DE202012100303U1 - Signal propagation time measurement - Google Patents
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Abstract
Messkern (10) für eine Signallaufzeitmessung mit einem Sendepulseingang zur Zuführung eines Sendepulses (26a), einem Empfangspulseingang zur Zuführung eines Empfangspulses (26b), einer Grobmesseinheit (24), in der eine Hauptsignallaufzeit zwischen einem aus dem Sendepuls (26a) bestimmten Sendezeitpunkt und einem aus dem Empfangspuls (26b) bestimmten Empfangszeitpunkt in Taktperioden eines Zähltaktes bestimmbar ist, einer Feinmesseinheit (20, 22), in der ein Startzählerversatz zwischen dem Sendezeitpunkt und dem Zähltakt und ein Endzählerversatz zwischen dem Empfangszeitpunkt und dem Zähltakt bestimmbar ist, sowie einer Auswertungseinheit (18), die dafür ausgebildet ist, die Signallaufzeit aus der Hauptsignallaufzeit, dem Startzählerversatz und dem Endzählerversatz zu berechnen, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinmesseinheit (20, 22) einen Startpulsgenerator (20), um einen Startpuls zu erzeugen, dessen Dauer dem Startzählerversatz entspricht, sowie einen Echopulsgenerator (22) aufweist, um einen Echopuls zu erzeugen, dessen Dauer dem Endzählerversatz entspricht, und dass der Startpulsgenerator (20), der Endpulsgenerator (22) und die Grobmesseinheit (24) auf einem FPGA (12) implementiert sind.Measuring core (10) for a signal propagation time measurement with a transmit pulse input for supplying a transmit pulse (26a), a receive pulse input for supplying a receive pulse (26b), a coarse measurement unit (24), in which a main signal delay between a particular from the transmit pulse (26a) transmission time and a a measuring unit (20, 22) in which a start counter offset between the transmission time and the count clock and a Endzählerversatz between the reception time and the count clock can be determined from the received pulse (26b) specific time, and an evaluation unit (18 ) configured to calculate the signal propagation time from the main signal delay, the start counter offset and the final counter offset, characterized in that the fine measuring unit (20, 22) generates a start pulse generator (20) to generate a start pulse whose duration corresponds to the start counter offset, and an echo pulse generator (22) to produce an echo pulse whose duration is equal to the final counter offset and that the start pulse generator (20), the final pulse generator (22) and the coarse measuring unit (24) are implemented on an FPGA (12).
Description
Die Erfindung betrifft einen Messkern für eine Signallaufzeitmessung mit einer Grobmessung anhand eines Taktes und einer Feinmessung anhand des jeweiligen Versatzes zwischen Sende- beziehungsweise Empfangspuls und dem Takt nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to a measuring core for a signal propagation time measurement with a coarse measurement based on a clock and a fine measurement based on the respective offset between transmitting or receiving pulse and the clock according to the preamble of claim 1.
Zahlreiche Sensoren nutzen ein Signallaufzeitprinzip, bei dem das Zeitintervall zwischen Senden und Empfang eines Signals über die Signallaufzeit in eine Entfernung umgerechnet wird. Dabei werden so verschiedene Frequenzbereiche des elektromagnetischen Spektrums ausgenutzt wie Mikrowellen und Licht. Numerous sensors use a signal transit time principle in which the time interval between transmission and reception of a signal is converted into a distance over the signal propagation time. In this way, different frequency ranges of the electromagnetic spectrum are utilized, such as microwaves and light.
Bei optoelektronischen Sensoren nach dem Prinzip des Lichtlaufzeitverfahrens wird bei einem Pulslaufzeitverfahren ein kurzer Lichtpuls ausgesendet und die Zeit bis zum Empfang einer Remission oder Reflexion des Lichtpulses gemessen. Alternativ wird bei einem Phasenverfahren Sendelicht amplitudenmoduliert und eine Phasenverschiebung zwischen Sende- und Empfangslicht bestimmt, wobei die Phasenverschiebung ebenfalls ein Maß für die Lichtlaufzeit ist. In the case of optoelectronic sensors based on the principle of the time of flight method, a short pulse of light is emitted in a pulse transit time method and the time taken to receive a remission or reflection of the light pulse is measured. Alternatively, in a phase method, transmitted light is amplitude modulated and a phase shift between transmitted and received light is determined, wherein the phase shift is also a measure of the light transit time.
