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:

1 eine sehr vereinfachte Schnittdarstellung eines Sensors mit einem erfindungsgemäßen Messkern; 1 a very simplified sectional view of a sensor with a measuring core according to the invention;

2 ein Blockschaltbild mit einer Übersicht der Elemente des Messkerns; 2 a block diagram with an overview of the elements of the measuring core;

3 ein Blockschaltbild eines FPGA des Messkerns; 3 a block diagram of an FPGA of the measuring core;

4 ein Blockschaltbild eines Start- oder Echopulsgenerators, der auf dem FPGA implementiert ist; 4 a block diagram of a start or echo pulse generator, which is implemented on the FPGA;

5 eine Darstellung der Signalverläufe in verschiedenen Verarbeitungsstufen des Messkerns; und 5 a representation of the signal waveforms in different processing stages of the measuring core; and

6 ein Schaltbild eines Integrators zur Auswertung von in dem FPGA erzeugten Pulsen. 6 a circuit diagram of an integrator for the evaluation of pulses generated in the FPGA.

1 zeigt eine sehr vereinfachte Schnittdarstellung eines optoelektronischen Sensors 100 mit einem erfindungsgemäßen Messkern 10. Der Sensor 10 umfasst einen Lichtsender 102, über den Lichtpulse auf einem Sendestrahl 104 in einen Überwachungsbereich 106 ausgesandt werden. Der dort an einem Objekt 108 reflektierte Lichtstrahl 110 kehrt zu dem Sensor 100 zurück und wird von einem Lichtempfänger 112 erfasst. 1 shows a very simplified sectional view of an optoelectronic sensor 100 with a measuring core according to the invention 10 , The sensor 10 includes a light emitter 102 , about the light pulses on a transmission beam 104 into a surveillance area 106 to be sent out. The one there on an object 108 reflected light beam 110 returns to the sensor 100 back and is from a light receiver 112 detected.

Der Messkern 10 ist Teil einer Steuerungseinheit 114, die unter anderem das Sendeverhalten steuert und dem Messkern 10 den Sendepuls und aus dem zurückkehrenden Lichtstrahl 110 in dem Lichtempfänger 112 erzeugte Empfangspulse zuführt. In dem Messkern 10 wird die Lichtlaufzeit zwischen dem Aussenden des Sendepulses und dem Empfangen des Empfangspulses in einer im Folgenden näher erläuterten Weise bestimmt, um den Abstand des Objekts 108 zu ermitteln. Solche Abstandswerte oder daraus abgeleitete Größen stellt der Sensor 100 dann an einem Ausgang 116 zur Verfügung.The measuring core 10 is part of a control unit 114 , which among other things controls the transmission behavior and the measuring core 10 the transmit pulse and the returning beam of light 110 in the light receiver 112 generates received pulses. In the measuring core 10 the light transit time between the transmission of the transmission pulse and the reception of the reception pulse is determined in a manner explained in more detail below, by the distance of the object 108 to investigate. Such distance values or derived variables is the sensor 100 then at an exit 116 to disposal.

Anstelle des soeben beschriebenen einstrahligen optoelektronischen Distanzmessers 100 kann der Messkern 10 aber ebenso in anderen Sensoren eingesetzt werden, die eine Signallaufzeit messen, insbesondere einem Laserscanner, bei dem der Lichtstrahl 104 durch eine Ablenkeinheit periodisch abgelenkt wird, um eine Ebene oder einen Raumbereich abzutasten, oder auch in einem Füllstandssensor, der mit nach Art des Radars frei abgestrahlten oder mit einer Sonde geführten Mikrowellen den Füllstand in einem Behälter misst.Instead of the single-beam optoelectronic distance meter just described 100 can the measuring core 10 but also be used in other sensors that measure a signal propagation time, in particular a laser scanner, wherein the light beam 104 is deflected periodically by a deflection unit to scan a plane or a space area, or in a level sensor which measures the level in a container with freely radiated in the manner of the radar or guided by a probe microwaves.

2 zeigt eine Übersicht der Elemente des Messkerns 10. Der Messkern erhält als Eingangsgrößen außer einem Takt den Sendepuls und den Empfangspuls. In einer mehrkanaligen Erweiterung ist auch denkbar, mehrere Empfangspulse zuzuführen, um ein mehrechofähiges Messsystem aufzubauen, in dem mehrere hintereinander auf dem Messstrahl angeordnete Objekte ausgewertet werden können. Die Ausgangsgröße ist die mit TOF (time of flight) bezeichnete Lichtlaufzeit, wobei diese auch bereits mittels der durch die Lichtgeschwindigkeit gegebenen Signallaufgeschwindigkeit zu einem Distanzwert verrechnet sein kann. 2 shows an overview of the elements of the measuring core 10 , The measuring core receives as input variables except one clock the transmit pulse and the received pulse. In a multi-channel extension, it is also conceivable to supply a plurality of receiving pulses in order to set up a multi-capable measuring system in which a plurality of objects arranged one behind the other on the measuring beam can be evaluated. The output variable is the time of flight designated by the time of flight (TOF), which can already be offset by means of the signal velocity given by the speed of light to a distance value.

