DE19926214A1 - Verfahren zur Unterdrückung von Störsignalen in Optosensoren/Näherungsschaltern und Schaltungsanordnung zur Druchführung dieses Verfahrens - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zur Unterdrückung von Störsignalen in Optosensoren/Näherungsschaltern bei von einer Sendeeinheit (10) ausgesandtem und von einer Empfangseinheit (20) empfangenem Signal ist gekennzeichnet durch folgende Schritte: DOLLAR A - von der Sendeeinheit (10) werden Chirps-Folgen von Lichtpulsen emittiert, DOLLAR A - es wird die Autokorrelationsfunktion zwischen den gesendeten Signalen und den empfangenen Signalen gebildet, DOLLAR A - die Autokorrelationsfunktion wird mit einem Schwellenwert verglichen und auf ein im Strahlengang angeordnetes Hindernis dann geschlossen, wenn der Wert der Autokorrelationsfunktion den Schwellenwert nicht überschreitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterdrückung von Störsignalen in Optosensoren/Näherungsschaltern bei von einer Sendeeinheit ausgesandten und von einer Emp­ fangseinheit empfangenen Lichtsignalen, nach dem Ober­ begriff der unabhängigen Ansprüche 1 und 2 sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3.

Derartige Verfahren werden beispielsweise bei Licht­ schranken eingesetzt. Bei derartigen Lichtschranken muß eine im Lichtweg plaziertes Objekt von einer Signalstö­ rung unterschieden werden. Aus der DE 40 31 142 C3 geht ein optischer Lichttaster und ein Verfahren zu seinem Betrieb hervor, bei dem ein Sender mit einer Lichtpuls­ folge beaufschlagt wird. Die Schaltung ist derart aus­ geführt, daß die Empfangseinheit nach dem Empfang einer Störung eine gewisse Wartezeit mit der Signalverarbei­ tung wartet, wobei diesem Verfahrensschritt die Annahme zugrunde liegt, daß nach Ablauf dieser Wartezeit ein störungsfreies Signal abgetastet werden kann. Problema­ tisch bei einem derartigen Verfahren und einer derarti­ gen Schaltungsanordnung ist es, daß bei periodischen Störungen, deren zeitlicher Abstand der Wartezeit ent­ spricht, eine Abtastung praktisch nicht möglich ist.

Aus der DE 41 41 469 C2 geht ein Verfahren zum Betrieb einer optischen Sensoranordnung zur Feststellung von in einem Überwachungsbereich vorhandenen Gegenständen mit einem Lichtsender, der nacheinander einen zeitlichen Abstand aufweisende Nutzsignale in Form von Lichtsigna­ len in den Überwachungsbereich aussendet, und einem Lichtempfänger hervor, der bei Abwesenheit von festzu­ stellenden Gegenständen im Überwachungsbereich im we­ sentlichen kein Licht vom Lichtsender empfängt, jedoch bei Anwesenheit eines festzustellenden Gegenstandes im Überwachungsbereich durch Reflexion oder Transmission so viel Licht vom Lichtsender erhält, daß eine an den Lichtempfänger angeschlossene Empfangssignalverarbei­ tungsstufe ein Gegenstandsfeststellungssignal abgibt, wobei vor und/oder nach Aussendung des Lichtsignals ein eventuell vorhandenes Störsignal vom Lichtempfänger er­ faßt wird und Pegel- und Steigungsinformationen über das Störsignal ermittelt werden. Die dadurch gewonnene Information wird zur annähernden Bestimmung des Störsig­ nalverlaufs während der Lichtsignalaussendung und zur Extraktion des Nutzsignals aus dem empfangenen, sich aus dem Nutz- und Störsignal zusammensetzenden Gesamt­ lichtsignal herangezogen. Weitere Verfahren zum Betrieb von optischen Lichttastern und Lichtschranken sind aus den DE 195 37 615 A1, DE 42 24 784 C2 sowie DE 43 23 910 C2 bekannt.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Unterdrückung von Störsignalen bei Lichtsignalen, die zur Erfassung von in dem Lichtweg angeordneten Gegenständen von einer Sendeeinheit ausge­ sandt und von einer Empfangseinheit empfangen werden so weiterzubilden, daß im Lichtweg angeordnete Gegenstände von praktisch jeglicher Art von Störungen unterschieden werden können und so die Unabhängigkeit von Störein­ flüssen wesentlich verbessert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 2 sowie durch ei­ ne Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Schaltungsanord­ nung ist Gegenstand des Unteranspruchs.

