerbefehlen von einem Sendeelement zu einem Messtaster in
einem Tastsystem gemäß dem Anspruch
1.
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Derartige Tastsysteme werden beispielsweise
zur Positionsbestimmung von Werkstücken verwendet, die in materialbearbeitenden
Maschinen, z. B. Fräsmaschinen,
eingespannt sind. Diese Tastsysteme weisen häufig ein stationäres Teil
auf, welches an einem ortfesten Element der materialbearbeitenden
Maschinen befestigt ist und ein relativ dazu bewegliches Teil, welches
häufig
als Messtaster bezeichnet wird, das an einem beweglichen Element der
materialbearbeitenden Maschinen, etwa an einer Frässpindel
angebracht ist. Dabei umfasst der Messtaster ein aus einer Ruheposition
auslenkbares Tastelement, welches bei einer Auslenkung aus seiner Ruheposition
heraus ein Schaltsignal erzeugt. Unter der Ruheposition des Tastelementes
wird eine Position des Tastelementes verstanden, in der es keinen Kontakt
mit einem Werkstück
hat. Bei Kontakt des Tastelementes mit dem Werkstück wird
das Tastelement aus seiner Ruheposition heraus ausgelenkt.
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Bei sogenannten kabellosen Tastsystemen wird
das entsprechende Schaltsignal vom Messtaster als elektromagnetisches
Signal, insbesondere als Infrarotsignal, an das stationäre Teil übertragen.
In diesem werden die Ausgangssignale des Tastsystems ausgewertet,
um das Auftreten von Schaltsignalen (also eine Auslenkung des Tastelementes) festzustellen.
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Üblicherweise
befindet sich der Messtaster außerhalb
der Messbetriebszeiten in einem Stand-By-Zustand. Um den Messtaster
von seinem Stand-By-Zustand
in einen Messbetriebszustand zu versetzen, bedarf es eines Einschalt-
bzw. Aktivierungsvorganges.
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In der
EP 1 130557 A2 wird ein Verfahren zum drahtlosen
Aktivieren eines Messtasters beschrieben. Dabei werden kontinuierlich
Infrarot-Licht-Impulse mit einer vorgegebenen Frequenz von einem
stationären
Sendeelement eines Tastsystems auf einen Messtaster gesendet. Weil
dieses Verfahren nicht unanfällig
gegenüber
Fehlern ist, muss das Signal über
eine bestimmte Zeitdauer vom Messtaster empfangen werden, damit
eine ausreichende Übertragungssicherheit
erreicht werden kann. Sofern aber die Störung im entsprechenden Frequenzbereich
ebenfalls über
diesen Zeitraum anliegt, wird vom Messtaster auch das Störsignal
als Aktivierungssignal interpretiert.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren zum drahtlosen Übertragen eines Steuerbefehls
von einem Sendeelement eines Tastsystems zu einem Messtaster eines
Tastsystems zu schaffen, welches störsicher und einfach durchführbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht
ein Steuerbefehl, der an einen Messtaster gesendet wird, aus mindestens
einer Bitfolge, wobei High-Bits
durch die einhüllende
Kurve mehrerer mit einer Trägerfrequenz
wiederkehrenden elektromagnetischen Signale erzeugt werden. Zur
Erhöhung
der Übertragungssicherheit
wird weiterhin innerhalb einer Bitfolge mindestens einmal ein Low-Bit,
oder mehrere aufeinanderfolgende Low-Bits, zwischen zwei High-Bits
gesendet. Durch das Übertragen
einer Bitfolge bzw. eines Codewortes wird eine signifikante Erhöhung der Übertragungssicherheit
erreicht, zumal die Bits aus mit einer Trägerfrequenz modulierten Signalen
bestehen.
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Durch dieses Verfahren ist nunmehr
eine einfache und sichere Datenübertragung
möglich,
wobei eine Vielzahl von Befehlen mit unterschiedlicher Bedeutung übertragen
werden können.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung
der Erfindung wird eine vergleichsweise niedrige Trägerfrequenz
von weniger als 50 kHz, insbesondere weniger als 10kHz verwendet.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante
wird eine Trägerfrequenz
von weniger als 5 kHz benutzt.
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Mit Vorteil werden die High-Bits
durch die einhüllende
Kurve von mindestens acht mit einer Trägerfrequenz wiederkehrenden
elektromagnetischen Signalen erzeugt. Auf diese Weise ist eine hohe Übertragungssicherheit
gewährleistet.