Der Messkern 10 umfasst einen FPGA 12, dem die genannten Eingangsgrößen zugeführt werden, einen Integrator 14, welcher in dem FPGA 12 zur Feinmessung erzeugte Pulse auswertet, einen A/D-Wandler 18 zur Digitalisierung der integrierten Ströme oder Spannungen sowie eine nachgeordnete Auswertungseinheit 18, die hier als Mikroprozessor dargestellt ist und welche die abschließenden Berechnungen der einzelnen Zwischenergebnisse zur gesuchten Signallaufzeit ausführt. Auf einer zusätzlichen Verbindung übergibt das FPGA 12 der Auswertungseinheit Zählerwerte einer Grobmessung der Signallaufzeit.The measuring core 10 includes an FPGA 12 to which said input quantities are applied, an integrator 14 which is in the FPGA 12 evaluated for fine measurement pulses, an A / D converter 18 for digitizing the integrated currents or voltages and a downstream evaluation unit 18 , which is shown here as a microprocessor and which executes the final calculations of the individual intermediate results for the desired signal propagation time. On an additional connection passes the FPGA 12 the evaluation unit counter values of a coarse measurement of the signal delay.

3 stellt das FPGA 12 noch einmal einzeln in einem Blockschaltbild dar. Die Implementierung in FPGA-Strukturen verwendet geeignete Elemente, um Fehler aufgrund von Laufzeitunterschieden zu vermeiden. Die Signallaufzeitmessung ist in eine Grobmessung, welche ganze Takte zählt, und eine Feinmessung für den Versatz von Sendepuls und Empfangspuls gegenüber dem Takt aufgeteilt. Das FPGA 12 weist zur Feinmessung einen Starpulsgenerator 20, einen Echopulsgenerator 22 und zur Grobmessung eine Zählereinheit 24 auf. Der Sendepuls wird dem Startpulsgenerator 20 und der Zählereinheit 24, der Empfangspuls dem Echopulsgenerator 22 und der Zählereinheit 24 zugeführt. Darüber hinaus erhalten alle gezeigten Elemente 20, 22, 24 des FPGA 12 den Takt und eine Resetleitung. Die von Startpulsgenerator 20 und Echopulsgenerator 22 für die Feinmessung sind Pulse, die mit I1 bis I6 bezeichnet von dem Integrator 14 oder einer entsprechenden Vielzahl von Integratoren weiterverarbeitet werden. Die Zählereinheit 24 gibt zur Grobmessung Zählerwerte aus. 3 put the FPGA 12 once again in a block diagram. The implementation in FPGA structures uses appropriate elements to avoid errors due to run-time differences. The signal delay measurement is divided into a coarse measurement, which counts whole clocks, and a fine measurement for the offset of transmit pulse and receive pulse with respect to the clock. The FPGA 12 has a star pulse generator for fine measurement 20 , an echo pulse generator 22 and for coarse measurement, a counter unit 24 on. The transmit pulse becomes the start pulse generator 20 and the counter unit 24 , the receive pulse to the echo pulse generator 22 and the counter unit 24 fed. In addition, all elements shown get 20 . 22 . 24 of the FPGA 12 the clock and a reset line. The of start pulse generator 20 and echo pulse generator 22 for the fine measurement are pulses denoted by I1 to I6 from the integrator 14 or a corresponding multiplicity of integrators. The counter unit 24 gives the rough measurement counter values.

4 zeigt noch eine Ebene tiefer die Verschaltung des Startpulsgenerators 20. Der Echopulsgenerator 22 ist vorzugsweise identisch aufgebaut und wird deshalb nicht gesondert erläutert. In 5 sind verschiedene Signalverläufe dargestellt, um die einzelnen Verarbeitungsstufen besser nachvollziehen zu können. 4 shows one more level the interconnection of the start pulse generator 20 , The echo pulse generator 22 is preferably identical and therefore will not be explained separately. In 5 Different signal curves are shown in order to better understand the individual processing stages.