Die Verwendung von gut korrelierenden Folgen, sogenann­ ten Chirps-Folgen, als Lichtemissions-Signale und die Bildung der Autokorrelationsfunktion der gesendeten und empfangenen Signale ermöglicht praktisch eine nahezu störungsfreie Auswertung des Nutzsignals, da Störungen, die nicht auf ein im Lichtweg befindliches Objekt zu­ rückzuführen sind, in die Autokorrelationsfunktion praktisch nicht eingehen.

Die zusätzliche Berechnung einer zweiten Autokorrelati­ onsfunktion eines zeitlich verschobenen emittierten Si­ gnals und des empfangenen Signals und der Vergleich dieser Autokorrelationsfunktion mit der Autokorrelati­ onsfunktion des zeitlich nicht verschobenen Sendesi­ gnals mit dem Empfangssignal erhöht die Unempfindlich­ keit gegenüber Störsignalen weiter.

Rein prinzipiell sind zur Realisierung des Verfahrens unterschiedlichste Schaltungsanordnungen denkbar. Neben einer Implementierung in einem Mikrocontroller, kommen auch diskrete Schaltungsanordnungen in Frage, die zu­ sammen mit vorteilhaften Ausführungsformen des Verfah­ rens in Verbindung mit der Zeichnung nachfolgend be­ schrieben werden.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Schaltungsanordnung;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Schaltungsanordnung;

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Schaltungsanordnung;

Fig. 4 schematisch den zeitlichen Verlauf zweier Si­ gnale, deren Autokorrelationsfunktion und de­ ren Kreuzkorrelaltionsfunktion bei einer Fol­ genlänge N = 127 der Signale;

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel eines Datenverarbei­ tungsprogramm zur Signalverarbeitung mittels der in Fig. 2 dargestellten Schaltung;

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Daten­ verarbeitungsprogramms zur Signalverarbeitung mittels der in Fig. 3 dargestellten Schal­ tung.

Um die Sendesignale eines optischen Tasters von Störsi­ gnalen zu unterscheiden, muß den Sendesignalen eine Ei­ genschaft gegeben werden, welche die zu erwartenden Störsignale mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit nicht be­ sitzen. So kann z. B. das Spektrum des Nutzsignals in einem Frequenzbereich liegen, in dem die spektralen An­ teile der Störungen gering sind. Darüber hinaus können monochrome Lichtsignale genutzt und ein angepaßtes Schmalbandfilter vor dem Empfänger angeordnet werden.

Die Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es, gut korrelierende Folgen, sogenannte Chirps-Folgen als Sen­ designale zu verwenden. Die Folgen weisen eine sehr ho­ he Autokorrelation auf, die Kreuzkorrelation mit Folgen aus der gleichen Familie oder mit anderen Signalen ist dagegen klein. Hohe Autokorrelation bedeutet, daß der Wert der Korrelationsfunktion für eine Verschiebung, die Null ist, groß und für alle anderen Werte klein ist. Die Korrelationsfunktion ist folgendermaßen be­ stimmt:

Wie aus Fig. 4 hervorgeht, in der der zeitliche Verlauf zweier Signale S1 und S2 sowie deren Autokorrelations­ funktion ϕ11 und deren Kreuzkorrelationsfunktion ϕ12 schematisch dargestellt sind, existiert eine hohe Auto­ korrelation und eine praktisch verschwindende Kreuzkor­ relation bei Chirp-Folgen. Wegen ihrer Dauer, z. B. ei­ ner Folgenlänge von, wie in Fig. 4 dargestellt, bei­ spielsweise N = 127 oder von noch größeren Folgenlängen (N = 1000) und der spektralen Spreizung der Autokorre­ lationsfunktion mit einer sehr schmalen Spitze, sind derartige Signale unempfindlich gegen Schmalband- und Impulsstörungen. Schmalbandstörungen werden beispiels­ weise bei optischen Lichtschranken durch Sparlampen, Impulsstörungen durch Blitzlampen hervorgerufen. Ein optimaler Empfänger für derartige Folgen weist einen Korrelator und einen Folgengenerator auf. Die generier­ te Folge entspricht dabei der zu empfangenden Folge. Einen optimalen Empfänger vorausgesetzt, tritt beim Er­ reichen des Endes der Folge, am Korrelatorausgang ein hoher Ausschlag auf. Durch Verwendung von orthogonalen Chirp-Folgen (Autokorrelationsfunktion groß, Kreuzkor­ relationsfunktion klein) ist auch eine gegenseitige Be­ einflussung von Sensoren, welche Lichtimpulse, die Chirp-Folgen entsprechen, emittieren klein.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend in Ver­ bindung mit den in Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispielen näher erläutert.