Optoelektronische Entfernungsmessung kann beispielsweise in der Fahrzeugsicherheit, der Logistik- oder Fabrikautomatisierung oder der Sicherheitstechnik benötigt werden. Insbesondere kann ein Entfernungsmesser, der auf einem reflektierten Lichtstrahl basiert, auf eine Entfernungsänderung des Reflektors oder des reflektierenden oder remittierenden Ziels reagieren. Eine besondere Anwendung ist eine Reflexionslichtschranke, bei welcher der Abstand zwischen Lichtsender und Reflektor überwacht wird. Das Lichtlaufzeitverfahren ist auch das Prinzip, nach dem entfernungsmessende Laserscanner arbeiten, deren Fahrstrahl eine Ebene oder einen Raumbereich ausmisst.Optoelectronic distance measurement can be required for example in vehicle safety, logistics or factory automation or safety technology. In particular, a rangefinder based on a reflected light beam may respond to a change in the distance of the reflector or the reflecting or remitting target. A special application is a reflection light barrier, in which the distance between light transmitter and reflector is monitored. The light transit time method is also the principle according to which distance-measuring laser scanners operate whose travel beam measures out a plane or a spatial area.
Ein Anwendungsbereich für Mikrowellen ist die Füllstandsmessung. Hierbei wird die Signallaufzeit bis zur Reflexion an einer Grenzfläche des Mediums bestimmt, dessen Füllstand zu messen ist. Dabei werden die abgestrahlten Mikrowellen in einer Sonde geführt (TDR, time domain reflectometry), oder alternativ wie bei einem Radar frei abgestrahlt und von der Grenzfläche reflektiert.One area of application for microwaves is level measurement. In this case, the signal propagation time is determined until reflection at an interface of the medium whose level is to be measured. The radiated microwaves are guided in a probe (TDR, time domain reflectometry), or alternatively radiated freely as in a radar and reflected from the interface.
Eine Herausforderung bei Laufzeitverfahren besteht darin, die Messauflösung zu erreichen. Bei einer Abtastung der Empfangssignale mit beispielsweise 1GHz wird immerhin schon eine zeitliche Auflösung von 1ns erreicht, die aber erst einer Genauigkeit von 15cm in der Distanzmessung entspricht. Demnach ist letztlich eine zeitliche Auflösung im Bereich von Pikosekunden wünschenswert. Eine derart schnelle Signalabtastung zur digitalen Messauswertung ist aber schwierig und zumindest nicht mit geringen Herstellkosten vereinbar.A challenge with runtime methods is to achieve the measurement resolution. At a sampling of the received signals with, for example, 1 GHz, after all, a temporal resolution of 1 ns is achieved, but this only corresponds to an accuracy of 15 cm in the distance measurement. Accordingly, a temporal resolution in the range of picoseconds is ultimately desirable. However, such a fast signal sampling for digital measurement evaluation is difficult and at least not compatible with low production costs.
Eine herkömmliche Lösung besteht darin, die Messwerterfassung gemischt digital und analog vorzunehmen. Dabei wird eine Grobquantisierung als digitale Messung mittels eines Zählers im vergleichsweise langsamen MHz-Bereich vorgenommen. Bei 100MHz beispielsweise ergibt dies eine grobe Messung mit einer Auflösung von etwa 1,5m. Eine analoge Messwerterfassung wertet jeweils den Versatz zwischen dem Takt und dem eigentlichen Sende- beziehungsweise Empfangspuls am Beginn und am Ende der Signallaufzeit aus. So muss die analoge Auswertung nur mit einem wesentlich kleineren Messbereich zurechtkommen, so dass kleinere, günstigere analoge Bauteile mit zugleich deutlich besseren Linearitätseigenschaften eingesetzt werden können.A conventional solution is to perform the measured value acquisition mixed digital and analog. In this case, a coarse quantization is performed as a digital measurement by means of a counter in the relatively slow MHz range. At 100MHz, for example, this gives a rough measurement with a resolution of about 1.5m. An analog measured value acquisition evaluates the offset between the clock and the actual transmit or receive pulse at the beginning and at the end of the signal delay. Thus, the analog evaluation only has to cope with a much smaller measuring range, so that smaller, cheaper analog components with clearly better linearity properties can be used.