Der eingehende Sendepuls 26 wird zunächst in einer Differenzeingangsstufe 28 zu einem Rechteckpuls 30 gewandelt. Der Rechteckpuls 30 kann direkt als Pulsweite abgegriffen werden. Außerdem wird der Rechteckpuls 30 je einer Anordnung 32a–b von zwei Flipflops und einem AND-Gatter zugeführt, in der anhand des Taktes ein Puls erzeugt wird, der mit einer Flanke des Rechteckpulses 30 beginnt und mit einer Taktflanke endet. Der Unterschied zwischen den Anordnungen 32a–b besteht in einer Invertierung des eingehenden Rechteckpulses 30, so dass einmal ein Puls 34a ausgegeben wird, der den Startzählerversatz zwischen Sendepuls 26a und dem Takt bezogen auf den Pulsbeginn und einmal ein Puls 36a ausgegeben wird, der den Startzählerversatz zwischen Sendepuls und dem Takt bezogen auf das Pulsende misst.The incoming transmission pulse 26 is initially in a differential input stage 28 to a square pulse 30 changed. The square pulse 30 can be tapped directly as pulse width. In addition, the square pulse 30 each one arrangement 32a Supplied by two flip-flops and an AND gate, in which the clock is used to generate a pulse which is connected to one edge of the rectangular pulse 30 begins and ends with a clock edge. The difference between the arrangements 32a -B is an inversion of the incoming square pulse 30 , so once a pulse 34a outputting the start counter offset between transmit pulse 26a and the clock relative to the beginning of the pulse and once a pulse 36a outputting the start counter offset between transmit pulse and clock relative to the end of the pulse.

In 5 sind auch die analogen empfangsseitigen Pulse gezeigt, also die Empfangspulsweite 30b, ein Puls 34b, der den Endzählerversatz zwischen Empfangspuls 26b und Takt bezogen auf den Pulsbeginn, und ein Puls 36, der den Endzählerversatz zwischen Empfangspuls 26b und Takt bezogen auf das Pulsende misst. Die Pulse 30a–b, 34a–b und 36a–b tragen noch jeweils eine zweite Bezeichnung als Ströme I1 bis I6, deren Zuordnung aus der 5 abgelesen werden kann und die auch schon in 2 verwendet sind.In 5 are also the analogue receiving side pulses shown, so the received pulse width 30b , a pulse 34b , which evaluates the final counter offset between receive pulse 26b and pulse relative to the beginning of the pulse, and a pulse 36 , which evaluates the final counter offset between receive pulse 26b and measures clock relative to the end of the pulse. The pulses 30a -b, 34a -Federation 36a -B still carry a second name as currents I1 to I6, their assignment from the 5 can be read and already in 2 are used.

In der Zählereinheit 24 wird die Grobmessung mit dem Sendepuls 26a gestartet und mit dem Empfangspuls 26b beendet. So entstehen Zählerwerte 38, welche die Signallaufzeit entsprechend einem Zählertakt beispielsweise von einigen zehn oder hundert MHz grob messen.In the counter unit 24 becomes the coarse measurement with the transmission pulse 26a started and with the received pulse 26b completed. This produces counter values 38 which roughly measure the signal propagation time in accordance with a counter clock of, for example, several tens or hundreds of MHz.

6 zeigt ein beispielhaftes Schaltbild eines Integrators 14, dem die verschiedenen Pulse 30a–b, 34a–b, 36a–b zugeführt werden. Dabei wird das Signal, hier mit S bezeichnet, vorzugsweise differentiell einmal direkt und einmal invertiert angelegt. Der Kondensator 40 wird durch die Stromquelle 42 in einem Maß aufgeladen, das der Dauer des zugeführten Pulses entspricht. Danach kann das so integrierte entstandene Signal in dem A/D-Wandler 16 in einen digitalen Zahlenwert gewandelt werden. 6 shows an exemplary circuit diagram of an integrator 14 to which the different pulses 30a -b, 34a -b, 36a -B are supplied. In this case, the signal, here denoted by S, preferably differentially applied once directly and once inverted. The capacitor 40 is caused by the power source 42 charged to a level corresponding to the duration of the applied pulse. Thereafter, the resulting integrated signal in the A / D converter can 16 be converted into a digital numerical value.