Ein erstes Ausführungsbeispiel einer in bipolarer Logik ausgeführten Schaltungsanordnung zur Unterdrückung von Störsignalen bei von einer Sendeeinheit 10 ausgesandten und von einer Empfangseinheit 20 empfangenen Lichtsi­ gnale weist ein Schieberegister 30 auf, das von einem Taktgenerator 32 angesteuert wird. In dem Schieberegi­ ster 30 ist eine Chirp-Folge gespeichert, mit der die Sendeeinheit 10 beaufschlagt wird. Gemäß dieser Chirp- Folge emittiert die Sendeeinheit 10 Lichtpulse, die von der Empfangseinheit 20 empfangen werden, zunächst in einem Verstärker 40 verstärkt, in einem Invertierer 42 invertiert und einem Korrelator 50 zugeführt werden. Der Korrelator 50 weist einen als Multiplikator 52 wir­ kenden Schalter S1 sowie einen Integrator 54 auf, der durch einen Operationsverstärker und einen Kondensator auf an sich bekannte Weise gebildet ist. Dem Korrelator 50 ist ein Komparator 62 nachgeschaltet.

Die Funktion der Schaltung ist nun folgende. Die im Schieberegister 30 gespeicherte Chirp-Folge wird durch den Taktgenerator ausgelesen und an die Sendeeinheit 10 weitergeleitet. Das empfangene Signal wird verstärkt und dem Korrelator 50 zugeführt. In diesem werden das Sendesignal sowie das empfangene Signal zunächst mit­ tels des als Multiplizierer 52 wirkenden Schalter S1 multipliziert. Sodann wird das Zeitintegral in dem In­ tegrator 54 gebildet. Das auf diese Weise erhaltene Korrelationssignal wird beim Erreichen des Endes der Chirp-Folge an einen Kondensator mittels eines Schal­ ters S3, die einen sogenannten Sample & Hold 60 bilden, weitergegeben. Kurz daraufhin wird der Integrator 54 zurückgesetzt durch Schließen des Schalters S2. Das Si­ gnal am Ausgang des Sample & Hold 60 wird dem Kompara­ tor 62 zugeführt. Befindet sich kein Objekt im Strah­ lengang, weist das Ausgangssignal am Komparator 62 ei­ nen hohen Wert auf, da eine hohe Autokorrelation vor­ liegt. Befindet sich ein Objekt im Strahlengang, unter­ schreitet das Ausgangssignal am Komparator einen Schwellenwert.

Mit einer derartigen Schaltung können bei einer Takt­ frequenz von ca. 2 MHz und einer Folgenlänge von 400 eine Schaltfrequenz der gesamten Schaltungsanordnung, d. h. des Sensors von 2,5 KHz erreicht werden.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform unterschei­ det sich von der entsprechend in Fig. 1 dadurch, daß ein zweiter Korrelator 70, der einen Multiplikator 71 in Form des Schalters S1 sowie einen Integrator 72 um­ faßt, vorgesehen ist. Diesem zweiten Korrelator 70 wer­ den ein um einige Takte verschobenes Signal, das an ei­ ner Stelle im Schieberegister 10 abgegriffen wird, zu­ geführt. Der Integrator 72 wird durch einen Schalter S2 zurückgesetzt, der durch ein Verzögerungsglied 34 ver­ zögert betätigt wird, wobei die Verzögerung der Verzö­ gerung des zeitlich verschobenen Signals, das diesem Korrelator 70 zugeführt wird, entspricht. Auf diese Weise wird die Autokorrelationsfunktion eines zeitlich geringfügig verschobenen Signals berechnet. Die beiden berechneten Autokorrelationsfunktionen werden voneinan­ der in einem Subtrahierer 74 subtrahiert. Das auf diese Weise erhaltene Signal wird auf die oben beschriebene Weise dem Sample & Hold und dem Komparator zugeführt und mit einem Schwellenwert verglichen. Auf ein im Strahlengang angeordnetes Objekt wird geschlossen, wenn die Differenz einen Schwellenwert überschreitet. Hier­ durch ist eine weitere Kompensation von Störungen mög­ lich.

Bei einem dritten Ausführungsbeispiel wird das von dem Empfänger 20 empfangene und verstärkte Signal einem A/D-Wandler 80 und sodann einem Mikrocontroller 90 zu­ geführt. Die Signalverarbeitung erfolgt im Mikrocon­ troller 90 auf digitalem Wege.

In Fig. 5 ist ein Programm dargestellt, das der Signal­ verarbeitung gemäß der in Fig. 1 dargestellten Schal­ tung entspricht.