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Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung
entnimmt man den abhängigen
Ansprüchen.
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Im Folgenden wird als High-Bit ein
Bit bezeichnet, dessen Pegel hoch ist gegenüber dem Pegel eines davon zu
unterscheidenden Low-Bits. Beispielsweise kann das High-Bit einen
normierten Pegel von 100 % bzw. 1 aufweisen, während das Low-Bit einen Pegel
von 0 % oder 0 hat. Alternativ dazu kann aber das Low-Bit auch einen
normierten Pegel aufweisen, der einen Zwischenwert zwischen 100%
und 0% darstellt, und jedenfalls kleiner ist als der Pegel des High-Bits.
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Die High-Bits werden durch die einhüllende Kurve
mehrerer mit einer Trägerfrequenz
wiederkehrenden elektromagnetischen Signale erzeugt. Als einhüllende Kurve
ist diejenige Kurve zu verstehen, durch welche benachbarte Maxima
der elektromagnetischen Signale auf kürzestem Wege ver bunden werden.
Die gleiche Betrachtung kann prinzipiell auch für die Low-Bits angestellt werden. Wenn die Low-Bits
einen Pegel von 0 haben, so ist die einhüllende Kurve eine Line auf
dem Null-Pegel. Sofern die Low-Bits einen Pegel aufweisen, der einen
Zwischenwert zwischen 100% und 0% darstellt, werden auch diese Low-Bits
durch die einhüllende
Kurve mehrerer mit einer Trägerfrequenz
wiederkehrenden elektromagnetischen Signale erzeugt.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
sowie damit ausgestatteten Winkel- bzw. Längenmessgeräten ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der beiliegenden Figuren.
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Es zeigen die
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1 eine
schematische Darstellung eines Tastsystems,
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2 schematisch
ein elektrisches Blockschaltbild des Messtasters,
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3a einen
Verlauf von Steuerbefehlen zum Aktivieren des Messtasters,
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3b einen
Verlauf von Steuerbefehlen zum Deaktivieren des Messtasters,
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4 ein
Fließbild
zur Methode der Mittelwertbildung.
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In der 1 ist
ein Tastsystem dargestellt, das zur Bestimmung der Position und
Kontur eines in einer Werkzeugmaschine, beispielsweise einer Fräsmaschine,
eingespannten Werkstückes
dient. Das Tastsystem besteht aus einem Sendeelement 1 und einem
Messtaster 2. Der Messtaster 2 ist durch einen Konus 2.1 in
eine Spindel der entsprechenden Werkzeugmaschine einsetzbar, während das
Sendeelement 1 stationär
bzw. ortsfest an der Werkzeugmaschine montiert ist. Das Sendeelement 1 weist
in der 1 nicht dargestellte
Leuchtdioden zum Aussenden vom Infrarotlicht auf.
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An seinem dem Konus 2.1 gegenüber liegenden
Ende weist der Messtaster 2 ein Tastelement in Form eines
Taststiftes 2.2 mit einer Antastkugel 2.3 auf,
der in alle Richtungen beweglich im Gehäuse des Messtasters 2 gelagert
ist. Die Ruheposition des Taststiftes 2.2 liegt in der
Regel auf der Symmetrieachse des Messtasters 2, wie in 1 gezeigt. Hinter für Infrarotlicht
durchlässigen
und über
den Umfang des Messtasters 2 verteilten Fenstern 2.4 liegt
jeweils eine Fotodiode 2.5 (2).
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In der 2 ist
ein elektrisches Blockschaltbild des Messtasters 2 dargestellt.
Durch die Fotodioden 2.5 kann einfallendes Infrarotlicht
in Fotoströme bzw.
-spannungen selektiv umgewandelt werden, während beispielsweise Tageslicht
ausgefiltert wird. Auf diese Weise können elektromagnetische Signale, im
Ausführungsbeispiel
in Form von Infrarotlichtimpulsen S, in elektrische Impulse bzw.
elektrische Ströme
umgewandelt werden. Diese elektrischen Ströme werden dann in einem Verstärker 2.6 verstärkt, in
elektrische Spannungssignale umgewandelt und die Spannungssignale
danach einem Bandpassfilter 2.7 zugeführt. Danach gelangen die gefilterten
Spannungssignale zu deren Weiterverarbeitung in eine CPU 2.8 (Central
Processing Unit).