Solche Schaltungen müssen aber mit hohen Investitionskosten speziell entwickelt werden und sind dann dennoch völlig unflexibel.However, such circuits must be specially developed with high investment costs and are then still completely inflexible.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine derartige in Grob- und Feinmessung unterteilte Signallaufzeitmessung einfacher zu implementieren.It is therefore an object of the invention to implement such a coarse and fine measurement divided signal propagation time measurement easier.
Diese Aufgabe wird durch einen Messkern gemäß Anspruch 1 gelöst. Dabei geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, die Laufzeitmessung wie einleitend erläutert in einer Grobmessung mit einem verhältnismäßig langsamen Takt und eine genaue Feinmessung der verbleibenden Restlaufzeiten gegenüber diesem Takt zu unterteilen. Diese Restlaufzeiten treten am Beginn wie am Ende der Signallaufzeit auf und werden als Startzählerversatz und Endzählerversatz bezeichnet. Zu deren Messung erzeugt ein FPGA aus den Signalen auf der Messstrecke, also einem Sendepuls und einem Empfangspuls, einen elektrischen Startpuls und einen elektrischen Echopuls, beispielsweise ein Rechtecksignal, dessen Länge den jeweiligen Versatz zum Takt repräsentiert. This object is achieved by a measuring core according to claim 1. The invention is based on the basic idea of subdividing the transit time measurement as explained in a rough measurement with a relatively slow cycle and an accurate fine measurement of the remaining time remaining with respect to this cycle. These residual maturities occur at the beginning as well as at the end of the signal runtime and are referred to as start counter offset and end counter offset. For their measurement generates an FPGA from the signals on the measurement path, ie a transmit pulse and a receive pulse, an electrical start pulse and an electrical echo pulse, such as a square wave signal whose length represents the respective offset to the clock.
Somit genügen auch Zähltakte im Bereich von einigen MHz bis zu einigen hundert MHz, da die erforderliche Genauigkeit über die Feinmessung erzielt wird. Im Vergleich mit der geforderten Distanzauflösung wäre selbst noch Abtastung mit 1 GHz langsam, da dies immer noch lediglich 15cm Messgenauigkeit entspricht. Einen Zähltakt der benötigten hohen Frequenz leistet aber kaum ein digitaler Baustein, jedenfalls kein kostengünstiger Baustein und kein FPGA.Counting cycles in the range of a few MHz to a few hundred MHz are therefore sufficient, since the required accuracy is achieved via the fine measurement. Even compared to the required distance resolution, even 1 GHz sampling would be slow, as this still only equates to 15cm of measurement accuracy. A count clock of the required high frequency makes but hardly a digital component, at least no cost-effective device and no FPGA.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass eine kostengünstige und wegen der Flexibilität des FPGA skalierbare und anpassbare Signallaufzeitmessung ermöglicht wird. Im Gegensatz zu einer eigens entwickelten Analogschaltung können dafür Standardbausteine mit hoher Verfügbarkeit und Austauschbarkeit eingesetzt werden.The invention has the advantage that a cost-effective and adaptable signal propagation time measurement is made possible due to the flexibility of the FPGA. Unlike a special one analogue circuit can be used for standard components with high availability and interchangeability.
Die Feinmesseinheit weist bevorzugt mindestens einen dem FPGA nachgeordneten Integrator auf, um die Dauer der Startpulssignale und Echopulssignale in einen Stromoder Spannungswert zu wandeln. So werden die von dem FPGA zur Verfügung gestellten Start- und Echopulse mit einem sehr einfachen Bauteil ausgewertet.The fine-measuring unit preferably has at least one integrator downstream of the FPGA in order to convert the duration of the start pulse signals and echo pulse signals into a current or voltage value. Thus, the start and echo pulses provided by the FPGA are evaluated with a very simple component.