Der Auswertungseinheit 18 liegen nun die benötigten Einzelwerte zur Berechnung der Signallaufzeit vor, die im Weiteren der Einfachheit halber mit ihren schon eingeführten Symbolen I1 bis I6 bezeichnet werden. Es ist also:

I1
die Pulsweite des Sendepulses 26a
I2
der Startzählerversatz zwischen Sendepuls 26a und dem Takt, bezogen auf den Beginn des Sendepulses 26a
I3
der Startzählerversatz zwischen dem Sendepuls 26a und dem Takt, bezogen auf das Ende des Sendepulses 26a
I4
die Pulsweite des Empfangspulses 26b
I5
der Endzählerversatz zwischen dem Empfangspuls 26b und dem Takt, bezogen auf den Beginn des Empfangspulses 26b,
I6
der Endzählerversatz zwischen dem Empfangspuls 26b und dem Takt, bezogen auf das Ende des Empfangspulses 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.
The evaluation unit 18 Now, the required individual values for calculating the signal propagation time are present, which for the sake of simplicity are referred to below with their already introduced symbols I1 to I6. So it is:
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 the transmission pulse 26a
I3
the start counter offset between the transmit pulse 26a and the clock relative to the end of the transmit pulse 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 received pulse 26b .
I6
the final counter offset between the received pulse 26b and the clock relative to the end of the received pulse 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 26a–b zu erhalten, nämlich t = (tB + tE)/2.These signal propagation times can be used for themselves, but still carry a certain degree of inaccuracy, because it is very difficult to define the start of the pulse and the pulse end level-independent. Therefore, an averaging or focusing is preferably carried out finally to the level-independent signal delay t with respect to the vertex of the pulses 26a -B, namely t = (t B + t E ) / 2.

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)