Dieses Programm umfaßt folgende Schritte:
Zunächst wird die Folge initialisiert, die Folgenlänge wird festgelegt und es wird der Schwellenwert bestimmt, was beispielsweise durch ein an sich bekanntes Teach- In-Verfahren geschehen kann. Sodann wird eine Schleife durchlaufen, in der das Zeitintegral des empfangenen Signals berechnet wird, wobei das analog empfangene Si­ gnal durch den A/D-Wandler 80 in ein Digitalsignal um­ gewandelt und dessen Integral berechnet wird. Schließ­ lich wird das Integral mit der Schwelle verglichen und der Ausgang auf 1 gesetzt, wenn das Integral größer als die Schwelle ist. Ist dies nicht der Fall, wird der Ausgang auf 0 gesetzt.

Ein Beispiel für ein Programm für eine Signalverarbei­ tung, die der Signalverarbeitung durch die in Fig. 2 dargestellte Schaltung entspricht, ist in Fig. 6 darge­ stellt.

Bei diesem Programm wird wiederum zunächst einmal die Folge initialisiert, die Folgenlänge festgelegt und der Schwellenwert durch beispielsweise ein Teach-In- Verfahren definiert. Sodann werden von den empfangenen Signalen, die analog von dem Empfänger 20 empfangen und von dem A/D-Wandler 80 in Digitalsignale umgewandelt werden, die Zeitintegrale einer ersten Folge (i) und einer zeitlich versetzten Folge (i+1) bestimmt. Es wird sodann die Differenz des Zeitintegrals der nicht zeit­ lich verschobenen Folge und des Zeitintegrals der zeit­ lich verschobenen Folge berechnet. Diese Differenz wird mit der Schwelle verglichen. Ist die Differenz größer, wird der Ausgang auf 1 gesetzt, ist sie kleiner, wird der Ausgang auf 0 gesetzt.

Claims (4)

1. Verfahren zur Unterdrückung von Störsignalen in Optosensoren/Näherungsschaltern bei von einer Sen­ deeinheit (10) ausgesandten und von einer Emp­ fangseinheit (20) empfangenen Signal, gekennzeich­ net durch folgende Schritte:

• - von der Sendeeinheit (10) werden Chirps- Folgen von Lichtpulsen emittiert,
• - es wird die Autokorrelationsfunktion zwischen den gesendeten Signalen und den empfangenen Signalen gebildet,
• - die Autokorrelationsfunktion wird mit einem Schwellenwert verglichen und auf ein im Strahlengang angeordnetes Hindernis dann ge­ schlossen, wenn der Wert der Autokorrelati­ onsfunktion den Schwellenwert nicht über­ schreitet.

2. Verfahren zur Unterdrückung von Störsignalen bei von einer Sendeeinheit (10) ausgesandten und von einer Empfangseinheit (20) empfangenen Signalen, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• - von der Sendeeinheit werden Chirps-Folgen von Lichtpulsen emittiert,
• - von der Sendeeinheit werden Chirps-Folgen von Lichtpulsen emittiert,
• - es wird die Autokorrelationsfunktion zwischen den gesendeten Signalen und den empfangenen Signalen ermittelt,
• - es wird zusätzlich die Autokorrelationsfunk­ tion zwischen einer zeitlich verschobenen ge­ sendeten Pulsfolge und der empfangenen Puls­ folge bestimmt,
• - es wird der Differenzwert gebildet zwischen der Autokorrelationsfunktion der zeitlich nicht verschobenen gesendeten Signale und der empfangenen Signale sowie der Autokorrelati­ onsfunktion der zeitlich verschobenen Signale und der empfangenen Signale,
• - es wird auf ein im Strahlengang angeordnetes Objekt dann geschlossen, wenn die Differenz einen Schwellenwert überschreitet.

3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfah­ rens gemäß Anspruch 1 oder 2, mit einer Lichtsen­ deeinheit (10) und mit einer Empfangseinheit (20), mit einem von einem Taktgenerator (32) angesteuer­ tes Schieberegister (30) zur Erzeugung einer Puls­ folge, mit einem Korrelator (50), wenigstens um­ fassend einen Multiplikator (52) zur Bildung des Produkts der gesendeten und empfangenen Signale sowie einen Integrator (54) zur Bildung des Zei­ tintegrals des Produkts, mit einem Sample & Hold (60) sowie mit einem Komparator (62) zum Vergleich des Integrals mit einem vorgegebenen Schwellen­ wert.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein weiterer Korrelator (70) mit einem Multiplikator (71) und einem Integrator (72) vorgesehen ist, sowie mit einem den beiden Korre­ latoren (50, 70) nachgeschalteten Subtrahierer (74), dessen Ausgangssignal dem Sample & Hold (60) und dem Komparator (62) zugeführt wird.