Der Integrator weist bevorzugt einen Kondensator und eine Stromquelle auf, und die Stromquelle ist mit dem Kondensator für eine Dauer verbindbar, die von einem angelegten Pulssignal abhängt. Eine solche Integratorschaltung ist einfach. Zugleich zeigt sie sich in dem kleinen Messbereich, auf den sich die Feinmessung dank der Grobmessung beschränken kann, hoch linear und präzise.The integrator preferably has a capacitor and a current source, and the current source is connectable to the capacitor for a duration that depends on an applied pulse signal. Such an integrator circuit is simple. At the same time, it is highly linear and precise in the small measuring range to which the fine measurement can be limited thanks to the coarse measurement.
Der Integrator weist bevorzugt einen differentiellen Anschluss auf, um mit einem Puls und einer Negation des Pulses differentiell angesteuert zu werden. Dies bringt zusätzliche Vorteile in der Messwertauflösung, weil der Integrator den Startzählerversatz und den Endzählerversatz noch genauer erfasst.The integrator preferably has a differential connection in order to be driven differentially with a pulse and a negation of the pulse. This provides additional advantages in the measurement resolution because the integrator detects the start counter offset and the final counter offset even more accurately.
Dem Integrator ist bevorzugt ein A/D-Wandler nachgeordnet, um den Strom- oder Spannungswert in einen digitalen Wert zur Weiterverarbeitung in der Auswertungseinheit zu wandeln. So wird aus den Startpulsen und Echopulsen ein digitaler Wert, der leicht zu der gesuchten Signallaufzeit verrechnet werden kann.The integrator is preferably followed by an A / D converter to convert the current or voltage value into a digital value for further processing in the evaluation unit. Thus, the start pulses and echo pulses become a digital value, which can be easily offset to the desired signal delay.
Die Auswertungseinheit ist bevorzugt auf einem dem FPGA nachgeordneten digitalen Baustein, insbesondere einem Mikroprozessor implementiert. Dort werden die notwendigen Verrechnungskapazitäten bereitgestelltThe evaluation unit is preferably implemented on a digital component following the FPGA, in particular a microprocessor. There, the necessary clearing capacities are provided
Der Startpulsgenerator ist bevorzugt dafür ausgebildet, einen ersten Startpuls zu erzeugen, dessen zugehöriger Startzählerversatz auf den Beginn des Sendepulses bezogen ist, wobei der Echopulsgenerator dafür ausgebildet ist, einen ersten Echopuls zu erzeugen, dessen zugehöriger Endzählerversatz auf den Beginn des Empfangspulses bezogen ist, so dass in der Auswertungseinheit eine erste Signallaufzeit bezogen auf den Pulsbeginn bestimmbar ist. Der Pulsbeginn von Sendepuls und Empfangspuls ist beispielsweise durch eine Schwellbewertung beziehungsweise eine Komparatorstufe sehr einfach zu erkennen. So wird die entsprechende auf den Beginn bezogene erste Signallaufzeit leicht messbar.The start pulse generator is preferably designed to generate a first start pulse whose associated start counter offset is related to the beginning of the transmit pulse, wherein the echo pulse generator is adapted to generate a first echo pulse whose associated end counter offset is related to the beginning of the receive pulse, such that in the evaluation unit, a first signal delay related to the beginning of the pulse can be determined. The pulse start of transmit pulse and receive pulse is very easy to recognize, for example, by a threshold evaluation or a comparator stage. Thus, the corresponding to the beginning related first signal delay is easily measurable.