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Der Messtaster 2 wird von
einer Batterie, die im Messtaster 2 eingelegt ist, mit
der erforderlichen Spannung versorgt. Um eine lange Lebensdauer
der Batterie des Messtasters 2 zu gewährleisten, wird der Messtaster 2 außerhalb
der eigentlichen Messvorgänge
in einem stromsparenden Stand-By-Zustand gehalten.
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Vor Beginn einer Messung muss also
der Messtaster 2 aktiviert werden. Dies wird durch eine drahtlose
Verbindung zwischen dem Sendeelement 1 und dem Messtaster 2 vorgenommen.
Durch das wiederholte Absetzen, im vorgestellten Ausführungsbeispiel
bei optimaler Übertragungsqualität, durch dreimaliges
Absetzen, einer Bitfolge B (im gezeigten Beispiel 10010110) wird
ein Steuerbefehl erzeugt, welcher nach korrektem Empfang vom Messtaster 2 das
Aktivieren des Messtasters 2 auslöst. Zu diesem Zweck werden
gemäß der 3a von einer Leuchtdiode
des Sendeelementes 1 elektromagnetische Signale, hier also
in Form von Infrarotlichtimpulsen S, abge setzt. In den 3a und 3b ist jeweils auf der Ordinate die Intensität 1 der
Infrarotlichtimpulse S aufgetragen, während auf der Abszisse die
Zeit t gezeigt ist. Die Infrarotlichtimpulse S werden zur Datenübertragung
mit einer Trägerfrequenz
f moduliert, welche hier 1024 Hz beträgt, so dass die Infrarotlichtimpulse
S eine Periode von 1/f, also 0,9766 ms haben. Der Pegel der modulierten
Infrarotlichtimpulse S soll definitionsgemäß 100 % bzw. eins betragen. Im
gezeigten Beispiel wird ein High-Bit B1 durch die einhüllende Kurve
von acht Infrarotlichtimpulsen S gebildet. Die zeitliche Länge eines
High-Bits B1 beträgt
demnach 8·1/f,
also 7,8125 ms.
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Sobald der Messtaster 2 aktiviert
ist, sendet dieser eine entsprechende Rückmeldung an die Sendeeinheit 1 zurück. Diese
Rückmeldung
hat zur Folge, dass das Absetzten der Bitfolge B beendet wird. Sofern
jedoch keine Rückmeldung
vom Sendeelement empfangen wird, wird bis zu einer vorgegebenen
Grenzzeit die Bitfolge B wiederholt gesendet. Für die Auswertung der durch
die Fotodioden 2.5 erzeugten elektrischen Ströme ist es
vorteilhaft, wenn, wie im Ausführungsbeispiel
gezeigt, keine Pausen zwischen zwei gesendeten Bitfolgen B liegen.
Alternativ dazu können
aber auch Pausen mit definierter Länge zwischen den Bitfolgen
B liegen, so das die Pausenlänge
für die
Auswertung im Messtaster berücksichtigt
werden kann.
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Die mit 1024 Hz vergleichsweise niedrige Trägerfrequenz
f hat den Vorteil, dass im batteriebetriebenen Messtaster 2 ein
Verstärker 2.6 und
vor allem eine CPU 2.8 eingesetzt werden kann, die relativ wenig
Strom benötigen.
Bei der Verwendung einer hohen Trägerfrequenz f müssten Verstärker 2.6 im Messtaster 2 gewählt werden,
welche höhere
Ströme benötigen und
somit die Lebensdauer der Batterie verkürzen würden.
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Zur Bildung eines störungsunanfälligen Steuerbefehls
wird zumindest einmal innerhalb der Bitfolge B zwischen zwei High-Bits
B1 mindestens ein Low-Bit B0 abgesetzt. Das Absetzten eines Low-Bits
B0 wird hier einfach durch kurzzeitiges Ausschalten der Leuchtdioden
des Sendeelementes 1 erreicht, so dass kein Infrarotlichtimpuls
S, oder anders ausgedrückt
ein Infrarotlichtimpuls S mit dem Pegel Null empfangen wird. Alternativ
dazu kann aber zu Bildung eines Low-Bits B0 auch der Pegel der Infrarotlichtimpulse
S lediglich reduziert werden, beispielsweise auf 50 %. In diesem
Fall werden dann die Low-Bits B0 aus der einhüllenden Kurve der Infrarotlichtimpulse
S mit reduziertem Pegel erzeugt. Wie die High-Bits B1 haben auch
die Low-Bits B0 eine zeitliche Länge
von jeweils 7,8125 ms.