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 receiving pulse input for supplying a received pulse ( 26b ), a coarse measuring unit ( 24 ), in which a main signal transit time between one of the transmission pulse ( 26a ) certain transmission time and one from the received pulse ( 26b ) particular receiving time in clock periods of a count clock can be determined, a fine measuring unit ( 20 . 22 ), in which a start counter offset between the transmission time and the count clock and a final counter offset between the reception time and the count clock can be determined, and an evaluation unit ( 18 ), which is designed 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 measurement unit ( 20 . 22 ) 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 apply an echo pulse whose duration corresponds to the end counter offset and that the start pulse generator ( 20 ), the final pulse generator ( 22 ) and the coarse measuring unit ( 24 ) on an FPGA ( 12 ) are implemented. Messkern (10) nach Anspruch 1, wobei die Feinmesseinheit (20, 22) mindestens einen dem FPGA (12) nachgeordneten Integrator (14) aufweist, um die Dauer der Startpulssignale und Echopulssignale in einen Strom- oder Spannungswert zu wandeln.Measuring core ( 10 ) according to claim 1, wherein the fine measuring unit ( 20 . 22 ) at least one the FPGA ( 12 ) subordinate integrator ( 14 ) to convert the duration of the start pulse signals and echo pulse signals into a current or voltage value. Messkern (10) nach Anspruch 2, wobei der Integrator (14) einen Kondensator (40) und eine Stromquelle (42) aufweist und die Stromquelle (40) mit dem Kondensator (42) für eine Dauer verbindbar ist, die von einem angelegten Pulssignal (30, 34, 36) abhängt.Measuring core ( 10 ) according to claim 2, wherein the integrator ( 14 ) a capacitor ( 40 ) and a power source ( 42 ) and the power source ( 40 ) with the capacitor ( 42 ) is connectable for a duration that is dependent on an applied pulse signal ( 30 . 34 . 36 ) depends. Messkern (10) nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Integrator (14) einen differentiellen Anschluss aufweist, um mit einem Puls (30, 34, 36) und einer Negation des Pulses (30, 34, 36) differentiell angesteuert zu werden. Measuring core ( 10 ) according to claim 2 or 3, wherein the integrator ( 14 ) has a differential terminal to connect to a pulse ( 30 . 34 . 36 ) and a negation of the pulse ( 30 . 34 . 36 ) to be driven differentially. Messkern (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei dem Integrator (14) ein A/D-Wandler (16) nachgeordnet ist, um den Strom- oder Spannungswert in einen digitalen Wert zur Weiterverarbeitung in der Auswertungseinheit (18) zu wandeln.Measuring core ( 10 ) according to one of claims 2 to 4, wherein the integrator ( 14 ) an A / D converter ( 16 ) is subordinate to the current or voltage value in a digital value for further processing in the evaluation unit ( 18 ) to transform. Messkern (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswertungseinheit (18) auf einem dem FPGA (12) nachgeordneten digitalen Baustein, insbesondere einem Mikroprozessor implementiert ist.Measuring core ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the evaluation unit ( 18 ) on a the FPGA ( 12 ) downstream digital module, in particular a microprocessor is implemented. Messkern (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Startpulsgenerator (20) dafür ausgebildet ist, einen ersten Startpuls (34a) zu erzeugen, dessen zugehöriger Startzählerversatz (I2) auf den Beginn des Sendepulses (26a) bezogen ist, und wobei der Echopulsgenerator (22) dafür ausgebildet ist, einen ersten Echopuls (34b) zu erzeugen, dessen zugehöriger Endzählerversatz (I5) auf den Beginn des Empfangspulses (26b) bezogen ist, so dass in der Auswertungseinheit eine erste Signallaufzeit (tB) bezogen auf den Pulsbeginn bestimmbar ist.Measuring core ( 10 ) according to any one of the preceding claims, wherein the start pulse generator ( 20 ) is adapted to a first start pulse ( 34a ), whose associated start counter offset (I2) to the beginning of the transmission pulse ( 26a ), and wherein the echo pulse generator ( 22 ) is adapted to a first echo pulse ( 34b ) whose associated final counter offset (I5) to the beginning of the received pulse ( 26b ), so that in the evaluation unit a first signal delay time (t B ) relative to the beginning of the pulse can be determined. Messkern (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Startpulsgenerator (20) dafür ausgebildet ist, einen zweiten Startpuls (36a) zu erzeugen, dessen zugehöriger Startzählerversatz (I3) auf das Ende des Sendepulses (26a) bezogen ist, und wobei der Echopulsgenerator (22) dafür ausgebildet ist, einen zweiten Echopuls (36b) zu erzeugen, dessen zugehöriger Endzählerversatz (I6) auf das Ende des Empfangspulses (26b) bezogen ist, so dass in der Auswertungseinheit (18) eine zweite Signallaufzeit (tE) bezogen auf das Pulsende bestimmbar ist.Measuring core ( 10 ) according to any one of the preceding claims, wherein the start pulse generator ( 20 ) is adapted to a second start pulse ( 36a ) whose associated start counter offset (I3) to the end of the transmit pulse ( 26a ), and wherein the echo pulse generator ( 22 ) is adapted to a second echo pulse ( 36b ) whose associated end counter offset (I6) to the end of the received pulse ( 26b ), so that in the evaluation unit ( 18 ) A second signal delay time (t E ) based on the end of the pulse can be determined. Messkern (10) nach Anspruch 7 und 8, wobei die Auswertungseinheit (18) dafür ausgebildet ist, aus der ersten Signallaufzeit (tB) und der zweiten Signallaufzeit (tE) eine auf den Schwerpunkt des Pulses bezogene Signallaufzeit (t) zu bestimmen.Measuring core ( 10 ) according to claim 7 and 8, wherein the evaluation unit ( 18 ) is designed to determine from the first signal delay time (t B ) and the second signal delay time (t E ) a pulse transit time related to the signal (t). Messkern (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Startpulsgenerator (20) dafür ausgebildet ist, einen dritten Startpuls (30a) zu erzeugen, dessen Pulsweite (I1) der Dauer des Sendepulses (26a) entspricht, und/oder wobei der Echopulsgenerator (22) dafür ausgebildet ist, einen dritten Echopuls (30b) zu erzeugen, dessen Pulsweite (I4) der Dauer des Empfangspulses (26b) entspricht.Measuring core ( 10 ) according to any one of the preceding claims, wherein the start pulse generator ( 20 ) is adapted to a third start pulse ( 30a ) whose pulse width (I1) the duration of the transmission pulse ( 26a ), and / or wherein the echo pulse generator ( 22 ) is adapted to a third echo pulse ( 30b ) whose pulse width (I4) the duration of the received pulse ( 26b ) corresponds. Messkern (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Grobmesseinheit (24) und die Feinmesseinheit (20, 22) mindestens einen weiteren Auswertungskanal aufweisen, um die Signallaufzeit zu mindestens einem weiteren Empfangspuls zu bestimmen.Measuring core ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the coarse measuring unit ( 24 ) and the fine measuring unit ( 20 . 22 ) have at least one further evaluation channel in order to determine the signal propagation time to at least one further received pulse. Optoelektronischer Sensor (100), insbesondere Entfernungstaster oder Laserscanner, mit einem Messkern (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, oder Mikrowellen-Sensor, insbesondere frei abstrahlender Füllstandssensor nach dem Radarprinzip oder TDR-Füllstandssensor, mit einem Messkern (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Optoelectronic sensor ( 100 ), in particular distance scanners or laser scanners, with a measuring core ( 10 ) according to one of the preceding claims, or microwave sensor, in particular free radiating level sensor according to the radar principle or TDR level sensor, with a measuring core ( 10 ) according to any one of the preceding claims.
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