Ganz ähnlich ist bevorzugt der Startpulsgenerator dafür ausgebildet, einen zweiten Startpuls zu erzeugen, dessen zugehöriger Startzählerversatz auf das Ende des Sendepulses bezogen ist, wobei der Echopulsgenerator dafür ausgebildet ist, einen zweiten Echopuls zu erzeugen, dessen zugehöriger Endzählerversatz auf das Ende des Empfangspulses bezogen ist, so dass in der Auswertungseinheit eine zweite Signallaufzeit bezogen auf das Pulsende bestimmbar ist.Similarly, the start pulse generator is preferably configured to generate a second start pulse whose associated start counter offset is related to the end of the transmit pulse, wherein the echo pulse generator is configured to generate a second echo pulse whose associated end counter offset is related to the end of the receive pulse. so that in the evaluation unit, a second signal transit time based on the end of the pulse can be determined.
Pulsende oder Pulsanfang lassen sich zwar leicht bestimmen, sind aber pegelabhängig, weil man sich für einen Pegel entscheiden muss, ab dem man den Puls definiert. Dadurch können pegelabhängige Verzerrungen der gemessenen Laufzeit entstehen. Deshalb ist in bevorzugter Weiterbildung die Auswertungseinheit dafür ausgebildet, aus der ersten Signallaufzeit und der zweiten Signallaufzeit eine auf den Schwerpunkt des Pulses bezogene Signallaufzeit zu bestimmen. Der Schwerpunkt, der in der Regel auch dem Scheitel des Pulses entspricht, zeigt die angesprochene Pegelabhängigkeit nicht, so dass eine genauere Laufzeitmessung möglich wird.Although the pulse end or the beginning of the pulse can be easily determined, they are level-dependent because one must decide on a level from which the pulse is defined. As a result, level-dependent distortions of the measured transit time can arise. For this reason, in a preferred development, the evaluation unit is designed to determine from the first signal propagation time and the second signal propagation time a signal propagation time related to the center of gravity of the pulse. The center of gravity, which usually also corresponds to the vertex of the pulse, does not show the aforementioned level dependence, so that a more accurate time-of-flight measurement becomes possible.
Der Startpulsgenerator ist bevorzugt dafür ausgebildet, einen dritten Startpuls zu erzeugen, dessen Pulsweite der Dauer des Sendepulses entspricht. Ähnlich ist vorzugsweise der Echopulsgenerator dafür ausgebildet, einen dritten Echopuls zu erzeugen, dessen Pulsweite der Dauer des Empfangspulses entspricht. Diese Pulsweiten können für Zusatzauswertungen verwendet werden, beispielsweise für eine pulsformabhängige Korrektur der gemessenen Signallaufzeiten oder für eine Leistungsmessung.The start pulse generator is preferably designed to generate a third start pulse whose pulse width corresponds to the duration of the transmission pulse. Similarly, the echo pulse generator is preferably designed to generate a third echo pulse whose pulse width corresponds to the duration of the received pulse. These pulse widths can be used for additional evaluations, for example for a pulse shape-dependent correction of the measured signal propagation times or for a power measurement.
Die Grobmesseinheit und die Feinmesseinheit weisen bevorzugt mindestens einen weiteren Auswertungskanal auf, um die Signallaufzeit zu mindestens einem weiteren Empfangspuls zu bestimmen. So wird der Messkern mehrechofähig, kann also parallel oder sequentiell mehrere Empfangspulse auswerten. Das ist in Situationen nützlich, in denen der Sendepuls mehrfach reflektiert wird, etwa an Partikeln im Messbereich wie von Regen, Schnee oder Staub, oder wenn vor dem eigentlichen Messobjekt ein transparentes Objekt angeordnet ist, wie im Falle einer Glasscheibe, bei der es sich insbesondere um die Frontscheibe eines Sensors handeln kann.The coarse measuring unit and the fine measuring unit preferably have at least one further evaluation channel in order to determine the signal propagation time for at least one further received pulse. Thus, the measuring core is multi-capable, so it can evaluate several received pulses in parallel or sequentially. This is useful in situations where the transmit pulse is reflected multiple times, such as particles in the measurement range such as rain, snow or dust, or when a transparent object is placed in front of the actual measurement object, as in the case of a glass panel, which in particular can act around the windscreen of a sensor.