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Bei der Festlegung der Bitfolgen
B, B' ist es vorteilhaft,
wenn die gewählte
Bitfolge B, B' Blöcke aus
High-Bits B1 mit unterschiedlicher zeitliche Länge aufweist. Zum Beispiel
hat die Bitfolge B (10010110) gemäß der 3a drei Blöcke aus High-Bits B1, wobei
der erste und der zweite Block eine Bit-Länge,
also 7,8125 ms haben. Dagegen weist der dritte Block eine zeitliche
Länge von 27,8125
ms = 15,625 ms auf. Unter der zeitlichen Länge eines Blocks aus High-Bits
B1 ist also diejenige Zeit zu verstehen, innerhalb welcher der Pegel von
High-Bits B1 ohne Unterbrechung durch ein Low-Bit B0 vorliegt. Benachbarte
High-Bits B1 bilden demnach einen Block, wobei auch ein einzelnes High-Bit
B1 als Block (mit minimaler zeitlicher Länge) verstanden wird. Die Festlegung
der Bitfolgen B, B' mit
Blöcken
aus High-Bits B1 mit unterschiedlicher zeitliche Länge trägt zur Erhöhung der Übertragungssicherheit
bei, weil insbesondere Störungen
aus Interferenzen zweier Lichtquellen auf diese Weise wirksam reduziert
werden können.
Derartige Interferenzen treten beispielsweise bei Beleuchtungen
auf, die aus mehreren Neon-Röhren
bestehen. Die Lichtemissionen mehrerer Neonröhren können eine Überlagerung verursachen, welche, ähnlich einer
Schwebung, schwankende Amplituden aufweist. Dieser Amplitudenverlauf
ist aber in der Regel symmetrisch und ist deshalb leicht von einer
Bitfolge B, B' mit
Blöcken
aus High-Bits B1 mit unterschiedlicher zeitliche Länge unterscheidbar.
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Auf diese Weise wird gemäß der 3a eine entsprechende Bitfolge
B aus vier High-Bits B1 und vier Low-Bits B0 erzeugt. Die Bitfolge
B hat demnach ein zeitliche Länge
T von 62,5 ms.
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Die Infrarotlichtimpulse S werden,
wie bereits erwähnt,
mit Hilfe der Fotodiode 2.5 in gepulste elektrische Ströme umgewandelt.
Nach deren Verstärkung
im Verstärker 2.6,
wird zum Zwecke der Ausblendung von Störungen eine Filterung der entsprechenden
Spannungssignale im Bandpassfilter 2.7 vorgenommen. Auf
diese Weise können
Störsignale,
welche nicht im Be reich der Trägerfrequenz
fliegen weitgehend eliminiert werden. Die gefilterten Spannungssignale
werden sodann der CPU 2.8 zugeführt, wo sie zunächst in
einem Analog-Digital-Wandler 2.81 digitalisier werden.
Die Digitalisierung wird dabei, bezogen auf die Trägerfrequenz
f, mit einer vierfache Oversamplingrate vorgenommen, also im gezeigten
Beispiel mit 4096 Hz.
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Auf diese Weise werden also aus den
analogen Spannungssignale digitale Daten erzeugt, welche im Folgenden
durch Softwareoperationen weiterverarbeitet werden.
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Im nächsten Schritt wird ein digitaler
Filter 2.82 angewendet, so dass weitere noch vorliegende Störinformationen
signifikant reduziert werden. Die derartig gefilterten Daten werden
dann Bemittelt. Im gezeigten Beispiel wird zur Bildung von Mittelwerten MWmn keine arithmetische Mittelung vorgenommen, sondern
ein spezielles Mittelungsverfahren, welches anhand der 4 erläutert wird: In dem Mittelungsverfahren
werden durch das auf die Trägerfrequenz
f bezogene vierfache Oversampling, pro Bitfolge B, B' (welche aus acht
Bits mit je acht Signalen aus den Infrarotlichtimpulsen S bestehen)
4·8·8, also
256 Werte in ein Schieberegister 2.831 eingelesen. Bevor
jedoch diese Werte vom Schieberegister 2.831 aufgenommen
werden, werden sie mit der Zahl 0,25 multipliziert. Danach werden
die mit 0,25 multiplizierten Werte mit einem aus dem Schieberegister
herrührenden
Wert (zurückgeführt durch
eine Schleife) zu einem Summenwert addiert. Dieser Summenwert wird dann
mit einem Takt von 4096 Hz durch das Schieberegister 2.831 geschoben,
wobei mit dem gleichen Takt immer wieder neue Summenwerte in das
Schieberegister aufgenommen werden. Nach einer Zeit von 256/(4096
Hz), also 62,5 ms verlässt
der Summenwert wieder das Schieberegister 2.831 und wird dann
mit der Zahl 0,75 multipliziert, um nun zur Addition mit neuen Werten
zu Verfügung
zu stehen. Gleichzeitig werden die 256 Summenwerte MWmn des
Schieberegisters 2.831 an den Demodulator 2.84 weitergegeben.