Vorzugsweise wird ein optoelektronischer Sensor, insbesondere Entfernungstaster oder Laserscanner, mit einem erfindungsgemäßen Messkern ausgerüstet. Derartige Sensoren sind sehr verbreitet. Als ein weiteres Beispiel für eine alternative Einsatzmöglichkeit wird der Messkern in einem Mikrowellen-Sensor, insbesondere einem frei abstrahlenden Füllstandssensor nach dem Radarprinzip oder TDR-Füllstandssensor eingesetzt.Preferably, an optoelectronic sensor, in particular range probe or laser scanner, is equipped with a measuring core according to the invention. Such sensors are very common. As a further example of an alternative application possibility, the measuring core is used in a microwave sensor, in particular a free-radiating fill level sensor according to the radar principle or TDR fill level sensor.
Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen in:The invention will be described below with regard to further advantages and features with reference to the accompanying drawings of exemplary embodiments explained. The figures of the drawing show in:
Der Messkern
Anstelle des soeben beschriebenen einstrahligen optoelektronischen Distanzmessers
Der Messkern
Der eingehende Sendepuls
In
In der Zählereinheit
Der Auswertungseinheit
- I1
- die Pulsweite des Sendepulses
26a - I2
- der Startzählerversatz zwischen Sendepuls
26a und dem Takt, bezogen auf den Beginn des Sendepulses26a - I3
- der Startzählerversatz zwischen
dem Sendepuls 26a und dem Takt, bezogen auf das Ende desSendepulses 26a - I4
- die Pulsweite des Empfangspulses
26b - I5
- der Endzählerversatz zwischen
dem Empfangspuls 26b und dem Takt, bezogen auf den Beginn des Empfangspulses26b , - I6
- der Endzählerversatz zwischen
dem Empfangspuls 26b und dem Takt, bezogen auf das Ende desEmpfangspulses 26b , - ZVV
- die vollständigen gezählten Takte der Signallaufzeit, bezogen auf den Beginn von Sendepuls und Empfangspuls, und
- ZHH
- die vollständigen gezählten Takte der Signallaufzeit, bezogen auf das Ende von Sendepuls und Empfangspuls.
- I1
- the pulse width of the
transmission pulse 26a - I2
- the start counter offset between transmit
pulse 26a and the clock, based on the beginning of thetransmission pulse 26a - I3
- the start counter offset between the transmit
pulse 26a and the clock relative to the end of the transmitpulse 26a - I4
- the pulse width of the received
pulse 26b - I5
- the final counter offset between the received
pulse 26b and the clock, based on the beginning of the receivedpulse 26b . - I6
- the final counter offset between the received
pulse 26b and the clock relative to the end of the receivedpulse 26b . - ZVV
- the complete counted clocks of signal propagation time relative to the beginning of transmit pulse and receive pulse, and
- ZHH
- the complete counted clocks of signal propagation time relative to the end of transmit pulse and receive pulse.
Daraus berechnen sich zunächst eine Signallaufzeit tB bezogen auf den Pulsbeginn und eine Signallaufzeit tE bezogen auf das Pulsende zu tB = I2 – I5 + ZVV und tE = I3 – I6 + ZHH. From this, first of all, a signal propagation time t B with respect to the beginning of the pulse and a signal propagation time t E with respect to the end of the pulse are calculated as t B = I 2 - I 5 + ZVV and t E = I 3 - I 6 + ZHH.
Diese Signallaufzeiten können für sich verwandt werden, tragen aber noch eine gewisse Ungenauigkeit in sich, weil es sehr schwierig ist, den Pulsbeginn und das Pulsende pegelunabhängig zu definieren. Deshalb wird vorzugsweise abschließend noch eine Mittelung oder Schwerpunktbildung vorgenommen, um die pegelunabhängige Signallaufzeit t bezogen auf den Scheitel der Pulse
Die durch I1 und I4 bekannten Pulsweiten können für Zusatzauswertungen verwendet werden, etwa Korrekturen der Signallaufzeit t oder eine Leistungsmessung.The pulse widths known by I1 and I4 can be used for additional evaluations, such as corrections of the signal propagation time t or a power measurement.
Claims (12)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
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Family Applications (1)
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