Die Summenwerte MWmn beziehen sich also
auf die Werte in n Zellen des Schieberegisters 2.831 nach
dem m-ten Durchlauf durch die Schleife.
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Üblicherweise
bedarf es nach dem Absetzten der ersten Bitfolge B, B' ein vielfaches Durchlaufen
der Schleife bis die jeweiligen Mittelwerte MWmn für die folgende
Weiterverarbeitung eine Ausprägung erreichen,
welche letztlich eine Reaktion, z. B. das Aktivieren des Messtasters 2 hervorruft.
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Durch diese Mittelwertbildung wird
die Überragungssicherheit
weiter erhöht.
Danach wird in einem Demodulator 2.84 die Trägerfrequenz
f aus den erzeugten Daten herausgerechnet, so dass nach diesem Schritt
für die
High-Bits B1 und
die Low-Bits B0 nur noch eine Zahl verbleibt, welche dem jeweiligen Pegel
der High-Bits B1 und der Low-Bits B0 entspricht.
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Im Normierer 2.85 werden
dann die tatsächlichen
Pegel der High-Bits B1 und Low-Bits B0 an die Pegel eines vorgegebenen
Sollwerts angepasst. Die Daten der normierten High-Bits B1 und Low-Bits
B0 werden dann im Korrelator 2.86 dahingehend überprüft, dass
die Differenz zwischen dem Ist-Pegel und dem Soll-Pegel für jedes
High-Bit B1 und Low-Bit B0 gebildet wird. Dabei werden alle derartig
gebildeten Differenzen aufsummiert. Sofern diese Summe einen vorgegebenen
Wert unterschreitet werden die Daten für gültig befunden und schließlich einer Drei-aus-vier-Logik 2.87 zugeführt. Dort
wird überprüft, ob drei
von vier aufeinanderfolgenden Bitfolgen B, B' korrekt waren. Wenn diese Überprüfung erfolgreich
durchgeführt
wurde, wird der Messtaster 2 aktiviert.
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Nun ist der Messtaster 2 für den Messbetrieb bereit.
Bei einem Kontakt der Antastkugel 2.3 des Taststiftes 2.2 mit
einem in der entsprechenden Werkzeugmaschine eingespannten Werkstück wird der
Taststift 2.2 aus seiner Ruheposition heraus ausgelenkt.
Diese Auslenkung wird durch eine Detektoranordnung des Messtasters 2 erfasst
und auch ein entsprechendes Infrarot-Signal an das stationär an der
Werkzeugmaschine montierte Sendeelement 1, welches auch
zum Empfang von Infrarotlicht geeignet ist, zurückgesendet.
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Nach dem Messvorgang wird durch Senden eines
weiteren Steuerbefehls gemäß der 3b der Messtaster 2 wieder
deaktiviert und in den Stand-By-Zustand
zurückversetzt.
Der Steuerbefehl besteht aus hintereinander abgesetzten Bitfolgen
B' (10101100), wobei
die High-Bits B1 wiederum aus mit der Trägertrequenz f modulierten Infrarotlichtimpulsen
S erzeugt werden, während
die Low-Bits B0 durch temporäres
Ausschalten der Leuchtdiode des Sendeelementes 1 entstehen.
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Die Bitfolgen B, B' zum Aktivieren bzw.
zum Deaktivieren des Messtasters 2 wurde so gewählt, dass
eine Verwechslung bei der Auswertung im Messtaster 2 durch
eine gestörte
Datenübertragung
extrem unwahrscheinlich ist. Eine bevorzugte Kombination besteht
aus diesem Grund aus den Bitfolgen B, B' 10010110 und 10101100. Im Allgemeinen
können geeignete,
also schwer verwechselbare Bitfolgen B, B' unter Durchführung einer computergestützten Kreuzkorrelation
ermittelt werden.